原位紅外光譜表征高真空系統(tǒng)

優(yōu)勢特點：

1）樣品處理開始后樣品池中真空度可達(dá)到10^-3 Pa；
2）樣品測量過程中各樣品可同時或分別進(jìn)行預(yù)處理、吸附、脫附探針分子；
3）測量所需探針分子為酸性或堿性分子，高硼硅玻璃材質(zhì)避免了各類氣體的相互污染；
4）真空處理系統(tǒng)由機(jī)械泵與玻璃四級擴(kuò)散泵串聯(lián)組成，可滿足樣品測試所需的高真空度的要求，具有抽速快、體積小、噪音低、操作簡單、使用方便等特點；
5）低真空部分主要是抽除系統(tǒng)中的高濃度氣體或吸附的殘余氣體；
6）各部分節(jié)門選用高硼硅玻璃節(jié)門，滿足系統(tǒng)高真空的要求，透明性操作，便于調(diào)試；
7）真空測量儀使用數(shù)顯高精密真空計；
8）本系統(tǒng)所配透過式石英紅外吸收池，可對樣品進(jìn)行陪燒、流動氧化還原、抽空脫氣、吸附反應(yīng)等處理過程，可隨時移入或移出到紅外光譜儀的光路中進(jìn)行實驗，對樣品的加熱溫度最高可達(dá)450度；
9）波紋管更換方便。
10）高真空系統(tǒng)和原位紅外吸收池可按客戶要求進(jìn)行更改和定制。

產(chǎn)品應(yīng)用：

1 吸附態(tài)研究和催化劑紅外光譜表征

   紅外光譜已經(jīng)廣泛應(yīng)用于催化劑表面性質(zhì)的研究，其中有效和廣泛應(yīng)用的是研究吸附在催化劑表面的所 謂“探針分子"的紅外光譜，如：NO、CO、CO₂、NH₃、C₃H₅N等，紅外光譜表征可以提供催化劑表面尤其是原位反應(yīng)條件下催化劑表面存在的“活性中心"和表面吸附物種的信息，因此對于揭示催化反應(yīng)機(jī)理十分重要。

1.1 CO吸附態(tài)研究

   CO具有很高的紅外消光系數(shù)，其未充滿的空軌道很容易同過渡金屬相互作用，同時許多重要的催化反應(yīng)如羰基合成、水煤氣合成、費托合成等均與CO密切相關(guān)，因此，研究CO在過渡金屬表面的吸附態(tài)是一項十分廣泛的研究課題。

1.2催化劑表面組成測定

   合金催化劑表面組成與體相組成的差異會導(dǎo)致催化劑的性能顯著不同，因此，測定催化劑的表面組成對理解反應(yīng)的活性位相當(dāng)重要。利用兩種氣體混合物在雙組份過渡金屬催化劑表面上的競爭吸附，并通過紅外光譜測定其強(qiáng)度，可以方便地測定雙金屬負(fù)載催化劑的表面組成。典型的例子是CO和NO在Pt-Ru雙金屬催化劑上共吸附的紅外光譜。

1.3幾何效應(yīng)和電子效應(yīng)研究

   在高分散金屬催化劑中引入第二金屬組元，由于金屬間的幾何效應(yīng)和電子效應(yīng)可顯著改變催化劑的吸附性能從而改變催化活性。如在Pd-Ag/SiO₂催化劑體系中，Ag對Pd起稀釋作用，當(dāng)Ag含量增加，成雙存在的Pd濃度減少，因而橋式CO減少，線式CO增加，說明幾何效應(yīng)改變了CO在Pd-Ag/SiO₂體系中的吸附性能，同時，隨Ag含量的增加，CO吸附譜帶紅移加大，說明Pd-Ag之間存在電子效應(yīng)。

1.4吸附分子相互作用研究

   CO吸附在過渡金屬表面時存在d-π反饋，n_co同d-π反饋程度有有關(guān)，而d-π反饋程度與金屬本身的d軌道情況有關(guān)，因此，通過CO吸附態(tài)的紅外吸收光譜的化學(xué)位移，可以考察其它分子與CO共同吸附時導(dǎo)致的分子與金屬組元之間的電子轉(zhuǎn)移過程。如：當(dāng)能夠給出電子的Lewis堿與CO共吸附在Pt上時，根據(jù)d-π反饋原理，吸附在Pt上的CO伸縮振動向低波數(shù)位移，而當(dāng)能夠接受電子的受體與CO共吸附在Pt上時，根據(jù)d-π反饋原理，吸附在Pt上的CO伸縮振動向高波數(shù)位移。

