Kemiska reaktioner åtföljs vanligtvis av termiska effekter, vilket oundvikligen resulterar i temperaturförändringar i reaktionssystemet. Därför är temperatur en viktig parameter i reaktioner, vilket kan påverka kemisk termodynamik och reaktionskinetik.
Exakt mätning av temperaturen nära eller på aktiva platser inuti en enskild katalysatorpartikel under katalys är viktigt för att etablera reaktionsmekanismen och utveckla den mikroskopiska reaktionskinetiken.
Nyligen har ett forskarlag under ledning av prof. Ye Mao och prof. Liu Zhongmin från Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS) utvecklat en tredimensionell spatiotemporal-upplöst teknik för mätning av temperatur distribution inuti en enda industriell zeolit-katalysatorpartikel.
Denna studie publicerades i Journal of the American Chemical Society .
Storleken på zeolitkatalysatorpartiklar som används i typiska industriella processer är i allmänhet tiotals till hundratals mikron. De för närvarande använda termoelementen och infraröd värmeavbildning kan dock bara mäta yttemperaturen på katalysatorn, och den rumsliga upplösningen är i millimeter.
För att lösa detta problem utvecklade forskarna en avbildningsteknik med en rumslig upplösning på 800 nm, för att realisera den dynamiska mätningen av den tredimensionella spatiotemporala fördelningen av temperatur inuti den industriella zeolitkatalysatorpartikeln under metanol-till-olefiner (MTO)-reaktionerna.
De utvecklade denna konfokala mikroskopiska avbildningsteknik för uppkonvertering genom att implantera nanotermometern med uppkonvertering med hög temperaturbeständighet i industriella zeolitkatalysatorpartiklar med hjälp av ett mikrofluidchip.
Vidare utvecklade forskarna multimodala avbildningstekniker, det vill säga konfokal fluorescens och konfokal infraröd mikroskopi, och undersökte effekterna av zeolitinnehåll och partikelstorlek på den spatiotemporala fördelningen av temperatur inuti katalysatorpartiklarna. De avslöjade användningen av aktiva platser och utvecklingen av reaktionsintermediärer under MTO-reaktioner påverkade av heterogen temperaturfördelning.
"Denna teknik ger en ny väg för att förstå värmeöverföringen i katalysatorpartiklar mot rationell design och optimering av industriella katalysatorer och katalys", säger Prof. Ye.
Mer information: Yu Tian et al, Spatiotemporal Heterogeneity of Temperature and Catalytic Activation within Individual Catalyst Particles, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c14305
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
