او، همزمان نویسنده و ارتباطات بود! ارسال مقاله به پذیرش پنج سال طول کشید، این مقاله در نهایت توسط مجله Nature پذیرفته شد و یک مشکل فنی صنعتی حل شد!

در این تحقیق، Peng Wang و Zhuowu Men از پژوهشگان موسسه تحقیقات انرژی کم‌کربن بیجینگ (NICE) به همراه شرکا‌یشان و Emiel J. M. Hensen از دانشگاه فنی اند هولند ارد همکاری کرده‌اند تا از کربورید آهن با خلوص فاز اولیه χ-Fe5C2 در کاهش مسائل تبدیل گاز سنتزی به انرژی پاک کمک بگیرند: این کاتالیست بهینه شده برای فرآیند تولید α-الفین‌های خطی از گاز سنتزی (FT)، در دمای 290 درجه سانتی‌گراد، مقدار فعالیتی 1-2 سفارش از کاتالیست‌های مخصوص FT به الفین که در دمای بالاتر از 320 درجه سانتی‌گراد قابل دستیابی است، ارائه کرد، قادر به تثبیت این مقدار فعالیت برای 200 ساعت بوده و در شرایط صنعتی مرتبط، به نسبت 51 درصد و 9 درصد سلکتیوی برای تولید LAO های C2-C10 از کربن دارای مورد نیاز و بی‌نیاز CO2 داشته است. این عملکرد کاتالیستی بالاتر در دمای های گسترده ای 250-320 درجه سانتی‌گراد با ادامه دار است و آینده مناسبی برای توسعه فناوری‌های مرتبط نشان می‌دهد. نتایج این تحقیق با عنوان "Efficient conversion of syngas to linear α-olefins by phase-pure χ-Fe5C2" در شماره جدید مجله "Nature" منتشر شده است. Peng Wang نویسنده اصلی و پاسخ است.

طراحی استراتژی

متن فوق به کاربردن کاتالیزور فیشر-تروپش به منظور تبدیل گازساز (کربن‌اکسید و هیدروژن) به آلفا-الفین‌های زنجیره‌ای (LAO) اختصاص دارد. قابلیت تجاری فرآیند فیشر تروپش با چالش‌های کارآیی کم‌کربنی همراه است و معمولاً منجر به تولید مقدار زیادی دی‌اکسید کربن به عنوان تولید فرعی می‌شود. برای بهینه‌سازی این تبدیل برای کاربردهای صنعتی، پژوهشگران یک سیستم کاتالیزور جدید بر اساس ترکیب χ-Fe5C2 خالص (کربید Hägg) طراحی کرده‌اند. نوآوری‌های اصلی عبارتند از: (1) خالصیت فاز: کاتالیزور طراحی شده برای حفظ خالصیت بالا، اطمینان از حضور فقط فاز فعال χ-Fe5C2 و حذف فاز آهن اکسید که ممکن است رقیب تولیدات نامطلوب ناشی از فرایند کاتالیز را موجب شود. (2) پیش‌کننده منگنز: برای افزایش عملکرد، منگنز (Mn) به عنوان پیش‌کننده اضافه شده تا نسبت الفین به الکان (O/P) را بهینه‌سازی کند، انتخابیت تولیدات مورد نیاز از جمله LAO را افزایش دهد و هم‌زمان تولید دی‌اکسید کربن را کاهش دهد. (3) بهینه‌سازی در محل: از طریق استفاده از تکنولوژی شخصی سازی، این تحقیق فرآیند تولید فاز فعال را در شرایط صنعتی به دقت نظارت می‌کند و از این راه عملکرد کاتالیزور بهینه را تضمین می‌کند.

