在未来，石油也将有平替 | 用户访谈

2023-11-10 15:04:22, HORIBA HORIBA科学仪器事业部

在新泽西州罗格斯大学工程大楼内的一个实验室里，一名专家正在研究某种廉价的可再生资源，试图将它变为全新的产品和燃料。他就是George Tsilomelekis 博士，是一名化学工程师，同时也是化学和生物化学工程副教授。他所在的研究小组的研究项目是利用可再生及可替代资源，以经济高效的方式生产化学品和燃料。

在这个项目中，Tsilomelekis 博士会运用很多技术来进行研究，但他最想了解催化反应内部的情况，希望有一种技术能让他“看到”反应的各个环节，因为这样，他的很多想法就能实现了。

资源领域的游戏规则正在改变

众所周知，当前世界对石油的依赖程度颇高，在这一领域便产生了很多问题和困扰，譬如世界石油市场结构、石油枯竭问题、环境污染问题等。“我们正在尝试利用可再生和可替代资源，如生物质能、天然气等”Tsilomelekis 博士说，“这可能会改变这一领域的游戏规则。我们正在探索如何使用这些碳中和原料，获得我们之前从石油中获得的各种重要化合物。”

“比如我目前的工作，是将乙烷和丙烷（天然气成分）升级为乙烯和丙烯，目前的主要方法是将催化剂加入成本低廉的乙烷和丙烷中，使其相互作用，从而获得更有价值的产品。”他说道。这些催化物质具备促进化学反应所需的功能（活性位），同时也可以通过气孔获得高比表面积，有助于“容纳”生物物质产生的所有不同分子。

“通过合理设计催化材料，我们能将这些分子转化为有用的化学物质，”他说，“它可以是一种溶剂、燃料，或者只是一种可以提高现有燃料质量的燃料添加剂，也可以是聚合物前驱体。”

George Tsilomelekis 教授，化学和生物化学工程博士

“看到”化学反应很关键

早在2002年，Tsilomelekis 博士就曾听闻催化反应和反应器，但他希望更进一步了解他们，以便更好地进行催化剂设计。要了解催化剂的工作原理，便需要了解分子间相互作用，尤其是分子如何与催化剂表面进行相互作用，从而实现可再生资源的高效利用。在过去的15年里，他一直在通过光谱技术进行各项实验测量及分析，这其中就包括了拉曼光谱和红外光谱。

“我一直想了解催化反应内部的情况，”他说，“所以，光谱技术对我来说就像是探知反应器内部情况的‘眼睛’。如果我能“看到”反应的各个环节，我就能知道它是如何工作的，也就可以按照我想要的方式修改催化剂，来获得或设计出性能更好的材料。”

的确，光学光谱技术好比“传感器”一般，能帮助人们理解化学反应过程中的每个步骤。不论是溶液中化合物浓度一类的常规测试，还是分子与孔内表面位相互作用机理一类的复杂检测分析，都能通过光谱技术实现各种需求。例如，浓度检测可以告诉我们生物反应器内的葡萄糖是如何在代谢反应过程中耗尽的，而反应过程机理则与催化剂作用密切相关，除了光谱技术，我们必须同时与其他技术相结合，来做进一步分析判断。

“通过拉曼光谱或红外光谱，我们可以了解材料结构的变化信息，”Tsilomelekis 教授说，“但与此同时，我们也会采用其他分析技术测量材料的分布情况，如气相色谱分析法或质谱分析法。这种原位光谱技术，是在真实的操作条件下，对材料的变化进行的研究。通过这种方法，我们可以建立结构-反应活性关系，也就可以据此辨别相关变化与产品质量或产量之间是否有关。”

Tsilomelekis 使用的仪器是 HORIBA LabRAM HR Evolution（现已升级为 HORIBA LabRAM Odyssey），这台共焦拉曼显微光谱仪，可通过测量振动光谱来观察催化反应。

George Tsilomelekis 教授在 HORIBA LabRAM HR Evolution

拉曼光谱仪前做实验研究

“现在我们能快速筛选许多不同的催化剂，”他说，“然后从中找出效能优越的种类，或者修改分子结构使其拥有更优秀的反应选择性。我们甚至可以根据催化反应机理，改变反应条件，从而避免催化剂失活。”

Tsilomelekis 博士来自希腊的某个小山村。他操着一口流利的英语，带有明显的希腊口音，一头浓密的黑发向后梳起。他常常坐在一块大平板显示器前，这样更方便查看光谱。尽管目前他正在从事的是纯基础研究，但希望有一天他的研究成果能投入大规模工业生产，并提供更节能高效的技术工艺，为实现人类绿色低碳的美好未来贡献力量。

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编辑：Fanny

审核：Joanna,Lucy

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