在催化科學(xué)的研究中，對反應機理的認識十分重要，但是機理的研究通常并不容易，需要結合大量實(shí)驗證據和表征手段。在氣固相催化反應的研究中，使用最多的催化劑評價(jià)裝置主要是固定床催化反應器，反應器出口連接氣相色譜，可以實(shí)現對反應穩定產(chǎn)物的分析，進(jìn)而實(shí)現對催化劑性能的分析。但是單純對反應產(chǎn)物的研究無(wú)法深入認識催化反應過(guò)程的全貌，因為許多關(guān)鍵的反應中間產(chǎn)物十分不穩定或極難捕獲，在常規的產(chǎn)物分析中丟失了這部分信息。因此在催化研究中經(jīng)常要結合紅外、紫外、核磁等手段來(lái)研究催化反應中的物種變化，進(jìn)而獲知催化劑表面發(fā)生的反應。而對于氣相的活潑中間體而言，原位質(zhì)譜是目前最有力的檢測方法之一。

原位催化質(zhì)譜在氣固相催化領(lǐng)域的應用

近年來(lái)，光電離質(zhì)譜在催化領(lǐng)域的應用為一些關(guān)鍵反應的機理認識提供了極大的幫助。利用低壓催化反應器結合光電離質(zhì)譜，可以對合成氣制烯烴反應的中間產(chǎn)物進(jìn)行了探測，確認乙烯酮是合成低碳烯烴的關(guān)鍵中間產(chǎn)物，即CO和H2首先在金屬氧化物表面被活化形成含有CH2的化合物，隨后生成乙烯酮，乙烯酮經(jīng)氣相擴散進(jìn)入SAPO沸石孔道內，在酸性位點(diǎn)上轉化為低碳烯烴，這一機理認識促進(jìn)了對催化劑的設計，使產(chǎn)物選擇性遠超傳統費托合成的極限(圖1)。

圖1. 合成氣制烯烴反應的光電離質(zhì)譜解析

在甲烷氧化偶聯(lián)反應中，低壓反應器結合光電離質(zhì)譜方法可對甲基自由基、過(guò)氧甲基自由基、甲醛等活潑中間體進(jìn)行原位捕獲和探測(圖2)，對該過(guò)程中氣相反應機理的建立提供了幫助。

圖2. 甲烷氧化偶聯(lián)反應中的光電離質(zhì)譜解析

在甲醇制烯烴反應中，上述方法可對活潑中間體甲醛直接捕獲，并可獲得甲醛及其他產(chǎn)物在誘導期至失活期的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程(圖3)。

圖3. 甲醛的捕獲和動(dòng)態(tài)變化過(guò)程

基本性能指標的設置說(shuō)明

• 溫度調節范圍25 ~ 1200 °C，壓力調節范圍1 Torr ~0.5 MPa

• 質(zhì)量檢測范圍1-450 amu

• 檢測限0.1ppm

• 質(zhì)譜分辨率 >3000@(m/z=92)

• 自動(dòng)數據采集及分析程序

附屬設備

• 常壓熱解反應器

• 反應溫度：室溫~1200 ℃

• 真空度：常壓

• 材質(zhì)：剛玉/石英

• 低/高壓熱解反應器

• 工作溫度：室溫~1200 ℃

• 真空度：10-1Pa-0.5MPa(基于真空泵的選擇)

• 材質(zhì)：剛玉/石英

產(chǎn)品特點(diǎn)

• 可對光、熱、電誘導催化氣相產(chǎn)物進(jìn)行在線(xiàn)監測

• 可探測自由基、甲醛、烯酮等不穩定中間產(chǎn)物(反應器選配)

• 采樣速度快(秒量級)

• 無(wú)需色譜分離，無(wú)極性歧視

• 可通過(guò)切換閥門(mén)，對多個(gè)反應通道進(jìn)行同時(shí)監測(閥門(mén)選配)

• 專(zhuān)業(yè)催化、熱解產(chǎn)物數據庫

• 固定溫度、程序升溫產(chǎn)物在線(xiàn)監測

• 可與熱重、紅外光譜儀聯(lián)用

主要附件(選配)：

• 多通道切換閥門(mén)

• 原位熱催化反應器

• 原位光催化反應器

• 燃燒反應器

• 流動(dòng)管反應器

• JSR反應器

• 氣相色譜、紅外、熱重接口及操作軟件

應用場(chǎng)景

• 熱解/燃燒反應

• 光/熱催化反應

• 低溫氧化反應

• 烘烤/熱脫附

• 應用領(lǐng)域

• 石油化工/煤化工

• 固廢/生物質(zhì)

• 食品加工

• 卷煙

• 發(fā)酵

• 環(huán)境監測

應用范例

甲烷氧化偶聯(lián)(OCM)反應中間體探測

可對甲基自由基、過(guò)氧甲基自由基、甲醛等活潑中間體進(jìn)行原位捕獲和探測

卷煙熱解產(chǎn)物監測

可觀(guān)察熱解產(chǎn)物在不同熱解溫度的分布和強度區別(m/z=162為尼古丁)

聚乙烯催化熱解產(chǎn)物監測

聚乙烯加入HZSM-5催化劑后，可觀(guān)察到部分催化熱解產(chǎn)物選擇性顯著(zhù)增加

甲醇制烯烴(MTH)產(chǎn)物動(dòng)態(tài)監測

可獲得甲醛(積碳中間體)和其他產(chǎn)物在不同催化劑上的生成和轉化過(guò)程

煤熱解產(chǎn)物監測

可在線(xiàn)觀(guān)察到大量烴類(lèi)熱解產(chǎn)物生成

質(zhì)譜-紅外聯(lián)用研究MTH反應

同時(shí)獲得氣相脫附產(chǎn)物和吸附產(chǎn)物譜圖

使用總結：

• 在氣固相催化科學(xué)研究中，反應機理一直受到人們關(guān)注。為了研究機理，要建立各種表征手段以獲得實(shí)驗證據。氣固相催化過(guò)程會(huì )產(chǎn)生大量吸附態(tài)和氣相反應中間體，甚至短壽命自由基。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的原位催化紫外光電離質(zhì)譜，可通過(guò)分子束取樣和光電離技術(shù)，獲得氣相短壽命自由基等中間體信息，在已FTO、OCM、MTH等反應體系機理研究中發(fā)揮了重要作用，相關(guān)研究成果發(fā)表在Science等期刊。

• ProC-1C型原位催化光電離質(zhì)譜不僅可以在秒量級時(shí)間內獲得穩定氣相催化產(chǎn)物信息，還可以對甲基自由基、過(guò)氧甲基自由基、甲醛等活潑中間體進(jìn)行原位捕獲和探測，對研究氣固相催化反應機理有重要的意義。該型原位催化紫外光電離質(zhì)譜質(zhì)量分辨率超過(guò)3000，靈敏度達到10ppb，參數合理。

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