催化剂表征的现代物理方法简介
催化剂结构表征的方法
结构表征：1. 晶相：XRD（多晶，单晶）——确定样品晶体类型（2θ-d 晶面间距，T强度）；TEM(透射电镜)。
2. 化学环境，配位状态：IR，UV，UV-Ramon，XPS，NMR，EPS，Mossbour。
组成表征：XRF，ICP(准确)，XPS，AEM（分析电镜）。
宏观物性表征：1. 粒度（密度，强度）：SEM(扫描电镜)，TEM，XRD，激光衍射和光散射（统计结果）2. 形貌：TEM+SEM3. 多孔性：氮气吸附，压汞法，烃分子探针4. 稳定性：TG-DTA，XRD酸性及酸强度表征：1. 酸性：NH3-IR，吡啶（Py）-FT-IR，FT-IR，MAS-NMR(31Al,1H)。
2. 酸强度：NH3-TPD，Hammett指示剂，吸附量热。
3. 内外表面酸的识别：探针分子反应法。
金属性表征：1. 分散度：H2吸附，HOT，TEM，XPS。
2. 还原性：TPR。
3. 氧化还原态：XPS。
4. 表面吸附物种：IR。
金属与载体/助剂相互作用：TPR，XPS，DTA。
再生：TG-DTA，TPO。
1 什么是XRF?一台典型的X射线荧光（XRF）仪器由激发源（X射线管）和探测系统构成。
X射线管产生入射X射线（一次X射线），激发被测样品。
受激发的样品中的每一种元素会放射出二次X射线，并且不同的元素所放射出的二次X射线具有特定的能量特性或波长特性。
探测系统测量这些放射出来的二次X射线的能量及数量。
然后，仪器软件将探测系统所收集到的信息转换成样品中各种元素的种类及含量。
利用X射线荧光原理，理论上可以测量元素周期表中的每一种元素。
在实际应用中，有效的元素测量范围为11号元素（Na）到92号元素（U）。
2 X射线荧光的物理意义：X射线是电磁波谱中的某特定波长范围内的电磁波，其特性通常用能量（单位：千电子伏特，keV）和波长（单位：nm）描述。
X射线荧光是原子内产生变化所致的现象。
一个稳定的原子结构由原子核及核外电子组成。
化工原理中的化工催化剂表征技术
化工原理中的化工催化剂表征技术化工催化剂表征技术在化工原理中起着至关重要的作用。
催化剂是促使化学反应发生的关键因素，而对催化剂进行准确和全面的表征有助于了解其性能和催化机理。
本文将介绍一些常见的化工催化剂表征技术，以及它们在化工原理中的应用。
一、催化剂的物理表征技术1. 扫描电子显微镜（SEM）SEM是一种常用的表征催化剂形貌和微观结构的技术。
它通过扫描电子束对样品表面进行扫描，利用二次电子、反射电子和荧光X射线等产生的信号来获取样品的像。
SEM可以提供催化剂的形貌、孔隙结构、晶粒大小等信息，有助于对催化剂性能的理解和优化。
2. 透射电子显微镜（TEM）TEM是一种高分辨率的表征催化剂微观结构的技术。
它通过透射电子束对样品进行照射，利用透射电子的相位和强度信息来获取样品的像。
TEM可以提供催化剂的晶体结构、晶面衍射、纳米尺度的粒子和催化剂负载等信息，对催化剂的形貌和结构进行详细的分析。
3. X射线衍射（XRD）XRD是一种常用的表征催化剂晶体结构的技术。
它通过照射样品的X射线束，测量不同角度下对X射线的衍射信号，进而确定样品的晶体结构和晶粒大小。
XRD可以检测催化剂的晶体相、晶胞参数、晶面衍射强度等信息，有助于对催化剂的相变和晶体生长机理进行研究。
二、催化剂的化学表征技术1. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）FTIR是一种常用的表征催化剂表面化学组成的技术。
它通过测量样品在红外光波段内与光的相互作用，分析吸收和散射等信号来获取样品的红外光谱图。
FTIR可以检测催化剂表面的官能团、表面吸附物和催化反应中产物等信息，对催化剂的表面性质和反应机理研究具有重要意义。
2. 氢气程序升温脱附（H2-TPD）H2-TPD是一种常用的表征催化剂表面酸碱性的技术。
它通过在特定温度下将氢气逐渐加热，测量脱附氢气的量和温度，进而确定催化剂的酸碱位点和酸碱强度。
H2-TPD可以检测催化剂表面的酸碱位点密度、活性及分布情况，对催化剂的酸碱性质和催化反应性能的理解非常重要。
催化剂宏观物性的测定与表征
（7.1.3）
式中，V－反应器中所盛催化剂的体积。
（2）活塞流式反应器(PFR)
在理想的活塞流管式反应器中，假定没有轴混，
而且无浓度或流体速度的径向梯度，则反应物的 浓度只是反应器长度的函数。参考图7.1.2，应用 物料衡算于反应器的微分体积，给出：
（7.1.4）
F
=
(F+dF)+rdV
由
此
得
出
：
（2）比表面测定原理
测定比表面的方法很多，也各有优缺点，常 用的方法是吸附法，它又可分为化学吸附法 和物理吸附法。化学吸附法是通过吸附质对 多组分固体催化剂进行选择吸附而测定各组 分的表面积。物理吸附法是通过吸附质对多 孔物质进行非选择吸附来测定比表面积。它 又分BET法和气相色谱法两类。下面主要介 绍物理吸附法的测定原理。
应用物料平衡于图7.1.1的反应器，给出
（7.1.1）
Q0C0 = Q0C + W r
所
以
（7.1.2）
式物中 质，的量C浓0，度C；－ 分别为进入和流出中催化剂的重量；
r－单位重量催化剂上的总反应速率。
另一方面，速率也可以按单位催化剂体积表示， 在这种情况下
