Bert Weckhuysen是荷兰乌得勒支大学的杰出教授,在德拜纳米材料科学研究所工作。他是2018年6月在英国利物浦举行的庆祝英国同步辐射研究50周年会议的全体发言人。克莱尔·桑森在那里追上了他

Bert Weckhuysen的照片

来源:©Bert Weckhuysen

和全世界成千上万的化学家一样,伯特Weckhuysen是一位热心的摄影师。然而,更不同寻常的是,他找到了一种将爱好和研究结合在一起的方法。15年来,他一直致力于通过拍摄催化剂的照片和视频来了解催化的机制。这项工作的长期目标是建立一个独特而强大的“相机”,可以在宏观、中观和微观尺度上对催化进行成像,从反应堆水平到单个原子和分子之间的相互作用。

韦克胡森在比利时长大,在那里的鲁汶大学(Leuven University)攻读学位。在美国进行博士后研究后,他先后在宾夕法尼亚州伯利恒的利哈伊大学跟随Israel Wachs和德克萨斯州农工大学的Jack Lunsford,于2000年搬到乌得勒支大学并一直呆在那里。2012年,他成为他所在学院的第一位特聘教授,并于2018年1月晋升为特聘大学教授。正如他在利物浦的演讲中指出的那样,50岁的他在同行评审期刊上发表了500多篇论文,这与基于同步加速器辐射的研究年龄差不多。

催化剂成膜示意图

来源:©Bert Weckhuysen

很少有化学家能说出他们自己发明的技术,无论他们多么杰出。韦克胡森和几个同事在2003年创造了“operando光谱学”一词,指的是在反应进行时对材料进行催化并测量其活性的光谱表征。1因此,它是原位光谱学的一种特殊形式,在催化条件下进行测量。他说:“Operando光谱学可以测量真实催化剂在高温高压等真实工作条件下的活性。””这个词operando在拉丁语中是工作的意思,operando光谱学是工作催化剂的光谱学:真实材料的复杂性和异质性。“这可能涉及各种光谱技术:红外、拉曼光谱和荧光光谱,以及那些使用同步加速器x射线辐射的技术。”

Operando光谱学示意图

来源:©Bert Weckhuysen

Weckhuysen使用operando光谱学来研究催化剂的工作过程

当今工业中化学过程中所使用的催化剂确实是复杂而非均质的。催化作用只有在底物分子到达活性位点时才会发生,通常是通过一个复杂的微孔网络。韦克胡森说:“这看起来很像用街道地图在城市中导航。”实时观察这一过程是如何在工业条件下发生的,使化学家和工程师对其机理有了更好的了解,以及如何改变催化剂的性质以使这一过程更有效。

许多非科学家主要是通过汽车发动机中的催化转换器来接触“催化剂”这个术语的。我们现在理所当然地认为废气中含有很少的NO2以及其他有害气体;值得庆幸的是,我们面临的多重环境问题不再包括酸雨。今天,Weckhuysen的团队正在对催化的所有分子细节做出详细的理解,以解决一个在2018年炎热的夏天开始显得既紧迫又重要的问题:从大气中清除或回收多余的二氧化碳。

将植物捕获并储存为不可食用生物质的部分二氧化碳转化为日常塑料已经成为可能,而裂解催化剂在这一过程中起着至关重要的作用。然而,Weckhuysen认为,更好的催化剂可能使我们绕过植物,直接从空气中捕获二氧化碳,并将其与水一起用作生产辛烷值等碳氢化合物的原料。它们在室温下是液体,是汽油燃料的关键成分,但我们也可以想象直接用二氧化碳来制造目前我们工业的化学构件。“我们还没到那儿呢;这种高能量的过程需要更好的催化剂,而这种催化剂目前还没有发明出来。”“但实际上,我们不会完全没有液体燃料,直接将二氧化碳和其他废物回收成碳氢化合物将是一种可持续的制造和使用方式。”今天,他的团队正在研究镍纳米团簇作为二氧化碳氢化催化剂的特性。了解如何控制这一过程的活性和选择性将使碳被捕获并储存在液态甲烷中。