一种双光束红外光谱及其在气固相多相催化反应实时原位表征中的应用

单光束红外光谱技术(原位傅立叶透射变换红外、原位漫反射红外和衰减全反射红外光谱技术)虽然已经用于气固相多相催化反应的原位表征中,但这些光谱在真实反应条件下会受到气体分子振动光谱和加热条件下产生的发射光谱的严重影响,不能实时获得催化剂表面的真实信息.另外,由于在真实的气固相多相催化反应过程中,催化剂本底的信息会随着反应时间的延长而发生变化,因此单光束红外光谱技术在扣除本底信息方面存在误差.为了实现在反应条件下,实时、原位表征催化剂表面的状态,我们报道了一种双光束红外光谱表征技术.该技术包括双光束红外光谱系统及双光束红外反应池.其特征在于:实时双光束原位红外光谱系统由两台完全相同的红外光谱仪和双光束红外反应池组成.双光束红外反应池由完全相同的样品池和参考池连接而成,样品池和参考池处于同一水平线上分别对应于样品光谱仪和参考光谱仪,由计算机同步控制两台红外光谱仪,排除实时状态下的气体分子振动光谱干扰和加热条件下产生的发射光谱干扰.该技术可以对真实反应条件下的气固相多相催化反应进行实时原位表征.通过应用程序的关联可以实时、同步采集样品光束和背景光束谱图来得到催化剂表面物种随反应时间变化的真实信息.该技术克服了单光束红外光谱在原位多相催化反应表征方面的缺陷,使表征结果变得更加精确可靠.该技术还可以在变化的气相组分条件下,获得不同温度下、实时的催化剂表面活性中心、活性相和中间物种的信息.采用上述双光束红外光谱仪对丁烯在纳米HZSM-5催化剂上芳构化反应过程进行了实时、原位观测,首次在实际反应条件下,观察到了异丁烯在纳米HZSM-5沸石的表面Br?nsted酸中心上经历吸附、活化、聚合、环化等反应步骤生成芳烃的过程.     

一种双光束红外光谱及其在气固相多相催化反应实时原位表征中的应用（英文）

单光束红外光谱技术(原位傅立叶透射变换红外、原位漫反射红外和衰减全反射红外光谱技术)虽然已经用于气固相多相催化反应的原位表征中,但这些光谱在真实反应条件下会受到气体分子振动光谱和加热条件下产生的发射光谱的严重影响,不能实时获得催化剂表面的真实信息.另外,由于在真实的气固相多相催化反应过程中,催化剂本底的信息会随着反应时间的延长而发生变化,因此单光束红外光谱技术在扣除本底信息方面存在误差.为了实现在反应条件下,实时、原位表征催化剂表面的状态,我们报道了一种双光束红外光谱表征技术.该技术包括双光束红外光谱系统及双光束红外反应池.其特征在于:实时双光束原位红外光谱系统由两台完全相同的红外光谱仪和双光束红外反应池组成.双光束红外反应池由完全相同的样品池和参考池连接而成,样品池和参考池处于同一水平线上分别对应于样品光谱仪和参考光谱仪,由计算机同步控制两台红外光谱仪,排除实时状态下的气体分子振动光谱干扰和加热条件下产生的发射光谱干扰.该技术可以对真实反应条件下的气固相多相催化反应进行实时原位表征.通过应用程序的关联可以实时、同步采集样品光束和背景光束谱图来得到催化剂表面物种随反应时间变化的真实信息.该技术克服了单光束红外光谱在原位多相催化反应表征方面的缺陷,使表征结果变得更加精确可靠.该技术还可以在变化的气相组分条件下,获得不同温度下、实时的催化剂表面活性中心、活性相和中间物种的信息.采用上述双光束红外光谱仪对丁烯在纳米HZSM-5催化剂上芳构化反应过程进行了实时、原位观测,首次在实际反应条件下,观察到了异丁烯在纳米HZSM-5沸石的表面Br?nsted酸中心上经历吸附、活化、聚合、环化等反应步骤生成芳烃的过程.     

