热分析技术用于分析催化剂概述
第七讲 程序升温分析技术在催化剂表征中的应用
第七讲程序升温分析技术在催化剂表征中的应用/viewthread.php?tid=6492多相催化过程是一个极其复杂的表面物理化学过程，这个过程的主要参与者是催化剂和反应分子，所以要阐述某种催化过程，首先要对催化剂的性质、结构及其与反应分子相互作用的机理进行深入研究。
分子在催化剂表面发生催化反应要经历很多步骤，其中最主要的是吸附和表面反应两个步骤，因此要阐明一种催化过程中催化剂的作用本质及反应分子与其作用的机理，必须对催化剂的吸附性能（吸附中心的结构、能量状态分布、吸附分子在吸附中心上的吸附态等）和催化性能（催化剂活性中心的性质、结构和反应分子在其上的反应历程等）进行深入研究。
这些性质最好是在反应过程中对其进行研究，这样才能捕捉得到真正决定催化过程的信息，而程序升温分析法（TPA T）则是其中较为简易可行的动态分析技术之一。
当然除TPAT技术之外，还有原位红外光谱法（包括拉曼光谱法）、瞬变应答技术以及其它原位技术均可以在反应或接近反应条件下有效地研究催化过程。
程序升温分析技术（TPAT）在研究催化剂表面上分子在升温时的脱附行为和各种反应行为的过程中，可以获得以下重要信息：l表面吸附中心的类型、密度和能量分布；吸附分子和吸附中心的键合能和键合态。
l催化剂活性中心的类型、密度和能量分布；反应分子的动力学行为和反应机理。
l活性组分和载体、活性组分和活性组分、活性组分和助催化剂、助催化剂和载体之间的相互作用。
l各种催化效应——协同效应、溢流效应、合金化效应、助催化效应、载体效应等。
l催化剂失活和再生。
程序升温分析技术具体、常见的技术主要有：u程序升温脱附（TPD）将预先吸附了某种气体分子的催化剂在程序升温下，通过稳定流速的气体（通常为惰性气体），使吸附在催化剂表面上的分子在一定温度下脱附出来，随着温度升高而脱附速度增大，经过一个最大值后逐步脱附完毕，气流中脱附出来的吸附气体的浓度可以用各种适当的检测器（如热导池）检测出其浓度随温度变化的关系，即为TPD技术。
热分析方法在催化中的应用
热分析方法在催化中的应用摘要：综述了近年来热分析技术在催化剂条件的选择、催化剂热稳定性研究、催化剂老化和中毒以及催化剂积碳行为的研究等领域的应用情况。
关键词：热分析方法；催化剂，稳定性，老化和中毒1前言热分析方法是催化研究中的重要手段。
热分析技术是研究物质在加热或冷却过程中发生某些物理变化和化学变化的技术。
常用的热分析方法有：差示扫描量热法（DSC）、差示热分析法（DTA）和热重法（TGA）等【1】。
近年来，热分析方法得到了迅猛发展，出现了多种新型测量仪器和方法，如动力机械热分析法（DMTA）、热机械分析法（TMA）、声纳热分析法、发散热分析法等。
热分析联用技术的大量开发和使用更加推动了这一技术的蓬勃发展。
热分析方法主要用于探测催化剂的物相变化，涉及催化剂制备条件的选择，研究反应过程中催化剂的活性相变化，确定催化剂开始失活的分解温度等诸多问题。
这里仅列出几种热分析方法在催化研究领域常用的技术。
2热分析在催化研究中的应用2.1催化剂条件的选择催化剂的性质与其制备方法有密切关系。
制备方法不同（如沉淀方法，活化及还原条件等）催化剂成品的物化性质（如表面积、孔隙大小分布、结晶结构及化学组成等）也会有所不同，热分析用于考察制备条件对催化剂性能的影响，对某些催化剂来说是颇有成效的。
【2】刘金香等人在研究肼分解催化剂时，用TG-X 射线技术对IrCl3/Al2O3体系催化剂的还原情况做了考察，从制备角度使该催化剂具有高活性需顾全两个方面：1、活性组分IrCl3尽可能完全还原，2、避免已还原为金属粒子的烧结。
二者皆与还原温度有密切关系。
因此，为确定一个合适的还原温度，首先在TG装置上考察温度对催化剂还原的影响。
结合X-射线和比表面分析数据最佳还原温度选择在400℃。
另外在制氢催化剂NiO/Al2O3的研制中【3】，用TG技术确定最佳制备条件，实验结果表明：活性组分NiO与载体Al2O3生成NiAl2O4结构有利于催化剂活性持久，因此在制备方法选择上可以NiAl2O4生成量为依据，不同制备方法所得催化剂中铝酸镍含量可由其还原TG曲线确定。
热分析
升温速率 增大时， 峰位向高 温方向迁 移，峰形 变陡。
升温速率也对DTA曲线相邻峰的分辨率 有影响。
胆甾醇丙酸酯具有多种
99 C
介晶相态，它的相变过
101 C
程如下：
固相 近晶相 胆甾相 液相
110 C
在不同的升温速率下测定了胆甾类液晶 的相变温度。
差热分析的影响因素
1. 仪器因素： 炉子的形状结构与尺寸，坩埚材料与形状， 热电偶位臵与性能 2. 实验条件因素： 升温速率、气氛 3. 试样因素： 用量、粒度
一、仪器因素的影响
1）仪器加热方式、炉子形状、尺寸
等，会影响DTA曲线的基线稳定性。 2）样品支持器的影响 3）热电偶的影响 4）仪器电路系统工作状态的影响
坩埚材料
