摘要：科学家们明确了原油提炼成汽油过程中催化剂颗粒失效的关键机理。这一进展可能会提高今后汽油生产的效率。

SSRL是利用X射线照射放置在可动圆筒内的少量催化剂颗粒样品，通过镜头将样本图像在屏幕上放大，CCD相机捕捉一系列2D图像，再利用软件将这一系列2D图像重建得到单个催化剂颗粒的3D图像。

版权：Florian Meirer/Utrecht University

美国SLAC国家加速实验室能源部以及乌德勒支大学的的科学家们明确了原油提炼汽油过程中催化剂颗粒失效的关键机理。这一进展可能会提高今后汽油生产的效率。

他们的最新研究主要集中在流化催化裂化（fluid catalytic cracking, FCC）过程中所使用的催化剂颗粒上，利用这些颗粒可以将原油中长链的烷烃裂化成短链的、更具价值的烷烃，比如汽油。

“最大的问题就是这些催化剂很容易失效，因此每天必须在反应体系中添加成吨的新鲜催化剂”，荷兰乌德勒支大学无机化学与催化学科的助理教授Florian Meirer说道，他也是该项目的首席研究员。“我们需要弄明白导致这些催化剂失效的原因，目前我们正在与生产FCC催化剂的公司合作，想提高这一催化过程的效率。”

为了能更好的理解催化剂的失效过程，研究人员利用SLAC国家实验室的同步光源辐射（SSRL）研究了不同失效阶段的催化剂颗粒。他们不仅能拍到高分辨率的催化剂颗粒全貌，而且还能看到颗粒的内部结构，就好像是采用全景照相机拍照，你可以进一步放大照片以观察局部。

“我们基本上可以确定金属中毒是催化剂失效的主要原因，也明确了它们是如何影响催化剂的，”乌得勒支大学无机化学与催化学科的教授Bert Weckhuysen说。“虽然过去对此已经有所研究，但是我们这项工作的成功之处在于分辨率极高且是在单催化剂颗粒水平上的，这是之前工作所无法比拟的。”

催化剂失效这一问题既普遍存在又导致成本昂贵。在世界范围内，大约有400个将原油提炼成汽油的反应体系堆，而每个反应堆每天需要投入10到40吨新鲜FCC催化剂。

原油中含有的金属主要包括铁、镍、钒。这些金属在原油精炼过程会累积在催化剂中，并最终导致其失效。这一现象在低品质的原油中极为明显，而这类原油也是市场上最普遍的。

Weckhuysen说：“廉价原油中金属污染严重，如果我们要以这些廉价原油为原料，那么我们就必须改善FCC催化剂的性能，使它们能够抵抗金属污染。”

在SSRL实验中，研究人员以不同角度拍摄了一系列催化剂颗粒的2D图片，并采用软件将这些图片组合成能呈现整个颗粒全貌的3D图片。这些图片显示了金属铁和镍在不同失效阶段的催化剂颗粒上的分布情况。

“我们采用SSRL原因就是为了使用这种“马赛克”成像技术。”Meirer说道。

研究人员认为金属在催化剂表面迅速累积会阻止原油分子穿过催化剂的空隙，导致原油无法深入接触到仍具有活性的催化剂内核。他们还发现有些催化剂颗粒相互粘结成块，降低了催化剂的流动性，导致汽油生产效率降低。

乌得勒支大学的研究人员已经与催化剂生产企业合作，重新设计这些FCC催化剂。

“我们认为问题出在催化剂的大孔隙上，这些空隙就是原油通向催化剂的高速道路。金属中毒就好比是101号或280号公路发生了大堵车，这不是旧金山的小街道发生拥堵那么简单。”Weckhuysen解释说。“我们能否设计出更好的催化剂空隙结构或公路？”

该团队还包括来自乌得勒支大学的Sam Kalirai和来自SSRL的Darius Morris，Yijin Liu以及Joy C. Andrews。该研究工作受到了NWO Gravitation项目、荷兰多尺度催化能源转化中心、荷兰组合催化研究会、欧洲科研理事会的资金资助。

来源：

上述报道基于美国SLAC国家加速实验室提供的资料。注：文章内容和长度均有不同程度的修改。

参考文献：

1.  Florian Meirer, Darius T. Morris, Sam Kalirai, Yijin Liu, Joy C. Andrews, Bert M. Weckhuysen. Mapping Metals Incorporation of a Whole Single Catalyst Particle Using Element Specific X-ray Nanotomography. Journal of the American Chemical Society, 2015; 137 (1): 102 DOI: 10.1021/ja511503d

2.  F. Meirer, S. Kalirai, J. Nelson Weker, Y. Liu, J. C. Andrews, B. M. Weckhuysen. Agglutination of single catalyst particles during fluid catalytic cracking as observed by X-ray nanotomography. Chem. Commun., 2015; 51 (38): 8097 DOI: 10.1039/c5cc00401b

3.  F. Meirer, S. Kalirai, D. Morris, S. Soparawalla, Y. Liu, G. Mesu, J. C. Andrews, B. M. Weckhuysen. Life and death of a single catalytic cracking particle. Science Advances, 2015; 1 (3): e1400199 DOI: 10.1126/sciadv.1400199

新材料在线编译整理——翻译：李湖燕    校对：摩天轮