但这种关系并不普遍，因具有催化活性 的面积只是总面积的很小一部分，而且 活性中心往往具有一定结构，由于制备 或操作方法不同，活性中心的分布及其 结构都可能发生变化。因此，用某种方 法制得表面积大的催化剂并不一定意味 着它的活性表面大并且有合适的活性中 心结构。所以催化活性与表面积常常不 能成正比关系。
qCf
（7.1.14）
+Q0C0=(q+Q0)C1
或
（7.1.15）
表明必须q>>Q,在这样的条件下，反应是微分
第十二章 催化剂表征的现代物理方法简介
第十二章催化剂表征的现代物理方法简介我们知道，催化剂是催化反应工程和工艺的核心，催化剂自身的结构、物理化学性质、催化作用极其复杂，加之催化科学涉及化学、物理、材料、工程等多学科的理论和知识，要完全了解催化剂的本质与其催化行为的关系，并不是一件容易的事情。
自20世纪70年代以来，科学技术的迅猛发展使表面科学的研究手段得到极大的丰富，色谱仪、X射线衍射仪、电子显微镜、红外光谱、电子能谱等各种分析谱等各种分析谱仪在催化研究中得到广泛的应用，各种表征手段常相互补充印证，使得催化剂表征的技术和试验方法更趋于全面，为更好地了解催化剂的作用本质和催化剂的评价等提供了基础。
由于催化剂表征技术很专业、涉及的基础理论精深、内容繁杂，鉴于篇幅，本章将略去繁杂的各种理论及谱仪结构等方面的知识，仅对其基本原理及其在催化研究中的应用做一简单介绍，不做展开讨论，以达人入门的目的及可）12．1气相色谱技术气相色谱是催化剂表征中常用的技术，特别是在研究催化剂表面性质、吸附和脱附过程上应用得很成熟。
表现12-1列出了其应用范围。
表现12-1 气相色谱技术在固体催化剂研究上的应用本节主要对常用的升温脱附技术（TPD ）、程序升温还原技术（TPR ）和氢氧滴定脉冲色谱法（HOT ）进行介绍。
12．1．1 TPD 的基本原理先使吸附管中的催化剂饱和吸附吸附质，然后程序升温，吸附质在稳定载气流条件下脱附出来，经色谱柱后被记录并计算出吸附质脱附速率随温度变化的关系，即得到TPD 曲线（脱附谱图）。
如以反应物质取代吸附质，可得反应产物与脱附温度的关系曲线，称为程序升温反TPSR ）。
装置流程如图12-1所示。
假定催化剂表面为均匀的，脱附时不发生再吸附且表面脱附不受扩散效应影响。
在这种情况下，单一组成的吸附速率d r 为n d k dt d rd θθ=-=/式中。
θ为表面覆盖度；kd 为脱附活化能。
因为程序升温脱附级数；t 为时间。
因为kd 与θ无关，仅是温度的函数，服从阿伦尼乌斯方程，于是式（12-1）可能变为d r n A -=n θRTEd -exp 式中，An 为指前因子；Ed 为脱附活化能。
催化剂表征
3. X射线衍射的数据分析
a. 定性分析依据：衍射方向
任何一种晶态物质都有自己独特的X射线衍射图， 而且不会因为与其它物质混合在一起而发生变化。 由测定试样晶体的衍射线出现情况，可确定晶体
结构类型。
X射线衍射定性分析方法
是将实验获得的“d（2θ）- I”值（衍射面间距 和衍射强度）标准多晶衍射数据和已知物相的衍射 数据或图谱进行对比，一旦二者相符，则表明待测 物相与已知物相是同一物相。 1. 谱图直接对比法 2. 数据对比法（ d，2θ，I/I1） 3. 计算机自动检索鉴定法
——用来观察催化剂内部的微细结构和表征金属分散度 高分辨透射电子显微镜（HRTEM） ——可以直接从分子水平观察晶体内部（晶格）的结构
②扫描电子显微镜（SEM）
——用于催化剂表面和断面的立体形貌的观察
③原子力显微镜（AFM）
——可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的
物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵,可观测非
能谱法
6.5 元素定量分析
6.3 显微分析法
金属载体催化剂中金属的分散度，是影响催化 剂活性的重要因素之一。金属的分散高越高，可以 提供越多的活性中心，有利于提高催化剂的活性。
在使用过程，金属的凝聚和烧结，聚集和长大，
可导致分散度下降，活性降低。应用电子显微 技术，在制备和使用过程中测定微晶大小，更有 现实意义。
辐射→分子振动能级跃迁→红外光谱→官能团→分子结构
特征频率
是对应红外光谱上的一个吸收带（峰）的一
个红外活性的简谐振动特征频率。
虽然任一振动包括所用原子的振动运动，但实
际上与特征频率有关的振动常常是由几个原子组
成的官能团占优势，也就是官能团的特征频率与 分子其余部分无关，因此反过来可以由各红外光 谱带的特征频率鉴定官能团、基团和化学键。
催化剂测定与表征技术
催化剂测定与表征技术催化剂在化学工业中扮演着重要的角色，它们能够加速反应速度，提高产物选择性，降低反应温度等。
为了充分了解催化剂的性能和稳定性，科学家们发展了各种测定和表征催化剂的技术。
本文将介绍几种常用的催化剂测定与表征技术。
一、物理吸附法物理吸附法是一种常用的催化剂表征技术。
通过测定催化剂表面吸附气体的物理吸附量，可以确定催化剂的比表面积、孔径分布和孔容等参数。
常用的物理吸附法包括比表面积测定、孔径分布测定和吸附等温线测定等。
其中，比表面积测定常用的仪器是比表面仪，可以测定催化剂的比表面积；孔径分布测定则可以通过气孔大小对吸附剂进行分类；吸附等温线测定可以获得催化剂的孔容和孔径分布。