在差热分析中所采用的坩埚材料大致有：玻璃、 陶瓷、α-Al2O3、石英和铂等。要求：对试样、 产物（包括中间产物）、气氛都是惰性的，并 且不起催化作用。 对碱性物质（如Na2CO3 ）不能用玻璃、陶瓷 类坩埚； 含氟高聚物（如聚四氟乙烯）与硅形成化合物， 也不能使用玻璃、陶瓷类坩埚； 铂具有高热稳定性和抗腐蚀性，高温时常选用， 但不适用于含有P、S和卤素的试样。另外，Pt 对许多有机、无机反应具有催化作用，若忽视 可导致严重的误差。
差热分析法DTA Differential Thermal Analysis
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。
参比物： 在测定条件下不产生任何热效应的惰性物质，
如—Al2O3
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。
6-第4章 热分析技术-李瑛
计算过程动力学参数:
在非等温条件下,以恒定的加热速度( = dT/dt)加热时, 非等温 动力学方程为: d = 1 k(T ) f ( )
dT
式中, f() 为动力学函数; k(T)为反应速率常数, 以Arrhenius方
程表示为: k(T) = A exp( -E/RT) (2)
(5)
dT
对式(5)取对数，且将两个温度下的反应分数 代入作差减，等式两边除以log(1- )即得到:
T/K or (t /s) 图9. 典型过程的DSC曲线
log
d
dT
log(1 )
E 4.575
( 1 ) T
log(1
)
(1). 转变温度的确定 (2). 反应热的确定
计算公式:
H = Hs ms S Ss m
式中: H, Hs – 试样和标准物质的反应热;
S, Ss - 从DSC曲线所得到的试样和标 准物质的峰面积;
m, ms -试样和标准物质的质量;
试样热容的测定:
图8. DSC法测量样品热容
应分数或变化率为：
= S’/S
流 （
dH/dT
对式(3)按照微分法、积分法以及其它近 ） 似法处理，均可求出动力学参数。在此，我 们以Freeman-Carroll差分法为例加以说明。
对于简单的反应， f() = (1 - )n
(4)
将式(4)代入式(3) 得到：
d = A e-E / RT (1 - )n
5.19 h(293.4oC)
60
8.16 h(470.1oC)
热分析技术在催化研究中的应用进展
谢谢观看
2、对于某些高温下的反应，需要使用昂贵的加热设备和高温炉；
3、热分析技术通常需要较长时间才能得到结果，而且有时需要大量样品。
热分析技术在催化研究中的应用
1、探究催化反应机理
在催化研究中，了解催化反应机理是至关重要的。热分析技术可以通过研究 反应过程中物质性质的变化，为探究催化反应机理提供有力支持。例如，通过热 重分析可以了解催化剂的载气体吸放量与温度的关系；通过差热分析可以观察到 催化剂的相变过程和反应过程中的热量变化等。这些信息有助于深入了解催化反 应的机理和动力学过程。
1、可以在不改变样品化学性质的情况下，直接测量样品的物理性质；
2、可以研究物质在程序控温下的变化规律，有助于了解物质的结构和性质；
3、可以用于研究催化反应机理， 帮助确定反应动力学参数。
热分析技术的缺点在于：
、对于不同种类的物质，需要选择不同的热分析方法，有时甚至需要多种 方法结合使用；
热分析技术还可以用于发掘新的反应物。通过程序控温下的热分析实验，可 以观察到新反应物的熔点、沸点、结晶等物理变化以及分解、氧化、还原等化学 变化。这些信息有助于发现新的化学反应和合成路线，拓展催化研究领域的应用 范围。
展望
随着科学技术的发展，热分析技术将不断完善和提高，其在催化研究中的应 用也将更加广泛和深入。未来，热分析技术将面临以下挑战和解决方案：
3、结合其他表征手段：为了更全面地了解催化反应过程，需要将热分析技 术与其他的表征手段（如光谱、质谱、X射线衍射等）相结合，形成综合性的表 征方法；
4、实现实时监测：通过将热分析技术与反应装置相连，实现催化反应过程 中物理化学性质变化的实时监测，有助于更好地了解催化反应过程和机理。
结论
热分析技术在催化研究中具有重要的应用价值和必要性。通过热分析技术， 可以深入探究催化反应机理、准确评估催化剂性能、发现新的反应物等。然而， 热分析技术也存在一定的局限性，需要结合其他表征手段综合使用。未来，随着 科学技术的不断发展，热分析技术在催化研究中的应用将更加广泛和深入，对于 推动催化科学的发展具有重要的意义。
热分析技术简介大全TG-DTA-DSC
热重仪器结构示意图
3、影响热重法测定结果的因素
➢仪器因素
• 升温速率 • 炉内气氛 • 支持器及坩埚材料 • 炉子的几何形状 • 热天平灵敏度
➢试样因素
• 试样用量 • 试样粒度
升温速率
➢ 对热重法影响比较大。
➢ 升温速率越大，所产生的热滞后现象越严重， 往往导致热重曲线上的起始温度Ti和终止温度Tf 偏高。虽然分解温度随升温速率变化而变化， 但失重量保持恒定。
