Análisis de superficie específica y porosidad.
La superficie específica y la porosidad tienen un impacto significativo en el rendimiento de los catalizadores. Una superficie específica más grande significa que hay más sitios activos expuestos, lo que permite que los reactivos entren en contacto más completamente con el catalizador, aumentando así la velocidad de reacción. La estructura de poros adecuada facilita la difusión de reactivos y productos, afectando la selectividad de la reacción.
1.Método de prueba de área de superficie específica BET
El análisis BET es un método comúnmente utilizado para medir la superficie específica y la porosidad de los catalizadores. Se basa en las características físicas de adsorción de gases inertes como el nitrógeno en la superficie del catalizador. Al medir la cantidad de adsorción a diferentes presiones, se utiliza un modelo teórico específico para calcular el área de superficie específica, el volumen de poros, la distribución del tamaño de poros y otra información del catalizador. Como se muestra en la Figura 1, el experimento de adsorción y desorción del catalizador en un entorno de nitrógeno puede determinar el tamaño de su superficie específica y su estructura de poros, y puede aclarar la distribución del tamaño de las partículas. La rica estructura de poros y la alta superficie específica hacen que funcione bien en reacciones catalíticas y de adsorción. El análisis BET puede revelar con precisión estas características, proporcionando una base para optimizar la preparación y aplicación de catalizadores.
Imagen 1: Curva de adsorción-desorción de nitrógeno y distribución del tamaño de poro.
análisis estructural
1.Difracción de rayos X (DRX)
La tecnología XRD es como tomar una "fotografía de la estructura molecular" de un catalizador. Cuando se irradian rayos X sobre muestras de catalizador, se producen fenómenos de difracción y los catalizadores con diferentes fases cristalinas producen patrones de difracción específicos. La estructura cristalina, la composición de fases y el tamaño de grano del catalizador se pueden determinar mediante análisis. Por ejemplo, en la Figura 2, se realizaron pruebas de XRD en tres catalizadores en polvo diferentes y los resultados mostraron que las tres muestras con diferentes morfologías coincidían altamente con la tarjeta estándar de Cu9S5 (JCPDS 47-1748).
El ancho de medio pico del plano cristalino de Cu9S5 SNW (001) es significativamente mayor que el de las otras dos formas de muestras. Según la fórmula de Scherrer, cuanto menor es el tamaño del grano, mayor es la anchura del medio pico del pico de difracción correspondiente. Por el contrario, cuanto mayor sea el tamaño de partícula, más nítida será la mitad del ancho del pico de difracción. Debido al tamaño de escala subnanómetro (0,95 nm) de la muestra de SNW de Cu9S5 y al hecho de que la muestra exhibe una estructura unicelular sin un plano cristalino completo, el ancho del medio pico es significativamente mayor, mientras que el ancho del medio pico (001) de los SNW de Cu9S5 es mayor.
Imagen 2: Patrón XRD del catalizador Cu9S5 SNW
2. Transformada de Fourier infrarroja (FT-IR)
FT-IR es una técnica de análisis espectroscópico basada en transiciones de niveles de energía de rotación de vibración molecular. Al irradiar la muestra con luz infrarroja generada por un interferómetro, se registran las señales de absorción, transmisión o reflexión de la muestra a diferentes longitudes de onda de luz infrarroja. El interferograma se convierte en un espectro infrarrojo mediante la transformada de Fourier, que refleja las características de vibración de los grupos funcionales de la molécula. Su función principal es identificar grupos funcionales (como hidroxilo, carbonilo, metilo, etc.) en moléculas e inferir la estructura química de los compuestos a través de la posición (número de onda), intensidad y forma de picos característicos en el espectro. Es el medio principal para el análisis estructural de compuestos orgánicos, materiales poliméricos y otros materiales.
En el espectro FT-IR de Cu9S5 SNW como se muestra en la Figura 3, se observó un fenómeno de desplazamiento al rojo significativo en comparación con los Cu9S5 NW, lo que indica la interacción electrónica entre Cu y S. Los picos característicos de las muestras de Cu9S5 NW y Cu9S5 SNW a 2916 cm-1 y 2846 cm-1 se pueden atribuir al modo de vibración de estiramiento del metileno (-CH2-) en dodecanotiol, mientras que el pico característico a 1471 cm-1 corresponde al modo de vibración de flexión del enlace C-H.
