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日期：2021-08-02 浏览次数：0次
我将讨论我们将使用何种碳源来制造我们的产品。我想讨论的是，我们必须采取哪些步骤来建设未来的炼油厂？实际上，最大的问题是，所有这些都
我将讨论我们将使用何种碳源来制造我们的产品。我想讨论的是，我们必须采取哪些步骤来建设未来的炼油厂？实际上，最大的问题是，所有这些都会与其他变化一起爆发吗？我想到这一点是因为目前我们正处于非常好，但也很特殊的时期。此时此刻，我们正在经历一场材料革新、能源革新和资源革新。我们还希望将我们的社会从线性社会建设为循环社会。这非常重要。这实际上需要我们重新考虑我们如何进行化学工业，而催化作用将是必不可少的。还有其他一些事情我们必须牢记在心。也就是说，如果我们想用碳制造我们的产品，我们就会这样做。这意味着我们还必须提醒，碳存在于空气中、地球表面、水中、地表以下以及海洋中。到目前为止，我们主要还是利用海洋中的碳。想想原油、甲烷等等。所以我的报告的目的是，我也想向大家展示，除了海洋中的碳，我们能否利用其他物质制造我们的产品？这意味着我们必须建造这个未来的炼油厂。没有人知道它具体会是什么样子。我们唯一知道的是，它很可能与我们目前所做的不同。这意味着我们必须思考，重新思考它的作用。
在这里，我向大家展示了一种我们所在的未来炼油厂的图片，例如，试图基于太阳能进行碳中和。为了比较，我只拿一个日产 80000 桶当量的。而一桶大约是 160 升原油。因此，这意味着在这种情况下，我们希望每天生产 5.6 吨长距离燃料，例如喷气飞机燃料或化学品或塑料。你可以看到一半是燃料，一半是化学品和塑料。
我们说到日产80000 桶的炼油厂时，我想说点别的，因为我想将它与当前的原油炼油厂进行比较。例如，世界上最大的原油炼油厂实际上位于印度的贾姆讷格尔，每天生产大约 1.34百万桶，而与欧洲的大型炼油厂，例如，鹿特丹的 Shell Pernis相比，它每天需要量约为 40万桶。土地面积5平方公里。在这里，我向大家展示了公里、平方米，我向大家展示了氢的需要量、碳的需要量，以及相应的使用风能和太阳能量。如果我们现在想建造一个新的炼油厂，我们会缩小规模，例如每天 40000 桶，我们不想使用原油中的碳。看看我们在使用太阳能方面需要什么，包括使用面积方面，或者风能方面，需要多少风车，多大面积。
在这里，我告诉大家，这确实不是一件容易的事。所以这个炼油厂的计算确实显示了我们想要建造未来的新精炼厂时所面临的挑战。
为了进一步说明一下，我在这里给大家展示了所有风车和所有太阳能电池板以及所有直接空气捕获装置的图形，它表示我们需要这些装置使用可再生能源，并以完全循环的方式，制造太阳能燃料和化学品和材料。这就需要很多风车，很多太阳能电池板，很多直接空气捕获装置。总体来说，这需要大量的能源和大量的资金。例如，建造这样一座炼油厂的成本，有可能高达300亿欧元或美元。所以这意味着我们想用建造它来利用二氧化碳、生物质或其他材料，城市垃圾。这三种不同的资源，在这种情况下，现在是非化石能源的，完全可再生的，然后我们可以建造一个新的炼油厂，这使我们能够制造甲醇或乙烯或其他单体等这些组成原料来制造我们的燃料，聚合物和其他东西。但有了这样做还不够，还需要渊博的其他知识加入。
从其他设备、不同的碳源来制造这些东西需要什么？如果你想从二氧化碳开始应该怎么做？如果你想从塑料开始怎么做？如果你想从可再生能源，如生物质，开始怎么做？为此，我们需要有深刻的理解，我的团队和其他团队正在使用我们所谓的原位光谱学和显微镜学进行研究。通过这种方法，实际上你可以将光照射到反应器中，然后让光熄灭，通过光入、光灭，你实际上可以发现催化剂表面发生了什么。你可以测量光谱数据，它告诉你一些关于中间体的信息，以及关于反应和产物的信息。
现在我想提醒一下大家，一方面，我们如何从化学废料、塑料废料做起，来制造我们所需要的产品；另一方面，我想向大家展示如何利用小分子，比如说二氧化碳来构建我们的产品。
我想讨论第一部分如何从CO2开始。我想向大家介绍我们可以使用瞬态方式的不同分析方法。在亚秒模式下，如何了解这些催化剂材料表面发生的事情，目的是了解 CO2 的活化情况。
我在这里分为三个部分介绍。
我首先想关注 Sabatier 反应，它是以镍基进行的反应。而我们的两个主题，我想讨论这种镍催化剂上的结构灵敏度和活性位点的确定。因为Sabatier 反应只不过是 CO2 的热催化氢化，工业上是通过镍基催化剂完成的。此处显示的镍基催化剂是挤压件，实际上是载体镍上的多孔材料，例如二氧化硅或氧化铝。在这里你可以看到镍金属纳米粒子。当你放大时，你会看到这些正在发挥作用的小颗粒。挤压件放满了这个大型反应器，转化过程就发生在其中发生了反应。问题是，哪些东西，起了什么作用呢？这种金属纳米颗粒上的哪些位点真正激活的，并且做表面上做了什么，发生的事情，将 CO2 转化为甲烷等碳氢化合物。
因此，当你绘制转换表示为周转频率 (TOF)、每秒每个镍表面原子，转换的 CO2 分子，或 CO2之外的乙烷时，这称为结构敏感和不敏感行为，你在这里看到，构造敏感意味着你对金属纳米粒子有依赖性，结构不敏感，你会看到无论金属纳米粒子如何，它都具有相同的转化率，完全是一样的。