差热曲线或DTA曲线：描述这种变化的曲线。
参比物：在测定条件下不产生任何热效应的惰性物质。 常见的α-Al2O3、MgO等
热分析依据：
物质在受热或冷却过程中发生的物理变化和化学变化伴随着 吸热和放热现象。如晶型转变、升华、蒸发、熔融等物理变 化，以及氧化还原、分解、脱水和离解等等化学变化均伴随 一定的热效应变化。差热分析正是建立在物质的这类性质基 础之上的一种方法。
寿命的研究； ➢ 石油、煤炭和木材的热裂解 ➢ 反应动力学研究。
应用举例
Weight loss(wt%, daf) Rate of weight loss (%/s)
• 大同煤的TG－DTG分析
0.00
100
-0.02
90
10K/min
N 25ml/min
80
2
25mg
70
-0.04 -0.06 -0.08 -0.10 -0.12
1953年 W.L.De Keyser在热重分析仪器基础上发明了微熵热 重仪，得到了热重—微熵热重曲线图。
1964年美国的瓦特逊（Watson）和奥尼尔（O‘Neill）在DTA 技术的基础上发明了差示扫描量热法（DSC），美国PE公 司最先生产了差示扫描量热仪，为热分析热量的定量作出 了贡献。
热分析仪器在材料研究中的应用
热分析仪器在材料研究中的应用热分析是一种通过改变样品温度并观察其质量、温度或热量相关性质变化的实验技术。
热分析仪器作为研究材料性质变化的重要工具，已经在材料研究领域得到广泛应用。
本文将介绍热重分析和差热分析两种主要的热分析仪器及其在材料研究中的应用。
一、热重分析（Thermogravimetric Analysis，TGA）热重分析是一种通过测量材料的质量随温度变化的实验技术。
它可以分析材料的热稳定性、失重过程、组分变化等信息。
热重分析仪器由重量传感器、样品盘和加热器组成。
在实验中，样品被置于样品盘上，加热器根据设定的温度程序进行加热。
重量传感器会实时记录样品的质量变化，从而得到样品质量随温度的曲线。
热重分析在材料研究中的应用非常广泛。
首先，在材料热稳定性研究中，热重分析可以检测材料的热分解、脱水或氧化等失重过程，从而评估材料的热稳定性。
其次，在材料组分分析中，热重分析可以通过测量样品失重曲线，确定材料中的不同组分含量。
此外，热重分析还可以研究材料的吸湿性、燃烧性等特性，为材料的性能改进提供依据。
二、差热分析（Differential Scanning Calorimetry，DSC）差热分析是一种测量样品与参比样品之间的温差及其对应的热功率变化的实验技术。
它可以分析材料的相变、热力学特性、反应活性等信息。
差热分析仪器由加热炉、样品盘和参比样品盘组成。
在实验中，样品和参比样品被置于各自的样品盘和参比样品盘中，加热炉根据设定的温度程序进行加热。
差热分析仪器会测量样品盘和参比样品盘之间的温差及其对应的热功率变化，从而得到样品的热功率随温度的曲线。
差热分析在材料研究中有着广泛的应用。
首先，差热分析可以检测材料的相变过程，如熔化、结晶、玻璃化等，从而揭示材料的热力学特性。
其次，在材料反应研究中，差热分析可以检测材料的反应活性、反应热和反应动力学等信息，为材料的合成和加工提供指导。
此外，差热分析还可以用于研究催化剂的性能、涂层材料的热稳定性等领域。
热分析概述
物理性质
质量
分析技术名称
热重法 等压质量变化测定 逸出气检测 逸出气分析 放射热分析 热微粒分析
物理性质
尺寸 力学特性
分析技术名称
热膨胀法 热机械分析 动态热机械分析 热发声法 热传声法
声学特性
温度
升温曲线测定 差热分析
差示扫描量热法
光学特性
电学特性 磁学特性
热光学法
热电学法 热磁学法
热量
一、热分析技术的概述
1891 年，英国人使用示差热电偶和参比物，记录样品与参照 物间存在的温度差，大大提高了测定灵敏度，发明了差热分析 （DTA）技术的原始模型。 1915 年，日本人在分析天平的基础上研制出热天平，开创了 热重分析(TG)技术。 1940-1960年，热分析向自动化、定量化、微型化方向发展。 1964 年，美国人在 DTA技术的基础上发明了示差扫描量热法 (DSC), Perkin-Elmer 公司率先研制了 DSC-1 型示差扫描量热仪。
一、热分析技术的概述
4）材料质量的检定 纯度的测定、固体脂肪指数的测定、高聚物的质量检验、以 及液晶的相变、物质的玻璃化转变和居里点、材料的使用寿命 等的测定。
5）材料力学性质的测定
抗冲击性能、粘弹性、弹性模量、损耗模数和剪切模量等的 测定。 6）环境监测 研究蒸气压、沸点、易燃性和易爆物的安全贮存条件等。
一、热分析技术的概述
一、热分析技术的概述
5、热分析的主要优点
1) 可在宽广的温度范围内对样品进行研究； 2)可使用各种温度程序（不同的升降温速率）；
3) 对样品的物理状态无特殊要求；
4) 所需样品量可以很少（0.1g～10mg）； 5)仪器灵敏度高（质量变化的精确度达10-5）.
