固体催化剂的研究方法第十三章程序升温分析技术上

固体催化剂的研究方法分析电子显微镜摘要：固体催化剂的研究长期以来一直是工业和科学关注的课题,但催化剂制备本身至今仍是一种经验技艺。

本文概括介绍了分析电子显微镜工作原理和在固体表征过程中的应用。

关键词：催化剂；分析电子显微镜；弹性散射尽管近一、二十年应用各种现代物理技术对催化剂和催化过程的研究不断发展[5~7],但由于催化剂活性组份含量低和分散度高,限制了某些物理方法的应用,而且大多物理方法所得到的结果是总体性质的“平均结果”,其有效性值得讨论。

而AEM在工业催化剂研究开发中显露出突出作用,为优化催化剂的设计,充分了解催化剂活性相组成、结构与性能之间的关系所必不可少。

这些信息如何从AEM中得到,又如何与催化剂性能相关联,这是我们要探究的问题。

例如通过对工业新鲜、失活和再生后催化剂的AEM观察与分析,催化工程师据此往往就能调变、把握新型催化剂配方的走向或催化剂改性的途径。

更进一步借助AEM有可能作催化剂的“微设计”。

这一有吸引力的概念将大大提高设计催化剂的能力。

在过去10年中,AEM显微分析的方法学,特别是定量全分析、无标样分析、计算机控制操作及数据处理、轻元素分析、超高灵敏分析及能量选择或能量过滤成像技术(如Ω过滤器和GIF过滤器)、电子全息像、控制气氛电镜、运用场发射枪、高速-清洁抽空系统等,都有显著进展。

1 EDS原理1·1 EDS分析物理基础1·1·1 电子与固体试样的交互作用AEM显微分析是建立在经100,200kV或300 kV加速后的高能电子(能量为E0)入射并与固体薄试样(薄膜或微粒子)中的原子、电子作用发生弹性散射和非弹性散射。

在非弹性散射过程中,入射电子能量部分损失(ΔE),会以一连串的过程转化为二次电子、特征X射线、俄歇电子的发射及引起固体试样的辐射、热损伤,键的断裂,结晶度的降低,还会由溅射而损失其质量等。

图1图解了电子与固体试样的相互作用产生的在AEM中不同检测型的检测信号。

（华工）催化剂表征考试题库一、写出下列催化剂表征技术或仪器的中文全称，理解基本原理AFM——原子力显微镜是利用原子之间的范德华力作用来呈现样品的表面特性。

STM——扫描隧道显微镜利用量子理论中的隧道效应UV-Vis——紫外－可见吸收光谱，分子的紫外-可见吸收光谱是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用的光谱分析方法。

GC- MS——气相色谱－质谱联用，GC 把化合物分离开然后用质谱把分子打碎成碎片来测定该分子的分子量XPS——具有足够能量的X射线与样品相互作用， X光子把全部能量转移给原子或分子中的束缚电子，使不同能级的电子以特定几率电离。

检测不同能量的光电离电子的强度分布称为X-射线光电子能谱（XPS）DTA——差热分析法，是以某种在一定实验温度下不发生任何化学反应和物理变化的稳定物质（参比物）与等量的未知物在相同环境中等速变温的情况下相比较，未知物的任何化学和物理上的变化，与和它处于同一环境中的标准物的温度相比较，都要出现暂时的增高或降低。

AES——俄歇电子能谱：是一种利用高能电子束为激发源的表面分析技术. AES分析区域受激原子发射出具有元素特征的俄歇电子。

原子发射光谱——是利用物质在热激发或电激发下，每种元素的原子或离子发射特征光谱来判断物质的组成，而进行元素的定性与定量分析的。

FTIR——傅立叶变换红外光谱TPR——程序升温还原TPD——程序升温脱附ESR——电子自旋共振NMR——核磁共振XAFS——X射线吸收精细结构谱离子散射谱（Ion Scattering Spectroscopy，ISS）电子能量损失谱（Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS）二次(或次级)离子质谱 (SIMS)原子吸收光谱 (Atomic Absorption Spectroscopy，AAS)X射线能量分散谱 (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS)电子顺磁共振谱 (Electron Paramagnetic Resonance，EPR)诱导等离子耦合 (Inductive Coupled Plasma，ICP)低能离子散射谱LEISS扫描探针显微镜 SPM场离子显微镜（FIM）漫反射红外光谱（DRIFT）热重分析法（TG）微分热重分析（DTG）差示扫描量热（DSC）释出气体分析（EGA）紫外光电子能谱（Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，UPS）二、电子显微镜技术是表征催化剂形貌、颗粒大小、成份（电子显微镜与能谱联用）等的重要手段，对无机、有机，导体、非导体材料都非常有效，常用的电子显微镜有SEM、TEM二种，他们各有何优缺点？对实验制备的SiO2纳米微球负载的CuO催化剂进行SEM、TEM表征，上机分析前样品需要分别进行怎样的处理操作？实验可以得到哪些信息？SEM的优点是：直接观察样品的形貌；立体感较强，对比度较高；观察范围从nm到mm，比较广，对于小于样品台的样品（几个cm）可以不破坏样品进行观察，方便与EDS能谱联用进行样品的成份分析。

