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原位紅外光譜技術(shù)在催化反應(yīng)中的應(yīng)用

日期:2025-04-25 19:54
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摘要:原位紅外光譜技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)催化劑表面的變化,從而了解反應(yīng)機(jī)理和提高催化性能。在催化反應(yīng)中,催化劑對(duì)反應(yīng)體系的一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)物分子起到活化、激發(fā)、轉(zhuǎn)化的作用。使用原位紅外光譜技術(shù),可以從催化劑表面反應(yīng)物的變化中獲得重要信息,進(jìn)而更好地研究催化反應(yīng)機(jī)制以及其他因素的影響。

 

監(jiān)測(cè)催化劑表面變化

原位紅外光譜技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)催化劑表面的變化,從而了解反應(yīng)機(jī)理和提高催化性能。在催化反應(yīng)中,催化劑對(duì)反應(yīng)體系的一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)物分子起到活化、激發(fā)、轉(zhuǎn)化的作用。使用原位紅外光譜技術(shù),可以從催化劑表面反應(yīng)物的變化中獲得重要信息,進(jìn)而更好地研究催化反應(yīng)機(jī)制以及其他因素的影響。

 

研究催化反應(yīng)中間體

通過(guò)原位紅外光譜技術(shù),可以觀測(cè)到催化反應(yīng)過(guò)程中的中間體,這對(duì)于理解催化反應(yīng)的機(jī)理至關(guān)重要。例如,在二氧化碳還原反應(yīng)(CO2RR)中,原位紅外光譜技術(shù)可以觀測(cè)到催化劑表面CO2化學(xué)吸附過(guò)程中的吸收峰,從而明確反應(yīng)中的中間體和活性位點(diǎn)。此外,該技術(shù)還可以用于研究其他催化反應(yīng)中的中間體,如甲醇、甲酸、乙醇等小分子的電催化氧化反應(yīng)中的中間體。

 


優(yōu)化催化劑設(shè)計(jì)

原位紅外光譜技術(shù)還可以用于優(yōu)化催化劑的設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)催化劑的活性變化,可以了解催化劑在反應(yīng)過(guò)程中的穩(wěn)定性和活性變化,從而優(yōu)化催化劑的制備工藝和設(shè)計(jì)。例如,在甲烷直接氧化為甲醇的反應(yīng)中,通過(guò)設(shè)計(jì)超薄的PdxAuy納米片,并利用原位紅外光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程中催化劑表面的變化,發(fā)現(xiàn)催化劑表面上羥基自由基的吸附強(qiáng)度與催化性能呈現(xiàn)火山型關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化催化劑設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。


應(yīng)用實(shí)例

電催化二氧化碳還原:通過(guò)原位紅外光譜技術(shù),可以研究電催化劑在二氧化碳還原反應(yīng)中的活性位點(diǎn)、反應(yīng)路徑以及中間體等。例如,利用原位ATR-SEIRAS技術(shù),可以觀察到催化劑上中間體的形成過(guò)程,如CO32-、活化的CO2分子(*CO2-)以及HCO3-基團(tuán)等。這些發(fā)現(xiàn)有助于理解二氧化碳還原反應(yīng)的機(jī)理,并優(yōu)化電催化劑的設(shè)計(jì)。

熱催化甲烷氧化:在熱催化甲烷氧化為甲醇的反應(yīng)中,原位紅外光譜技術(shù)可以監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程中催化劑表面的變化以及中間體的生成。例如,通過(guò)原位DRIFTS技術(shù),可以觀察到甲烷、氧氣和氫氣在催化劑表面的吸附狀態(tài)以及反應(yīng)過(guò)程中生成的中間產(chǎn)物如CH3、OCH3等。這些發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)、提高甲醇產(chǎn)率和選擇性提供了重要依據(jù)。

 


技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè):原位紅外光譜技術(shù)能夠在反應(yīng)過(guò)程中對(duì)催化劑表面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),捕捉到反應(yīng)過(guò)程中的關(guān)鍵信息。

高靈敏度與分辨率:紅外光譜技術(shù)具有較高的靈敏度和分辨率,能夠準(zhǔn)確識(shí)別催化劑表面的化學(xué)物種和反應(yīng)中間體。

非破壞性:該技術(shù)對(duì)催化劑表面無(wú)破壞性影響,可以在不影響催化反應(yīng)的情況下進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

綜上所述,原位紅外光譜技術(shù)在催化反應(yīng)中具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的研究?jī)r(jià)值。通過(guò)該技術(shù)的研究和應(yīng)用,可以深入了解催化反應(yīng)的機(jī)理和動(dòng)力學(xué)過(guò)程,優(yōu)化催化劑的設(shè)計(jì)和制備工藝,為催化科學(xué)的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。


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