等温dsc曲线
等温dsc曲线等温DSC曲线是一种热分析技术，用于研究材料的热性质。
本文将从以下几个方面进行详细介绍。
一、等温DSC的基本原理等温DSC是通过测量样品与参比物在相同的温度下吸放热量的差异来研究材料的热性质。
当样品与参比物同时加热时，如果样品发生了吸放热反应，它会吸收或释放能量，从而导致样品与参比物之间的温度差异。
这种差异可以通过一个微小的电信号来检测到，并转换成一个曲线，称为等温DSC曲线。
二、等温DSC曲线的参数等温DSC曲线通常包含以下几个参数：1. 起始点：反应开始时的基线位置。
2. 最高点：反应过程中最高点所对应的峰值。
3. 终止点：反应结束后基线回到起始位置。
4. 反应峰面积：反应过程中峰下面积所表示的吸放热量大小。
5. 反应峰形：反应过程中峰形所表示的反应类型和速率。
三、等温DSC曲线的应用等温DSC曲线可以用于研究材料的热性质和反应动力学，包括以下几个方面：1. 研究材料的热稳定性：等温DSC可以通过测量材料在不同温度下的热分解行为来评估其热稳定性。
2. 研究材料的相变行为：等温DSC可以测量材料在不同温度下的相变行为，如晶体相变、玻璃化转变、固态反应等。
3. 研究化学反应动力学：等温DSC可以通过测量化学反应过程中的吸放热量来确定反应速率和活化能。
4. 研究催化剂活性：等温DSC可以用于评估催化剂在不同条件下的活性和稳定性。
四、等温DSC曲线分析方法对于等温DSC曲线，常见的分析方法包括以下几种：1. 峰形分析法：通过对峰形进行分析，确定反应类型和速率。
2. 差示扫描量热法（DSC）：将样品与参比物同时加热或冷却，并比较它们之间吸放热量的差异，以确定样品的热性质。
3. 热重分析法（TGA）：测量材料在不同温度下的质量变化，以确定其热分解行为和稳定性。
4. 动态热分析法（DTA）：测量样品和参比物之间的温度差异，以确定它们之间的热交换行为。
五、等温DSC曲线的优缺点等温DSC曲线具有以下优点：1. 可以在不同温度下测量样品的吸放热行为，从而评估其热稳定性和反应动力学。
热分析技术在材料科学中的应用研究
热分析技术在材料科学中的应用研究热分析技术是指通过对材料样品在不同温度下的物理和化学性质进行测量分析，以达到确定其组成、结构、性质等参数的目的。
热分析技术包括热重分析、差热分析、热量测定、热膨胀测定等，这些技术在材料分析和材料研究中具有重要的应用价值。
1.热分析技术在材料组成分析中的应用热重分析是一种测量材料在不同温度下失重量的方法，可用于测定材料中有机成分含量、水分含量等，为材料组成分析提供了有力的方法。
以煤为例，通过热重分析可测定煤中的挥发分、固定碳和灰分含量，进而可以确定煤的品质和燃烧特性。
另外，热重分析还可用于测定材料中有害物质，如铅、汞、镉等的含量，为环境监测和卫生检测提供依据。
2.热分析技术在材料热性能测量中的应用热量测定是一种测量材料热性能的方法，可以测定材料的热容、热传导系数等参数，为材料的热处理和耐热性分析提供了依据。
以铝合金为例，热量测定可测定其热容和热导率等参数，可用于设计和制造高温工作的航空发动机和火箭发动机部件。
另外，热量测定还可以用于分析材料的热膨胀性能。
3.热分析技术在材料催化剂研究中的应用差热分析是一种测量材料在热变化过程中吸放热能的方法，可用来分析催化剂的活性、表面性质等。
催化剂通常是由贵金属制成的，因此其成本很高。
通过差热分析，可以确定催化剂与反应物之间的反应热，从而可以设计出更为高效的催化剂，提高催化反应的效率和催化剂使用寿命。
4.热分析技术在材料动态热力学研究中的应用热膨胀测定是一种测量材料在不同温度下的膨胀系数的方法，可用于分析材料的热力学性能和材料制备工艺中的热膨胀问题。
以玻璃为例，热膨胀测定可以测定不同玻璃材料在不同温度下的膨胀系数和热胀缩特性，为玻璃制造工艺的设计和生产提供了依据。
另外，热膨胀测定还可用于分析材料的热损伤性能和热变形问题。
热分析技术是材料科学领域中不可或缺的分析工具，广泛应用于石油化工、化学、材料、环境、食品等多个领域。
在未来的材料科学研究和制造工艺中，热分析技术将继续发挥着不可替代的作用。
热重分析的基本原理和应用
热重分析的基本原理和应用1. 什么是热重分析热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）是一种常见的物理测量技术，用于研究材料在升温或降温过程中质量的变化情况。
通过监测样品的质量变化，可以获得有关样品中的吸附、脱附、分解、氧化等过程信息。
热重分析广泛应用于材料科学、化学、药学、环境科学等领域。
2. 热重分析的基本原理热重分析基于样品在不同温度下质量的变化情况来研究样品的特性。
在进行热重分析时，样品被加热到一定温度，然后以一定速率升温或降温，同时测量样品质量的变化。
热重仪通常采用热电偶作为温度传感器，当样品被加热时，吸收能量，导致样品中的物质脱离或发生化学反应，从而导致质量发生变化。
