In Leiden zijn de eerste beelden gepresenteerd van een Fischer-Tropschreactie in close-up. De geproduceerde koolwaterstoffen lijken zich verrassend netjes op te lijnen op de kobaltkatalysator, valt te lezen in Nature Chemistry.
Wat je ziet zijn ook inderdaad lijntjes want de resolutie van de gebruikte scanning tunnelling-microscoop (STM) is nog niet voldoende om afzonderlijke moleculen te zien, laat staan atomen. Maar uit de breedte kun je afleiden dat die lijntjes zijn opgebouwd uit ketens van 14 of 15 koolstofatomen, die naast elkaar liggen. En dat is apart, want bij Fischer-Tropsch verwacht je juist een veel grotere spreiding tussen de lengtes van die ketens.
De reactie in kwestie, ook bekend als gas (of biomass, of desnoods coal) to liquids, is al bijna een eeuw de meest populaire manier om synthetische benzine of diesel te maken. In een vergasser zet je een koolstofhoudende grondstof om in synthesegas, een mengsel van waterstof en koolstofmonoxide. Van dat gas maak je weer alkanen, dus CnH2n+2.
In feite is het een polymerisatiereactie waarbij je aan de alkaanketens telkens een extra CH2 toevoegt, totdat de reactie om de een of andere reden stopt. Dat toevoegen wordt gekatalyseerd door het oppervlak van een overgangsmetaal zoals ijzer of kobalt. Dat oppervlak is vaak trapvormig en vermoed wordt dat de randjes het eigenlijke werk doen en de vlakke stukken dienen als een soort opslagruimte voor de gevormde alkanen.
Het onderzoek van Violeta Navarro (inmiddels bij TNO in Delft), Matthijs van Spronsen (inmiddels postdoc op Harvard) en Joost Frenken (inmiddels wetenschappelijk directeur van ARCNL in Amsterdam) lijkt dat te bevestigen. Ze gebruikten er de Leidse ReactorSTM voor, een instrument dat een stuk dichter in de buurt van industriële procescondities komt dan een ‘gewone’ laboratorium-STM. Je kunt er metingen in doen bij temperaturen tot 350 ºC en gasdrukken van een aantal bar, wat voor Fischer-Tropschreacties ook wel nodig is.
En dan zie je na 30 minuten dus die streepjes ontstaan.
De auteurs denken dat het theoretisch heel eenvoudig is te verklaren. Er bestaat een evenwicht tussen ketens die geadsorbeerd zijn aan het oppervlak, en ketens die er in dampvorm boven zweven. De ligging van dat evenwicht hangt af van de ketenlengte, die immers bepaalt hoe stevig de absorptie is. Je kunt berekenen dat bij een ketenlengte van 15 koolstofatomen inderdaad een omslagpunt wordt bereikt: de hoeveelheid moleculen op het oppervlak wordt dan juist groot genoeg voor de vorming van eilandjes, die uitgroeien tot zichtbare strepen.
Het klopt dus precies met de waarnemingen, alleen zou het volgens de berekening al na 20 minuten zo ver moeten zijn.
Het verklaart tevens hoe het komt dat verse Fischer-Tropschkatalysatoren even tijd nodig hebben voordat ze een product van constante kwaliteit afleveren. Die tijd is dus nodig om het hele oppervlak met van die strepen te bedekken, op de katalytisch actieve randjes na. Op dat laagje hechten alkanen veel slechter dan op het metaaloppervlak, dus als het metaal helemaal is bedekt komen ze ineens veel sneller los en zijn dus ook veel sneller de reactor uit.
Tot nu toe werd vaak aangenomen dat het meetaaloppervlak zélf verandert door de hoge temperatuur en druk, maar dat zou dus wel eens een misrekening kunnen zijn.
bron: Universiteit Leiden
Nog geen opmerkingen