Imagen 3. espectro infrarrojo
3. caracterización raman
La espectroscopia Raman se basa en el efecto de dispersión Raman. Al detectar la diferencia de frecuencia (desplazamiento Raman) entre la luz dispersada y la luz incidente generada por la colisión inelástica del láser y las moléculas, se pueden obtener las características del nivel de energía vibratoria y rotacional de las moléculas. El desplazamiento Raman es la "huella digital" de la estructura molecular, especialmente adecuado para grupos funcionales no polares que son difíciles de medir mediante espectroscopia infrarroja (como los dobles enlaces carbono-carbono y los grupos funcionales simétricos), a menudo complementarios a la espectroscopia infrarroja.
Como se muestra en la Figura 4, el espectro Raman de V-RuO2 (RuO2 dopado con V) es consistente con el de RuO2, sin otros picos únicos, excluyendo la generación de V2O5. El dopaje con V cambia el modo A1g del RuO2 a números de onda más bajos, lo que indica que la introducción de V afecta significativamente su estructura reticular y su entorno de enlace químico (lo que puede resultar en vacantes de oxígeno o defectos locales), alterando así su estructura electrónica; El desplazamiento hacia la izquierda del pico A1g refleja la interacción entre los átomos de V y la red de RuO2, lo que indica que el dopaje con V modula la simetría local y las características de longitud de enlace del RuO2.
Imagen 4: Espectros Raman de V-RuO2.
Análisis de composición química.
La tecnología XPS puede analizar en profundidad la composición elemental, los estados químicos y la estructura electrónica de las superficies del catalizador. Cuando la superficie del catalizador se irradia con rayos X, se excitan los electrones de los átomos de la superficie. Al detectar la energía y la cantidad de estos fotoelectrones, podemos determinar el tipo y contenido del elemento, así como el entorno químico en el que se encuentra el elemento. Por ejemplo, al estudiar catalizadores metálicos soportados, XPS puede determinar con precisión la forma del metal en la superficie del soporte, ya sea un elemento metálico o un óxido metálico, y los cambios en su estado de oxidación. Esto es muy importante para comprender la actividad y el mecanismo de desactivación del catalizador. Como se muestra en la Figura 5, se utilizó XPS para demostrar la composición y los estados de valencia de los elementos Ru, Co y Ni. Los espectros finos XPS de elementos específicos de la muestra se utilizaron para determinar el cambio positivo/negativo de la energía de enlace, lo que indica la existencia de interacciones electrónicas.
Imagen 5: Espectros finos XPS de Ru 3p, Co 2p, Ni 2p
técnicas microscópicas
1.Microscopio electrónico de barrido (SEM)
SEM escanea la superficie de la muestra emitiendo un haz de electrones, recogiendo electrones secundarios o electrones retrodispersados para obtener imágenes, lo que puede proporcionar información morfológica microscópica de la superficie del catalizador, con una resolución que generalmente oscila entre nanómetros y micrómetros. A través de imágenes SEM, se puede observar visualmente el tamaño, la forma y el estado de agregación de las partículas del catalizador, así como la textura y rugosidad de la superficie. Al estudiar catalizadores porosos, SEM puede mostrar claramente la distribución de su estructura de poros, que está estrechamente relacionada con la transferencia de masa y el rendimiento de la reacción del catalizador.
2.Microscopio electrónico de transmisión (TEM)
TEM nos permite observar directamente la microestructura de los catalizadores. Emite un haz de electrones a través de la muestra y capta imágenes de la dispersión después de la interacción entre los electrones y la muestra. Al utilizar TEM, podemos ver claramente el tamaño, la forma y la distribución de las partículas del catalizador, así como observar la estructura reticular y los defectos dentro del catalizador.
Las técnicas básicas de caracterización de catalizadores son herramientas poderosas para obtener una comprensión más profunda de sus propiedades físicas, químicas y estructurales. Mediante una aplicación integral, se puede revelar el mecanismo de reacción catalítica, proporcionando una base teórica para el diseño y desarrollo de catalizadores de alto rendimiento. Con el avance de la tecnología, esta tecnología continúa innovando y desarrollándose hacia una mayor resolución, una cuantificación más precisa y una mejor simulación de las condiciones de reacción reales.
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