2 氧化物、分子篩催化劑的紅外光譜表征

2.1 固體表面酸性測定

   固體表面酸性位一般可看作是氧化物催化劑表面的活性位。在眾多催化反應(yīng)如催化裂化、異構(gòu)化、聚合等反應(yīng)中烴類分子與表面酸性位相互作用形成正碳離子，該正碳離子是反應(yīng)的中間物種。正碳離子理論可以成功解釋烴類在酸性表面上的反應(yīng)，也對酸性位的存在提供了有力證明。

   為了表征固體酸催化劑的性質(zhì)，需要測定表面酸性位的類型(Lewis酸，Bronsted酸)、強(qiáng)度和酸量。測定表面酸性的方法很多，如堿滴定法、堿性氣體吸附法、熱差法等，但這些方法都不能區(qū)分L酸和B酸部位。紅外光譜法則廣泛用來研究固體催化劑表面酸性，它可以有效區(qū)分L酸和B酸，在該方法中，常用堿性吸附質(zhì)如氨、吡啶、三甲基胺、正丁胺等來表征酸性位，其中應(yīng)用比較廣泛的是吡啶和氨。

2.2 氧化物表面羥基的研究

   氧化物尤其是大比表面的氧化物的表面結(jié)構(gòu)羥基同許多催化反應(yīng)如脫水反應(yīng)、甲酸分解反應(yīng)等有關(guān)，而表面結(jié)構(gòu)羥基的性質(zhì)又同表面酸性有密切的關(guān)系，多年來，人們對氧化物表面羥基進(jìn)行了大量的研究，其中大部分研究著眼于氧化物表面羥基的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及同酸性中心的關(guān)系，進(jìn)而同催化劑的反應(yīng)性能相關(guān)聯(lián)。研究催化劑表面結(jié)構(gòu)羥基的方法很多，但卓有成效的是紅外光譜法。

2.3 氧化物表面氧物種研究

   甲烷是烴類分子中結(jié)構(gòu)簡單、對稱、化學(xué)惰性的分子，從基礎(chǔ)研究角度認(rèn)識以甲烷為代表的低碳烴類活化機(jī)理具有極大的學(xué)術(shù)意義。但是，甲烷分子很難吸附在催化劑表面上，因此很難直接觀察到它在氧化物表面的活化過程。而氧化物表面（尤其堿性氧化物表面）的氧物種研究由于表面存在一層穩(wěn)定的碳酸鹽使得對其研究十分困難。鑒于上述原因，氧化物表面氧物種的研究一直沒有取得重大進(jìn)展。近年來采用了“化學(xué)捕集"技術(shù)、同位素交換技術(shù)和低溫原位紅外光譜方法相結(jié)合應(yīng)用于上述研究取得了一些關(guān)于表面氧物種和甲烷活化的重要信息。

3 原位紅外光譜應(yīng)用于反應(yīng)機(jī)理研究

    長期以來人們研究了各種分子在催化劑表面的吸附態(tài)并獲得了許多重要的信息，但是這些信息都是在反應(yīng)沒有發(fā)生時測得的。而反應(yīng)條件下的吸附物種的類型、結(jié)構(gòu)、性能與吸附條件下的吸附物種的類型、結(jié)構(gòu)、性能有很大差別，因此，僅利用吸附條件下分別測得的吸附物種信息無法準(zhǔn)確闡明反應(yīng)機(jī)理，為此，進(jìn)行反應(yīng)條件下吸附物種的研究十分必要。而在反應(yīng)條件下催化劑表面吸附的物種并未都參與反應(yīng)，因此如何在多種吸附物種中識別出參與反應(yīng)的“中間物種"是非常重要的課題。原位紅外光譜可以測量催化劑在反應(yīng)狀態(tài)下吸附物種的動態(tài)行為，因此可以獲得催化劑表面物種的動態(tài)信息，并可據(jù)此推斷反應(yīng)機(jī)理。

