Chemische reacties gaan gewoonlijk gepaard met thermische effecten, wat onvermijdelijk resulteert in temperatuurveranderingen in het reactiesysteem. Daarom is temperatuur een belangrijke parameter bij reacties, die de chemische thermodynamica en reactiekinetiek kan beïnvloeden.

Nauwkeurige meting van de temperatuur nabij of op actieve plaatsen binnen een enkel katalysatordeeltje tijdens katalyse is belangrijk voor het vaststellen van het reactiemechanisme en het ontwikkelen van de microscopische reactiekinetiek.

Onlangs heeft een onderzoeksteam onder leiding van prof. Ye Mao en prof. Liu Zhongmin van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) een driedimensionale spatiotemporeel opgeloste techniek ontwikkeld voor het meten van temperatuur verdeling binnen één enkel industrieel zeoliet-katalysatordeeltje.

Deze studie werd gepubliceerd in Journal of the American Chemical Society .

De grootte van de zeolietkatalysatordeeltjes die in typische industriële processen worden gebruikt, bedraagt ​​in het algemeen tientallen tot honderden microns. De momenteel gebruikte thermokoppels en infrarood-warmtebeelden kunnen echter alleen de oppervlaktetemperatuur van de katalysator meten, en de ruimtelijke resolutie bedraagt ​​millimeters.

Om dit probleem op te lossen, ontwikkelden de onderzoekers een beeldvormingstechniek met een ruimtelijke resolutie van 800 nm, waarmee de dynamische meting van de driedimensionale spatiotemporele temperatuurverdeling in het industriële zeolietkatalysatordeeltje tijdens de methanol-naar-olefinen (MTO)-reacties werd gerealiseerd.

Ze ontwikkelden deze confocale microscopische beeldvormingstechniek met opwaartse conversie door de opwaartse conversie nanothermometer met hoge temperatuurbestendigheid te implanteren in industriële zeolietkatalysatordeeltjes met behulp van een microfluïdische chip.

Bovendien ontwikkelden de onderzoekers multimodale beeldvormingstechnieken, dat wil zeggen confocale fluorescentie en confocale infraroodmicroscopie, en onderzochten ze de effecten van het zeolietgehalte en de deeltjesgrootte op de spatiotemporele temperatuurverdeling in de katalysatordeeltjes. Ze onthulden het gebruik van actieve locaties en de evolutie van reactietussenproducten tijdens MTO-reacties die beïnvloed worden door heterogene temperatuurverdeling.

"Deze techniek biedt een nieuw pad om de warmteoverdracht in katalysatordeeltjes te begrijpen in de richting van het rationele ontwerp en de optimalisatie van industriële katalysatoren en katalyse", aldus prof. Ye.

Meer informatie: Yu Tian et al., Spatiotemporele heterogeniteit van temperatuur en katalytische activering binnen individuele katalysatordeeltjes, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c14305

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen