zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-2377Research ArticleАННОТАЦИИ АНГЛОЯЗЫЧНЫХ СТАТЕЙABSTRACTS ENGLISH-LANGUAGE ARTICLESИсследование методом флуоресцентной визуализации in situ повышения эффективности массопереноса молекул тяжелой нефти в иерархических катализаторах каталитического крекингаMass-Transfer Enhancement of Heavy Oil Molecules in Hierarchical FCC Catalysts: an in situ Visualization Study via Fluorescence ImagingЧжанМ.ZhangM.

ключевая лаборатория нефтехимической каталитической науки и технологии

провинция Ляонин; Фушунь

Meihua Zhang

Liaoning Province; Fushun

ВанХ.WangH.

ключевая лаборатория нефтехимической каталитической науки и технологии

провинция Ляонин; Фушунь

Huan Wang

Liaoning Province; Fushun

wanghuangryx@163.comЧжанЛ.ZhangL.

Ланьчжоуский научно-исследовательский центр Ланьчжоуского института нефтяных и нефте-химических технологий

Ланьчжоу

Li Zhang

Lanzhou Research Center of Lanzhou Institute of Petroleum and Petrochemical Technology

Lanzhou

ТанЦ.TangQ.

ключевая лаборатория нефтехимической каталитической науки и технологии

провинция Ляонин; Фушунь

Qin Tang

Liaoning Province; Fushun

Ю.Л.YuL.

ключевая лаборатория нефтехимической каталитической науки и технологии

провинция Ляонин; Фушунь

Lei Yu

Liaoning Province; Fushun

ЧенК.ChenC.

ключевая лаборатория нефтехимической каталитической науки и технологии

провинция Ляонин; Фушунь

Cailin Chen

Liaoning Province; Fushun

ГуаньХ.GuanH.

ключевая лаборатория нефтехимической каталитической науки и технологии

провинция Ляонин; Фушунь

Huimin Guan

Liaoning Province; Fushun

guanhm2005@163.comЦиньЮ.QinYu.

ключевая лаборатория нефтехимической каталитической науки и технологии

провинция Ляонин; Фушунь

Yucai Qin

Liaoning Province; Fushun

СонгЛ.SongL.

ключевая лаборатория нефтехимической каталитической науки и технологии

провинция Ляонин; Фушунь

Lijuan Song

Liaoning Province; Fushun

lsong@lnpu.edu.comЛяонинский нефтехимический университетКитайLiaoning Petrochemical UniversityChinaЛяонинский нефтехимический университетКитайLiaoning Petrochemical University,ChinaКитайская национальная нефтяная корпорацияКитайChina National Petroleum CorporationChina20261009202693344011Copyright © Чжан М., Ван Х., Чжан Л., Тан Ц., Ю. Л., Чен К., Гуань Х., Цинь Ю., Сонг Л., 20262026Чжан М., Ван Х., Чжан Л., Тан Ц., Ю. Л., Чен К., Гуань Х., Цинь Ю., Сонг Л.Zhang M., Wang H., Zhang L., Tang Q., Yu L., Chen C., Guan H., Qin Y., Song L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/2377

   Методы визуализации in situ использованы для изучения механизмов повышения эффективности массопереноса компонентов тяжелой нефти в катализаторах жидкостного каталитического крекинга (FCC). Выбраны три катализатора FCC с различным составом матрицы: CAT-1 (каолин), CAT-2 (каолин/APM-7) и CAT-3 (каолин/APM-9). Их пористая структура систематически охарактеризована с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и адсорбции-десорбции азота (N2). Визуализация in situ диффузии компонентов тяжелой нефти, меченных родамином B (размер зонда 2–5 нм), внутри пор катализатора выполнена с помощью лазерной конфокальной флуоресцентной микроскопии с разрешением 200 нм. Установлено, что модифицированный APM-9 катализатор CAT-3 обладает оптимальной мезопористой структурой (35 % пор имеет размер 3–5 нм) и достигает эффективного коэффициента диффузии 1.84×10⁻¹³ м²/с, что в 7.3 раза выше, чем у традиционного катализатора CAT-1 на основе каолина. Анализ с использованием модели Юна–Нельсона дополнительно подтвердил снижение константы скорости адсорбции для CAT-3 на 68 %, что указывает на синергетический эффект усиления между иерархическими каналами пор и кислотными центрами. Установлена количественная взаимосвязь между структурой и характеристиками катализаторов FCC. Представлена количественная модель взаимосвязи структура пор–массоперенос для рационального проектирования катализаторов FCC. Предложен новый метод характеризации с высоким пространственно-временным разрешением для исследования механизма массопереноса в пористых материалах.

