解開HZSM-5催化失活之謎，開發新型燃料

材料牛注：伯克利實驗室和西北太平洋國家實驗室運用技術聯合研究了乙醇燃燒中焦炭形成機制，有助于開發新燃料。

研究人員已經發現了關于停止麻煩的沉積或減緩對生產燃料以及其他過程重要的化學反應的新的原子尺度下的細節，這種對反應的破壞稱為失活或中毒。

研究小組采用了一種組合的測量方式，包括在美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）的X射線實驗收集最詳盡的信息，對沉積的有影響的炭——稱為“焦炭”進行了研究，并且想辦法阻止其形成或減少其影響。

11月23日的科學報告中，研究人員詳細介紹了集中在HZSM-5（常用于生物燃料生產和煉油工業中稱為沸石的一種催化劑）上的沉積研究。催化劑是有助于促進和加速反應卻不參與反應的材料，而沸石的焦炭沉積物在石油提煉和化工生產中是一個令人頭疼的問題。

這項研究是將乙醇和其他源自生物有機質的化合物轉化為可再生燃料這個更大研發工作中的一部分。恢復催化劑功能的一個常用方法是加熱和燃燒焦炭化合物，但這可能會導致永久性損壞催化劑的結構。

最新的研究對焦炭的形成提供了新的理解，可以幫助研究人員從催化劑內部、表面設計新的催化劑或者以其他方式改變化學成分和參數來提高催化劑的性能。

研究團隊用于探索焦炭化學沉積物的多元方法為伯克利實驗室先進光源計劃中的一套稱為AMBER（在一個地方將多元X射線和其他實驗技術相結合）的新工具提供了幫助。ALS科學支持副司Zahid Hussain解釋說， AMBER可以將多種技術運用在相同的光線上，因此你能更全面的處理問題，不僅是用X射線，而且可以運用在標準實驗室提供的技術。

“你將能夠在同一個地方制造材料、描述并分析它們，這是一站式購物。另外，科學家也可以運用AMBER研究活性化學。” Hussain表示。

“西北太平洋國家實驗室（PNNL）已與伯克利實驗室合作開發AMBER，而且由PNNL研究人員進行的最新研究工作為從AMBER計劃的 “多模態”方式收益提供了一個實例，AMBER預計將在兩年內為試驗做好準備。”Hussain說。

“我們的重點是在高分辨率下探測原子尺度的焦炭位置，我們想了解這個焦化機制，它阻礙了哪里的反應以及它是如何阻止的。通過使用技術的組合，我們可以將它們相互比較，并形成一個完整的體系。” 這項研究的第一作者，PNNL的科學家Arun Devaraj解釋道。

ALS的X射線吸收光譜技術，與PNNL的核磁共振光譜一起表征了焦炭分子的化學特征。同時，該研究團隊使用PNNL的原子探針層析成像（APT）方法收集的三維重建圖像顯示，負責焦化的含碳分子分布在催化劑的孔隙中。

研究人員發現，在新沸石催化劑中，鋁的不均勻分布引起乙醇轉化反應中焦炭沉積的不均勻分布，焦炭的形成似乎與富鋁區域的HZSM-5微孔相關。

PNNL的科學家Karthikeyan K. Ramasamy認為：“焦炭的形成信息和位置信息將有益于團隊探索其他方式將乙醇（一種常見的汽油添加劑）和其他源自可再生資源的化合物轉換為與現有的燃料系統兼容的燃料。

他還表示，PNNL的一個研究團隊正在研究多種途徑將生質轉化為高價值的化合物。而在沸石中焦炭分子的理解將在煉油廠和可再生能源行業提供廣泛的好處，并且沸石是高效利用的催化劑之一。

Hussain說，“除了化學研究，現在AMBER站在伯克利實驗室ALS的發展將用于電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的環境分子科學實驗室（EMSL）進行的，EMSL不僅擁有先進的光源而且是美國能源部科學用戶設施辦公室。”

原文鏈接：Scientists trace 'poisoning' in chemical reactions to the atomic scale

本文由編輯部楊超提供素材，王飛編譯，黃超審核；點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷。