中子优化高效催化剂，以更绿色的方式合成生物燃料

 
优化的沸石催化剂(NbAlS-1)的插图，该催化剂能够进行高效的化学反应以生成丁烯(一种可再生的能源)，而无需花费大量的能量进行转化。图片来源：ORNL / Jill Hemman由曼彻斯特大学领导的研究人员设计了一种催化剂，可将生物质高效转化为燃料，并为制造先进的可再生材料提供了新的可能性。
能源部橡树岭国家实验室的中子散射实验在确定沸石催化剂的化学和行为动力学(沸石是商业催化中常用的多孔材料)的过程中发挥了关键作用，以提供信息以最大化其性能。
经过优化的催化剂称为NbAlS-1，可将生物质衍生的原料转化为轻质烯烃，轻质烯烃是一类石油化工产品，例如乙烯，丙烯和丁烯，用于制造塑料和液体燃料。新型催化剂的收率令人印象深刻，超过99%，但与以前的催化剂相比，所需的能源明显减少。该小组的研究发表在《自然材料》杂志上。
曼彻斯特大学的主要作者林隆飞说：“工业严重依赖于使用来自原油的轻质烯烃，但是它们的生产会对环境产生负面影响。” “以前的由纯化的含氧化合物生产丁烯的催化剂需要大量能量，或者需要极高的温度。这种新的催化剂可以在更温和的条件下以明显更少的能量直接转化粗制的含氧化合物，并且对环境更加友好。”
生物质是可以转化并用于燃料和原料的有机物质。它通常来自剩余的农业废料，例如木材，草和稻草，这些废料被分解并送入催化剂中，然后将其转化为丁烯。丁烯是化学和石油工业用来生产塑料，聚合物和液体的富含能量的气体用石油生产的燃料。
通常，化学反应需要大量能量才能破坏由碳，氧和氢等元素形成的强键。某些键可能需要将它们加热到1,000°C(高于1,800°F)，然后再加热，然后再断开键。
为了实现更环保的设计，研究小组通过用铌和铝代替沸石的硅原子来掺杂催化剂。该取代产生化学上不平衡的状态，该状态促进键分离并从根本上减少了对高度热处理的需求。
ORNL研究人员程永强说：“在催化剂表面发生的化学反应可能非常复杂。如果您不小心控制压力，温度和浓度等物质，最终将只产生很少的丁烯。” 。 “要获得高产量，您必须优化流程，并且必须优化流程以了解流程的工作原理。”
中子由于具有深厚的渗透性和对轻元素(如氢)的敏锐性，非常适合研究此类化学反应。 ORNL散裂中子源的VISION光谱仪使研究人员能够根据键的振动特征准确地确定存在哪些化学键以及它们的行为方式。这些信息使他们能够重建优化催化剂性能所需的化学序列。
曼彻斯特大学的通讯作者杨思海说：“设计这样一种高性能的催化剂(例如我们已经开发的催化剂)存在很多试验和错误。” “我们对催化剂的工作原理了解得越多，就越能指导下一代材料的设计过程。”
英国金刚石光源的同步加速器X射线衍射测量用于确定催化剂的原子结构，卢瑟福·阿普尔顿实验室的ISIS中子和Muon源进行了互补中子散射测量。