利用可再生和替代资源生产增值产品

隐藏在新泽西州罗格斯大学工程大楼内的一个小型、整洁的实验室里，一名研究人员正尝试将廉价的可再生能源升级为新的有用产品和燃料。

George Tsilomelekis 博士教授是一名化学工程师。在过去的 15 年里，他一直在研究几种光谱技术，尤其是振动光谱，其中包括拉曼光谱和红外光谱。

他的工作是了解分子如何相互作用，但最重要的是分子如何与表面相互作用，他的研究主要集中在这些表面（催化剂）如何将分子升级到更有价值的终端用途上。

Tsilomelekis 是化学和生物化学工程副教授，在其研究的项目中，有一些涉及到廉价生物质的转化和升级，他的研究重点是使用不与粮食资源竞争的非食用生物质，以经济高效的方式生产生物基化学品和燃料。

为此，他采用了有助于化学反应的各类催化剂，这些催化物质具备促进化学反应所需的功能（活性位），但也可以通过气孔获得高比表面积，有助于“容纳”生物质产生的所有不同分子。

“通过合理设计上述催化材料，我们可以将这些分子转化为有用的增值化学物质，”他说，“可以是一种溶剂、一种燃料，或者只是一种可以提高现有燃料质量的燃料添加剂，也可以是聚合物先驱体。”

当前世界依赖于从石油中获取上述大部分材料，很多时候，需要经历耗费大量能源的提炼过程。

“我们真正尝试做的是使用替代和可再生资源，如生物质或天然气，”他说道，“例如，天然气中含有大量甲烷，以及乙烷、丙烷等。” Tsilomelekis 说，试想一下，把甲烷升级为增值化学品，“过去几年里发生的页岩气革命为使用极廉价的天然气资源带来了莫大良机。这可能会改变这一领域的游戏规则，现在我们可以使用这些原料探索新的研究途径，获得我们通常从石油中获得的各种重要化合物。”

“我现在做的是将乙烷和丙烷（天然气成分）升级为乙烯和丙烯，”他说道。

他的目标是使用廉价的原材料与催化剂相互作用，升级为更有价值的产品。

早在 2002 年，他的导师就已谈论到了化学反应和反应器，但他想了解第一手情况，以便更好地进行设计。

“我一直想做的就是完全了解催化反应器内部的情况，”他说道，“所以，光谱学对我来说就是探知反应器内部情况的眼睛和感官，我尝试了解催化反应的基本环节，如果我看到，我就知道它是如何工作的，如果我知道它是如何工作的，我就可以按照我想要的方式修改催化材料，这会有助于我获得更好的材料或设计出性能更好的材料。”

Tsilomelekis 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，他一头浓密的黑发向后梳起打髻，坐在一块大的平板显示器前，这样更方便查看光谱。

Tsilomelekis 正在从事的是纯基础研究，希望有一天能取得研究成果，并投入大规模工业运用，为生产增值产品提供更节能的技术工艺。

Spectroscopy 起到了作为“传感器”的基础作用。其中的环节可以像测量溶液中化合物的浓度一样简单，也可以像短时间内快速了解分子与孔内表面位的相互作用机理一样复杂。第一可以告诉我们，例如，生物反应器内的葡萄糖是如何在代谢反应过程中耗尽的；第二与催化作用更加紧密相关，但我们必须将其与其他技术相结合。

为研究上述催化反应，Tsilomelekis 利用了多种光谱技术。

“例如，我们采用拉曼光谱或红外光谱，可以提供有关这种材料结构变化的信息，”他说道，“但与此同时，我们采用其他分析技术测量产品的分布情况，如气相色谱分析法或质谱分析法。这属于现场原位光谱技术领域，是在真实的操作条件下研究材料。我们综合上述方法，可以建立结构-反应活性关系，这样我能看到材料在反应过程中是如何变化的。然后，我们看看上述变化与更好的产品分布或更好的产品良率之间是否相关。”

Tsilomelekis 在其实验室中使用的仪器是 HORIBA LabRAM HR Evolution（现已升级为 HORIBA LabRAM Odyssey），这是一种共聚焦拉曼显微镜，可通过测量振动光谱来观察催化反应。

“现在我能非常快速地筛选出许多不同的催化剂，”他说道，“然后我能找出哪种催化剂最好，或者如何修改使其更有选择性。我现在甚至可以根据这一基本理解获得如何改变反应条件的信息，从而避免催化剂失活。”