二、扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种高分辨率表征催化剂表面形貌和微观结构的技术。
通过扫描电子显微镜，可以观察到催化剂表面的形貌、颗粒大小和分布等信息。
同时，通过能谱分析功能，还可以确定催化剂表面元素的组成和分布。
扫描电子显微镜的应用广泛，可以对不同种类的催化剂进行表征，为改进催化剂性能提供依据。
三、透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是一种高分辨率表征催化剂内部结构的技术。
通过透射电子显微镜，可以观察到催化剂微观结构的细节，如晶体结构、晶胞参数、晶界和缺陷等。
透射电子显微镜还可以进行能谱分析，确定催化剂微观结构元素的组成和分布。
透射电子显微镜在催化剂研究中起到了至关重要的作用，对于揭示催化机理和改善催化剂性能具有重要意义。
四、X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种广泛应用于催化剂表征的技术。
通过X射线衍射，可以确定催化剂晶体结构、晶胞参数和晶面取向等信息。
X射线衍射还可以进行定性和定量分析，确定催化剂中晶体的相对含量。
X射线衍射技术是研究催化剂晶体结构和相变行为的重要手段，为催化剂的合成和改良提供了重要信息。
五、傅里叶变换红外光谱（FTIR）傅里叶变换红外光谱是一种用于催化剂表征的非常有用的技术。
通过傅里叶变换红外光谱，可以确定催化剂表面的吸附物质、化学键特征和表面活性位点等信息。
催化剂的表征与评估方法
催化剂的表征与评估方法催化剂是许多化学反应中不可或缺的重要组成部分。
为了有效评估和优化催化剂的性能，科学家们开发出了各种表征方法和评估技术。
本文将介绍一些常用的催化剂表征与评估方法。
一、物理表征方法1. 扫描电子显微镜（SEM）：通过SEM可以观察到催化剂的形貌和颗粒尺寸分布，从而评估催化剂的活性表面积。
2. 透射电子显微镜（TEM）：TEM可以提供催化剂的高分辨率图像，从而观察到催化剂的晶体结构、晶粒大小以及形貌等信息。
3. X射线衍射（XRD）：XRD可以用于分析催化剂的晶体结构和晶格参数，通过峰位和峰形分析可以确定催化剂的相态以及晶粒尺寸。
4. 紫外可见光谱（UV-Vis）：这种表征方法可以通过测量催化剂在紫外和可见光区域的吸收光谱，来确定催化剂的电子结构和电荷转移过程。
二、化学表征方法1. X射线光电子能谱（XPS）：通过XPS可以得到催化剂表面原子的电子能级和化学态，从而揭示催化剂的表面组成和表面反应活性位点。
2. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：FTIR可以用于表征涂覆在催化剂表面的吸附物，例如吸附气体、表面中间体等。
3. 原位质谱（MS）：通过质谱可以检测催化剂表面产生的化学物质，从而揭示催化剂的反应机制和活性物种。
三、催化活性评估方法1. 反应动力学：通过测量催化剂在给定反应条件下的反应速率，可以评估催化剂的活性和选择性。
2. 表面酸碱性：催化剂表面的酸碱性质对于某些反应过程至关重要，通过表征催化剂表面酸碱性，可以评估催化剂的活性和稳定性。
3. 比表面积测量：催化剂的活性表面积与其性能密切相关，通过测量催化剂的比表面积，可以评估催化剂的催化效果和稳定性。
4. 催化剂寿命评估：对于长期稳定性评估，科学家们通常会对催化剂进行寿命测试，以模拟实际工业条件下的使用情况。
总结：催化剂的表征与评估方法多种多样，上述仅为其中一部分常用方法。
综合利用这些表征和评估技术，可以更全面、准确地了解催化剂的性能和反应机制，进而指导催化剂的设计与改进。
化学催化剂的合成和表征
化学催化剂的合成和表征化学催化剂是化学反应中不可或缺的重要组成部分，它们不仅能够加速反应速率，还可以改变反应选择性和产物结构，因此在化工生产过程中有着广泛的应用。
本文将从化学催化剂的基本定义入手，探讨化学催化剂的合成和表征。
一、化学催化剂的基本定义化学催化剂是指在化学反应中能够改变反应机理和反应势能，从而影响反应速率和产物选择性的一种物质。
通常情况下，化学催化剂本身不参与化学反应，也不被反应所消耗，因此在反应结束后可以循环使用。
化学催化剂的种类繁多，包括酸碱催化剂、过渡金属催化剂、酶催化剂等。
二、化学催化剂的合成方法化学催化剂的合成方法主要包括物理合成方法和化学合成方法两种。
1.物理合成方法物理合成方法主要是指对已有的物质进行物理改性，例如热处理、离子注入、溅射等方法，从而改善催化性能。
其中，热处理是最常见的一种方法，通过高温处理可以使催化剂表面形成更活性的催化位点，从而提高反应效率。
2.化学合成方法化学合成方法主要是指通过化学反应制备新的催化剂材料。
其中，最常见的化学合成方法是沉淀法、共沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法等。
沉淀法是一种常见的催化剂制备方法，它是通过水溶液中的化学反应产生的沉淀物来制备催化剂。
沉淀法的优点是操作简单，易于控制，但是也存在制备成本高、催化剂纯度低等缺点。
共沉淀法是将两个或多个溶液混合在一起，在反应液中生成的沉淀物是两种或多种化合物的混合物。
共沉淀法的优点是制备工艺简单，催化剂纯度高，但是技术要求较高。