这些质量的变化可以通过热电偶测量并转换成电信号。
质量变化的曲线可以显示为温度对时间的函数图表，通常被称为热重曲线。
3. 热重分析的应用3.1. 聚合物研究热重分析在聚合物研究中得到广泛应用。
聚合物是高分子化合物，其性能与热稳定性密切相关。
通过热重分析可以确定聚合物的分解温度、热分解反应的动力学参数等。
热重分析还可以用于评估聚合物的热塑性、热硬化等特性，从而为聚合物材料的设计和应用提供基础数据。
3.2. 催化剂研究催化剂在化学反应中发挥着重要作用，其热稳定性对催化活性有着重要影响。
热重分析可以用于研究催化剂在不同温度下的稳定性和活性。
通过热重分析可以确定催化剂的失活温度、热失活反应的速率等参数，为合理设计和选择催化剂提供依据。
3.3. 燃烧研究热重分析可以用于研究材料的燃烧性能。
通过热重分析可以测量材料在不同温度下的质量损失情况，从而确定材料的燃烧温度、燃烧动力学参数等。
这对于评估材料的火灾安全性和选择合适的阻燃材料具有重要意义。
3.4. 药物研究热重分析在药物研究中也有广泛应用。
通过热重分析可以研究药物的稳定性、分解反应动力学等参数。
热重分析还可以用于药物配方的优化和质量控制，确保药物的稳定性和有效性。
热分析技术(最新版)PPT课件
特点
设备简单、操作方便、试样用量少； 但精度较低、分辨率差。
应用
研究物质的物理变化（晶型转变、熔 融、升华和吸附等）和化学变化（脱 水、分解、氧化和还原等）。
差示扫描量热法
原理
在程序控制温度下，测量输入到 物质和参比物的功率差与温度的
关系。
应用
测定多种热力学和动力学参数， 如比热容、反应热、转变热等； 研究高分子材料的结晶、熔融和
流体中由于温度差异引起的密度变 化而产生的宏观运动，是热量传递 的一种重要方式。
热辐射
物体通过电磁波的形式发射和吸收 能量，其辐射强度与物体温度、表 面性质等因素有关。
热分析中的物理量与单位
温度
热力学系统的一个物理属性，表示物体冷 热的程度，常用单位有摄氏度、华氏度、
开尔文等。
热容
物体在温度变化时所吸收或放出的热量与 其温度变化量之比，常用单位有焦耳/摄氏
环境科学领域应用
大气污染物分析
利用热分析技术可以对大气中的 污染物进行分析和鉴定，揭示大 气污染物的来源和危害。
土壤污染物分析
通过热分析技术可以分析土壤中 的污染物，评价土壤的污染程度 和生态风险。
环境样品热性质研究
利用热分析技术可以研究环境样 品的热性质，如热稳定性、热分 解温度等，为环境科学研究和环 境保护提供技术支持。
热机械分析法
原理
01
在程序控制温度下，测量物质在非振动载荷下的形变与温度的
关系。
应用
02
研究材料的热膨胀系数、玻璃化转变温度、流动温度等；评估
材料的尺寸稳定性、内应力和热震稳定性等。
特点
03
能直接测量材料的形变，反映材料的机械性能随温度的变化；
材料表征技术及其在新型能源材料中的应用研究
材料表征技术及其在新型能源材料中的应用研究能源问题一直是人们关心的重要话题，而新能源的发展更是备受瞩目。
新型能源材料所需的性能具有复杂性和多层次特征，因此需要各种先进的材料表征技术进行研究。
本文将探讨一些材料表征技术及其在新型能源材料中的应用。
一、热分析技术热分析技术是指对材料进行加热或冷却过程中的重量变化、热力学性质和组分分析等参数进行测试的技术。
目前应用广泛的热分析技术包括热失重分析(TGA)/差热分析(DSC)、热膨胀分析(TMA)、动态机械分析(DMA)等。
这些技术在新型能源材料的表征中有着重要的应用。
以太阳能电池为例，热分析可以用于评估太阳能电池在高温高湿环境下的耐久性。
通过TGA分析太阳能电池在特定温度和湿度环境下的失重情况，以及DSC分析体系中不同材料的相变行为，可以找出材料失效的原因和机理。
同时，热膨胀分析可以评估太阳能电池的热膨胀系数，为材料选取和设计提供参考。
二、X射线衍射技术X射线衍射技术是通过对材料中原子间距和平面间距的测定，从而分析材料中的晶体结构和材料的结晶性质的技术。
在新型能源材料研究中，X射线衍射技术也有着非常重要的应用。
以锂离子电池为例，锂金属是已经被广泛应用的负极材料，但是由于锂金属的化学反应性非常强，极易与电解液发生反应，导致锂离子电池容量尤其是循环寿命存在限制。
通过X射线衍射技术，可以对材料的晶界和晶格缺陷进行表征，进而找出锂金属在充放电过程中的液体相变、上层液体与下层固体的分布情况，为超级锂离子电池的研发和设计提供依据。
此外，X射线衍射还可以用于研究材料的晶态缺陷及表面结构，有利于探究新型太阳能电池中的材料薄膜结构和纳米结构。
三、扫描探针显微技术扫描探针显微技术是指以扫描电子显微镜(SEM)为代表的高分辨率电子显微学，以及以原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)等为代表的高分辨率探针显微学的总称。
这些技术广泛应用于新型能源材料的研究中。
