Трудно получить подробный отчет о том, что происходит внутри химических реакторов, внутри которых идет каталитическая реакция в то время когда наиболее эксплуатируемые участки оборудования находятся в состоянии работы.

Если бы исследователи могли заглянуть внутрь и контролировать химические реакции в момент их прохождения на микроскопическом уровне и в режиме реального времени, то они смогли бы получить много полезной информации. Инженеры бы затем могли скорректировать геометрические параметры и размеры реактора и адаптировать распределение катализатора для повышения энергетической эффективности, увеличения количества выпускаемой продукции и повышения химической селективности процесса.

Благодаря исследованию, проведенному учеными из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, совсем не за горами реакторы, сделанные для решения строго определенных задач на заказ.

Исследовательская группа разработала малогабаритный реактор, внутренняя зона которого может во всех деталях быть изучена исследоваться инфракрасными и рентгеновскими лучами. Ученые использовали такой подход, чтобы детально исследовать многостадийные химические реакции с высоким пространственным разрешением. Исследовательская группа выявила участки внутри реактора, где поступающий исходный материал превращался в первичный продукт, а затем в окончательный продукт. Локализация этих участков была проделана с точностью до 15 мкм. Исследователи скоррелировали полученную информацию с подобранным тщательно размещением, концентрацией и химическим состоянием каталитических наночастиц.

Для демонстрации результатов исследовательская группа из Беркли выбрала двухстадийную реакцию: каталитическую перегруппировку пропаргилового винилового эфира в алленовый альдегид, и затем реакцию алленового альдегида с образованием дигидропирана. Исследовательская группа, в которую входят Илад Гросс (Elad Gross), Ф. Дин Тосте (F. Dean Toste) и Габор А. Соморджай (Gabor A. Somorjai), выбрали эту реакцию потому, что каждое вещество обладает характеристичным ИК-спектром. Исследователи подавали исходный материал в проточный реактор, в который был загружен катализатор – кластеры золота размером в 2 нм.

Исследуя реагирующие вещества и продукты с помощью ИК-луча, а катализатор с помощью рентгеновского луча, ученые раскрыли главные особенности реакции, которые обычно скрыты. Например, они обнаружили, что с помощью корректировки скорости потока реагирующего вещества и времени, которое реагирующее вещество проводит в реакторе, есть возможность существенным образом изменить выход продукта и селективность процесса, которые являются ключевыми для понимания кинетики и механизма реакции.

Исследователи также обнаружили, что почти весь химизм процесса осуществляется на входе в реактор – в начальных 10% объема реактора. Гросс говорит, что, опираясь на это неожиданное открытие, исследовательская группа сократила количество катализатора до одной десятой от первоначального объема и сосредоточила его на двухмиллиметровой области на входе в реактор без ухудшения каталитической активности и селективности. Эта информация может в будущем обеспечить значительную экономию для промышленных процессов.

Физик Карол Хирсшмугл (Carol Hirschmugl) из Университета Висконсин-Милуоки, являющийся специалистом в области синхротронной микроскопии, считает такое новое сочетание микроспектроскопий впечатляющим успехом. Хирсшмагл подчеркивает, что способ обеспечивает возможность определять интермедиаты сложных реакций, которые до настоящего времени было невозможно уловить in situ.