NiY分子筛表面酸性影响其选择性吸附脱硫性能的机理研究

采用原位红外光谱技术,以噻吩、环己烯和苯为模型探针分子,分别考察单一烃分子在NiY分子筛上的吸附与反应行为以及噻吩与烯烃、芳烃间的竞争吸附和催化反应行为。单一探针分子吸附研究发现,NiY分子筛中与Ni物种相关的Lewis(L)酸位是噻吩的选择性吸附活性位;噻吩和环己烯在NiY分子筛中Brnsted(B)酸位上发生的质子化和低聚反应明显弱于HY分子筛。双探针分子竞争吸附研究发现,环己烯二聚体在NiY中强B酸位上的强化学吸附与噻吩存在显著的竞争吸附行为。另外,苯和噻吩在NiY上的竞争吸附现象在373K时明显减弱。由此,在选择性吸附脱硫过程中,减少吸附剂表面B酸中心可降低烯烃对噻吩的竞争吸附,另外适当提高吸附体系的温度可以有效避免芳烃对噻吩的竞争吸附。     

负载Pd基碳二选择加氢催化剂上乙炔加氢反应的原位红外光谱研究

以乙烯和乙炔为探针分子, 采用原位红外光谱技术研究了Pd-Ag/Al₂O₃和Pd/Al₂O₃催化剂上乙炔加氢反应, 通过乙炔吸附, 乙炔和氢的共吸附和交替吸附表征了催化剂表面吸附物种的变化. 结果表明, 在Pd-Ag/Al₂O₃催化体系中, 乙炔在Pd-Ag/Al₂O₃和Pd/Al₂O₃催化剂有着不同的吸附性能, 另外, 加氢反应会导致在催化剂表面形成由长分子链的烷烃组成的碳氢化合物层, 该吸附层与绿油有着相似的红外光谱特征, 最关键的是乙炔和氢的吸附顺序和碳氢化合物层的生成量之间存在着一定的关系, 这将直接影响催化剂的加氢性能.     

Pd微电极阵列表面纳米薄膜的方波电位制备及其特殊的红外性能

制备了单根可寻址Pd微电极阵列,运用方波电位法对阵列上每根Pd微电极处理不同时间,诱导生成一系列不同纳米结构的Pd薄膜.以CO为探针分子,结合原位显微傅里叶变换红外反射光谱进行表面组合电化学研究,一次性地获得CO吸附在不同纳米结构Pd薄膜上的红外光谱.观察到随方波电位法处理时间的逐步增加,桥式吸附态CO的红外光谱峰从正常吸收光谱到类Fano光谱,再到异常红外光谱的转变过程.结合扫描电子显微镜观察纳米薄膜的形貌,发现不同红外光谱特征都对应着特定的纳米结构.     

ATR-FTIR在研究环境固液微界面吸附过程中的应用

微界面吸附过程是许多环境微界面反应的初始步骤或关键步骤。通过原位分析方法实时研究环境微界面吸附过程,可以获得更直接的界面反应信息和更可靠的反应机制证据,对于认识污染物在环境中分配转化和迁移传输规律有着重要意义。衰减全反射红外光谱技术由于其独特的采样原理、简便的制样方法和广泛的适应性,正逐渐成为研究微界面反应的一个有力工具。本文在简要介绍原位衰减全反射红外光谱的技术原理的基础上,综述其在环境微界面吸附过程,尤其是矿物-水界面吸附过程中的应用,并探讨其在环境微界面过程研究中的发展前景。     

原位傅里叶变换红外光谱研究Y型分子筛表面酸性对吸附有机分子的影响

采用吡啶原位吸附傅里叶变换红外(Py-FTIR)光谱对液相离子交换(LPIE)和固相离子交换(SSIE)法制备的CeY分子筛以及HY和NaY的酸性进行了测定. 在原位条件下采用单探针分子噻吩、环己烯和苯对其在分子筛上的吸附过程进行了研究; 以噻吩和环己烯、噻吩和苯组成的双探针分子对吸附过程中存在的竞争吸附、催化反应以及吸附机理进行了系统研究. 结果表明, HY和L-CeY 分子筛表面强Brönsted (B)酸性位可导致吸附在其表面的噻吩发生低聚反应以及吸附的环己烯产生二聚环己烯碳正离子. 低聚的噻吩和吸附的环己烯在分子筛上发生强的化学吸附, 进一步抑制和阻碍噻吩硫化物与分子筛吸附活性中心发生作用, 从而降低了吸附剂的选择性以及吸附硫化物的能力. 吸附剂表面Lewis (L)酸中心是吸附的主要活性中心, 大量弱的L 酸, 有利于噻吩吸附. 并且, S-CeY分子筛表面弱的L酸对吸附噻吩具有一定的选择性, 它受到环己烯的影响较小, NaY吸附剂对噻吩、环己烯和苯选择性较差, 它只与吸附质作用的先后有关.     

