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解开HZSM-5催化失活之谜,开发新型燃料

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材料牛注:

伯克利实验室和西北太平洋国家实验室运用技术联合研究了乙醇燃烧中焦炭形成机制,有助于开发新燃料。

研究人员已经发现了关于停止麻烦的沉积或减缓对生产燃料以及其他过程重要的化学反应的新的原子尺度下的细节,这种对反应的破坏称为失活或中毒。

研究小组采用了一种组合的测量方式,包括在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的X射线实验收集最详尽的信息,对沉积的有影响的炭——称为“焦炭”进行了研究,并且想办法阻止其形成或减少其影响。

11月23日的科学报告中,研究人员详细介绍了集中在HZSM-5(常用于生物燃料生产和炼油工业中称为沸石的一种催化剂)上的沉积研究。催化剂是有助于促进和加速反应却不参与反应的材料,而沸石的焦炭沉积物在石油提炼和化工生产中是一个令人头疼的问题。

这项研究是将乙醇和其他源自生物有机质的化合物转化为可再生燃料这个更大研发工作中的一部分。恢复催化剂功能的一个常用方法是加热和燃烧焦炭化合物,但这可能会导致永久性损坏催化剂的结构。

最新的研究对焦炭的形成提供了新的理解,可以帮助研究人员从催化剂内部、表面设计新的催化剂或者以其他方式改变化学成分和参数来提高催化剂的性能。

研究团队用于探索焦炭化学沉积物的多元方法为伯克利实验室先进光源计划中的一套称为AMBER(在一个地方将多元X射线和其他实验技术相结合)的新工具提供了帮助。ALS科学支持副司Zahid Hussain解释说, AMBER可以将多种技术运用在相同的光线上,因此你能更全面的处理问题,不仅是用X射线,而且可以运用在标准实验室提供的技术。

“你将能够在同一个地方制造材料、描述并分析它们,这是一站式购物。另外,科学家也可以运用AMBER研究活性化学。” Hussain表示。

“西北太平洋国家实验室(PNNL)已与伯克利实验室合作开发AMBER,而且由PNNL研究人员进行的最新研究工作为从AMBER计划的 “多模态”方式收益提供了一个实例,AMBER预计将在两年内为试验做好准备。”Hussain说。

“我们的重点是在高分辨率下探测原子尺度的焦炭位置,我们想了解这个焦化机制,它阻碍了哪里的反应以及它是如何阻止的。通过使用技术的组合,我们可以将它们相互比较,并形成一个完整的体系。” 这项研究的第一作者,PNNL的科学家Arun Devaraj解释道。

ALS的X射线吸收光谱技术,与PNNL的核磁共振光谱一起表征了焦炭分子的化学特征。同时,该研究团队使用PNNL的原子探针层析成像(APT)方法收集的三维重建图像显示,负责焦化的含碳分子分布在催化剂的孔隙中。

研究人员发现,在新沸石催化剂中,铝的不均匀分布引起乙醇转化反应中焦炭沉积的不均匀分布,焦炭的形成似乎与富铝区域的HZSM-5微孔相关。

PNNL的科学家Karthikeyan K. Ramasamy认为:“焦炭的形成信息和位置信息将有益于团队探索其他方式将乙醇(一种常见的汽油添加剂)和其他源自可再生资源的化合物转换为与现有的燃料系统兼容的燃料。

他还表示,PNNL的一个研究团队正在研究多种途径将生质转化为高价值的化合物。而在沸石中焦炭分子的理解将在炼油厂和可再生能源行业提供广泛的好处,并且沸石是高效利用的催化剂之一。

Hussain说,“除了化学研究,现在AMBER站在伯克利实验室ALS的发展将用于电池和人工光合作用的工作,并支持其他可再生能源研究。有些工作是在PNNL的环境分子科学实验室(EMSL)进行的,EMSL不仅拥有先进的光源而且是美国能源部科学用户设施办公室。”

原文链接:Scientists trace 'poisoning' in chemical reactions to the atomic scale(见下方“阅读原文”)

本文由编辑部杨超提供素材,王飞编译,黄超审核;点击下方“阅读原文”进入材料牛报名加入编辑部。

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