以燃料电池为例，扫描探针显微技术可以用来分析燃料电池电极、流道、界面和催化剂的形貌、表面结构、化学组成以及几何构型等微观结构。
催化剂工程导论 - 大纲及思考题答案
催化剂工程导论 - 大纲及思考题答案催化剂课程教学内容及教学基本要求第一章工业催化剂概述本章重点催化若干术语和基本概念，难点催化剂的化学组成和物理结构。
第一节催化剂在国计民生中的作用本节要求了解催化剂在国计民生中的作用(考核概率5%)。
1 催化剂―化学工业的基石2 合成氨及合成甲醇催化剂3 催化剂与石油炼制及合成燃料工业4 基础无机化学工业用催化剂5 基本有机合成工业用催化剂6 三大合成材料工业用催化剂7 精细化工及专用化学品中的催化8 催化剂在生物化学工业中的应用9 催化剂在环境化学工业中的应用第二节催化若干术语和基本概念本节要求理解催化若干术语和基本概念(考核概率90%)，掌握催化剂的化学组成和物理结构(考核概率95%)。
1 催化剂和催化作用 2 催化剂的基本特征 3 催化剂的分类4 催化剂的化学组成和物理结构5 多相和均相催化剂的功能特点6 多相和均相催化剂的同一性7 新型催化剂展望第二章工业催化剂的制造方法本章重点是沉淀法和浸渍法，难点是催化剂的制备原理和技术要点。
第一节沉淀法本节要求理解沉淀法的分类(考核概率60%)，掌握沉淀操作的原理和技术要点(考核概率80%)，了解沉淀法催化剂制备实例(考核概率20%)。
1 沉淀法的分类2 沉淀操作的原理和技术要点3 沉淀法催化剂制备实例第二节浸渍法本节要求掌握各类浸渍法的原理和操作(考核概率80%)，了解浸渍法催化剂制备实例(考核概率20%)。
1 各类浸渍法的原理及操作 2 浸渍法催化剂制备实例第三节混合法本节要求了解混合法制备催化剂（考核概率20%）第四节热熔融法本节要求了解热熔融法制备催化剂（考核概率20%）第五节离子交换法本节要求理解由无机离子交换剂制备催化剂，由离子交换树脂制备催化剂（考核概率40%）。
1 由无机离子交换剂制备催化剂。
2 由离子交换树脂制备催化剂。
第六节催化剂的成型本节要求了解催化剂成型工艺，几种重要的成型方法（考核概率20%）。
热重分析技术在催化剂研究中的应用方法与技巧
热重分析技术在催化剂研究中的应用方法与技巧催化剂在化学领域中具有重要的作用，它能够加速反应速率、提高产物选择性和降低反应温度。
研究催化剂的性质和活性是催化剂设计和开发的关键。
热重分析技术是一种常用的表征催化剂的方法之一，它能够通过测量样品在升温过程中的质量变化来分析催化剂的热稳定性、热解特性和催化性能。
本文将介绍热重分析技术在催化剂研究中的应用方法与技巧。
一、催化剂的热稳定性分析催化剂在高温条件下容易发生热解、脱活和失活等现象，因此研究催化剂的热稳定性对于催化剂的设计和应用具有重要意义。
热重分析技术可以通过测量催化剂在升温过程中的质量变化来评估其热稳定性。
一般情况下，催化剂的质量变化可以分为两个部分：物理吸附和化学反应。
物理吸附主要是由于催化剂表面存在的水分子、氧分子和其他气体分子的吸附，而化学反应主要是由于催化剂本身的热解、脱活和失活等反应引起的。
通过热重分析技术，可以准确测量催化剂在升温过程中的质量变化，并进一步分析催化剂的热稳定性。
二、催化剂的热解特性分析催化剂的热解特性是指催化剂在升温过程中发生的化学反应。
热重分析技术可以通过测量催化剂在升温过程中的质量变化来分析其热解特性。
催化剂的热解特性与其组成、结构和表面性质密切相关。
通过热重分析技术，可以确定催化剂的热解温度、热解产物和热解速率等参数，进而了解催化剂的活性和稳定性。
此外，还可以通过热重分析技术研究催化剂的还原性、氧化性和酸碱性等性质，为催化剂的设计和优化提供重要依据。
三、催化剂的催化性能分析催化剂的催化性能是指催化剂在催化反应中的活性、选择性和稳定性等指标。
热重分析技术可以通过测量催化剂在升温过程中的质量变化来分析其催化性能。
催化剂的催化性能与其组成、结构和表面性质密切相关。
通过热重分析技术，可以确定催化剂的活化温度、活化能和催化反应速率等参数，进一步了解催化剂的活性和选择性。
此外，还可以通过热重分析技术研究催化剂的失活机理和失活速率，为催化剂的设计和改进提供重要依据。
常见催化机理研究方法
常见催化机理研究方法
一、热力学分析
热力学分析是催化反应的重要方法，热力学分析也是催化反应研究中最常用的方法，它可以用来研究催化剂与底物之间的能量关系，以及反应特殊化学反应的变化趋势。
热力学分析是一种定量的方法，它可以测量反应系统的热力学性质，根据反应产物和反应热，反应热可以准确地得出反应的活化能，以及反应中所涉及物质的热力学性质，从而使反应能够得到精确的表示。
二、电化学方法
电催化方法被广泛应用于催化反应研究，它可以用来研究催化反应的活性和产物表征，通常用电型钳测量反应的电势，通过研究不同催化剂对电势的影响，可以深入研究催化活性和反应机理。
另外，也可以通过测定反应参数，例如极化电势、交流阻抗和直流阻抗，以及电流密度等，来研究催化反应的机理。
三、X射线衍射（XRD）
X射线衍射是最常用的分析衍射方法，它可以用来分析催化剂结构，它可以研究物质的晶体结构、晶体类型、晶体尺寸、晶粒尺寸、结晶度、晶体缺陷和晶体参数，这些信息对于研究催化机理非常重要，可以用来推动催化反应的机理。
四、红外光谱（FT-IR）
红外光谱是分析技术中最常用的方法之一。
热分析总结
差热分析曲线特征
①、峰面积：差热峰包围的面积 和反应热有函数关系。也和试样 中反应物的含量有函数关系。据 此可进行热效应定量分析。 ②、峰顶温度（B、E）：可以作 为鉴别物质或其变化的定性依据。 ③、峰的形状：峰的形状取决于 样品的变化过程，从峰的大小， 峰宽和峰的对称性可以推断反应 动力学参数
因热 素重 曲 线 影 响
仪器因素
样品因素
三、差示扫描量热曲线（DSC)
基本原理：在程序控制温度条件下，测量输入给样品与参比 物的功率差与温度关系的一种热分析方法。
主要应用： 计算反应热 测量比热容 计算动力学参数
DTA与DSC比较 DTA:定性分析、测温范 围大 DSC:定量分析、测温范 围800℃以下
第五章 热分析小结
热分析技术
热分析（thermal analysis）：在程序控制温 度条件下，测量物质的物理性质随温度变 化的函数关系的技术。广泛用于各个学科 领域。 1. 催化剂组成的确定
2. 催化剂制备Biblioteka 件的选择研 究 催 化3. 催化剂中毒失活与再生
4. 反应重量、状态变化 催化剂活性的评价
典型的DTA曲线
差热分析曲 线影响因素
试验因素——样品粒度、试样量、试验装填 条件因素——加热速度、记录纸速、参比物 的选取 仪器因素——样品池材质、热电偶等
二、热重法（TG\DTG）
基本原理：在程序控制温度条件下，测量物质的质量与温度 关系的一种热分析方法。 主要应用： 测定结晶水或水含量 计算生成物的量 计算动力学参数
差示扫描量热分析曲线特征
①典型差示扫描量热（DSC）曲线以热流率（dH/dt）为纵坐标、 以时间（t）或温度（T）为横坐标，即dH/dt-t（或T）曲线。
热重差热联用热分析
热重分析的实验方法
实验前准备
数据处理
选择合适的样品、称量样品、选择合 适的坩埚和仪器参数设置。
实验结束后，对实验数据进行处理和 分析，如绘制热重曲线、计算失重速 率等。
通过观察材料在加热过程中的重量变化和差热曲线，可以评估材 料的热稳定性，预测其在高温下的性能表现。
揭示材料内部结构
热分析技术可以揭示材料的晶体结构、分子间相互作用等信息，有 助于深入了解材料的物理和化学性质。
优化材料制备工艺
通过研究材料在不同温度下的变化规律，可以优化材料的制备工艺， 提高材料的性能和稳定性。
当物质在加热或冷却过程中发生变化时，如熔化、升华、 氧化、分解等，会吸收或释放热量，导致温度的变化，通 过测量这种温度变化可以了解物质性质的变化。
差热分析通过测量试样与参比物的温度差来研究物质在加 热或冷却过程中的热量变化，从而推断出物质性质的变化。
差热分析的实验方法
01
02
03
实验前准备
选择合适的试样、参比物 和坩埚，确保试样和参比 物的质量和纯度相同。
在环境科学中的应用
有机废弃物热解
利用热分析技术可以研究有机废弃物 在加热过程中的变化规律，实现有机 废弃物的资源化利用。
污染物降解
通过热分析技术可以研究污染物在高 温下的降解机理和动力学参数，为环 境污染治理提供技术支持。
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联用热分析技术可以在同一实 验条件下同步测量多种热分析 方法，提高了实验效率和数据 可比性。
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
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热分析技术用于分析催化剂概述
摘要：介绍了热分析技术中的热重法、差热分析及差示扫描量热法在表征催化剂及多孔材料中的应用，并
对其结果进行了分析。
最后指出了热分析技术的应用前景。
关键词：热分析；热重法；差热分析；差示扫描量热法；催化剂表征
Discussion on Thermal Analysis in Catalyst
Abstract: Application of thermal analysis, including Thermogravimetry, Differential thermal analysis and Differential scanning calorimetry was reviewed, and the results of analysis were discuessed. Finally, the expectation in respect of thermal analysis in the future was put forward.