宽波段原位红外吸收光谱在Pd/SiO2和Cu/SiO2催化剂上CO氧化中的应用(英文)

多相催化的原位表征通常采用各种表征手段分别测试,但由于不同表征方法原位池结构不同,导致分别测试的温度、反应气氛及催化剂状态不尽相同,特别是催化过程还存在温度、反应物和产物浓度梯度,不同原位表征方法获取的信息可能来自不同的表面态,此外一些表征方法还涉及到光子或电子等的影响,难以获得实际催化过程准确全面的信息.原位红外吸收光谱广泛应用于催化反应机理过程的动态表征,然而多相催化体系中的氧化物组分通常对1200 cm^-1以下的红外光有较强的吸收,且常规红外光源强度在低波数段迅速衰减,目前原位红外光谱研究大多局限于4000-900 cm^-1对催化剂表面吸附物种(包括反应中间体)的检测,难以将其应用于反应过程中催化活性组分自身变化的研究,如活性组分的氧化/还原、表面重构、活性组分与载体表面键合等,这些信息多位于1200-50 cm^-1.基于模型催化剂表面厚度可控,近年来作者应用镜面反射红外吸收光谱在几个体系的研究中均实现了在一张红外光谱中同时获取表面吸附物种、表面变化和反应产物生成等关键信息.另一方面,氧化硅是常用的多相催化剂载体,...     

L-α-谷氨酸在Al2O3表面的吸附和热缩合反应

 采用热重/差热(TG/DTA), X射线衍射(XRD)和漫反射红外光谱等手段对谷氨酸在Al2O3表面的吸附和热缩合反应进行了表征,并考察了谷氨酸水溶液平衡浓度和pH值对吸附行为的影响,探讨了原位条件下表面吸附的谷氨酸的缩合反应历程. TG/DTA结果表明,谷氨酸在Al2O3上的吸附分两个阶段: 当谷氨酸水溶液的平衡浓度小于0.388 mol/L时,吸附等温线符合Langmuir模型,谷氨酸分子在Al2O3表面的Lewis酸位上发生特定位置吸附,并与载体形成了二齿螯合物; 当平衡浓度大于0.388 mol/L时,呈多层吸附,主要形成β-谷氨酸. 溶液pH值越小,谷氨酸在Al2O3上的吸附量越大. 原位漫反射红外光谱表明, 温度约为200 ℃时谷氨酸分子首先在载体表面进行分子内脱水,形成焦谷氨酸,并与载体通过二齿螯合形成具有较高热稳定性的焦谷氨酸铝盐.     

Rh多晶表面CO2还原过程的电化学和原位FTIR反射光谱研究

应用程序电位扫描法和电化学原位FTIR反射光谱从定量角度在分子水平 上研究了CO2在Rh电极上的电催化还原性能。红外光谱结果指出CO2还原的吸附产物为线型和桥式吸附态CO物种。在所研究和还原电位范围（－0．15－0．40V）和相同还原时间,CO2还原吸附物种的氧化电量随还原电位的负移而增大,在每个还原电位下,时间超过250s时都可达到一个相应的饱和值。原位红外光谱和电化学研究结果表明,CO2的还原与Rh电极表面氢吸附反应密切相关,同时需要一定数量相邻表面位的参与。因此生成的CO不能在Rh电极表面达到满单层吸附,而是形成均匀的亚单层分布。     

