מבוא

Catalysts הם העורקים של הנדסה כימית מודרנית, מאיץ תגובות המייצרות דלקים, כימיקלים, תרופות ופתרונות סביבתיים.העיצוב הרציונלי והאופטימיזציה של חומרים אלה תלויים בהבנה מפורטת של המבנה האטומי והאלקטרוני שלהם.טכניקות סיווג חומרים אופטיזציה לספק את החלון החיוני לתכונות זרז - שיפור פני השטח, מצבי חמצון, תיאום, ודינמיקה במהלך תגובות זרזיות מתקדמות, עיצובים של תהליכים אופטיים, החלים יותר, החלים של תפקוד כימי.

יסודות של סיווג

טכניקות ספציפיות-קופיות מנצלות את האינטראקציה של קרינה אלקטרומגנטית עם חומר כדי לחקור את הרטטים המולקולריים, מעברים אלקטרוניים וספין-הזהיר.כל שיטה מספקת מידע משלים על היבטים שונים של מבנה זרז ותפקידים.בחירה של טכניקה תלויה בסוג החומרי, ברכוש העניין, ואם המדידה מבוצעת תחת סיטקום, או בתנאים של אופרה להלן, אנו מתארים את הספקטרום הנפוץ ביותר בשיטות מחקר.

Infrared (IR) Spectroscopy

ספקטרוסקופיה אינפרא אדום מודד את הקליטה של אור אינפרא אדום על ידי רטטים מולקולריים.בקטאליזה, IR משמש בדרך כלל לזהות מינים מעוקלים-קרקע, מעקב אחר אמצעי ביניים, ולחקור את האופי של אתרים פעילים. Transmission IR יעיל עבור סרטים דקים ו nitrasated pellets, בעוד diffuse רפלקציה אינפרא אדום ארבעהier משנה ספקטרום (DRIFTS) מתאים לדגימות תחת דגימות פחמן וגילויים, כגון שיטות מתכת, כגון שיטות מתכת.

אולטרה סגול-Visible (UV-Vis) Spectroscopy

UV-Vis spectroscopy חוקר מעברים אלקטרוניים בין רמות אנרגיה, המציע תובנות לתוך מצבי חמצון מתכת, ligand-to-metal העברה, ו- d-d מעברים.זה שימושי במיוחד עבור אפיון זרזי תחמוצת מתכת, זאוליטים עם מעבר סטיות מתכת, ו photocatalysts. Diffuses-UVfor vas (DR-V) הוא גם סימנים של סגסוגת מתכתית) הוא מסוגל לעקוב אחר שינויים סגסוגת מתכתיתים מופעלת.

ראומן Spectroscopy

ראמן spectroscopy מזהה אור מפוזר באופן בלתי חוקי, מתן מידע רטט משלים IR. זה רגיש במיוחד אג"ח לא קוטבי ורטטים סימטריים, מה שהופך אותו אידיאלי עבור זרזים מבוססי פחמן (למשל, גרפן, ננו-פח), תחמוצות מתכת, וזרזים נתמך על חומרים חזקים IR סופגנים.R יכול להבחין בין שלב אחר של פחמן ו- amoricial משמש כדי להפעיל טמפרטורות גלויות.

X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)

XPS משתמש צילומי רנטגן כדי להזריק אלקטרונים ליבה מאטומים, ואת האנרגיה הקינטית של photoelectrons הנפלטת ניתח כדי לקבוע את ההרכב האלמנטרי ואת מדינות כימיות. כי הדרך החינמית של photoelectrons היא רק כמה ננומטרים, XPS היא טכניקה רגישה פני השטח - אלא אם כן, כדי לנתח את השכבות החיצוניות של חלקיקים.

התחדשות אלקטרומגנטית (EPR)

EPR spectroscopy מזהה אלקטרונים לא מפוספסים, מה שהופך אותו יקר עבור חקר מינים paramagnetic כגון מעבר מתכת ions, רדיקלים, וחמצן vacancies. ב קטליזה, EPR יכול לזהות ions מתכת מבודדים בזאוליטים (למשל, קו2+, Fe3+), אתרי תחמוצמי חמצני, וזרז ביניים על פני השטח של אלקטרו-חמצני הוא צורך במערכות אלקטרו-חמצני חזקות במיוחד.

חידוש מגנטי גרעיני (NMR) Spectroscopy

NMR spectroscopy מנצל את המאפיינים המגנטיים של גרעינים מסוימים (למשל, 1H, 13C, 29Si, 27Al, 31P) כדי לחקור סביבות אלקטרוניות וגיאומטריות מקומיות. בקטאליזה heterogeneous, מצב מוצק NMR משמש כדי ללמוד את המבנה של זאוליטים (מסגרת הפצת אל), את האופי של אתרים פעילים במסגרות מתכת-אורגניות, לעומת ספקטרום רגיל של ספקטרום (אוטרופי) וזיהוי קוגניטיבית) הוא בדרך כלל מסוגל לסבול תגובה אופטית נמוכה יותר מאשר ספקטרום בינוני (מסוגיות).

