化学：不均一反応における気体の温度マップ
Nature 502, 7472 doi: 10.1038/nature12568
全ての化学工業製品の85％以上が触媒を用いて製造され、その触媒の圧倒的多数は気体–固体界面で機能する不均一触媒である。そのため、通常、熱伝達、流体力学、表面反応速度論の連結のモデル化による触媒反応器の設計最適化に、多くの労力が注がれている。この過程は複雑なので実験的観測に対してモデル近似を校正する必要があるが、このとき温度マップが特に有用である。その理由は、最適な操作には温度制御が不可欠であることが多いからであり、また、温度勾配には反応エネルギー論に関する情報が含まれているからである。しかし、気体の流れを乱さずに反応器内部の気体の挙動を調べることは困難である。特に、熱流、質量流、触媒効率を支配する物理的パラメーターや勾配のマッピングも試みるときはなおさらである。そうした目的のために光学的手法やセンサーが使われてきたが、光学的手法は不透明媒体中ではほとんど機能せず、センサーは流れを乱す。NMR温度測定法では温度を非侵入的に測定できるが、気体に適用される従来の方法では、生成するシグナルの温度依存性が微弱であるか、シグナルが拡散によって急速に減衰するか、あるいは反応を妨げる恐れのあるコントラスト剤が必要である。今回我々は、弱い磁場勾配中における運動平均化に起因するNMR線幅と温度の逆相関を利用することによって、これらの問題を回避する新しいNMR温度測定法を提示する。我々は、金属ナノ粒子と金属–有機骨格触媒を充填した反応器内におけるプロピレン水素化中の気体温度を非侵入的にマッピングすることによって、その概念を実証した。測定誤差は絶対温度の4％未満であった。これらの結果により、我々の手法は、触媒を充填した気体–固体反応器内の高温箇所と低温箇所の位置を特定する非侵入的手段として確立された。我々の手法は、反応器モデル化に用いられる近似法の検証に、これまでにない性能を発揮する。