对于 CO2 转化，你会注意到，实际上在这种二氧化硅载体上，约为 2 至 3 NM时，转化率最高。我们能解释这一现象吗？为什么会这样呢？为此，我们一直在使用 Operando。这是真实的反应条件，快速X 射线吸收光谱，快速意味着你可以达到亚秒级。我们一直在瑞士 Villigen 的瑞士光源公司进行这项工作。我们使用这个 Operando 单元，我们可以在其中传输 X 射线，你可以使 用X 射线穿过样品，因此你可以测量镍金属的光谱。现在，这种镍金属随着时间的推移而变化，随着脉冲而变化。然后你可以在 0.1 秒内进行快速测量。你所测的是正在变化的光谱，而且这个变化一直在存在。金属镍和参考氧化镍的光谱是不同的。你现在可以进行线性组合，并且它是接近于线性组合的。你可以处理这批 Operando XAS 数据。
当你这样做时，你实际上可以获得有关局部或表面金属状态相应的一些信息。所以你实际上可以对表面进行滴定测量，这里我们可以用的是金属百分比，你可以看到，当你有氢、氮、CO2、氢、氮时，你可以看到它上下起伏，波幅不定。你会看到镍金属氧化物状态的运动以及这种金属纳米粒子相关性。非常重要的是要注意实际上差异很小，确实如此，但重要的是你甚至可以计算参与反应的原子数，这只是数个表面原子，仅仅只是几个原子而已。
现在，这种结构敏感性也解释了为什么你在XAS 模式中看到这个，你实际上看到摆动。 CO2 加氢，这些摆动在这里并不那么明显，但对于乙烯加氢就非常明显。这实际上意味着，对于镍 CO2 氢化，存在有面向的影响，而对于乙烷氢化，不存在面向的影响。因此，对于结构不敏感反应，似乎更多的发生了重组。
对这种行为我们只看了 4.4 或 2.1 或 1.2 nm的情况。它实际上真的与金属纳米粒子相关，并且对于结构不敏感的 C和 乙烯加氢反应，与 CO2 加氢反应相比，确实更加明显。这也解释了为什么你会看到，例如，当我们绘制 delta ，光谱中归一化的变化时，与表面镍原子的关系发生了很大的变化。这里的显示的是 -3，-2。这意味着，尽管在这里你看到了图的条形很大，但与乙烯氢化图相比它们要小得多。这就解释了在 CO2 氢化过程中，最活跃的粒子重组最多，而较大的粒子结构，在乙烯氢化过程中重组更多。但是现在表面上发生了什么？
从表面上看，很多事情正在发生。实际上你可以注意到我们实际上一直在使用Operando 红外光谱来研究催化剂上存在的表面和物质。在这里，我向大家展示了 1.2、2 和 6 纳米的数据，你可以从不同的数据上看到有巨大差异，你可以开始解释为何产生这样巨大的差异。实际上你可以看到很多中间体存在，例如在 CO2 气体、CO2 表面和甲烷气体附近，并没有真正的 CO 和甲酸盐和甲酰物存在。同时还注意到碳化物和甲酸盐途径的组合。
我们通过构建不同的金属纳米粒子结构进行了理论上的分析，其中包含不同面向的分析。我们可以从计算不同面向上 CO2 到甲烷的转化率开始。在这里你可以看到标有 111、100、110、211 的不同面向，包括不同的标记。这里有能量向前、能量向后的面向，你会看到巨大的差异。现在通过分析所有面向和所有不同的路线，你可以得出最可能的路线。特别重要的是要认识到不只是一个面向在起作用。不同面向对甲烷和二氧化碳的形成都有自己的贡献度。在这里，我向大家展示了 110 面向上最可能的路径，具有不同的过渡状态，以及具有反应中间体不同的可能性。
然后我们注意到，当我们将它们全部总结并介绍所有重要面向时，我们只会得到这种曲棍球棒状的形状。它先上升，然后趋于平稳。如果你对配位不足的物种发挥了作用，那么你得到了我们通过实验观察到的达到峰值活性。因此，认识到这一点很重要，我们看到 111、100，它几乎没有显示出 CO2 甲烷化活性。我们可以考虑到它的无关性，110最高，其次是211。但即便如此，我们也必须引入配位不足的物种来解释 CO2 加氢反应的这种结构敏感行为。这就引出了我的第二个话题。
我的第二个话题是关于钴的。钴用于 CO 加氢，我们称之为费托合成，目前在世界各地的几个工厂中都在实践。卡塔尔由Shell Ras公司进行的，我们叫做Sholl Pearl Ras Laffan工厂。
这是使用钴二氧化钛催化剂系统。现在，这些二氧化钴系统现在不仅可以处理 CO，还可以处理 CO2。问题是当 CO2、CO 和氢气转化时会发生什么？其重要性是显而易见的，因为我们当然有，例如钢铁工业，除了二氧化碳，还有氢气和二氧化碳。那么我们能否了解钴、钴金属、氧化钴以及碳化钴的化学性质？
为此，我们再次使用另一种 Operando 技术，时间分辨，我们称之为 Operando 调制激发红外光谱，实际上拥有在时域中获取的光谱，通过在相域中转换它们，你可以过滤掉，例如旁观物种和噪音。通过这样做，你可以了解有关催化过程的更多信息。
我们做了什么呢？我们实际上进行了 CO2 氢化，我们保持氢浓度恒定，但我们实际上有 CO2 脉冲，有 120 秒的脉冲。所以我们提供 CO2，现在我们在氢气流中再次带走 CO2。我们一直在对钴二氧化钛催化剂做这件事，它们处于氧化相和还原相状态。
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