X-ray Absorption Spectroscopy (XAS)

XAS כולל X-ray Absorption Near-Edge Structure (XANES) ו- Extended X-ray Absorption Structure (EXAFS) XANES מספק מידע על מצב החמצן, סימטריה תיאום ומבנה אלקטרוני של ה-Syn-Sintspoting atom.ExAFS מניב נתונים כמותיים על מרחקי אג"ח, מספרי תיאום, וסוגים של אטומים שכנים, ניתן לעקוב אחר חומרים מסוכנים, אך ניתן לעקוב אחר טמפרטורה או חומרים מיוחדים.

יישום פיתוח Catalyst

אפיון ספקטרוסקופי מודיע ישירות על העיצוב הרציונלי של זרזים עבור מגוון של תהליכים הנדסיים כימיים. על ידי תיקון חתימות ספקטרוסקופיות עם ביצועים קטליטיים, החוקרים יכולים לזהות אתרים פעילים, להבין מנגנוני מחיקה, וייעל הליכי סינתזזה.

ייצור מימן

Catalysts לייצור מימן באמצעות רפורמות קיטור, משמרת גז מים, ואלקטרוליטיזה נחקרו נרחב באמצעות ספקטרוסקופיה. עבור זרזי משמרת גזי מים (למשל, Cu / ZNO / Al2O3), ב situ IR זיהה עבור חיידקי מים ו- carboxyl, בעוד XPS ו- XAS מעקב אחר מצבי חמצון נחושת בתנאים תגובה של RavaC2K, כמו חומרים למניעת מוטציות ו-V.

סירוב פטרוכימיקלי

בסדקים קטליטיים נוזליים, הידרוגנציה, ואיזור, ספקטרוסקופיה מסייע לפענח את החומצה ואת תפקוד המתכת של זרז bifunctional זרזs. Solid-state NMR של 27Al ו-29Si לכמת את המסגרת אלומיניום בzeolites, אשר מתייחס ישירות לחומצה Brønsided. IRspectroscopy של מודעות bedd pyine להבחין בין אתרי RNS ו-Red XP.

המונחים: environmental Remediation

Catalysts עבור הפחתה של NOx, תרכובת אורגנית תנודתית (VOC) , ו- CO oxidation מסתמכת על תובנות ספקטרוסקופיות כדי לשפר את הפעילות של טמפרטורות איטיות וסובלנות רעילה. עבור הפחתה קטליטית (SCR) של NOx עם NH3 על V2O5 / Tazolites, IR ו XAStra של חנקן נמוך ו-NXIx של HIV נבדקו-H3 פעיל יותר של טיפול אולטרה-H3 נבדקו-H3 פעיל ו-H3 נבדקו-H3 נבדקו-H3 פעיל ב-H3 פעיל חנקן C2 נבדקו-H3 נבדקו-H3 פעיל יותר של HIV.

מחקרים ב- Spectroscopic Characterization

כדי להמחיש את הכוח של ספקטרום מדע זרז, אנו מציגים שלושה מחקרים שמצביעים כיצד קמפיינים בינלאומיים ספקטרוסקופיים פתרו בעיות ארוכות טווח.

Metal Oxide Catalysts: The Role of Oxygen Vacancies

Ceria (CeO2) ו נגזרותיה המתכנסות משמשים נרחב כרכיבי אחסון חמצן בשלושה זרזים.פעילות הקטליטית קשורה מאוד לריכוז של vacancies ו- Ce3+ / Ce4+ Redox זוג אדום-אדום של ספקטרום 3 נתיבים.שימוש בפתרונות תצוגה משופרים של הראייה של חמצן על ידי שינוי והתרחבות של אתרי F2gicuramscious C.

Zeolite Catalysts: Acidity and Active Site Distribution

Zeolites הם גבישי micro ⁇ aluminosilicates המשמשים סדקים, alkylation, ו isomerization.the Brønsted חומצה מקורם של זרז Si-OH-Al קבוצות. Solid-state 1H NMR יכול לזהות ישירות את ה-iPod של ספקטרום חומצה (Ric propo-F) של היווצרות של נוגדנים פעיל של תרכובות נגד ACM-Ricial אלומיניום לעומת מינים נוספים של ספקטרום (Ric) ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום VF) ספקטרום של ® DCRD (Ricial) ® DSM-Ricial (Ricial של ® DCR) ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® (Ricial (Ricial (Ricial (Ricial ® ® ® ® ® ®STRicial

Metal Nanoparticles: Size and Support Effects

מתכות נאצלות התפזרות על oxide הן חיוניות לתגובות תעשייתיות רבות.ספקטרוסקופיות של המערכות הללו התמקדו בגודל חלקיקים, אינטראקציות תמיכה מתכת, ואת האופי של השלב הפעיל.לדוגמה, Pt / CeO2 זרזים עבור זרז שינוי גזי החממה נבדקו באמצעות ExAFS ו- XANES כדי לעקוב אחר שינויים בתיאום Pt וחמצן שנחקר תחת התגובה של ה- TOCDR2 חשפו באופן חלקי יותר מ-R.

