תהליכים קטליטיים בעלי חלוף גבוה הם יסוד לתעשיות כגון refining petrochemical, פליטות סביבתיות שליטה, ייצור אנרגיה בר קיימא, וסינתזה כימית. בסביבות תובעניות אלה, חומר התמיכה זרז אינו ספוג פסיבי אבל משתתף פעיל ששולט ביציבות תרמית, פיזור שלב פעיל, והתנגדות לפירוק חומרים תמיכה מסורתית, כולל alumina,lica, ו zeolites, לעתים קרובות יש לחץ גבוה יותר על פני טמפרטורות גבוהות יותר ויותר מתוחכמות גבוהה יותר, אבל יש לחץ על פני קרמיקה, אבל יש לחץ על פני טמפרטורות גבוהות יותר ויותר.

אתגרים ב High-Temperature Catalyst Supports

בטמפרטורות גבוהות, זרז תומך במנגנונים רבים של כשלים המפחיתים את יעילותם.הבנת האתגרים הללו היא קריטית להעריך מדוע יש צורך בחומרים חדשים.

התערבות והפסד של שטח הפנים

Sintering הוא הפחמינציה של חלקיקים תומכים לתוך אגרגות גדולות יותר, המונע על ידי minimization אנרגיה פני השטח.תהליך זה מקטין את שטח פני השטח הספציפי (לעתים קרובות ממאות m2 /g עד מתחת 10 m2 /g), אשר בתורו מוריד את האתרים הזמינים עבור שלב פעיל עוגן.לדוגמה, gamma-alumina, תמיכה נפוצה, מתחיל להפוך אלפא-alina מעל 1000 ° C, עובר גם חלקיקים מסיבי של משטח קטנטפטיים.

שלב הטרנספורמציות

תחמוצת רבות תומכת בשלב פולימורפי משתנה בטמפרטורות גבוהות.גמה-אלמנה מעברים לדאטה, ואז אתטה, ולבסוף אלפא-אלמינה, כל צעד מלווה בשינויים בנפח ובהתמוטטות פוחתת. בדומה, titania (TiO2) הופכת מ anatase ל- rutase מעל 600 מעלות צלזיוס, משנה את הכימיה פני השטח שלה ואינטראקציה עם שלב פעיל אלה של ביצועים dealyticים ו- Catlyperic לעתים קרובות.

כימיה ומדורגת מכנית

בסביבות תגובתיות, ניתן לתקוף את התוויות על ידי קיטור, גזים חומציים, או מלחים מלוטנים. Steam מאיצה את חטא של oxide תומך, בעוד sulfur ו כלור יכול ליצור אוקסיכלורידים תנודתיים כי להפשיט את התמיכה. מדגיש מכני מרכיבי אופניים תרמיים, טיפות, או רטט יכול לגרום סדקים ודלקת, במיוחד בטמפרטורות מסורתיות נוזליות.

חידושים אחרונים בחומרי תמיכה

כדי להתגבר על האתגרים הללו, החוקרים פיתחו דור חדש של חומרי תמיכה המשלבים יציבות תרמית גבוהה עם תכונות משטח מותאמות.הסעיפים הבאים מדגישים את החידושים המבטיחים ביותר.

תמיכה מתקדמת ב- Ceramic Supports

קרמיקה מתקדמת מציעה יציבות תרמית טמאלית והתרחבות תרמית נמוכה, מה שהופך אותם אידיאליים עבור יישומים עתירי זמן גבוהים.

  • (FLT:0Cordierite:FLT:1) זה מגנזיום מציג קרמיקה אלומיניום נמוך מאוד התרחבות תרמית נמוכה מאוד ( ⁇ 1x10-6 K-1) ויכול לעמוד בטמפרטורות עד 1300 מעלות צלזיוס. Cordier דבשcomb monoliths משמשים נרחב כמתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתתת
  • (FLT:0)Silicon Carbide (SiC): ההרחבה 1:1 עם מוליכות תרמית מעל 100 W / mK והתנגדות חמצון מעולה, SiC מתפתח כגיבוי ביצועים גבוהים לתגובות אקסותרמית שבו פירוק חום הוא קריטי.
  • (FLT:0) Alumina- ו- Zirconia-based Ceramics:FLT:1 Stabilized zirconia (למשל, yttria-stabilized zirconia) שומר על שלב העוקב שלה ועל שטח פני השטח גבוה בטמפרטורות מעל 1000 מעלות צלזיוס, בעוד doped aluminas (עם La, Ba, או Sr) מדכא את gam-to-phaal-pa-sural-sur-paal מעבר משטח.