عملکرد کاتالیزور بهبود یافته Mn-χ-Fe5C2

خواص این کاتالیزور در شرایط مختلف به‌طور جامع ارزیابی شده است، تا مزایای آن نسبت به سیستم‌های Fischer-Tropsch سنتی را اثبات کند. در دماهای پایین‌تر (250–290 درجه سانتی‌گراد)، کاتالیزور Mn-χ-Fe5C2 نشان می‌دهد که تبدیل بالای CO و انتخاب‌پذیری قابل‌توجه برای C2-C10 هیدروکربن‌های خطی دارد. نتایج اصلی شامل: (1) کارایی تبدیل بالا برای CO: حتی در دماهای پایین‌تر مانند 250 درجه سانتی‌گراد، کارایی تبدیل CO این کاتالیزور 3-7 برابر بیشتر از سایر کاتالیزورهای پیشرفته‌تر (که معمولاً به دماهای بالاتر از 320 درجه سانتی‌گراد نیاز دارند) است. (2) کاهش انتخاب‌پذیری CO2: انتخاب‌پذیری CO2 برای کاتالیزور Mn-χ-Fe5C2 در 250 درجه سانتی‌گراد می‌تواند تا 9٪ کاهش یابد، که با سایر کاتالیزورها مقایسه شده، به‌طور قابل توجهی از خسارت کربن به CO2 کاهش می‌یابد تا به 45٪. (3) نسبت الفین-پارافین (O/P): نسبت O/P از 1.2 در کاتالیزورهای بدون افزودن به 4.1 در کاتالیزورهای افزوده شده با منگنز به طور چشم‌گیری افزایش یافته است، که نشان می‌دهد که بازده محصولات الفینی ارزشمند بیشتر است. اضافه کردن منگنز در این تقویت عملکرد نقش حیاتی را ایفا می‌کند، زیرا می‌تواند جذب قوی‌تر CO را تشویق کند و در نتیجه بازده الفین به پارافین را کاهش دهد.

نمودارهای 1a و 1c داده‌های زمان عملکرد نرخ تبدیل CO و انتخاب پروژه در دمای 250°C و 290°C را نمایش می‌دهند، که پایداری و کارایی کاتالیست در زمان‌های طولانی (تا 100 ساعت) را برجسته می‌کند. نمودارهای 1b و 1d توزیع هیدروکربن‌ها را نشان می‌دهند و تولید فراوان لاورو منیلیک اسید (LAO) و انتخابیت کمتر برای متان و دی‌اکسید کربن به عنوان محصولات غیرضروری است. نمودارهای 1e و 1f تحلیل مقایسه‌ای انتخابیت بر پایه کربن و نرخ تولید هدف LAO را نمایش می‌دهند، که تایید می‌کند کاتالیست Mn-χ-Fe5C2 از نظر نرخ تولید LAO و مهار کربن دی‌اکسید برتری نسبت به کاتالیست‌های گزارش شده دارد.

نمودار 1. عملکرد کاتالیستی بهبود یافته Mn-χ-Fe5C2

"مشخصه‌یابی در محل فرآیند تشکیل و تکامل فاز فعال"

برای درک شکل‌گیری و تکامل فاز فعال χ-Fe5C2، پژوهشگران از فشرده‌سازی پرتو ایکس (XRD) و طیف‌سنجی موسبور استفاده نمودند. این تکنیک‌ها امکان پیگیری آنلاین تبدیل آهن رینی به فاز فعال χ-Fe5C2 در جریان گاز سنتز در دماهای بالا را فراهم می‌کنند. تصاویر XRD در موقعیت (شکل 2ا، ب) فرایند کربن‌زایی از 300°C تا 350°C را پیگیری کرده، نماینده موفقیت فرایند تشکیل فاز خالص χ-Fe5C2 هستند. نمونه‌های بدون کمک‌کننده و حاوی منگنز همگی مسیرهای مشابهی از کربن‌زایی را دنبال کردند و پایداری این فرایند را تایید کردند. طیف‌سنجی می‌تواند در عمق پایداری و خالصی فاز χ-Fe5C2 را نشان دهد. داده‌ها (شکل 2ج، د) تأیید می‌کنند که حتی بعد از مدت زمان طولانی اجرای شرایط FT، کاتالیست منگنزی همچنان می‌تواند خالی از خلل از نظر فاز باقی بماند و آهن کربید همچنان فاز اصلی باشد، تضمین کننده فعالیت یکنواخت کاتالیزور است. این مشخصات بررسی شده اثبات کرد که فاز کاتالیزور در شرایط صنعتی می‌تواند به‌طور قابل اطمینان شکل گرفته و پایدار باشد، که باعث می‌شود سیستم منگنزی-χ-Fe5C2 بتواند برای عملیات‌های FT بلندمدت استفاده شود.

