材料科学：苯的键断裂时，氢的释放取决于键断裂，而不是吸收！
通过应用科学仪器和计算化学，PNNL研究人员确定了苯和水转化为一氧化碳和氢气的第一步。结果优于ACS催化的封面。图片来源：美国化学学会。
在向苯，C6H6中加入蒸汽以产生氢气，确定反应速度的步骤不是苯对催化剂的吸收，而是第一个断裂的苯键，据科学家称太平洋西北国家实验室该团队进一步探索通过评估镁铝尖晶石载体上的铑和铱催化剂来提高产氢反应的速度。通过实验和计算研究，他们发现小铑颗粒的转换效率高于较大的铑颗粒或铱。该研究为ACS催化提供了研究。
“我们的研究重点是开发可应用于生物质气化，热解和天然气等多种技术的重整催化剂，并将进一步了解催化剂在分子水平上的作用，”Robert Dagle说，谁在PNNL领导了这项实验研究。
太平洋西北国家实验室正在通过开发将生物质转化为基础设施准备的生物燃料的科学和工程基础，帮助推动从石油到生物基燃料的转变。在升级为烃燃料途径的合成气中，将生物质原料气化以产生合成气（H2/ CO），其用作烃生物燃料生产的原料。通过应用先进的科学仪器和计算化学，研究人员确定了苯，模型焦油替代品以及水转化为一氧化碳和氢气的第一步。
“这些初步步骤非常重要。通过这些步骤，您将学习如何在问题开始之前解决问题，”参与这项为期3年的研究的PNNL理论家Vanda Glezakou博士说。
该团队正在开发替代的原子高效催化剂，与传统使用的镍基烃重整催化剂相比，该催化剂具有显着改善焦油重整性能的潜力。研究小组在镁基尖晶石MgAl2O4上用铑或铱催化颗粒检测了苯蒸汽重整反应。在EMSL和其他仪器上使用Titan 80-300像差校正透射电子显微镜的帮助下，他们确定反应不依赖于加入的蒸汽量，这表明苯在催化剂上的吸收。这表明第一个苯分解步骤，而不是吸附，是在铑或铱催化剂上的速率决定步骤。
然而，该团队发现反应根据所用催化剂而变化。“我们开始询问有关粒径在帮助催化途径方面所做的事情的问题，”理论组组长Roger Rousseau博士说。
使用密度泛函理论计算，该团队研究了载体如何控制催化剂的大小以及其他因素如何影响反应。计算表明，较小的铑颗粒降低了破坏碳 - 碳和碳 - 氢键所涉及的能垒。例如，碳 - 碳键的活化阻挡层在较大的铑颗粒上从1.60eV下降到较小颗粒上的1.34eV。该团队发现较大和较小的铱颗粒之间的能垒有类似的下降，但没有发现碳氢键断裂的相应下降。
“在第一次破产后，它有点复杂，”该项目的首席计算理论家和ACS催化科学文章的第一作者Donghai Mei博士说。例如，在铑催化剂上，该团队的计算表明，无论铑颗粒大小如何，碳 - 碳和碳 - 氢键断裂都具有竞争力。在第一次键断裂后，铑催化的反应有利于碳 - 氢断裂。
这种对断裂键的基本理解不仅对开发有效的焦油重整催化剂至关重要，而且对其他应用也至关重要。“我们可以将这些知识用于各种燃料加工技术，”Rousseau说。“这真的是关于可再生燃料。”
该团队正在继续研究尖晶石载体对其他催化反应的影响。他们专门研究了尖晶石在确定催化剂颗粒的最佳尺寸和所产生的化学过程中的作用。此外，该团队正在将这项研究扩展到了解改造生物油水相中发现的有机物质的基本原理，这些生物油源自各种生物质液化路线。
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