Исследование методом флуоресцентной визуализации in situ повышения эффективности массопереноса молекул тяжелой нефти в иерархических катализаторах каталитического крекинга

   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.

1. 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).

2. 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).

3. Q. Shi, S. Zhao, Y. Zhou, J. Gao, C. Xu, Rev. Chem. Eng., 36, 1–19 (2020).

4. 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).

5. J. M. M. Ferreira, E. F. Sousa-Aguiar, D. A. G. Aranda, Catal., 13, 784 (2023).

6. Z. Gholami, F. Gholami, Z. Tiler, M. Tomas, M. J. E. Vakili, Energies, 14, 1089 (2021).

7. C. Jiao, Q. Jiao, W. Zhang, Z. Ji, J. Zheng, W. Dai, Y. Wang, M. Pan, R. Li, J. Mater. Sci., 59 (2024).

8. X. Wang, Y. You, X. Han, X. Jiang, J. Therm. Anal. Calorim., 147, 8535–8549 (2022).

9. 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).

10. L. Chen, M. Sun, Z. Wang, W. Yang, Z. Xie, B. Su, Chem. Rev., 120, 11194–11294 (2020).

11. 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).

12. 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).

13. 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).

14. E. Stavitski, M. H. F. Kox, B. M. Weckhuysen, Studies Surface Sci. and Catalysis, 174, 21–32 (2008).

15. 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).

16. N. Kumar, S. Kalirai, A. J. Wain, B. M. Weckhuysen, Chem. Cat. Chem., 11, 417–423 (2019).

17. 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).

18. Y. M. Harmaza, A. V. Tamashevski, E. I. Slobozhanina, J. Appl. Spectrosc., 87, 1094–1099 (2021).

19. L. M. Hirvonen, K. Suhling, Meas. Sci. Technol., 28, 012003 (2017).

20. F. Malanga, G. Fratta, G. Acconcia, I. Rech, IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., 19, 442–453 (2025).

21. H. Wang, X. Xiong, Y. Deng, X. Sun, H. Guan, Q. Li, L. Song, J. Petrochem. Univ., 37, 58–63 (2024).

22. M. E. Z. Velthoen, A. L. Paioni, I. E. Teune, M. Baldus, B. M. Weckhuysen, Chem. Eur. J., 26, 11995–12009 (2020).

23. X. Xu , C. Li, H. Shan, Acta Phys. – Chim. Sin., 27, 1947–1955 (2011).

24. C. Yuan, Z. Li, L. Zhou, G. Ju, Mater., 15, 2169 (2022).

25. L. Zhang, Q. Hu, Y. Qin, Microporous Mesoporous Mater., 359, 112627 (2023).

26. E. Amini, K. Ahmadi, A. Rashidi, A. A. Youzbashi, M. Rezaei, S. Mesgar, Sci. Rep., 15, 1844 (2025).

27. X. Wang, C. Zhang, W. Liu, P. Zhang, Polymers, 10, 944 (2018).

28. R. Wang, H. Wang , X. Xiong , H. Guan , Y. Zheng, C. Chen, Y. Qin, L. Song, CIESC J., 75, 3198–3209 (2024).

29. X. Xiong , X. Gao, Q. Hu, H. Zhao, Fine Petrochem., 36, 24–27 (2019).

30. D. Fila, D. Kołodyńska. Materials, 16, 1058 (2023).

31. K. H. Chu, M. A. Hashim, Environ. Sci. Poll. Res., 31, 21136–21143 (2024).

32. Y. Li, F. Gong, W. Yang, B. Liu, Environ. Sci. Poll. Res., 30, 121007–121013 (2023).

33. J. Krger, D. M. Ruthven, New J. Chem., 40, 4027–4048 (2016).

34. Y. Yin, B. Jiang, G. Xu, Y. Liu, Z. Wang, Y. Feng, X. Sun, J. Appl. Spectrosc., 91, 945–952 (2024).