   This study employed advanced in situ visualization techniques to investigate the mass-transfer enhancement mechanisms of heavy oil components in fluid catalytic cracking (FCC) catalysts. Three FCC catalysts with different matrix compositions were selected: CAT-1 (kaolin), CAT-2 (kaolin/APM-7), and CAT-3 (kaolin/APM-9). Their pore structures were systematically characterized using SEM and N2 adsorption-desorption. In situ visualization of the diffusion of Rhodamine B-tagged heavy oil components (probe size: 2–5 nm) within the catalyst pores was achieved by laser confocal fluorescence microscopy at a resolution of 200 nm. The results demonstrated that CAT-3, modified with APM-9, exhibited an optimal mesoporous structure (with 35 % of pores in the 3–5 nm range) and achieved an effective diffusion coefficient of 1.84×10–13 m2/s, which is 7.3 times higher than that of the conventional kaolin-based CAT-1. Analysis using the Yoon–Nelson model further confirmed a 68 % reduction in the adsorption rate constant for CAT-3, revealing the synergistic enhancement effect between hierarchical pore channels and acid sites. This study established a quantitative structure-performance relationship between pore architecture and mass transfer in FCC catalysts, facilitated by the development of an in situ fluorescence visualization technique for probing diffusion within porous materials. This study not only provides a quantitative “pore structure–mass transfer” relationship model for the rational design of FCC catalysts, but also offers a novel characterization method with high spatiotemporal resolution for investigating the mass-transfer mechanism of porous materials.

