Исследовательская группа использовала комбинацию измерений, в том числе рентгеновские эксперименты в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (лаборатория Беркли), чтобы собрать наиболее подробную информацию о проблемных углеродных отложениях, называемых «коксом», и найти способы чтобы предотвратить его образование или уменьшить его эффекты.
Подробно в ноябре. 23 издание Scientific Reports, исследование было сосредоточено на отложениях на HZSM-5, распространенном типе катализатора, известном как цеолит, который используется в производстве биотоплива и в нефтеперерабатывающей промышленности. Катализаторы – это материалы, которые помогают стимулировать и ускорять реакции, не расходясь в процессе, а отложения кокса в цеолитах – дорогостоящая проблема при переработке нефти и нефтехимическом производстве.
Это исследование было частью более масштабных исследований и разработок по превращению этанола и других соединений, полученных из биомассы (органического вещества), в возобновляемые виды топлива.
Обычный способ восстановить функцию катализатора – нагреть и сжечь коксовые соединения, хотя это может вызвать необратимое повреждение структуры катализатора.
Последнее исследование позволяет по-новому взглянуть на образование кокса как внутри, так и на поверхности катализатора, что может помочь исследователям в разработке новых катализаторов или другом изменении химических компонентов и параметров для улучшения характеристик катализатора.
Множественные методы, которые исследовательская группа использовала для изучения химического состава коксовых отложений, помогают подготовить почву для нового набора инструментов в работе Лаборатории Беркли Advanced Light Source, получившего название AMBER (Advanced Materials Beamline for Energy Research). объединит несколько рентгеновских и других экспериментальных методов в одном месте.
«Концепция AMBER состоит в том, чтобы использовать различные методы, доступные на одном канале луча, чтобы вы могли решать проблему более комплексно – не только с помощью рентгеновских лучей, но и с помощью методов, доступных в стандартных лабораториях», – сказал Захид Хуссейн, заместитель отдела. за научную поддержку в ALS.
"Вы сможете создавать материалы, характеризовать их и анализировать в одном месте. Это «универсальный магазин», – сказал Хуссейн, добавив, что ученые также смогут изучать активную химию с помощью AMBER.
По словам Хуссейна, Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория (PNNL) в партнерстве с Berkeley Lab разработала AMBER, а последнее исследование было проведено исследователями PNNL и представляет собой пример работы, которая выиграет от этого «мультимодального» подхода, запланированного в AMBER. Ожидается, что AMBER будет готов к экспериментам в течение двух лет.
«Мы сосредоточились на том, где находится кокс, в атомном масштабе с высоким разрешением», – сказал Арун Деварадж, научный сотрудник PNNL, который был ведущим автором исследования. «Мы хотели понять этот механизм коксования, где он блокирует реакцию и как она блокирует ее.
Используя комбинацию техник, мы могли сравнить их друг с другом и составить полную историю."
Рентгеновский метод, называемый спектроскопией поглощения рентгеновских лучей, выполняемый в ALS, наряду с формой спектроскопии ядерного магнитного резонанса в PNNL, обеспечил химическую сигнатуру для молекул кокса. Кроме того, исследовательская группа использовала метод, называемый атомно-зондовой томографией (APT) в PNNL, чтобы собрать 3-D реконструированные изображения, показывающие, как углеродсодержащие молекулы, ответственные за коксование, распределяются в порах катализатора.
Исследователи обнаружили, что неравномерное распределение алюминия в свежем цеолитном катализаторе вызывает неравномерное распределение отложений кокса во время реакций превращения этанола.
Накопление кокса, по-видимому, связано с богатыми алюминием областями в порах HZSM-5.
Картикеян К. Рамасами, также штатный научный сотрудник PNNL, сказал, что эта информация о коксовых образованиях и их местонахождении будет полезна, поскольку команда исследует другие способы превращения этанола, обычной добавки в бензин, и других соединений, полученных из возобновляемых источников, в источники топлива, совместимые с существующими заправками. системы.
Он также сказал, что группа исследователей из PNNL работает над несколькими способами преобразования биомассы в более ценные соединения. «Понимание молекул кокса в цеолитах обеспечит широкие преимущества для нефтеперерабатывающих предприятий и отраслей возобновляемой энергетики, а цеолит является одним из наиболее часто используемых катализаторов», – сказал он.
Хуссейн сказал, что в дополнение к химическим исследованиям станция AMBER, которая сейчас разрабатывается в лаборатории Беркли, будет использоваться для работы с батареями и искусственного фотосинтеза, а также для поддержки других исследований в области возобновляемых источников энергии.