水热法是一种通过高温、高压下在水介质中合成的催化剂制备方法，它可以制备出具有高比表面积和晶体缺陷的催化剂。
水热法优点是单步合成，易于控制，但是存在制备周期长，工艺复杂等缺点。
溶胶-凝胶法是一种将溶胶液体转化为凝胶材料，再进行热处理得到催化剂的方法。
溶胶-凝胶法具有制备周期短，可以控制制备成本等优点，但是需要对反应过程进行严格控制，技术要求相对较高。
三、化学催化剂的表征方法化学催化剂的表征是指通过一系列实验手段对催化剂进行性质和结构分析，从而评估催化剂的催化性能。
催化剂表征方法
1.2比表面测试单位重量催化剂所具有的表面积称为比表面，其中具有活性的表面称活性比表面，也称有效比表面。
尽管催化剂的活性、选择性以及稳定性等主要取决于催化剂的化学结构，但其在很大程度上也受到催化剂的某些物理性质如催化剂的表面积的影响。
一般认为，催化剂表面积越大，其上所含有的活性中心越多，催化剂的活性也越高。
因此，测定、表征催化剂的比表面对考察催化剂的活性等性能具有很大的意义和实际应用价值。
催化剂的表面积针对反应来说可以分为总比表面和活性比表面，总比表面可用物理吸附的方法测定，而活性比表面则可采用化学吸附的方法测定。
催化剂的比表面积的常见表征方法见表2。
1.2.1 总表面积的测定催化剂总表面积的测定目前所采用的方法基本上均为低温物理吸附法，而其中的BET法则更是推崇为催化剂表面积测定的标准方法。
有关BET法的具体介绍见第二章，在此不展开讨论。
1.2.2 有效表面积的测定BET法测定的是催化剂的总表面积。
但是在实际应用中，催化剂的表面中通常只是其中的一部分才具有活性，这部分称为活性表面。
活性表面的面积测定通常采用“选择化学吸附”进行测定。
如附载型金属催化剂，其上暴露的金属表面是催化活性的，以氢、一氧化碳为吸附质进行选择化学吸附，即可测定活性金属表面积，因为氢、一氧化碳只与催化剂上的金属发生化学吸附作用，而载体对这类气体的吸附可以忽略不计。
同样，用碱性气体的选择化学吸附可测定催化剂上酸性中心所具有的表面积。
表2列出了用于测定催化剂比表面积的常见方法。
表2 催化剂比表面表征金属表面积的测定方法很多，有X-射线谱线加宽法、X-射线小角度法、电子显微镜法、BET真空容量法及化学吸附法等。
其中以化学吸附法应用较为普遍，局限性也最小。
所谓化学吸附法即某些探针分子气体（CO、H2、O2等）能够选择地、瞬时地、不可逆地化学吸附在金属表面上，而不吸附在载体上。
所吸附的气体在整个金属表面上生成一单分子层，并且这些气体在金属表面上的化学吸附有比较确定的计量关系，通过测定这些气体在金属表面上的化学吸附量即可计算出金属表面积。
催化剂表征的现代物理方法简介
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结束 谢谢！！
一、催化剂常用重要表征设备
这里主要指催化剂本体的表征。 一、组成（有效组分、杂质——毒物、污染物） 1.光普法——对大部分元素都适用 2.溶液法——用某种方法将特定的物质溶解后再用 化学方法分析或光吸收法分析
比如对钴、镍、钼、铂等十分经典，非常准确， 且已标准化。
。
3. X射线衍射技术—— 可以鉴别物相——任何一种 结构的物质只能给出一套唯一的X衍射图谱。 特点：能鉴别物相（准确定出组成和物相） 能定性（对照标准图谱）
27Al—NMR研究
• 不同温度焙烧Co—ZSM—5的 Al-NMR谱如图2所示. • 由图2可见，谱图中主要有2个峰(A、B)峰，这2个峰的化学位移(ppm) 分别为A峰：约7；B峰：约54。上述2个峰在活化焙烧温度分别为350、 。 450、530、650、750、850 C制得催化剂的 27Al-NMR谱图中化学位 移(ppm)变化情况如下：A峰：7.58、7.71、7.87、7.39、6.96、6.76， 此峰属于分子筛中六配位Al结构单元(八面体结构)共振峰。B峰： 54．56、54.73、55.01、54.17、53.25、52.82，此峰属于分子筛骨 架中四配位Al结构单元(四面体结构)共振峰。以上数据中可以发现不 。 同活化温度培烧的Co—ZSM—5分子筛中，焙烧温度为530 C时A峰、 。 B峰的化学位移存在一个极大值；焙烧温度大于650 C后，A峰在逐 渐增强，B峰强度减弱，这可能是由于焙烧温度的升高，导致骨架中。 的铝不断从骨架上脱除下来，形成骨架以外的含铝物种。此外，750 。 C和850 C焙烧温度下制得Co—ZSM—5分子筛的 Al—NMR 谱图在 33.10、一29.68；33.21、一30.88、62.04等化学位移处有峰存在。 有文献表明，30ppm 处的峰可能是一种独立的铝配位状态，它与周 围的质子有紧密的耦合，但程度不及六配位非骨架铝，可能是一种五 配位铝；此外，铝在脱出分子筛骨架过程中的形态十分复杂需要进一 步探究。
现代催化剂表征方法简介
（1）粉晶样品的制备
① 将被测试样在玛瑙研钵中研成10μm左右的细粉； ② 将适量研磨好的细粉填入凹槽，并用平整光滑的
玻璃板将其压紧；
载气流速对TPD 曲线的影响
图中数字为缩 放倍数
升温速率对TPD 曲线的影响
在催化研究中的应用
① 表征固定酸催化剂表面酸性质 ② 研究金属催化剂的表面性质 ③ 研究脱附动力学参数
NH3-TPD技术