катализаторы FCCиерархические порыповышение массопереносафлуоресцентная визуализацияхарактеризация in situFCC catalystshierarchical poresmass-transfer enhancementfluorescence imagingin situ characterizationЭта работа была выполнена при поддержке Национального фонда естественных наук Китая (2023YFA1507700); Ляонинской программы возрождения талантов (XLYC2203165); Китайской национальной нефтяной Корпоративной компании (LZSH202416)This work was supported by National Natural Science Foundation of China (2023YFA1507700); Liaoning Revitalization Talents Program (XLYC2203165); China National Petroleum Corporation (LZSH202416)ReferencesP. Bai, U. J. Etim, Z. F. Yan, S. Mintova, Z. D. Zhang, Z. Y. Zhong, X. H. Gao, Catal. Rev. – Sci. Eng., 61, 333–405 (2019).P. Bai, U. J. Etim, Z. F. Yan, S. Mintova, Z. D. Zhang, Z. Y. Zhong, X. H. Gao, Catal. Rev. – Sci. Eng., 61, 333–405 (2019).A. R. Khande, P. K. Dasila, S. Majumder, P. Maity, C. Thota, Catalysis for Clean Energy and Environmental Sustainability, Springer Into Publ., 65–108 (2021).A. R. Khande, P. K. Dasila, S. Majumder, P. Maity, C. Thota, Catalysis for Clean Energy and Environmental Sustainability, Springer Into Publ., 65–108 (2021).Q. Shi, S. Zhao, Y. Zhou, J. Gao, C. Xu, Rev. Chem. Eng., 36, 1–19 (2020).Q. Shi, S. Zhao, Y. Zhou, J. Gao, C. Xu, Rev. Chem. Eng., 36, 1–19 (2020).L. Chen, X. Li, J. C. Rooke, Y. H. Zhang, X. Y. Yang, Y. Tang, F. S. Xiao, B. L. Su, J. Mater. Chem., 22, 17381–17403 (2012).L. Chen, X. Li, J. C. Rooke, Y. H. Zhang, X. Y. Yang, Y. Tang, F. S. Xiao, B. L. Su, J. Mater. Chem., 22, 17381–17403 (2012).J. M. M. Ferreira, E. F. Sousa-Aguiar, D. A. G. Aranda, Catal., 13, 784 (2023).J. M. M. Ferreira, E. F. Sousa-Aguiar, D. A. G. Aranda, Catal., 13, 784 (2023).Z. Gholami, F. Gholami, Z. Tiler, M. Tomas, M. J. E. Vakili, Energies, 14, 1089 (2021).Z. Gholami, F. Gholami, Z. Tiler, M. Tomas, M. J. E. Vakili, Energies, 14, 1089 (2021).C. Jiao, Q. Jiao, W. Zhang, Z. Ji, J. Zheng, W. Dai, Y. Wang, M. Pan, R. Li, J. Mater. Sci., 59 (2024).C. Jiao, Q. Jiao, W. Zhang, Z. Ji, J. Zheng, W. Dai, Y. Wang, M. Pan, R. Li, J. Mater. Sci., 59 (2024).X. Wang, Y. You, X. Han, X. Jiang, J. Therm. Anal. Calorim., 147, 8535–8549 (2022).X. Wang, Y. You, X. Han, X. Jiang, J. Therm. Anal. Calorim., 147, 8535–8549 (2022).K. Na, C. Jo, J. Kim, K. Cho, J. Jung, Y. Seo, R. J. Messinger, B. F. Chmelka, R. Ryoo, Science, 333, 328–332 (2011).K. Na, C. Jo, J. Kim, K. Cho, J. Jung, Y. Seo, R. J. Messinger, B. F. Chmelka, R. Ryoo, Science, 333, 328–332 (2011).L. Chen, M. Sun, Z. Wang, W. Yang, Z. Xie, B. Su, Chem. Rev., 120, 11194–11294 (2020).L. Chen, M. Sun, Z. Wang, W. Yang, Z. Xie, B. Su, Chem. Rev., 120, 11194–11294 (2020).Y. Qin, X. Gao, H. Zhang, S. Zhang, L. Zheng, Q. Li, Z. Mo, L. Duan, X. Zhang, L. Song, Catal. Today, 245, 147–154 (2015).Y. Qin, X. Gao, H. Zhang, S. Zhang, L. Zheng, Q. Li, Z. Mo, L. Duan, X. Zhang, L. Song, Catal. Today, 245, 147–154 (2015).H. Mao, J. Tang, J. Xu, Y. Peng, J. Chen, B. Wu, Y. Jiang, K. Hou, S. Chen, J. Wang, Matter, 3, 2093–2107 (2020).H. Mao, J. Tang, J. Xu, Y. Peng, J. Chen, B. Wu, Y. Jiang, K. Hou, S. Chen, J. Wang, Matter, 3, 2093–2107 (2020).E. M. Forman, M. A. Trujillo, K. J. Ziegler, S. A. Bradley, H. Wang, S. Prabhakar, S. Vasenkov, Microporous Mesoporous Mater., 229, 117–123 (2016).E. M. Forman, M. A. Trujillo, K. J. Ziegler, S. A. Bradley, H. Wang, S. Prabhakar, S. Vasenkov, Microporous Mesoporous Mater., 229, 117–123 (2016).E. Stavitski, M. H. F. Kox, B. M. Weckhuysen, Studies Surface Sci. and Catalysis, 174, 21–32 (2008).E. Stavitski, M. H. F. Kox, B. M. Weckhuysen, Studies