化学反应中固体催化剂的催化活性研究固体催化剂是一种在化学反应中起到催化作用的固体物质。

它们能够降低反应的活化能，加速反应速率，并且在反应结束后能够恢复原状，具有很高的催化活性。

固体催化剂的研究对于提高化学反应的效率和降低能源消耗具有重要意义。

固体催化剂的催化活性与其表面结构和成分密切相关。

在催化反应中，反应物分子与固体催化剂表面发生吸附，形成吸附物种。

吸附物种与固体催化剂之间的相互作用能够改变反应物分子的电子结构和空间构型，从而促进或抑制反应的进行。

因此，研究固体催化剂表面的吸附行为对于理解催化反应机理至关重要。

固体催化剂的催化活性研究可以通过多种表征手段来进行。

其中，X射线衍射（XRD）是一种常用的表征手段，可以用于确定固体催化剂的晶体结构和晶格参数。

通过XRD分析，可以了解固体催化剂的晶体结构对催化活性的影响。

此外，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）可以用于观察固体催化剂的微观形貌和结构特征。

这些表征手段的结合使用可以全面了解固体催化剂的催化活性。

固体催化剂的催化活性研究还可以通过催化反应动力学实验来进行。

催化反应动力学实验可以通过测量反应速率随时间的变化来确定催化反应的速率常数和反应级数。

通过改变反应条件（如温度、压力、反应物浓度等），可以进一步研究固体催化剂的催化活性和反应机理。

此外，催化反应动力学实验还可以通过测量反应物和产物的浓度变化来确定反应的活化能，从而评估固体催化剂的催化活性。

固体催化剂的催化活性研究还可以通过理论计算方法来进行。

理论计算方法可以通过计算固体催化剂表面的吸附能、活化能和反应物分子的构型来预测催化反应的速率和选择性。

通过理论计算方法，可以快速筛选和设计高效的固体催化剂，并且指导实验研究。

理论计算方法在固体催化剂的催化活性研究中发挥着重要的作用。

总之，固体催化剂的催化活性研究对于理解催化反应机理、设计高效的催化剂以及提高化学反应的效率具有重要意义。

通过多种表征手段、催化反应动力学实验和理论计算方法的结合使用，可以全面了解固体催化剂的催化活性，并为催化剂的设计和应用提供理论指导。

摘要本文主要介绍了分子筛催化剂，尤其是ZSM-5分子筛的表征方法，介绍了分子筛物相表征、形貌表征、孔结构表征、酸中心表征。

介绍的方法为X 射线衍射法、电子显微镜观察、程序升温脱附法和红外吸收光谱法，并对每种分析方法列出了具体实例。

关键字：分子筛，物相，形貌，孔结构，酸中心，表征目录第一章分子筛催化剂表征方法1.1分子筛简要介绍1.2分子筛表征方法1.2.1分子筛的物相分析（XRD）1.2.2分子筛的形貌分析1.2.3孔结构的表征1.2.4酸中心的表征第二章评价与总结第一章分子筛催化剂表征方法1.1分子筛简要介绍分子筛是结晶型的硅铝酸盐，具有均与的孔隙结构。

分子筛结构中含有大量的结晶水，加热时可汽化除去，故分子筛又称沸石。

分子筛的构型可分为四个方面，三种不同层次：1.最基本的结构单元是硅氧四面体和铝氧四面体，它们构成分子筛的骨架；2.相邻的四面体由氧桥联结成环；3.氧环由氧桥相互联结，形成具有三维空间的多面体，也称为笼，主要有α，β，γ笼；4.笼通过氧桥连在一起。

分子筛有五种同的结构：1.A型分子筛结构，类似于NaCl的立方晶系结构；2.X 型和Y型分子筛结构，类似于金刚石的密堆立方晶系结构；3.丝光沸石型分子筛结构，这种沸石的结果和A型和八面沸石型的结构不同，没有笼，而是层状结构；4.高硅沸石ZSM型分子筛结构，这种沸石有一个系列，广为应用的是ZSM-5，本文主要介绍的就是这种分子筛的表征；5.磷酸铝系分子筛结构，是第三代新型分子筛。