吸附质和载气：高纯氮，氨气 方法要点： ①样品准备：催化剂压片破碎筛选40-60目，0.1-0.2g； ②热吹扫预处理净化样品表面； ③吸附氨气并确认化学吸附饱和； ④除掉所有非化学吸附氨气； ⑤程序升温脱附在稳定的载气流中，以一定的升
5. XRD 分析法在催化剂研究中的应用
⑴ 鉴定催化剂的物相结构以及定量分析该物 相；
⑵ 分析催化剂制备过程或使用过程中的物相 变化；
⑶ 与其他表征手段如（DTA、TG、IR 等)联 合，结合催化反应数据，分析物相和反应 特性之问的关系
基本原理：将已吸附了吸附质的吸附剂或催化剂
按预定的升温程序（如等速升温）加热， 得到吸附质的脱附量与温度关系图的方 法。
主要用于考察吸附质与吸附剂或催化剂之间的相 互作用情况，可获得催化剂表面性质，活性中心， 表面反应等方面的信息。
装置流程图：
TPD技术原理
催化剂经预处理将表面吸附气体除去后，用一 定的吸附质进行吸附，再脱去非化学吸附的部分， 然后等速升温。当化学吸附物被提供的热能活化， 足以克服逸出所需要越过的能垒（脱附活化能）时， 就产生脱附。 由于吸附质和吸附剂的不同，吸附质与表面
化学中的催化剂表征及应用
化学中的催化剂表征及应用对于化学反应，催化剂是一个重要的组成部分。
催化剂可以提高反应速率，减少温度和压力等操作条件，节约能源和原材料。
因此，对催化剂的表征十分重要，只有准确了解催化剂的表面及其反应机制，才能更好地设计和应用催化剂。
催化剂表征分为物理表征和化学表征两种。
物理表征主要是观察催化剂的形貌和物理性质，如表面积、孔隙度、晶体结构等。
化学表征则是需要对催化剂进行某些操作，从而揭示催化剂表面上的活性位点及其化学性质。
其中，X射线光电子能谱（XPS）是一种常用的化学表征方法。
通过照射催化剂表面的X射线，可以激发催化剂表面的电子，使其脱离原子，形成光电子信号。
根据光电子能谱图，可以判断催化剂的化合价、氧化还原状态等性质，以及表面物种和吸附模式等信息。
同时，还可以通过XPS谱线与参照谱线的比较，得到催化剂化学计量数的确定，进一步揭示催化剂表面的组成和配位环境。
另外，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）也是常用的物理表征手段，能够观察催化剂的形貌和颗粒大小等信息。
通过SEM和TEM图像分析，可以得到催化剂的形貌、粒径分布、表面积和孔隙度等信息，从而进一步研究催化剂的形貌对其性能的影响。
此外，可利用透射电子显微镜观察纳米颗粒的成核、生长和相变等过程，揭示纳米催化剂的微观变化和反应机理。
除了以上常用的手段外，还有几种新兴的催化剂表征技术。
例如，原位拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱、原位固体核磁共振光谱、等温滴定量热等技术。
这些技术具有高灵敏度、原位非破坏性等特点，可以更好地研究催化剂表面的原子结构、化学键和反应机理等问题。
在复杂反应体系中，这些表征技术还可以实现原位反应监测、反应速率的确定和反应中间体的检测等功能，为反应机理和动力学研究提供了更多的信息。
催化剂表征的结果对于催化剂的设计和应用至关重要。
通过对催化剂表面活性位点和反应机制的深入理解，可以为催化剂结构和性能的调控提供设计思路，以实现更高效、环保、可持续发展的化学反应。
现代催化剂表征方法简介
差热曲线是由差热分析得到的记录曲线。纵坐 标是试样与参比物的温度差 ∆T，向上表示放热反 应，向下表示吸热反应，横坐标为 T（或 t）。
2. DTA 曲线提供的信息：
峰的位置 峰的形状 峰的个数
⑴ 峰的位置
差热分析曲线反映的是过程中的热变化，所以物 质发生的任何物理和化学变化，其DTA曲线上都有相 对应的峰出现。峰的位置通常用起始转变温度(开始偏 离基线的温度)或峰温(指反应速率最大点温度)表示。
6.2 热分析法
一、差热分析法（DTA-Differential Thermal Analysis）
1.定义：
在程序控制温度下，测量物质和参比物之 间的温度差与温度关系的一种技术。
当试样发生任何物理（如相转变、熔化、结 晶、升华等）或化学变化时，所释放或吸收的热 量使试样温度高于或低于参比物的温度，从而相 应地在 DTA 曲线上得到放热或吸收峰。
CuO-PdO/CeO2与PdO/ CeO2相比，峰温提高，峰 形不变;
CuO-PdO/CeO2与CuO/ CeO2相比，明显不同。
结论： CuO的存在抑制了PdO
的还原 PdO的存在促进了CuO
的还原
3. 程序升温氧化（TPO）
催化剂在使用过程中，活性逐渐下降， 其中原因之一是催化剂表面有积碳生成， TPO 法是研究催化剂积碳生成机理的有效 手段。
TPO的原理——研究积碳
利用不同形态碳有不同氧化温度的特性，采用程序 升温氧化法，用氧气以一定流速通过样品，用热导池 检测器对不同碳物种氧化后生成的二氧化碳气体谱 图进行测量，可以对表面积碳进行定性和定量分析。
本章主要内容：
6.1 气相色谱技术 62.2 热分析法 6.3 X射线衍射分析方法 6.4 光谱法 6.5 显微分析法 6.6 能谱法
催化剂表征技术
催化剂的表征技术;即特性的描述。
采用现代科学手段与现代分析仪器，对一种物质进行物理化学鉴定、鉴别等一系列特性及特征的描述。
表征用Characterization来表示。