酸性介质中1,2-丙二醇在铂电极上吸附和氧化过程的原位FTIR反射光谱研究

应用电化学循环伏安和原位FTIR反射光谱研究1,2-丙二醇在Pt电极上吸附和氧化过程。结果指出1,2-丙二醇的电氧化可按双途径进行。其一经1,2-丙二醇在Pt上解离吸附产物氧化至CO_2。但在较低电位下这些解离吸附产物(红外检测为CO_(ad)、[﹥C=CH_2]_(ad)等)累积吸附于电极上, 毒化Pt表面抑制其它反应。当电位大于0.3 V后它们一经生成即氧化脱附, 从而使1,2-丙二醇得以在未毒化Pt表面经反应中间体氧化至CO_2。在实验条件下,原位FTIR反射光谱检测到的反应中间体可能有HOC-CHOHCH_3(或CH_2OHCOCH_3)和HOOC-COCH_3(或HOOC-CHOHCH_3)等物种。     

酸性介质中1,2-丙二醇在铂电极上吸附和氧化过程的原位FTIR反射光谱研究

应用电化学循环伏安和原位FTIR反射光谱研究1,2-丙二醇在Pt电极上吸附和氧化过程。结果指出1,2-丙二醇的电氧化可按双途径进行。其一经1,2-丙二醇在Pt上解离吸附产物氧化至CO_2。但在较低电位下这些解离吸附产物(红外检测为CO_(ad)、?C=CH_2]_(ad)等)累积吸附于电极上,毒化Pt表面抑制其它反应。当电位大于0.3V后它们一经生成即氧化脱附,从而使1,2-丙二醇得以在未毒化Pt表面经反应中间体氧化至CO_2。在实验条件下,原位FTIR反射光谱检测到的反应中间体可能有HOC-CHOHCH_3(或CH_2OHCOCH_3)和HOOC-COCH_3(或HOOC-CHOHCH_3)等物种。     

CeO2(110)表面上CO氧化反应的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论系统研究了O2与CO在CeO2(110)表面的吸附反应行为. 研究表明, O2在洁净的CeO2(110)表面吸附热力学不利, 而在氧空位表面为强化学吸附, O2分子被活化, 可能是重要的氧化反应物种. CO在洁净的CeO2(110)表面有化学吸附与物理吸附两种构型, 前者形成二齿碳酸盐物种, 后者与表面仅存在弱的相互作用. 在氧空位表面, CO可分子吸附或形成碳酸盐物种, 相应吸附能均较低. 当表面氧空位吸附O2后(O2/Ov), CO可吸附生成碳酸盐或直接生成CO2, 与原位红外光谱结果相一致. 过渡态计算发现,O2/Ov/CeO2(110)表面的三齿碳酸盐物种经两齿、单齿过渡态脱附生成CO2. 利用扩展休克尔分子轨道理论分析了典型吸附构型的电子结构, 说明表面碳酸盐物种三个氧原子电子存在离域作用, 物理吸附的CO及生成的CO2电子结构与相应自由分子相似.     

Ce改性对Y型分子筛酸性及其催化转化性能的调变机制

采用液相离子交换(LPIE)法制备了不同离子交换度的CeY分子筛. 运用电感耦合等离子发射光谱(ICPAES)、X射线衍射(XRD)、N₂吸附等温线和氨气程序升温脱附(NH₃-TPD)等方法对其进行表征, 采用原位傅里叶变换红外(in situ FTIR)光谱技术分别以吡啶和噻吩作为探针分子研究了Ce改性对Y型分子筛酸性能和催化转化性能的影响规律. 结果表明, Ce离子改性不改变Y 型分子筛晶体的基本骨架, 但改变其精细结构. 分子筛改性过程中Ce物种优先定位于方钠石(SOD)笼, 随着稀土离子含量增大, 逐渐出现在超笼中. Ce离子交换过程中产生一定量的Brönsted (B)酸中心, 且其量与强度随着Ce含量的增大均呈现先增加后平稳的趋势. 同时, Ce离子交换产生与非骨架铝物种和铈物种有关的两种强度不同的Lewis (L)酸中心, 且两者均随着Ce含量的增大而增大. 噻吩吸附红外光谱表明, 由于Ce离子改性产生的强B酸中心可导致噻吩在室温条件下即可发生质子化反应, 质子化的噻吩分子可进一步发生低聚反应. 而稀土物种与B酸中心的协同作用有利于低聚反应的发生.     

