Ny teknik udviklet til måling af temperaturfordeling inde i en enkelt katalysatorpartikel

Kemiske reaktioner er sædvanligvis ledsaget af termiske effekter, hvilket uundgåeligt resulterer i temperaturændringer i reaktionssystemet. Derfor er temperatur en vigtig parameter i reaktioner, som kan påvirke kemisk termodynamik og reaktionskinetik.

Præcis måling af temperaturen nær eller ved aktive steder inde i en enkelt katalysatorpartikel under katalyse er vigtig for at etablere reaktionsmekanismen og udvikle den mikroskopiske reaktionskinetik.

For nylig har et forskerhold ledet af prof. Ye Mao og prof. Liu Zhongmin fra Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) ved det kinesiske videnskabsakademi (CAS) udviklet en tredimensionel rumlig-temporal-opløst teknik til måling af temperatur distribution inde i en enkelt industriel zeolit-katalysatorpartikel.

Denne undersøgelse blev offentliggjort i Journal of the American Chemical Society .

Størrelsen af ​​zeolitkatalysatorpartikler, der anvendes i typiske industrielle processer, er generelt ti til hundreder af mikrometer. De aktuelt anvendte termoelementer og infrarød termisk billeddannelse kan dog kun måle katalysatorens overfladetemperatur, og den rumlige opløsning er i millimeter.

For at løse dette problem udviklede forskerne en billeddannelsesteknik med en rumlig opløsning på 800 nm, der realiserede den dynamiske måling af den tredimensionelle rumlige temperaturfordeling inde i den industrielle zeolitkatalysatorpartikel under methanol-til-olefiner (MTO) reaktionerne.

De udviklede denne opkonverteringskonfokale mikroskopiske billeddannelsesteknik ved at implantere opkonverteringsnanotermometeret med højtemperaturmodstand i industrielle zeolitkatalysatorpartikler ved hjælp af en mikrofluidisk chip.

Desuden udviklede forskerne multimodale billeddannelsesteknikker, dvs. konfokal fluorescens og konfokal infrarød mikroskopi, og undersøgte virkningerne af zeolitindhold og partikelstørrelse på den spatiotemporale fordeling af temperatur inde i katalysatorpartiklerne. De afslørede udnyttelsen af ​​aktive steder og udviklingen af ​​reaktionsmellemprodukter under MTO-reaktioner påvirket af heterogen temperaturfordeling.

"Denne teknik giver en ny vej til at forstå varmeoverførslen i katalysatorpartikler mod rationelt design og optimering af industrielle katalysatorer og katalyse," sagde prof. Ye.

Flere oplysninger: Yu Tian et al, Spatiotemporal Heterogeneity of Temperature and Catalytic Activation in Individual Catalyst Particles, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c14305

Leveret af Chinese Academy of Sciences