Surface Sci. and Catalysis, 174, 21–32 (2008).C. Liu, L. Meng, X. Huan, H. Li, J. Luo, R. Xie, W. Zhang, X. Jia, Q. Cai, X. Yang, J. Mater. Sci., 56, 16399–16421 (2021).C. Liu, L. Meng, X. Huan, H. Li, J. Luo, R. Xie, W. Zhang, X. Jia, Q. Cai, X. Yang, J. Mater. Sci., 56, 16399–16421 (2021).N. Kumar, S. Kalirai, A. J. Wain, B. M. Weckhuysen, Chem. Cat. Chem., 11, 417–423 (2019).N. Kumar, S. Kalirai, A. J. Wain, B. M. Weckhuysen, Chem. Cat. Chem., 11, 417–423 (2019).I. L. C. Buurmans, J. Ruiz-Martínez, W. V. Knowles, V. D. B. David, J. A. Bergwerff, E. T. C.Vogt, B. M. Weckhuysen, Nat. Chem., 3, 862–867 (2011).I. L. C. Buurmans, J. Ruiz-Martínez, W. V. Knowles, V. D. B. David, J. A. Bergwerff, E. T. C.Vogt, B. M. Weckhuysen, Nat. Chem., 3, 862–867 (2011).Y. M. Harmaza, A. V. Tamashevski, E. I. Slobozhanina, J. Appl. Spectrosc., 87, 1094–1099 (2021).Y. M. Harmaza, A. V. Tamashevski, E. I. Slobozhanina, J. Appl. Spectrosc., 87, 1094–1099 (2021).L. M. Hirvonen, K. Suhling, Meas. Sci. Technol., 28, 012003 (2017).L. M. Hirvonen, K. Suhling, Meas. Sci. Technol., 28, 012003 (2017).F. Malanga, G. Fratta, G. Acconcia, I. Rech, IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., 19, 442–453 (2025).F. Malanga, G. Fratta, G. Acconcia, I. Rech, IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., 19, 442–453 (2025).H. Wang, X. Xiong, Y. Deng, X. Sun, H. Guan, Q. Li, L. Song, J. Petrochem. Univ., 37, 58–63 (2024).H. Wang, X. Xiong, Y. Deng, X. Sun, H. Guan, Q. Li, L. Song, J. Petrochem. Univ., 37, 58–63 (2024).M. E. Z. Velthoen, A. L. Paioni, I. E. Teune, M. Baldus, B. M. Weckhuysen, Chem. Eur. J., 26, 11995–12009 (2020).M. E. Z. Velthoen, A. L. Paioni, I. E. Teune, M. Baldus, B. M. Weckhuysen, Chem. Eur. J., 26, 11995–12009 (2020).X. Xu , C. Li, H. Shan, Acta Phys. – Chim. Sin., 27, 1947–1955 (2011).X. Xu , C. Li, H. Shan, Acta Phys. – Chim. Sin., 27, 1947–1955 (2011).C. Yuan, Z. Li, L. Zhou, G. Ju, Mater., 15, 2169 (2022).C. Yuan, Z. Li, L. Zhou, G. Ju, Mater., 15, 2169 (2022).L. Zhang, Q. Hu, Y. Qin, Microporous Mesoporous Mater., 359, 112627 (2023).L. Zhang, Q. Hu, Y. Qin, Microporous Mesoporous Mater., 359, 112627 (2023).E. Amini, K. Ahmadi, A. Rashidi, A. A. Youzbashi, M. Rezaei, S. Mesgar, Sci. Rep., 15, 1844 (2025).E. Amini, K. Ahmadi, A. Rashidi, A. A. Youzbashi, M. Rezaei, S. Mesgar, Sci. Rep., 15, 1844 (2025).X. Wang, C. Zhang, W. Liu, P. Zhang, Polymers, 10, 944 (2018).X. Wang, C. Zhang, W. Liu, P. Zhang, Polymers, 10, 944 (2018).R. Wang, H. Wang , X. Xiong , H. Guan , Y. Zheng, C. Chen, Y. Qin, L. Song, CIESC J., 75, 3198–3209 (2024).R. Wang, H. Wang , X. Xiong , H. Guan , Y. Zheng, C. Chen, Y. Qin, L. Song, CIESC J., 75, 3198–3209 (2024).X. Xiong , X. Gao, Q. Hu, H. Zhao, Fine Petrochem., 36, 24–27 (2019).X. Xiong , X. Gao, Q. Hu, H. Zhao, Fine Petrochem., 36, 24–27 (2019).D. Fila, D. Kołodyńska. Materials, 16, 1058 (2023).D. Fila, D. Kołodyńska. Materials, 16, 1058 (2023).K. H. Chu, M. A. Hashim, Environ. Sci. Poll. Res., 31, 21136–21143 (2024).K. H. Chu, M. A. Hashim, Environ. Sci. Poll. Res., 31, 21136–21143 (2024).Y. Li, F. Gong, W. Yang, B. Liu, Environ. Sci. Poll. Res., 30, 121007–121013 (2023).Y. Li, F. Gong, W. Yang, B. Liu, Environ. Sci. Poll. Res., 30, 121007–121013 (2023).J. Krger, D. M. Ruthven, New J. Chem., 40, 4027–4048 (2016).J. Krger, D. M. Ruthven, New J. Chem., 40, 4027–4048 (2016).Y. Yin, B. Jiang, G. Xu, Y. Liu, Z. Wang, Y. Feng, X. Sun, J. Appl. Spectrosc., 91, 945–952 (2024).Y. Yin, B. Jiang, G. Xu, Y. Liu, Z. Wang, Y. Feng, X. Sun, J. Appl. Spectrosc., 91, 945–952 (2024).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.