大連化物所開發(fā)催化劑顆粒內(nèi)溫度分布三維時空分辨測量方法
近日，中國科學院大連化學物理研究所低碳催化與工程研究部研究員葉茂、中國工程院院士劉中民團隊在催化劑顆粒溫度測量方面取得新進展，開發(fā)出單個工業(yè)分子篩催化劑顆粒內(nèi)溫度分布三維時空分辨測量方法，揭示了強放熱的甲醇制烯烴（MTO）反應過程中催化劑顆粒內(nèi)溫度的時空非均勻動態(tài)變化，及其對催化活性位利用和反應中間體形成和演變的影響機制。
化學反應的發(fā)生通常伴隨熱效應，進而使得反應體系溫度不可避免地發(fā)生變化。溫度作為影響化學熱力學與反應動力學的最重要參數(shù)，準確測量催化反應過程中單個催化劑顆粒內(nèi)活性位附近的溫度，對于揭示反應機理與構(gòu)建準確的微觀反應動力學具有重要的意義。
典型的工業(yè)過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量催化劑外表面溫度，空間分辨率為毫米量級，因此精準測量工業(yè)尺度的催化劑顆粒內(nèi)溫度分布一直以來是一項重要挑戰(zhàn)。
本工作中，團隊針對這一挑戰(zhàn)，開發(fā)了空間分辨率為800納米的溫度成像測量方法，實現(xiàn)了催化反應過程中工業(yè)尺度分子篩催化劑顆粒內(nèi)溫度的三維時空分布動態(tài)測量。團隊采用微流控技術(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)，實現(xiàn)了MTO反應過程分子篩催化劑顆粒內(nèi)三維溫度的時空分布測量。在此基礎上，團隊進一步發(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、顆粒尺寸對催化劑內(nèi)溫度時空分布的影響，揭示了MTO過程中催化劑顆粒溫度時空非均勻分布對活性位利用、反應中間體形成和演化的影響機制。本工作直接測量了催化劑顆粒內(nèi)溫度分布，為深入理解催化劑顆粒內(nèi)的熱量傳遞過程，實現(xiàn)工業(yè)催化劑的理性設計與反應工藝優(yōu)化提供了一條全新的途徑。
相關研究成果以“Spatiotemporal heterogeneity of temperature and catalytic activation within individual catalyst particle”為題，近日發(fā)表在《美國化學會志》（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。該工作得到了國家自然科學基金、中國科學院A類先導專項“變革性潔凈能源關鍵技術(shù)與示范”等項目資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c14305
