大連化物所開(kāi)發(fā)催化劑顆粒內(nèi)溫度分布三維時(shí)空分辨測(cè)量方法

近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所低碳催化與工程研究部研究員葉茂、中國(guó)工程院院士劉中民團(tuán)隊(duì)在催化劑顆粒溫度測(cè)量方面取得新進(jìn)展，開(kāi)發(fā)出單個(gè)工業(yè)分子篩催化劑顆粒內(nèi)溫度分布三維時(shí)空分辨測(cè)量方法，揭示了強(qiáng)放熱的甲醇制烯烴（MTO）反應(yīng)過(guò)程中催化劑顆粒內(nèi)溫度的時(shí)空非均勻動(dòng)態(tài)變化，及其對(duì)催化活性位利用和反應(yīng)中間體形成和演變的影響機(jī)制。

化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生通常伴隨熱效應(yīng)，進(jìn)而使得反應(yīng)體系溫度不可避免地發(fā)生變化。溫度作為影響化學(xué)熱力學(xué)與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的最重要參數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量催化反應(yīng)過(guò)程中單個(gè)催化劑顆粒內(nèi)活性位附近的溫度，對(duì)于揭示反應(yīng)機(jī)理與構(gòu)建準(zhǔn)確的微觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)具有重要的意義。

典型的工業(yè)過(guò)程使用的分子篩催化劑顆粒一般大小為幾十到幾百微米。目前，廣泛使用的熱電偶與紅外熱成像只能測(cè)量催化劑外表面溫度，空間分辨率為毫米量級(jí)，因此精準(zhǔn)測(cè)量工業(yè)尺度的催化劑顆粒內(nèi)溫度分布一直以來(lái)是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

本工作中，團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)了空間分辨率為800納米的溫度成像測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了催化反應(yīng)過(guò)程中工業(yè)尺度分子篩催化劑顆粒內(nèi)溫度的三維時(shí)空分布動(dòng)態(tài)測(cè)量。團(tuán)隊(duì)采用微流控技術(shù)創(chuàng)新性地將上轉(zhuǎn)換納米高溫溫度探針“植入”工業(yè)尺度的分子篩催化劑顆粒中，利用上轉(zhuǎn)換-共聚焦顯微成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了MTO反應(yīng)過(guò)程分子篩催化劑顆粒內(nèi)三維溫度的時(shí)空分布測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展了耦合共聚焦熒光與共聚焦紅外的多模態(tài)成像技術(shù)，研究了催化劑分子篩含量、顆粒尺寸對(duì)催化劑內(nèi)溫度時(shí)空分布的影響，揭示了MTO過(guò)程中催化劑顆粒溫度時(shí)空非均勻分布對(duì)活性位利用、反應(yīng)中間體形成和演化的影響機(jī)制。本工作直接測(cè)量了催化劑顆粒內(nèi)溫度分布，為深入理解催化劑顆粒內(nèi)的熱量傳遞過(guò)程，實(shí)現(xiàn)工業(yè)催化劑的理性設(shè)計(jì)與反應(yīng)工藝優(yōu)化提供了一條全新的途徑。

相關(guān)研究成果以“Spatiotemporal heterogeneity of temperature and catalytic activation within individual catalyst particle”為題，近日發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）上。該工作的第一作者是大連化物所碩士研究生田宇（已畢業(yè)）和高銘濱副研究員。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院A類先導(dǎo)專項(xiàng)“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”等項(xiàng)目資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c14305