詳細(xì)介紹：
   原位紅外光譜表征高真空系統(tǒng)是用于測定催化劑表面組成、吸附、酸性、物種、表面羥基及反應(yīng)機(jī)理的專用設(shè)備，包括高真空系統(tǒng)和原位紅外吸收池兩部分，可以配合Bruker布魯克等主要紅外光譜儀進(jìn)行氨、吡啶、一氧化碳、一氧化氮、甲醇、乙醇等化合物的化學(xué)吸附測定及反應(yīng)機(jī)理研究。
   催化劑表征對于了解催化劑結(jié)構(gòu)和組成在預(yù)處理、誘導(dǎo)期和反應(yīng)條件下以及再生過程中所發(fā)生的變化是至關(guān)重要的。催化反應(yīng)機(jī)理的知識、特別是結(jié)構(gòu)、動態(tài)學(xué)和沿催化反應(yīng)途徑中生成的反應(yīng)中間物的能量學(xué)可為開發(fā)新催化劑和改良現(xiàn)有催化劑提供更深刻的認(rèn)識。原位譜學(xué)觀察又是闡明反應(yīng)機(jī)理、分子與催化劑相互作用的動態(tài)學(xué)和中間物結(jié)構(gòu)的有效的技術(shù)。這些研究還可以提供有關(guān)催化劑和底物相互作用及有關(guān)活化勢壘的熱力學(xué)方面信息。反應(yīng)機(jī)理和動力學(xué)的研究，特別是對催化反應(yīng)中間物的原位觀察，對發(fā)展催化科學(xué)是非常必要的。因為這樣的研究結(jié)果提供了催化作用的全面知識，并有助于闡明催化劑結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。

•    高真空系統(tǒng)由玻璃四級擴(kuò)散泵、真空泵、精密真空表、電離規(guī)、集氣瓶、球形安瓶、制備瓶、可伐、真空活塞等組成。該系統(tǒng)的高真空是通過一臺優(yōu)質(zhì)低噪聲的機(jī)械泵和一臺玻璃四級擴(kuò)散泵組成的機(jī)組而獲得。
     原位紅外吸收池由石英制成，分樣品臺和真空密封窗口兩部分。樣品臺帶有加熱組件、熱電偶、冷卻系統(tǒng)和氣體引入系統(tǒng)；真空密封窗口由冷卻系統(tǒng)和CaF₂窗片組成。該吸收池采用透射模式進(jìn)行紅外光譜表征，可對樣品進(jìn)行焙燒、流動氧化還原、抽空脫氣、吸附反應(yīng)等處理過程，可隨時移入或移出到紅外光譜儀的光路中，也可利用配備的延長管路進(jìn)行原位表征實驗。樣品的加熱采用程序升溫方法控制溫度，最高溫度可達(dá)450℃。標(biāo)準(zhǔn)配置的吸收池窗口材料為CaF₂，工作區(qū)間為4000—1000cm^-1，也可按用戶需要配置其他窗口材料。
  
  

表1 紅外窗口材料的性質(zhì)

兩個面上的反射損失, NA 不透明。

玻璃高真空系統(tǒng)部分組成及說明：
      請參閱圖1所示，本玻璃高真空實驗測試系統(tǒng)，主要應(yīng)用紅外光譜催化劑原位表征、催化劑表面吸附物種和催化劑表征方面（探針分子的紅外光譜）以及反應(yīng)動態(tài)學(xué)方面的研究。
      該系統(tǒng)包括由機(jī)械真空泵A，真空波紋管B，可伐KF接頭C，緩沖球D，組成一級真空泵，用于抽取低真空段，該部分真空可以抽取到1.0Pa；玻璃擴(kuò)散泵E，用于提升真空度，提升真空度到10^-2-10^-3Pa，此為二級真空泵，液氮冷阱F，用于冷卻系統(tǒng)中雜質(zhì)氣體，也有利于幫助提高真空度；真空規(guī)管G和精密真空表J，分別用于測量系統(tǒng)的高真空度及低真空度；玻璃球瓶H、I為儲氣瓶，用于儲存?zhèn)溆眉兓玫臍怏w；玻璃管P為高真空部，為工作玻璃管，為該系統(tǒng)的核心部分；玻璃管Q為低真空部，用于連接測試樣品池M，進(jìn)氣接口Ｌ，為工作管Ｐ服務(wù)，并實現(xiàn)高低真空的轉(zhuǎn)換；玻璃制備瓶K，用于氣體的純化與制備；制備安瓶N，用于液體的純化與制備；該系統(tǒng)全部采用玻璃真空閥門，更好的保證了氣密性，02,03為三通玻璃真空閥門（詳圖2），01、04、05、06、07、08、09、10、11為二通玻璃真空閥門（詳圖3）。
     本實用新型中所采用的管路均為玻璃管路，所采用的閥門均為玻璃高真空閥門，真空閥門可以保證系統(tǒng)使用過程中不會產(chǎn)生漏氣或緩慢滲漏的情形。圖1-C中不銹鋼管與玻璃管路采用可伐（Kovar）連接。