4.1 电镜技术4.2 X射线衍射4.3 全自动比表面及孔隙度分析仪 4.4 X射线光电子谱(XPS)4.5 热分析技术4.6 激光拉曼技术4.7 程序升温分析技术4.8 红外吸附4.1 电镜技术电镜技术主要用于测量材料的颗粒度、粒径及分散性，可观察到样品表面的微细形态结构。
第一代光学显微镜它使人类“看”到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体，对社会的发展起了巨大的促进作用，至今仍是主要的显微工具。
第二代电子显微镜20世纪三十年代早期卢斯卡（E. Ruska）发明了电子显微镜。
使人类能“看”到病毒等亚微米的物体，它与光学显微镜一起成了微电子技术的基本工具。
第三代扫描探针显微镜（纳米显微镜）1981年比尼格和罗勒尔发明了扫描隧道显微镜（STM），使人类观察到单个原子。
1985年比尼格发明了具有原子分辨率、可适用于非导电样品的原子力显微镜（AFM）。
STM与AFM 一起构建了扫描探针显微镜（SPM）系列。
使用SPM不仅能观察单个原子或分子，还能操纵单个原子或分子，人们称SPM是纳米世界的“眼”和“手”。
比尼格、罗勒尔和卢斯卡分享了1986年的诺贝尔物理奖。
SEM (Scanning Electronic Microscopy)TEM (Transmission Electron Microscope)STM (Scanning Tunnelling Microscope)AFM (Atomic Force Microscope)一扫描电子显微镜（scanning electron microscopy ）1 SEM成像原理(1) 二次电子它在SEM成像过程中担任主角。
它是样品本身的原子中的外层电子，被入射电子激发出来后，形成带有样品形貌等信息的电子束。
催化剂表征
催化剂表征引言催化剂是在化学反应中增加反应速率的物质。
为了充分发挥催化剂的作用，需要对催化剂进行表征。
催化剂表征的目的是了解催化剂的结构、物理化学性质以及与反应活性之间的关系。
本文将介绍几种主要的催化剂表征方法。
1. X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种常用的催化剂表征技术。
通过将X射线照射到催化剂样品上，利用样品中晶体的结构对X射线的衍射进行分析，可以得到催化剂的晶体结构信息。
XRD可以提供催化剂晶格常数、晶体结构等信息，通过解析衍射峰可以确定催化剂中物理相的种类和含量。
2. 扫描电子显微镜（SEM）SEM是一种高分辨率的催化剂表征技术。
通过扫描电子束照射催化剂样品的表面，利用样品表面的反射电子产生的信号得到图像，可以获得催化剂表面形貌和颗粒大小等信息。
SEM 还可以配合能谱仪对催化剂中元素的分布进行分析，从而了解催化剂中元素的分布情况。
3. 透射电子显微镜（TEM）TEM是一种高分辨率的催化剂表征技术，可以提供催化剂的原子尺度信息。
通过电子束透射催化剂样品，利用样品中的原子对电子的散射进行分析，可以获得催化剂的晶体结构和晶格缺陷等信息。
TEM可以观察催化剂颗粒的形貌、尺寸以及晶体结构，并且可以通过电子能谱对催化剂中元素的分布进行分析。
4. 氨气物理吸附（BET）BET法是一种常用的催化剂表征技术，用于表征催化剂的比表面积。
通过在低温下将催化剂暴露在氨气中，利用氨气物理吸附的原理测定催化剂的吸附量，得到催化剂的比表面积。
BET法可以评估催化剂的孔隙结构和活性组分的分散性。
5. 程序升温还原（TPR）TPR是一种表征催化剂还原特性的技术。
通过加热催化剂样品，在还原气氛中观察其还原的温度和程度，可以了解催化剂还原的性质和活性组分的状态。
TPR可以评估催化剂的还原能力和还原峰的数量、位置和形状，以及还原过程中的反应动力学参数。
结论催化剂表征是对催化剂进行结构和性质分析的重要手段，可以为催化剂的设计、合成和应用提供有力的支持。
第七章催化剂表征的现代物理方法简介
2021/1/6
工业催化 第七章
29
⑶ 峰形状
峰的形状与实验条件(如加热速率、纸速、灵 敏度)有密切关系；
在给定条件下，峰的形状取决于样品的变化过 程；
从峰的大小、峰宽和峰的对称性等还可以得到 有关动力学行为的信息。
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工业催化 第七章
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苦味酸在动态空气中的 DTA曲线
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同峰高h1，同时得到相 应的不同Ti和Ai。 lg(hn/At 对 1/Ti作图， 则可求得Ed和A。
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工业催化 第七章
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⑵ 不均匀表面的TPD理论
吸附剂(或催化剂)在很多情况下其表面能量分布是不 均匀的，或者说其表面存在性质不同的吸附中心或活 性中心。
出现两个或多个更多的峰（分离烽或重叠峰），一 般来说这正是表面不均匀的标志。
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工业催化 第七章
