真实反应条件下催化剂动态微观结构原位表征装置

Most chemical reaction processes in industry are catalytic ones, where the performance of the catalysts used in these processes is largely dependent on their surface microstructure. X-ray plays an important role in the characterization of catalyst structure; however, up to present the researches on the state of catalyst active sites under real reaction conditions as well as the transition of active species along with the reaction courses are rather insufficient because of various technical problems. In recent years, with the upgrading of Beijing Light Source and the operation of Shanghai Light Source of third generation, the synchrotron radiation X-ray of high brightness, high collimation and adjustable intensity produced by them provides excellent chances for conducting catalyst characterization under unconventional conditions. In this project, therefore, we are intent on developing a set of devices, which can make good use of various synchrotron radiation X-ray techniques like XAFS, XRD, and SAXS/WAXS, to characterize the catalysts in situ under real reaction conditions. During the design, building and testing of the devices, we will investigate the catalyst structure in various processes like the crystallization of molecular sieves, methanol conversion to hydrocarbons, and reactive adsorption desulfurization of oil products. Such devices will be helpful to reveal the state of catalyst active sites under real reaction conditions as well as the transition of active species along with the reaction courses for various catalytic reaction processes, which will break a new path to understand the catalytic reaction mechanism through acquainting the actual catalyst surface microstructure under real reaction conditions.

绝大多数化学反应过程属于催化过程，所用催化剂的表面微观结构是决定其反应性能至关重要的因素。X射线在催化剂结构分析表征方面占有十分重要的地位，但鉴于此前技术条件的限制，很少有人对真实反应条件下催化剂活性中心及其变迁规律进行研究。近年来，北京光源升级改造已经完成，第三代上海光源业已竣工开放；高亮度、高准直、能量可调的同步辐射X光，为许多常规条件下无法进行的研究提供了可能。本项目就是研制一套可以综合采用同步辐射X光技术的多种手段（如XAFS、XRD、SAXS/WAXS等），对种类繁多、形态各异、特性不同的催化剂在其相应反应工艺条件下进行原位在线表征的装置。在设计、建造、调试装置的同时，还将对我们有一定前期研究基础的分子筛催化剂的晶化过程，超深度脱硫Ni/ZnO催化剂的活化、反应、再生等过程进行深入系统的研究，为研究真实反应条件下催化剂动态微观结构和催化反应机理开辟一条新的有效途径。

绝大多数化学反应过程属于催化过程，所用催化剂的表面微观结构是决定其反应性能至关重要的因素。X射线在催化剂结构分析表征方面占有十分重要的地位，但由于催化反应过程都是在一定条件下进行，催化剂的微观结构随所处气氛、工艺条件和反应进程而变化，离线表征难以提供真实的催化作用活性中心的结构信息。. 本项目充分利用同步辐射X光源的高亮度、高准直和能量可调等特性，针对多数催化剂制备和催化反应操作的工艺条件，研制了一套可以综合采用同步辐射X光技术的多种手段（如XAFS、XRD和SAXS/WAXS等），对种类繁多、形态各异和特性不同的催化剂在其相应制备和反应工艺条件下进行原位在线表征的装置。整套仪器设备使用方便、性能可靠、普适性强。其核心部件原位样品池分为“光程连续可调”和“方管型”两个系列；通过合理的结构设计，解决了设备耐温耐压性、X光表征信噪比和反应介质兼容性等之间的矛盾，实现了原位样品池在X光路上快速准确的定位，满足了项目预设原位表征条件的（室温 ~ 500 ℃，常压 ~ 6 MPa）要求。所研制的系列原位样品池适用于多种催化剂样品形态（胶体、溶液、微乳液等），可对催化剂合成制备、晶化、焙烧、还原、活化、反应和再生等过程中催化剂表面结构进行原位表征分析，并可根据实际需要引入气体、液体或气液并流等流体介质。. 在该仪器设备的设计、建造和调试过程中，我们还利用该设备对分子筛晶化、分子筛上甲醇催化转化、金属氧化物上CO/CH4催化氧化和Ni/ZnO上油品超深度吸附反应脱硫等过程进行了深入系统的研究，深化了对这些过程涉及的催化剂制备和催化作用科学原理的认识。结果表明，所研制的设备和建立的方法，可利用同步辐射X光源独特而优异的性能，开展其它光源无法实现的许多前沿科学研究，为研究真实反应条件下催化剂动态微观结构和催化反应机理开辟一条新的有效途径，并大大地促进新的高效催化剂和反应过程的研究与开发。