תמיכה וסיוע היברידי

שילוב חומרים שונים במיקרו-או ננומטרי יכול להניב תמיכה כי סינרגי את החוזקות של כל רכיב.

  • (FLT:0Ceramic-Metal Composites (Cermets): ההרחבה 1 (בשילוב שלב מתכת (למשל, Ni, Co) לתוך מטריצה קרמיקה משפרת את מוליכות תרמית ואת קשיחות מכנית. לדוגמה, Ni-Al2O3 cermets משמשים כזרז תומך ברפורמות אדים וחמצן חלקי כי ניקל מספק פעילות ניקל ומהירות חום.
  • (FLT:0) Carbon-Ceramic Composites:BuildFLT:1 חומרי פחמן כגון תחמוצת גרפן או צינורות פחמן ניתן מפוזר על הפיגפיים קרמיקה כדי לשפר את ההתנהגויות האלקטרוניות ולספק אתרי עוגן עבור חלקיקים מתכת. אלה הם בעלי ערך במיוחד עבור יישומים אלקטרו-טקליטיים ופוטקטיים בטמפרטורות גבוהות.
  • (FLT:0) מבנה Shell: FIRLT:1 , מאמת לב יציב תרמי (למשל, SiC) עם מעטפת גבוהה של אחווה (למשל, אל2O3 או CeO2) מייצרת תמיכה המשלבת איתן מכני עם שטח פעיל גבוה.

תמיכה משתנה ומשתנה

הוספת כמויות קטנות של דופנטים יכול לשנות באופן דרמטי את יציבות השלב, כימיה פני השטח, ותכונות Redox של חומרי תמיכה.

  • (FLT:0)Lanthanum-Doped Alumina:veFLT ( 1:1 Lanthanum ions כובש אתרי פגם על פני השטח של אלומיניום, retarding פני השטח דיפוזיה ובכך מעכב את המעבר gamma-to-alpha. La-stabilized aluminas לשמור על פני השטח מעל 100 מ"ר / gam ° C לתקופות מורחבות.
  • (FLT:0)Zirconium-Doped Ceria:BuildFLT:1 , Ceria-zirconia פתרונות מוצקים (CZO) להציג יכולת אחסון חמצן מוגברת ויציבות תרמית בהשוואה ל ceria טהור.The zirconium משלבת את מבנה פלואוריט מעוקב, המונע אובדן שטח ושמירה על פעילות תאופת גם לאחר אופניים עתירי זמן גבוהה.
  • (FLT:0) אלקליין כדור הארץ מתכת דופינג: ההרחבה 1 (Doping מגנזיום) או סידן לסליקה או אלומיניום תומך יכול לנטרל אתרים חומציים, צמצום היווצרות coke במהלך עיבוד פחמימן בטמפרטורות גבוהות.

תמיכה מאורגנת

שליטה מורפולוגיה על nanoscale מספקת שטח פני השטח גבוה ואפקטים ייחודיים של הגבלת זמן כי להגן על חלקיקים פעילים.

  • (FLT:0) חומרים מ ⁇ :FLT:1 הורה meso ⁇ silicas (למשל, SBA-15, MCM-41) ו- מעבר תחמוצות מתכת (למשל, meso ⁇ ZrO2, CeO2) מציעים נקבובות אחידות (2–50 n) כי הגבלת חלקיקים ומניעה פחם.
  • (FLT:0)Nanowires ו-Nanorods: OVAFLT:1 ; nanostructures חד-ממדי של CeO2, TiO2, או Al2O3 לספק יחסים של היבטים גבוהים ואתרי פגם משטח העוגן מאוד מינים קטליטיים.
  • (FLT:0) תומכים ירארכיים: FLT:1 משלב micro ⁇ , meso ⁇ , ורמות מאקרו ⁇ מאפשר תחבורה המונית מהירה תוך שמירה על משטח גבוה גבישים עם רשתות meso ⁇ שימשה כתומך לתגובות עתיריות גבוהות כמו מתאן dehydromatization.

תמיכה לא-Oxide

מעבר ל- תחמוצת, חומרים לא-חמצני כגון carbides, nitrides, ו-borides מקבלים תשומת לב ליישומים אולטרה-גבוהים.