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三、程序升温氧化
催化剂在使用过程中，活性逐渐下降，其中原 因之一是催化剂表面有积碳生成，TPO 法是 研究催化剂积碳生成机理的有效手段。
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工业催化 第七章
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§7.2 热分析技术
热分析技术的主要测试方法
名称
热重分析法（TG） 微分热重分析（DTG） 差热分析法（DTA）
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工业催化 第七章
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扑热息痛的DSC曲 线，测得熔点为 170.5℃，存在一个 吸热峰
扑热息痛的DSC曲线
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工业催化 第七章
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三、热重分析法
1. 基本原理
热重分析（thermogravimetric analysis,TG）是在 程序控温下，测量物质的质量随温度和时间变化 的一种技术。
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CuO-PdO/CeO2与PdO/ CeO2相比，峰温提高，峰 形不变; CuO-PdO/CeO2与CuO/ CeO2相比，明显不同。 结论： CuO的存在抑制了PdO 的还原 PdO的存在促进了CuO 的还原
3. 程序升温氧化（TPO）
催化剂在使用过程中，活性逐渐下降， 其中原因之一是催化剂表面有积碳生成， TPO 法是研究催化剂积碳生成机理的有效 手段。
③阶梯斜度与反应速率有关，由此可得动力学信息。
草酸钙脱水分解
CaC2O4· H2O 约在 150-200 ℃脱一份结晶水成CaC2O4； 在 380-490 ℃时放出 CO 形成 CaCO3 ； 在 670-750 ℃时放出 CO2 形成 CaO; 三次失重比为 9：14：22。
由图5可见，在DTA曲线上出现两个峰。分别 为脱水和脱二氧化碳峰。在其TG曲线上有对应 的失重。
吸附质和载气：高纯氮，氨气
方法要点：
①样品准备：催化剂压片破碎筛选40-60目，0.1-0.2g；
②热吹扫预处理净化样品表面；
③吸附氨气并确认化学吸附饱和； ④除掉所有非化学吸附氨气； ⑤程序升温脱附在稳定的载气流中，以一定的升 温速率进行；
⑥注意样品的热稳定性。
根据三种沸石分子筛的TPD谱图，试分析它们的酸性
第六章 催化剂表征的现代物理方法简介
催化剂表征的内容和方法
化学组成与物相结构 比表面与孔结构 活性表面与分散度
表面组成与表面结构
酸碱性
氧化还原性
催化剂微观结构与性能表征方法
Байду номын сангаас
本章主要内容：
6.1 气相色谱技术 2 热分析法 6.2 6.3 X射线衍射分析方法 6.4 BET法
6.5 光谱法
MCM-41介孔分子筛的XRD图
Ni2P 2 h Ni2P 6 h
a b c d e f
30 40 50
Intensity ( a.u )
Ti0.01Ni2P(C) Ti0.03Ni2P(C) Ti0.01Ni2P(C) Graphite
10 20 60
70
2
(a)
Intensity (a.u.)
得到吸附质的脱附量与温度关系图的方
法。 主要用于考察吸附质与吸附剂或催化剂之间的相 互作用情况，可获得催化剂表面性质，活性中心， 表面反应等方面的信息。
装置流程图：
TPD技术原理
催化剂经预处理将表面吸附气体除去后，用一 定的吸附质进行吸附，再脱去非化学吸附的部分，
然后等速升温。当化学吸附物被提供的热能活化，
足以克服逸出所需要越过的能垒（脱附活化能）时，
就产生脱附。
由于吸附质和吸附剂的不同，吸附质与表面 不同中心的结合能不同，所以脱附的结果反映了
在脱附发生时的温度和表面覆盖度下，脱附过程
的动力学行为。
TPD曲线
TPD曲线的形状
峰大小
出现最高峰的温度Tm等
与催化剂的表面性质和反 应性能有关 程序升温脱附峰
2 /
o
不同温度焙烧的Ag/SiO2催化剂TEM
He50 0 O500
He70 0
O700
XRD测定平均晶粒度的测定
Scherrer方程：
Dhkl
k coshkl
d D
注意：1.β为半峰宽度，即衍射强度为极大值 一半处的宽度，单位以弧度表示；2. Dhkl只代 表晶面法线方向的晶粒大小，与其他方向的晶 粒大小无关；3. k为形状因子，对球状粒子 k=1.075，立方晶体k=0.9，一般要求不高时就 取k=1。
4.测定范围3~200nm。
例：镍催化剂晶粒大小的测定
由镍催化剂衍射图可以求出其 垂直于(111)面的平均晶粒大小， 即
6 7
k Dhkl coshkl
5
4
3
β1/2=20
0.9 D111 1 / 2 cos 0.9 0.1542 4.3nm 2 2 360 cos(44 / 2)
DSC 原理
