中子衍射原位研究甲烷活化及合成气转化催化过程

The structure of heterogeneous catalyst is subject to dynamic change under reaction conditions. During catalytic processes, the interaction between catalyst and reactant/product causes surface reconstruction, segregation, phase transition, defect and new compound formation. The newly formed structure may be responsible for the catalytic activity. With the unique penetrating power, neutron is capable of probing the catalyst structure under working conditions in thick-walled metallic tubular reactors. In this proposal, we propose to study the catalytic processes of methane conversion and syngas conversion at real catalytic conditions using the General-Purpose Powder Diffractometer (GPPD) in the China Spallation Neutron Source (CSNS). The evolution of catalyst structure observed by in situ neutron diffraction will shed light on the understanding the relationship between the structural properties and catalytic performance and the deactivation mechanisms of catalysts at long time-on-stream.

实际催化反应过程中，催化剂结构往往是动态变化的。在催化反应温度和压力环境下，气体分子可以与催化剂相互作用，导致表面再构、偏析、相变、形成缺陷或者新的化合物。这种反应条件下形成的结构可能是催化过程中的真正活性位。中子具有较强的穿透能力，可以穿透反应器壁原位研究真实反应条件下的催化剂结构。但目前关于中子在催化中的应用还不是很多。本申请项目拟用中国散裂中子源中的中子粉末衍射谱仪原位研究甲烷无氧制备烯烃以及合成气转化制备烯烃催化反应过程。通过对上述两个催化反应体系的原位中子散射研究，实时监测催化反应过程中催化剂结构动态变化，考察催化过程中压力、温度等因素对催化剂结构的影响，进一步理解催化剂结构与性能的关系。

合成气转化（CO和H2）是煤和天然气利用的关键，具有重要的理论和实践意义。本项目中，我们利用表面科学技术研究了合成气转化过程中的CHx物种形成机理，探讨了共吸附H(a), CO(a)以及CHx物种表面覆盖度对CHx物种形成机理的影响。利用中子衍射技术研究了不同温度处理的Zn-Mn氧化物催化剂中物相组成，并与OX-ZEO催化剂的合成气催化活性进行初步关联。利用电化学方法在温和条件下实现了ZnO和TiO2的氢掺杂并利用原位技术考察了表面氢物种的物理化学行为，有助于理解在富氢气氛下的氧化物的性能并为温和条件下中子原位探测催化反应奠定基础。