纳米结构钴薄膜电极的制备及其异常红外性能研究

用循环伏安电沉积法在玻碳基底上制备纳米结构钴薄膜, 扫描电子显微镜研究结果表明, 纳米结构钴薄膜主要由平均粒径为150 nm的钴粒子组成, 同时还有为数不多的粒径在400~500 nm的钴粒子. 以CO为探针分子, 结合原位傅里叶变换红外反射光谱研究结果, 发现所制备的纳米结构钴薄膜具有异常红外效应. 吸附态CO发生异常红外吸收, 谱峰增强了26.2倍, 测得线型吸附态COL的Stark系数为77.5 cm-1·V-1.     

表面增强红外光谱在生物分析中的应用

表面增强红外光谱可以在单分子水平上原位监测界面吸附分子的振动变化,提供定向和构象的信息,因而备受关注。本文简单介绍了表面增强红外光谱产生、增强机制、基底制备方法、特点,重点评述了表面增强红外光谱在原位解析复杂的生物界面过程和结构变化方面的进展,并展望其发展前景。     

基于溶剂原位傅克偶联反应合成杯芳烃有机多孔网络(CalixPOF)及其染料吸附特性

利用1,2-二氯乙烷(DCE)同时作为溶剂和偶联剂,通过溶剂原位傅克偶联反应合成杯芳烃有机多孔网络(CalixPOF)。采用红外光谱(FT-IR)和固体核磁碳谱(13 C-NMR)对CalixPOF的组成和分子结构进行了表征,验证了溶剂原位Friedel-Crafts偶联反应机理。采用氮气吸附、扫描电镜(SEM)、热重(TG)和紫外可见光谱(UV-vis)研究了CalixPOF的比表面积、微观结构、热稳定性和染料吸附效率等性能。结果表明:利用简单的溶剂原位傅克偶联反应可得到热稳定性良好、比表面积较大、可选择性吸附亚甲基蓝染料的CalixPOF,为自具主客体微腔的新型多孔聚合物网络的合成提供了新方法。     

新型高温高压(真空)原位红外光谱气固样品池的研制

无论是均相或是多相催化反应,由于受各种参数的影响,整个催化过程是极为复杂的。尽管如此,利用各种近代物理测试方法,人们仍有可能从分子水平乃至原子水平上来研究催化反应,指导催化剂的制备,选择最佳反应条件。反应状态下的原位红外光谱测试方法,是近年来发展较为迅速的测试方法之一,而实现原位红外光谱测试的关键设备,是能耐高温高压的红外光谱样品池。几年前,作者曾经报导了加温加压原位红外光谱液体样品池的研制工作,该样品池已在均相络合催化反应机理的研究中得到了应用。为了研究多相催化及均相固相化反应体系,新近又研制了高温高压(真空)原位红外光谱气固样品池。     

CO在CeO2(111)表面的吸附与氧化

采用密度泛函理论计算了CO在CeO2(111)表面的吸附与氧化反应行为. 结果表明, O2在洁净的CeO2(111)表面为弱物理吸附, 而在氧空位表面是强化学吸附, 且O2分子活化程度较大, O—O键长为0.143 nm. CO在CeO2(111)表面吸附行为的研究表明, CO在洁净表面及氧空位表面上为物理吸附, 吸附能均小于0.42 eV; 当表面氧空位吸附O2后, CO可吸附生成二齿碳酸盐中间体或直接生成CO2, 与原位红外光谱结果相一致. 表面碳酸盐物种脱附生成CO2的能垒仅为0.28 eV. 计算结果表明, 当CeO2表面存在氧空位时, Hubbard参数U对CO吸附能有一定的影响. CeO2载体在氧化反应中可能的催化作用为, 在氧气氛下, CeO2表面氧空位吸附O2分子, 形成活性氧物种, 参与CO催化氧化反应.     

碱性介质中甘氨酸在Pt电极上解离吸附和氧化反应的原位红外反射光谱研究

运用原位红外反射光谱研究了碱性介质中甘氨酸在Pt电极上的解离吸附和氧化反应行为,并利用纳米Pt膜电极的异常红外效应鉴定反应过程中生成的表面吸附物种.结果表明:甘氨酸在Pt电极上极易发生解离,生成强吸附于电极表面上的氰基负离子,该吸附物种在低于0V电位下能稳定存在,并抑制甘氨酸的进一步反应.当电位高于0.2V时,氰基负离子被氧化为氰酸根离子进入溶液,使甘氨酸发生氧化反应,生成氰酸盐和碳酸盐等产物.