固体燃料的热解和部分氧化

煤炭、生物质等固体燃料在中国资源丰富，然而其清洁利用却极为困难。燃烧意味着将其中的硫、无机盐、重金属（如汞）等释放出来，以中国的煤消耗量计算将会带来巨大的污染问题。如果用低于1000°C的低温燃烧（如催化燃烧、化学链燃烧）则需要解决固固反应极低的效率。将固体燃料液化或气化是一个有意义的课题。

生物质热解产油是一种廉价便捷的利用路线，然而热解生物油的品质因热解过程不同而差异明显。好品质的生物油对其后的提质的成本和工艺要求都很重要，而理解整个热解过程的机理是调控生物油品质的关键。本课题组利用热重和原位质谱的偶联来探测整个热解过程，做到对热解机理的定量分析，在此基础上进行热解过程或催化热解的优化。

煤先气化为合成气再燃烧是一个很好的路线，利用水蒸气与煤的气固反应生成CO和H2再燃烧利用，将污染物释放和燃烧分步进行，能够很好的控制住排放。然而在中国很大一部分的合成气是用于碳氢化学品的合成的，这意味着氧以二氧化碳的形式排放，浪费了大量的碳资源。本课题组利用催化剂活化氧化剂向气相释放活性中间体（如自由基），再利用气固反应将固体燃料中包含的所有碳碳键部分断开氧化，保存具有特定碳数的碳链，避免固固反应并尽可能避免碳基能源的浪费。结合原位质谱的研究将对该过程不断优化。（文：马昊）

复杂催化反应体系的原位质谱表征与诊断

碳基能源的催化转化具有典型的复杂体系特点。催化过程往往不再仅仅局限于催化剂活性中心的表面，一些非常活性的中间体（如自由基）在催化剂界面形成并脱附到气相中，与反应物、中间产物、产物等分子相互作用，形成复杂的反应体系。为了开发或优化催化剂的活性、选择性、稳定性，表征与诊断这类复杂反应体系是不可或缺的。这不仅需要传统催化研究中的表面物理化学手段，还需要原位探测气相复杂反应体系中关键的中间体以及其衍化路径。

分子束采样的原位质谱是针对气相体系原位探测的表征与诊断的有效办法。利用合理的分子束设计能够最大程度采集活性中间体，通过非常软的光电离（如8-12 eV）手段最大程度避免离子碎片，通过高分辨的飞行时间或离子阱检测器能够得到准确的分子式，如果结合同步辐射光源来测量电离效率甚至可以分辨出不同的同分异构体。

根据这些气相中间体和其衍化的信息，通过相关的反应动力学研究和计算机辅助，找到影响产物生成的中间体和相关路线（活性相关）；找到影响副产物生成的中间体和相关路线（选择性相关）；找到造成积碳或难脱附的中间体和相关路线（稳定性相关），从而了解整个复杂体系的催化过程。结合表面物理化学的表征与诊断，理解催化剂结构-反应之间的关系，最终定向优化或开发催化剂。（文：马昊）