由于分子筛具有明确的孔腔分布，具有极高的内表面积，有良好的热稳定性，故广泛的用作工业催化剂或催化剂载体，在炼油工艺和石油化工生产中应用尤其广泛，这就有了表征的要求。

1.2分子筛的表征方法1.2.1分子筛的物相分析（XRD）分子筛的物相分析一般是采用X射线衍射仪，其基本原理是利用布拉格方程，揭示了在一定波长下发生衍射时，晶面间距d同入射角θ之间的关系。

例如，采用Philips X’pert型X射线衍射仪进行Nu88分子筛样品的XRD分析。

讲座固体催化剂的研究方法第十三章程序升温分析技术(下)杨锡尧(北京大学化学与分子工程学院,北京100871)第二部分应用篇第一部分已详细介绍了T PA T的理论(重点介绍T P D 的理论基础),这部分将介绍T PAT在各类催化剂研究中的应用,如金属催化剂、酸性催化剂、氧化物催化剂、硫化物催化剂等的T PAT研究,及T PAT的实验装置和操作要领。

1TPAT的实验装置和操作要领T PAT的实验装置主要包括:气路系统、匀速升温控制系统及脱附物(或反应产物)的检测和数据处理系统。

111气路系统以天津先权仪器公司生产的T P5000多用吸附仪为例。

该仪器是双气路系统,即两股气流通过热导池的参考臂和测量臂。

双气路适合于以热导池为检测器的T PAT实验,使升温过程中基线保持不变。

做T PR、T P O、T PS等需要用含一定浓度的反应气,如N2-H2,H2-H2S,N2-O2等,这些混合气预先应配好。

112温度控制系统温控系统包括电炉、程序升温温控仪和温度检测仪(热电偶为热敏元件)。

电炉和温控仪须匹配好,使升温线性好。

为了及时检测温度的变化,热电偶应插入催化剂层。

113产品检测系统T PAT常用热导池检测器,对T PD可以满足要求,但对T PSR热导池不适合,这时需用四极质谱仪。

进口四极质谱仪产品型号种类很多,我们只介绍一种国产品,北京分析仪器厂生产的ZP系列比较适用,对经费不多又需要做这方面工作的单位是较好的选择。

尤其是它的进样阀,死体积小,可调灵敏度高是较理想的进样阀。

至于数据处理系统应该能记录温度变化、浓度变化和反应产品成分的变化,最好要有解谱分析的程序。

在实验操作方面,最主要的要保证T PA T实验在动力学区进行。

以T P D 实验为例,为了排除再吸附和内扩散因素的影响,可作以下实验。

(1)改变催化剂的质量W(0115~0105g)或载气流速F c。

如果T P D曲线的T m值不随W、F c变化,表明不存在再吸附现象。

固体催化剂实用研究方法固体催化剂是一种在化学反应中起到催化作用的固体材料。

它们在许多工业和环境应用中都被广泛使用，例如炼油、化工制品生产和废气净化。

因此，对固体催化剂的实用研究方法的开发和改进具有重要意义。

首先，固体催化剂的实验研究方法是固体催化剂研究的基础。

常用的实验方法包括材料表征技术、催化活性测试和反应机理研究。

材料表征技术可以提供有关催化剂结构和表面特性的信息，如X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等。