  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) בורון ניטר (BN): ⁇ 1:1 ⁇ BN הוא חומר יציב, הידרופובי, אשר מתנגד חמצון עד 900 מעלות צלזיוס ומשמש כתומך אינרציה לתגובות דיפלוגניציה בטמפרטורה גבוהה.
  • חומרים כגון TiC, WC ו- Mo2C משלבים נקודות נמס גבוהות עם מוליכות חשמלית מתכתית ופעילות קטליטית.הם משמשים הן תמיכה והן במשותף-catalyst בתגובות כגון סינתזה אמוניה ו הידרוגנס.

יתרונות של חומרים חדשים

החידושים המתוארים לעיל תרגם להטבות ביצועים קונקרטיות לתהליכים קטליטיים בעלי טמפרטורה גבוהה.

Catalyst Lifetime

על ידי דיכוי של שיבושים וטרנספורמציות שלב, תמיכה מתקדמת לשמור על פני השטח שלהם ואת המבנה הנקבובי במשך אלפי שעות של פעולה. לדוגמה, תמיכה של נואם-דופדה בשימוש ברפורמת קיטור יכול לשמור על 90% משטח הפנים הראשוני שלה לאחר 5000 שעות ב 950 מעלות צלזיוס, בהשוואה ל -30% עבור gam-alumina לא מזויפת.

פעילות קטליטית גבוהה יותר

ננודור תומך עם אזורי משטח גבוהים (300-1000 m2 /g) לאפשר פיזור קנס יותר של השלב הפעיל, הגדלת מספר האתרים הפעילים נגישים.לדוגמה, חלקיקים של phenparticles על ceria meso ⁇ להשיג שלוש פעמים תדירות מחזור גבוה יותר עבור מתאן בעירה מאשר אלה על ceria קונבנציונלי תומך בשל שיפור אינטראקציה תומכת מתכת-תמיכה וחמצן.

שיפור התרמומל והמכני רובוסטנס

תרכובות Ceramic ולא תחמוצת תמיכה יש כוח מכני גבוה יותר והתנגדות הלם תרמי מאשר אבקות מסורתיות או extrudates. Monolithic Cableierite ו SiC תומך יכול לעמוד בשינויים מהירים טמפרטורה ללא סדקים, מה שהופך אותם מתאימים זרזי מיטה ממצה וכורים מיטה נוזליים.

התנגדות מוגברת להרעיל ולקורוזיה

Doped תומך יכול לנטרל אתרי חומצה או בסיסי אשר לקדם coking, בעוד חומרים אינרטיים כמו BN להתנגד התקפה על ידי sulfur ו chlorine מינים. לדוגמה, מלנום-דופדה תמיכה להפחית את הפחתת פחמן על ידי 50% בסדקים קיטור של פחמימנים בהשוואה לאלומיניום טהור, כמו המין מעכב את היווצרות של אתרי חומצה לואיס כי צמיחה קטזית.

יישומים תעשייתיים

חומרי תמיכה מתקדמים אלה כבר מוצאים שימוש במספר מגזרים תעשייתיים מרכזיים.

Steam Reforming and Hydrogen הפקה

רפורמות של Steam methane לפעול 800-1000 ° C, הדורשות תמיכה כי מתנגדת לחטא ו היווצרות פחמן. Lanthanum-stabilized alumina ו MgO-do ספיןלס משמשים כתומך זרז ניקל. Composite cermets (Ni-Al2O3) מועסקים גם כדי לשפר את העברת החום ולהפחית כתמים חמים.

שיתוק רכב

3 צירי Catalytic ממירים וזרזי חמצון דיזל פועלים תחת תנודות טמפרטורה מחזורית מ ambient עד 1100 מעלות צלזיוס. Cordierite ו SiC מונוליטיתs המצופה לשטוף המכילים doped alumina (למשל, BaO-Al2O3) או ceria-zirconia oxides לספק את הזעזועים התרמטיים הדרושים וקיבולת חמצן.

פישר-Tropsch Synthesis

כורי פישר-טרויטש לעתים קרובות לרוץ 200-350 מעלות צלזיוס, אבל התחדשות זרז יכול לחשוף תמיכה בטמפרטורות גבוהות יותר. Iron ו זרזי קובלט דורשים תמיכה יציבה תרמילאים שאינם יוצרים תרכובות לא רצויות עם המתכת הפעילה.טיטאניה ו-סיליקון פחמימות תומך הם מועדפים עבור זרזי כפי שהם ממזערים אינטראקציות תמיכה מתכת-מטופשות הוכחו כדי לשפר את הסלקטיביות גבוהה יותר.

