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催化剂表征

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利用 XRD、N2低温吸附脱附及 FT-IR 、H2-TPR(H2程序升温脱附)及SEM、TEM等表征手段对其进行分析。

XRD

即X-ray diffraction 的缩写,是X射线衍射,通过对材料进行X射线衍射,分析其衍射图谱,获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。X射线是一种波长很短(约为20~0.06埃)的电磁波,能穿透一定厚度的物质,并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用电子束轰击金属“靶”产生的X射线中,包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X射线,称为特征(或标识)X射线。粉末 X-射线衍射是分析晶体内部结构的有力手段。

工作原理

X射线是原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃迁而产生的光辐射,主要有连续X射线和特征X射线两种。晶体可被用作X光的光栅,这些很大数目的粒子(原子、离子或分子)所产生的相干散射将会发生光的干涉作用,从而使得散射的X射线的强度增强或减弱。由于大量粒子散射波的叠加,互相干涉而产生最大强度的光束称为X射线的衍射线。

布拉格衍射示意图

满足衍射条件,可应用布拉格公式:2dsinθ=nλ

应用已知波长的X射线来测量θ角,从而计算出晶面间距d,这是用于X射线结构分析;另一个是应用已知d的晶体来测量θ角,从而计算出特征X射线的波长,进而可在已有资料查出试样中所含的元素。

通过XRD 衍射峰位置(峰位)、衍射峰相对强度(峰强)和衍射峰形状(峰形)可对样品进行定性和定量分析,获得物相组成、晶面间距、晶粒大小、结晶度及残余应力等信息。

XPS

X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy),简称XPS,是重要的表面分析技术之一。它不仅能探测表面的化学组成,而且可以确定各元素的化学状态,因此,在化学、材料科学及表面科学中得以广泛应用。

基本原理

X射线光子的能量在1000~1500ev之间,不仅可使分子的价电子电离而且也可以把内层电子激发出来,内层电子的能级受分子环境的影响很小。同一原子的内层电子结合能在不同分子中相差很大,故它是特征的。

XPS主要采用了铝和镁的特征软X射线作为单色光源去辐射样品,使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子。可以测量光电子的能量,以光电子的动能/束缚能为横坐标,相对强度(脉冲/s)为纵坐标可做出光电子能谱图。从而获得试样有关信息。

特点

(1)可以分析除H和He以外的所有元素,对所有元素的灵敏度具有相同的数量级。

(2)相邻元素的同种能级的谱线相隔较远,相互干扰较少,元素定性的标识性强。

(3)能够观测化学位移。化学位移同原子氧化态、原子电荷和官能团有关。化学位移信息是XPS用作结构分析和化学键研究的基础。

(4)定性分析时使用能量定标,最常用的利用已知特征谱C1s-284.3eV。不同实验室测得的结合能值可能相差1eV。

(5)可作定量分析。既可测定元素的相对浓度,又可测定相同元素的不同氧化态的相对浓度。

(6)按峰面积定量,定量误差在20%。样品分析的深度约2nm,样品检出限1%左右。

BET测试法

BET测试理论是根据希朗诺尔、埃米特和泰勒三人提出的多分子层吸附模型,并推导出单层吸附量Vm与多层吸附量V间的关系方程,即著名的BET方程。BET方程是建立在多层吸附的理论基础之上,与物质实际吸附过程更接近,因此测试结果更准确。通过实测3-5组被测样品在不同氮气分压下多层吸附量,以P/P0为X轴,P/V(P0-P)为Y轴,由BET方程做图进行线性拟合,得到直线的斜率和截距,从而求得Vm值计算出被测样品比表面积。理论和实践表明,当P/P0取点在0.05~0.35范围内时,BET方程与实际吸附

过程相吻合,图形线性也很好,因此实际测试过程中选点在此范围内。

BET测试方法,即将样品放入充满N2气体体系,材料的表面在液氮温度下发生物理吸附。当该物理吸附处于平衡时,通过测量平衡时的吸附压力和吸附气体的流量,可求出材料的单分子层吸附量,从而计算出试样的比表面积。

BET方程

式中: P: 氮气分压

P0: 吸附温度下,氮气的饱和蒸汽压

V: 样品表面氮气的实际吸附量

Vm: 氮气单层饱和吸附量

C : 与样品吸附能力相关的常数

FT-IR

红外光谱原理:

当一束具有连续波长的红外光通过物质,物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时,分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振

(转)动能级,分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁,该处波长的光就被物质吸收,相应于这些吸收区域的透射光强度减弱,说明吸收光强度增强,那所测物质中有相应的官能团。

红外光谱图:

纵坐标为吸收强度,透光率(%),两者成反比。横坐标为波数1/λ 单位:cm-1

定性分析:可以用峰数,峰位,峰形,峰强来描述。定量分析:峰面积来描述。

作用:有机化合物的结构解析的重要工具,根据有机化合物红外特征吸收频率,确定化合物结构中基团;也可依据特征峰的强度变化进行定量分析。

(实验表明,组成分子的各种基团,如O-H、N-H、C-H、C=C、C=OH和C≡C等,都有自己的特定的红外吸收区域,分子的其它部分对其吸收位置影响较小。通常把这种能代表其存在并有较高强度的吸收谱带称为基团频率,其所在的位置一般又称为特征吸收峰。)

假如待测物中有吸光的杂质成分,那么透光率越低则说明杂质含量高,产品越不好。假如做的是定性分析,只要在相应的波长处有特征峰即可,峰的高低只能说明待测物质中吸光物质的浓度。相反假如做定量分析,光透过率越低,待测物质中吸光物质越多。假如产品中要求纯净无吸光物质,则透过率高的产品就好。

H2-TPR

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