催化活性测试可以评估催化剂在特定反应条件下的活性和选择性，常见的测试方法包括批量反应实验和流动床反应实验。

反应机理研究可以通过稳态和非稳态等技术揭示催化反应中的关键步骤和反应机理。

其次，理论计算方法在固体催化剂研究中发挥着重要作用。

理论计算方法可以模拟和预测催化剂的结构、表面吸附和反应机理等关键参数。

常用的理论计算方法包括密度泛函理论(DFT)、反应动力学模拟和过渡态搜索等。

通过理论计算方法，可以在不同尺度上揭示催化反应的基本原理，为实验研究提供指导，加快固体催化剂的设计和优化过程。

此外，表面科学和催化工程的交叉也是固体催化剂实用研究方法的重要方向。

表面科学研究可以从微观层面上揭示固体催化剂的表面吸附和反应机理等基本过程。

催化工程研究则可以将表面科学的知识与工程应用相结合，优化催化剂的结构和性能。

通过这种交叉研究，可以实现从基础研究到应用开发的无缝衔接，推动固体催化剂的实用化进程。

总的来说，固体催化剂的实用研究方法需要结合实验、理论和工程等多种手段，旨在深入理解催化反应的基本原理，优化催化剂的结构和性能，并实现在工业和环境领域的应用。

通过不断改进和创新这些研究方法，可以提高固体催化剂的催化效率和资源利用率，为可持续发展做出贡献。

化学反应中固体催化剂的催化活性研究催化剂在化学反应中起到了非常关键的作用，可以提高反应速率，降低反应温度，选择性控制产物生成等。

固体催化剂是一种常见的催化剂形式，广泛应用于各个领域的化学反应中。

固体催化剂的催化活性研究是一个非常重要的课题，本文将从催化剂的组成和结构、催化反应机理、改性技术以及表征方法等方面介绍固体催化剂的催化活性研究。

固体催化剂主要由两个部分组成，即载体和活性组分。

载体扮演着提供活性组分支持和保持活性组分稳定的作用，而活性组分则是实际催化反应所需的催化活性物质。

催化剂的组成和结构对其催化活性起到了重要影响。

活性组分的选择可以根据具体的反应需求进行调整，常见的活性组分包括金属、金属氧化物、酸碱等。

而载体的选择主要考虑其化学性质和物理性质，比如比表面积、孔结构等。

此外，催化剂的结构也对催化活性有一定的影响，比如活性组分的分散度、晶格缺陷等。

催化反应机理是研究固体催化剂催化活性的关键。

通过对反应机理的了解，可以设计合理的催化剂和催化反应条件。

催化反应机理一般包括反应物的吸附、转化和产物的解离过程。

吸附是指反应物分子与催化剂表面发生相互作用，形成物理吸附或化学吸附，而转化是指吸附到催化剂表面的物种发生新的化学反应，从而生成产物。

催化剂的催化活性可以通过催化反应速率的测定和表观活化能的计算来评价。

催化活性的研究还包括催化剂的改性技术。

通过对催化剂的活性组分或载体进行物理或化学上的改性，可以提高催化活性和选择性。

常见的改性技术包括掺杂、表面活性剂修饰、负载、合成孔径等。

改性技术可以改变催化剂的表面性质和结构，从而实现对催化活性的调控。

另外，催化活性的研究还需要利用一些表征方法来了解催化剂的结构和性质。

常见的表征方法包括X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、透射电子显微镜等。

这些方法可以提供催化剂的晶体结构、形貌特征和表面性质等信息，从而帮助研究者理解催化活性的起因。

综上所述，固体催化剂的催化活性研究从催化剂的组成和结构、催化反应机理、改性技术以及表征方法等多个方面进行。

化学实验知识：“有机固体催化剂的制备和性能研究实验技术探究”有机固体催化剂是一种广泛应用于化学合成领域的催化剂，其制备方法和性能表现具有重要的研究价值。

本文将分别从制备和性能两方面进行探究和分析。

一、有机固体催化剂的制备方法有机固体催化剂的制备方法可以分为化学还原法、水热法、溶胶-凝胶法、共沉淀法等多种方法。

其中，匿名体系制备法是其中应用较为广泛的一种方法。

该方法通过氧化物和还原剂在一定条件下反应生成氧化还原体系，再通过预浸泡和煅烧等后续处理过程，最终制备出有机固体催化剂。

具体步骤如下：1.配置溶液：将金属盐和还原剂分别溶解于适当的溶剂中，并按一定比例混合后均匀搅拌。

2.沉淀：将配制好的溶解液缓慢滴入硫酸中，并不断搅拌，待沉淀生成后继续搅拌达到充分混合。

3.过滤：用滤纸将混合物中的沉淀分离出来，并用去离子水进行洗涤。

4.干燥：将分离出来的沉淀样品放入烘箱中进行干燥，并在一定条件下进行焙烧。

5.得到最终产品：将干燥、焙烧后的沉淀样品得到最终有机固体催化剂样品。

二、有机固体催化剂的性能表现有机固体催化剂具有分子结构单一、酸碱性、氧化还原性和形态可控等特点，因而在化学合成领域中应用广泛。

其性能表现包括其催化活性、稳定性、重复使用性等方面。

1.催化活性：有机固体催化剂主要表现为酸性催化剂、碱性催化剂和氧化还原催化剂。

不同的催化剂可用于不同的化学反应，如酸性催化剂可用于多醇酯化反应；碱性催化剂可用于酰胺化反应；氧化还原催化剂可用于羧酸衍生物的合成等，具有广泛的应用前景。

2.稳定性：有机固体催化剂的稳定性直接影响其在长时间反应过程中的使用效果。

因此，在制备催化剂时需要考虑其表面处理方式、催化剂组成、焙烧温度等因素对其稳定性的影响。

3.重复使用性：有机固体催化剂可以重复使用，且使用数次不影响其催化活性。

但是，反复使用过程中会产生积垢、钝化等问题，从而影响其催化效果。

因此，在使用有机固体催化剂时，需要规定其重复使用次数和正确的清洗方法，从而保证其催化效果。