一、托分【导读】
费托（Fischer-Tropsch）分解，解中监测可简称为FT反映，质料它以分解气（CO+H2）为质料在催化剂（次若是托分铁系）以及适量反映条件下分解以石蜡烃为主的液体燃料的工艺历程。在反映条件下对于催化剂颗粒外部的解中监测反映产物妨碍原位表征对于清晰以及优化催化剂的功能起到关键熏染。当初对于费托催化剂的质料原位表征主要会集在对于催化剂活性位点及其本征能源学的钻研。可是托分在工业尺度的费托分解中，其催化剂的解中监测功能及反映产物扩散还会清晰地受到传质历程的影响。在工业相关尺度上对于催化剂行动妨碍原位表征还存在很大的质料挑战。
二、托分【下场掠影】
为处置这一难题，解中监测英国剑桥大学Lynn F. Gladden教授团队运用核磁共振成像深入清晰了在220℃以及37°C操作的质料中试规模牢靠床反映器中爆发的费托分解反映历程中催化剂颗粒外部的产物妨碍了原位成像表征。试验丈量了颗粒内产物的托分散漫系数以及碳数扩散。该钻研定量地表征了在工业相关尺度上传质历程对于催化剂行动的解中监测影响。同时成像服从揭示了反映器以及催化剂颗粒外部产物的质料空间扩散。相关钻研下场以“Operando magnetic resonance imaging of product distributions within the pores of catalyst pellets during Fischer-Tropsch synthesis”为题宣告在国内驰名期刊Nature Catalysis上。
三、【中间立异点】
运用核磁共振成像技术对于费托分解反映历程中催化剂颗粒外部的产物妨碍了原位成像表征，试验丈量了颗粒内产物的散漫系数以及碳数扩散，揭示了反映器以及催化剂颗粒外部产物的空间扩散。
四、【数据概览】
图1 反映器图示以及反映数据© Springer Nature
（a）中试规模FT反映器展现图。
（b）在差距进料比（FR）下的CO转化率（XCO）。
（c）差距进料比下C5+物种的抉择性。
（d）差距进料比下反映器进口处H2/CO比。
（e）从反映器进口群集的产物蜡（液态烃产物）的碳数（NC）扩散。
（f）碳数（NC）在30-50规模内的进口产物蜡的Anderson-Schulz-Flory曲线。
图2 成像催化剂床妄想以及反映器内的液体扩散© Springer Nature
反映器内液体产物的3D 1H MRI图像。
图3 孔填充以及传质历程对于催化剂抉择性的影响© Springer Nature
（a）在H2/CO进料比为2的反映开始时期取患上的催化剂层1的2D 1H强度图像展现有液体产物填充催化剂孔。
（b）催化剂层1的总信号强度展现了催化剂层的孔隙以及颗粒间的液体积攒。
（c）在反映开始时期丈量的催化剂层1中的颗粒内液体的平均散漫系数以及响应的碳数。
（d）在反映开始时期经由GC丈量的CH4以及C5+的抉择性。
（e）孔隙饱以及水平与催化剂抉择性之间的关连。
图4 颗粒内产物平均散漫系数的2D图© Springer Nature
在每一个图像像素处，运用空间分说脉冲场梯度NMR试验取患上份子散漫系数D的扩散，由此合计平均散漫系数。
图5 球团内产物的平均碳数© Springer Nature
（a）颗粒内产物NC的2D图。
（b）（a）中图像中展现的NC值的统计扩散。
图6 单个催化剂颗粒内的碳数扩散© Springer Nature
（a）在进料比为0.5时从催化剂层3取患上的NC的淘汰图。
（b）对于所钻研的三种进料比，（a）中紫色框的颗粒内的NC的统计扩散。
（c）（a）中箭头所示的像素的三种进料比中每一种的碳数扩散。
图7 颗粒内液体产物以及群集蜡之间的比力© Springer Nature
（a）对于差距进料比，将反映器中所有层上平均的颗粒内产物的NC与反映器进口处群集的蜡的NC的比力。
（b）H2以及CO消融在差距NC值的蜡混合物中的实用散漫率De。
（c）H2以及CO在差距NC值的蜡混合物中的亨利定律常数。
图8 在催化剂孔中水的动态现场原位表征© Springer Nature
将化学位移以及T1弛豫光阴相关的2D 1H光谱用于分说反映器中存在的碳氢化合物、含氧化合物以及水。
五、【下场开辟】
本钻研报道了在中试牢靠床反映器中FT分解历程中在单个催化剂颗粒内组成的产物扩散的原位MRI成像。碳氢化合物产物的份子散漫以及碳数在反映器以及单个1wt % Ru/TiO2催化剂颗粒空间内均有扩散。这些数据证实除了纳米级催化剂活性外，传质对于催化剂功能的紧张性。特意是，要在催化剂孔隙中抵达稳态，需要长达三周的启动光阴。此外，在催化剂孔中实现晃动形态需要长达三周的启动光阴，而且孔中存在的平均碳数可能是产物蜡中的两倍，钻研还实现为了孔隙中存在的水以及含氧化合物的操作特色，证明了孔隙概况存在富水液体。本钻研揭示了核磁共振技术在反映器以及催化剂原位表征上的重大后劲，其中所运用的丈量本领可能扩展赴任异的反映系统对于反映器以及催化剂内传质以及反映的耦合妨碍原位表征，从而增长催化历程的优化。
原文概况：Operando magnetic resonance imaging of product distributions within the pores of catalyst pellets during Fischer–Tropsch synthesis (Nature Catalysis2023, 6, 185-195)
本文由赛恩斯供稿。