ב-Situ and Operando Spectroscopy: Watching Catalysts at Work

אחת ההתפתחויות המשמעותיות ביותר באופייזציה של זרז היא התפתחות של טכניקות situ ואופרה. המסורתית spectroscopy - שבו זרז מנתח לפני או לאחר תגובה - יכול להחמיץ שינויים דינמיים המתרחש בתנאים עבודה. in situ spectroscopy כרוך בביצוע מדידות בתנאים מבוקרים אך פשוטים (למשל, בטמפרטורה מסוימת ורכב גז).

דוגמאות של אופרות האופרות כוללות: (i) תאי DRIFTS המאפשרים גז לזרום דרך כוס דגימה מחומם תוך איסוף IR spectra; (ii) בשילוב מערכות Raman-GC שבו Raman spectra נאספים על מיטה זרז ואת הגז הזרז נבדק על ידי גזי חנקן גזיקאי לאחר מכן לא נראה באופן חלקי של ®Lraol ®, כמו ®xixixixixixixixixixixixixixixixixixol פיתחו פיתחו ® ® ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

למרות הכוח שלהם, טכניקות אופרהנדו להתמודד עם אתגרים ניסיוניים: האות ספקטרוסקופי חייב להיאסף מזרז עבודה ללא הפרעה עם קינטיקה תגובה; תאים חייבים לעמוד בטמפרטורות גבוהות ולחצים; וניתוח נתונים חייב לקחת בחשבון שינויים במורפולוגיה של הדגימה. עם זאת, התגמול בהבנה מכניסטית הוא עצום, והתפתחויות מתמשך בעיצוב תאים וגילוי מהיר (למשל, מהיר-AFEX), הם מיפוי של מחקרים אופרות מורחבות).

מסקנה

אפיון ספקטרוסקופי הפך לחלק אינטגרלי של עיצוב זרז ואופטימיזציה בהנדסה כימית.טכניקות החל IR ו-Raman ל- XPS, EPR, NMR ו- XAS מספקים ערכת כלים משלימה עבור פיתוח התכונות האלקטרוניות, הגיאומטריות והדינמיות של חומרים קטליטיים.על ידי יישום שיטות אלה תחת ישיבה, בתנאי אופרות, לזהות אתרים פעילים, להבין מנגנונים חד-חמצני, ולאמץ של שיטות מתכת, אלא שיפור זרז יחיד, ולא ספקולציה.

ככל שתהליכי הנדסה כימיים מתפתחים לקיימות וליעילות גדולה יותר, הביקוש לזרזים מתקדמים רק יגדיל את טכניקות ספקטרוסקופיות של ספקטרוסקופיות ימשיכו להתקדם, עם שיפורים ברזולוציה מרחבית (למשל, טיפ-נסד ראמן, ננומטרי IR), פתרון זמן (לספקי ספקטרום מהירים של ספקטרום), ורגישות (למשל, דינמיקה של קיטוב גרעינים גרעיניים) החידושים האלה יזרזו את התגליות טכנולוגיות מימן חיוניות, זרז, זרז, זרז, זרז, זרז, זרז, זרז, זרז, זרז, זרז, החידושים של שיטות ייצור סביבתיות, זרז, זרז, זרז, זרז, החידושים של זרז, זרז, זרז, החידושים של זרז, החידושים של טכנולוגיות זרז, זרז, זרז, זרז, החידושים של טכנולוגיות זרז, החידושים של החידושים של זרז, זרז, החידושים של זרז, זרז, זרז, זרז, החידושים של טכנולוגיות זרז, החידושים של טכנולוגיות זרז, זרז, זרז, זרז, זרז, זרז, זרז, זרז, זרז,

(ב) לקריאה נוספת, ייעוץ משאבים כגון FLT:0 טכניקות ספקטרוסקופיות של 1FLT (FLT) סקירה כללית על ידי החברה המלכותית לכימיה, סקירה מקיפה על ספקטרום:2operando spectroscopyFLT 3: 3FLT 3 ב-FLT:4Chemical ReviewsFLT:5, ו-FLT:6-6amentals of spectroscopyscopyscopyscopyscopyscopyscopyscopyscopyscopys.