הדבקה של קטליטית וגז Turbines

הבעירה הקטליטית לטורבינות גז כוללת טמפרטורות עד 1300 מעלות צלזיוס, הדורשות תמיכה שיכולה לעמוד בתנאים קיצוניים. hexaaluminates (למשל, BaMnAl11O19) הן עצמן תמיכה פעילה באופן קטליטי עבור התכנסות מתאן, שמירה על יציבות שלב ל-1,400 מעלות צלזיוס ו- zirconia מייצבת הן גם נחקרות כגורמים זרזים עבור מערכות צמחיות רזות, שם לחץ נמוך, כאשר הן לחץ נמוך ויציבות נמוכה.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

מחקר מתמשך דוחף את גבולות עיצוב התמיכה באמצעות טכניקות ייצור מתקדמות ומודל חישובי.

שכבת אטומית (ALD)

ALD מאפשר ציפוי קונפוראלי של סרטים אולטרה-תאין (1-10 nm) של oxide או שכבת מתכת על ג'ממות מורכבות תמיכה גיאומטריות.טכניקה זו יכולה לייצב ננו-קודד תומך על ידי ציפוי אותם עם מעטפת מגן (למשל, אל2O3 על זאולימיטים) או בדיוק להפקיד את שלב הזרז הפעיל. ALD של TiO2 על S-15 hydrother מגביר את היציבות תוך שמירה על מפוארומטיות.

3D הדפסה

ייצור Additive מאפשר ייצור של ארכיטקטורות תמיכה עם פורוזיות מבוקרת, גיאומטריה ערוץ ומרקם משטח. הדפס מונוליטיות של טבורייט, SiC, או alumina עם דבשcomb ומבנים gyroid נבדקים עבור כורים קטליטיים, המציעה הפצה זרימה אופטימיזציה וצמצם את מגבלות העברת ההמונים.

Machine Learning and High- Throughput Screening

שיטות השלמת הן מאיצות את התגלית של פורמולות תמיכה חדשות על ידי חיזוי יציבות שלב, אנרגיה על פני השטח ואנרגיות אינטראקציה עם מתכות פעילות.מודלים למידת מכונה שימשו לזיהוי דו-קרבים מבטיחים לייצוב אלומיניום ולייעל את המבנה הפונק של meso ⁇ תומך לתגובות ספציפיות.

טכניקות לחיקוי

טכניקות מתקדמות של ספקטרוסקופיה ודמיית – כולל אופרות ה- X-ray diffraction, Raman spectroscopy, ומיקרוסקופיות אלקטרוניות סביבתיות - מספקות תובנות בזמן אמת כיצד התומכות מתפתחות בתנאים התגובה.ידע זה מזין בחזרה לתכנון תמיכה רציונלי, ומאפשר לחוקרים להתאים את זה להסתגל באופן דינמי לתנאי הפעלה.

מסקנה

חידושים בחומרי תמיכה בזרז מאפשרים תהליכים קטליטיים עתיריים גבוהים להיות יעילים יותר, עמידים יותר, וסלקטיביים יותר.מקרמיקה מתקדמת כמו טברייט וסיליקון קבידי לתמיכה מורכבת וננו-מבנים, כל מחלקה חומרית מציעה יתרונות ייחודיים העומדים בפני אתגרים יסודיים של חיטוי, שלב והתקפות כימיות כבר מתנהלות ברפורמה, שיתוק רכב, וקטקריירה, כמו טכנולוגיות אטומיות מתקדמות, כמו פיתוח אטומיות, כמו פיתוח אטומיות, כמו פיתוח אטומיות, עומדות של מודלים מתקדמים, ואפקטים של מודלים מתקדמים, כמו אטומיים של מודלים מתקדמים, כמו אטומיים של מודלים מתקדמים, כמו אטומיים של מודלים מתקדמים, ואפקטים של מודלים מתקדמים, ואפקטיים, ואפקטיים, ואפקטיביאומטיים של טכנולוגיות מעבדה, כמו אטומיים של מודלים מתקדמים, כמו פיתוח, כמו אטומיים של מודלים מתקדמים, כמו אטומיים עם התפתחותיים, ואפקטיביים של מודלים מתקדמים, כמו אטומיים של טכנולוגיות מעבדה, כמו פיתוח אטומיים של התפתחותיים, כמו אטומיים של מודלים מתקדמים, ואפקטים של התפתחותיים, כמו אטומיים מתקדמים, ואפקטים של התפתחותיים, ו