DSC 与 DTA 原理相同，但性能优于 DTA，测 定热量比 DTA 准确，而且分辨率和重现性也比
DTA好。
DSC 可以用来研究生物膜结构和功能、蛋白质 和核酸构象变化等。
扑热息痛的 DSC 曲线，测得熔点为 170.5℃，存在 一个吸热峰。
扑热息痛的 DSC 曲线
三、热重分析法（TG） （thermogravimetric analysis ）
基本原理
d
发生衍射的条 件是：晶格间 距与波长相当。
2dsinθ = nλ
例：XRD物相分析
每种晶体都有它自己的晶面间距d，而且 其中原子按照一定的方式排布着。这反映 在衍射图上各种晶体的谱线有它自己特定 的位置、数目和强度I。因此，只须将未知 样品衍射图中各谱线测定的角度θ 及强度I 去和已知样品所得的谱线进行比较就可以 达到物相分析的目的。
TPD过程的影响因素
初始覆盖度 载气流速 升温速率
初始覆盖度对多中心TPD 曲线的影响
载气流速对TPD 曲线的影响
图中数字为缩 放倍数
升温速率对TPD 曲线的影响
在催化研究中的应用
① 表征固定酸催化剂表面酸性质 ② 研究金属催化剂的表面性质 ③ 研究脱附动力学参数
NH3-TPD技术
质，并排序： (1) 酸强度
(2) 酸量
(3) 酸中心的均匀性
提示：氨气的吸附首先从强酸中心开始，而TPD过 程却是从弱酸中心对应的弱吸附键断裂开始。
NH3-TPD方法的特点:
最适合表征多相催化剂的表面酸度分布
不能区别B、L酸
2. 程序升温还原法（TPR）
基本原理：
在程序升温的过程中，利用H2还原金属氧化 物时还原温度的变化，可以表征金属催化剂金属 间或金属-载体间的相互作用及还原过程。
TPR 法灵敏度高，能检测出只消耗10-8mol H2的 还原反应。
TPR曲线
TPR曲线的形状 峰的大小
峰顶温度Tm
与催化剂的组成和可
还原物种的性质有关 Tm的高低反映了催化剂上氧化物种被还原的难易 程度，峰形曲线下包含的面积大小正比于该氧化物 种量的多少。
在催化研究中的应用
TPR典型的试验过程： 5%~15%（体积分数）的H2/N2混合气， 升温速率1~20 K/min，催化剂样品量 1.0 g，载气流速100 ml/min。主要用于负 载金属与载体间相互作用的研究。
2
1
0
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
2θ(0) 镍催化剂的(111)峰 (Cu靶)
本章主要内容：
6.1 气相色谱技术 2 热分析法 6.2 6.3 X射线衍射分析方法 6.4 BET法
6.5 光谱法
6.6 6.5
显微分析法
6.7 能谱法
比表面积及孔结构
• 比表面积测定的原理和方法 • 孔结构测定的原理和方法
6.6 6.5
显微分析法
6.7 能谱法
6.1 气相色谱技术
气相色谱是催化剂表征中常用的技术，特别是在研 究催化剂的表面性质，如吸附和脱附过程等。
1. 程序升温脱附法（TPD-temperature programmed desorption ）
基本原理：将已吸附了吸附质的吸附剂或催化剂
按预定的升温程序（如等速升温）加热，
本章主要内容：
6.1 气相色谱技术 2 热分析法 6.2 6.3 X射线衍射分析方法 6.4 BET法
6.5 光谱法
6.6 6.5
显微分析法
6.7 能谱法
6.3 X 射线衍射分析法
• 作用 a、物相的鉴定、物相分析及晶胞参数的确定 b、确定晶粒大小，研究分散度 c、研究处理条件对催化剂微观结构的影响
6.5 光谱法
6.6 6.5
显微分析法
6.7 能谱法
6.2 热分析法
一、差热分析法（DTA-Differential Thermal Analysis）
1.定义： 在程序控制温度下，测量物质和参比物之 间的温度差与温度关系的一种技术。
当试样发生任何物理（如相转变、熔化、结
晶、升华等）或化学变化时，所释放或吸收的热
关动力学行为的信息。
苦味酸在动态空气中的 DTA 曲线
二、差示扫描量热法（DSC） （Differential Scanning Calorimetry 1. 基本原理
差示扫描量热法(DSC)是在程序控制温度下， 测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一
种技术。
DSC 原理与 DTA 相似，所不同的是在试样和 参比物的容器下面，设置了一组补偿加热丝， 在加热过程中，当试样由于热反应而出现温差 ∆T 时，通过微伏放大器和热量补偿器，使流入 补偿加热丝的电流发生变化。
量使试样温度高于或低于参比物的温度，从而相 应地在 DTA 曲线上得到放热或吸收峰。
差热曲线是由差热分析得到的记录曲线。纵坐
标是试样与参比物的温度差 ∆T，向上表示放热反
应，向下表示吸热反应，横坐标为 T（或 t）。
2. DTA 曲线提供的信息： 峰的位置
峰的形状
峰的个数
⑴ 峰的位置
TPO的原理——研究积碳
利用不同形态碳有不同氧化温度的特性，采用程序 升温氧化法，用氧气以一定流速通过样品，用热导池 检测器对不同碳物种氧化后生成的二氧化碳气体谱
图进行测量，可以对表面积碳进行定性和定量分析。
本章主要内容：
6.1 气相色谱技术 2 热分析法 6.2 6.3 X射线衍射分析方法 6.4 BET法
48 h 12 h 8h 3h 1h 0.5 h
2 4 6 8 10