Key Words: Thermal analysis；Thermogravimetry；Differential thermal analysis; Differential scanning calorimetry; Catalyst characterization
1. 引言
热分析是指在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度之间相互关系的一项技术[1]，其特点是操作方便、灵敏度高、测量准确、试剂用量少等。
热分析应用范围广泛[2]，包括成分分析、稳定性测定、化学反应的研究等，其分类也是多种多样，在催化剂表征方面应用较多的是热重法、差热分析和差示扫描量热法，本文主要介绍这三种方法的应用及其结果分析。
2.热分析技术的基本原理
热重法[3]是指在程序温度下，测量物质的质量与温度的关系的技术，通常需要一台热天平来连续、自动地记录试样质量随温度变化的曲线，经计算机采集数据绘制出TG曲线，再经数学推导绘制出DTG失重曲线。
差热分析[4]是指在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术，通常用两只热电偶分别测量参比物和样品的温度，从而获得温差信号，反映物质的热效应。
差示扫描量热法[5]是指在程序控制温度的条件下，测量输入给样品与参比物的功率差与温度之间关系的一种热分析技术，通常用热流式或热补偿式扫描量热法绘制热流率与温度的
关系曲线，从而获得样品在发生物理变化或化学变化时的热效应。
3. 热分析技术在催化剂表征中的应用
姜瑞霞等[6]利用热分析技术中的热重分析和差热分析在美国Universal V2.5H型仪器上，空气气氛，升温速率20 ℃/min，温度范围40~800 ℃的条件下对新鲜/失活的Pd-La/镁铝尖晶石催化剂进行表征，得到如图1、图2、图3的曲线，现分析如下：
新鲜催化剂的DTA曲线（图1.（1））峰位置在100~200 ℃，TG-DTG曲线（图2）峰位置在100 ℃附近，该吸热、失重峰表明100 ℃左右催化剂样品的吸附水挥发；而失活催化剂的DTA曲线（图1.（2））峰位置在241.6 ℃和323.7 ℃，TG-DTG曲线（图3）峰位置在75 ℃、225 ℃和350 ℃附近，90 ℃附近的失重峰是吸附水的挥发，241.6 ℃、323.7 ℃的放热、失重峰推测是失活催化剂中积炭的燃烧。
图1 Pd-La尖晶石催化剂DTA曲线
图2 Pd-La尖晶石催化剂TG-DTG曲线（1）
图3 Pd-La尖晶石催化剂TG-DTG曲线（2）
王来军等[7]应用差示扫描量热法考察了非晶态合金催化剂的热稳定性，在Netzsch-DSC 204型仪器上，以高纯度氮气为载气，20 mL/min的流速，在353 K下恒温10 min，再以10 K/min的速率升温至773 K，得到样品的DSC曲线如图4，其中（1）为TiO2曲线，（2）为NiB曲线，（3）为NiB/TiO2曲线，现分析如下：
由于DSC曲线能直接测量样品在发生物理或化学变化时的热效应，故（1）没有发生反应，（2）有一次强吸热反应，（3）则有三次吸热反应，分别对应其晶相转变，而负载了TiO2的NiB比单独的NiB晶相转变的最高温度要高，说明TiO2在该温度范围下比较稳定，负载了TiO2的NiB稳定性得到了提高。
图4 三种样品的DSC曲线
4. 结语
热分析技术已经应用了100余年，技术已经相对成熟，但仅仅通过热分析通常不能获得可靠准确的分析结果。
随着热分析应用的领域越来越广，与其他分析技术之间的结合也越来越多，如与红外光谱、质谱连用等，使得热分析技术成为催化剂表征研究中不可或缺的手段。
参考文献
[1] 刘希尧等.工业催化剂分析测试表征[M]. 北京:烃加工出版社, 1990.
[2] 蔡兆勋. 热分析技术[J]. 上海有色金属, 1993(2): 61.
[3] 成青. 热重分析技术及其在高分子材料领域的应用[J]. 广东化工, 2008, 35(12): 50-52.
[4] 匡敬忠. 差热分析在玻璃相变中的应用[J]. 玻璃, 2006, 33(4): 29-33.
[5] 李震. 差示扫描量热法(DSC)在化学中的应用[J]. 泰山学院学报, 2000(6): 32-34.
[6] 姜瑞霞, 谢在库, 张成芳,等. Pd-La/镁铝尖晶石催化剂上气相胺化法合成2,6-二异丙基
苯胺[J]. 催化学报, 2003, 24(7): 489-493.
[7] 王来军, 李伟, 张明慧,等. 粉末化学镀法制备的NiB/TiO2非晶态合金催化剂对环丁烯
砜加氢反应的催化性能[J]. 催化学报, 2003, 24(11): 816-820.。