تصویر ۲. مشخصه‌ها و تکامل فاز فعال با نشانه‌گذاری در محیط اصلی

مطالعه محیط TEM تشکیل فاز χ-Fe5C2 خالص

از میکروسکوپ الکترونی تفرجی (TEM) محیط را برای مشاهده مستقیم فرآیند ترابرد کربنی χ-Fe5C2 از فولاد رینی در محیط گازی سینتز گاز استفاده کردیم. این روش به تحقیق‌گران امکان می‌دهد تا فرآیند تبدیلات به صورت زمان‌واقعی در سطح اتمی رصد شود. تصاویر TEM با وضوح بالا (تصویر 3) نشان می‌دهند که فولاد رینی از وضعیت اولیه خود (که توسط لایه آلومینیوم اکسید آمورف کنده شده است) به مرحله ارتقایی کامل χ-Fe5C2 کربید شده است. تصاویر نشان می‌دهند که کربیدزایی از لایه‌های داخلی شروع شده و به سمت خارج گسترش پیدا می‌کند و در طی 30 دقیقه کامل می‌شود. وضع مرحله نهایی در جهت بلورین (311) χ-Fe5C2 تشکیل شده است و این تأیید می‌کند که فاصله شبکه مورد نیاز 2.7Å با موفقیت بوجود آمده است.

تصویر ۳. مطالعات محیطی TEM تشکیل شده از χ-Fe5C2 خالص

خلاصه

متن به نتایج مهم برای توسعه و استفاده از Mn-χ-Fe5C2 که به عنوان یک کاتالیزور فیشر-تروپش به منظور تولید با کارایی بالای اولفین‌های آلی مستقیم از گاز سنتز استخراج شده است، می‌پردازد: (1) عملکرد بالا: کاتالیزور بهینه شده Mn-χ-Fe5C2 توانایی برتری در تبدیل گازسنتز به الفین‌های آلی مستقیم (LAO) را نشان می‌دهد و دارای نرخ تبدیل بالا برای مونواکسید کربن (CO) و انتخابی برای دی‌اکسید کربن (CO2) پایین‌تری نسبت به سایر کاتالیزورهای معروف فیشر-تروپش است. (2) افزایش منگنز: افزودن منگنز حتی در شرایط کارکرد طولانی‌مدت می‌تواند به طور چشمگیری نسبت O/P و انتخابیت LAO را افزایش دهد، همچنین پایداری و خالصیت فاز χ-Fe5C2 را حفظ می‌کند. (3) صنعتی: عملکرد این کاتالیزور در دما و فشار متوسط و دی‌اکسید کربن کم، آن را به یک گزینهٔ واعد برای استفاده در صنایع شیمیایی فیشر-تروپش می‌کند. قدرت تولید بالای LAO با کمترین محصولات جانبی، پتانسیلی برای فرایند کارآمدتر تبدیل گاز سنتز به فیشری بازین هسته‌ای فراهم می‌کند. (4) قابلیت توسعه: تکنیک‌های مشاهده‌گر مورد استفاده در این تحقیق، اطمینان می‌دهد که پروسهٔ کاتالیزوری می‌تواند به طور کامل به مقیاس تولیدی گسترش یابد و به صورت قابل اعتماد نقشه و یا فاز فعال را تحت شرایط عملیاتی شکل دهد.

سنتز منیزیم آلفا-hidroxybutyrate (MHB) روشی ایده آل برای تولید مواد شیمیایی با ارزش از مواد خام تولیدی به دست آمده از گیاهان است.