Катализаторы играют жизненно важную роль в производстве повседневных товаров и в промышленности: от стиральных порошков и самоочищающихся духовых шкафов до производства топлива, пластмасс и медикаментов. Эти вещества ускоряют химические реакции, не изменяясь и не расходуясь при этом.
Несмотря на важность катализаторов, у исследователей нет эффективных методов для изучения их поведения. Например, учёные и промышленность часто не понимают, почему катализаторы, используемые в химическом производстве, со временем теряют свою эффективность. Когда катализаторы выходят из строя, производители несут убытки и сталкиваются с задержками в производстве при замене или восстановлении катализаторов.
Новая технология от исследователей из Айдахской национальной лаборатории (INL)
Исследователи из Айдахской национальной лаборатории (INL) при поддержке Управления энергетической эффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики разработали новый способ изучения катализаторов, чтобы лучше понять, как они работают.
Объединив две методики — временной анализ продуктов (TAP) и спектроскопию в режиме реального времени (operando spectroscopy), — исследователи создали SpectroTAP. Это поможет промышленности разрабатывать более эффективные и долговечные катализаторы.
Исследование под названием «Pulse Response Operando Spectroscopy for Resolving Transient Dynamics» опубликовано в журнале ACS Catalysis.
«Большинство методов анализа катализаторов рассматривают только статические свойства катализатора или продуктов реакции», — сказал Джейсон Мализия, инженер-химик из INL. «Понимание того, как катализаторы ведут себя во время реакции, имеет решающее значение для повышения их производительности и эффективности».
Как работает SpectroTAP
В TAP небольшие импульсы газа подаются на катализатор, вызывая реакцию газа и превращение его в другие продукты. Система TAP фиксирует и измеряет, как быстро образуются новые продукты. Этот метод помогает исследователям понять этапы реакции и то, что влияет на её эффективность.
Спектроскопия в режиме реального времени предоставляет информацию о структуре катализатора и о том, как она меняется во время химической реакции. Она помогает исследователям понять поведение катализатора, обнаруживая цвета света, отражённого или поглощённого компонентами катализатора. Каждый компонент по-разному взаимодействует со светом по мере изменения катализатора, создавая визуальный отпечаток, который может обнаружить спектрометр.
Представьте себе две техники как попытку выяснить, как шеф-повар печёт печенье. TAP определяет, как быстро ингредиенты (мука, яйца, масло, сахар) превращаются в печенье, а operando spectroscopy показывает, что делает шеф-повар (или катализатор) на протяжении всего процесса.
SpectroTAP объединяет эти две методики, чтобы предложить более чёткий и надёжный анализ каталитических реакций, открывая путь для создания катализаторов нового поколения и более экономичных промышленных процессов.
SpectroTAP — результат совместных усилий исследователей INL. Ребекка Фушими, выдающийся учёный-исследователь и ведущий мировой эксперт по TAP, определила возможность объединения TAP со спектроскопией и разработала проект. Джеймс Питтман, лаборант с 30-летним опытом работы с технологией TAP, внёс свой вклад в проектирование и изготовление прототипа реактора. Мализия, эксперт в области спектроскопии, разработал методы для сбора данных о свете, отражённом от катализатора.
Мализия первым показал, что реактор SpectroTAP может собирать данные в реальном времени о том, как катализаторы ведут себя и изменяются во время реакций, давая учёным ценную информацию для улучшения их работы.
Исследователи протестировали SpectroTAP с промышленным катализатором, предоставленным корпорацией Clariant, промышленным партнёром. Они проанализировали катализатор Clariant, используемый для преобразования пропана в пропилен, ключевой ингредиент пластмасс и многих важных потребительских материалов.
«Конечная цель SpectroTAP — обеспечить более глубокое понимание поведения катализаторов», — сказал Мализия. «Это понимание приведёт к разработке катализаторов нового поколения, которые будут более эффективными, производительными и экономически выгодными».
Разработка SpectroTAP представляет собой значительный прогресс в исследованиях катализаторов. SpectroTAP может привести к созданию более избирательных, высокопроизводительных и долговечных катализаторов. Эта инновация может способствовать более эффективным промышленным процессам с сокращением отходов и снижением энергопотребления, что означает снижение затрат для потребителей.
«Мы интегрируем SpectroTAP с другими спектроскопическими методами, такими как рамановская, инфракрасная и фотолюминесцентная, чтобы улучшить его возможности и расширить сферу применения», — сказал Мализия. «Использование этих методов позволит проводить более комплексные исследования, предлагая более глубокое понимание поведения катализаторов и разработку катализаторов нового поколения».
Рамановская спектроскопия
Рамановская спектроскопия направляет лазер на образец, чтобы наблюдать, как свет взаимодействует с молекулами в образце. Этот метод предоставляет информацию о молекулярном составе образца и химических связях.
Предоставлено:
Айдахская национальная лаборатория