程序升温还原

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数, Ed( )为脱附活化能,T为脱附温度。
定性信息: 1、吸附物种的数目 2、吸附物种的强度 3、活性位的数目 4、脱附反应级数 5、表面能量分布
优点: 1、设备简单 2、研究范围大 3、原位考察吸附分子和
固体表面的反应情况
实验装置和谱图定性分析
1、流动态实验装置 2、真空实验装置
三部分组成:a、气体净化与切换系统 b、反应和控温单元 c、分析测量单元
3、升温速率:升温速率提高,TM升高,TPR峰重叠。 升温速率过低,时间太长,峰强度减弱。一般取: 520K/min
MO + H2 M(s) + H2O(g)
还 原
ΔG= ΔGo+RTln(PH2O/PH2)

对于标准自由能ΔG小于

零的氧化物,当然还原

是可行的。

H2O不断被带走,PH2O

一、氢吸附, VIIIB金属上进行加氢和脱氢反应。化 学吸附热QH最小。解离吸附。LEED难以观察,常用 HREELS和EELS研究,得到H2在金属表面吸附的光 谱特征。
二、CO吸附,偶极活性大。红外光谱表征。线式、 桥式和孪生吸附态。
详见《吸附与催化》河南科技出版社,第四章内容。
动态分析方法与程序升温技术
定义:当固体物质或预吸附某些气体的固体物 质,在载气流中以一定的升温速率加热 时,检测流出气体组成和浓度的变化或 固体(表面)物理和化学性质变化的技术。
可分为:程序升温还原(TPR)
程序升温脱附(TPD) 程序升温表面反应(TPSR) 程序升温氧化(TPO)
预处理条件和气体性质
第一节 程序升温脱附技术
物理吸附与化学吸附的主要差别
物理吸附
化学吸附
范德华力 (无电子转移)
共价键或静电力(电子转移)
吸附热:1030kJ/mol 吸附热:50960kJ/mol
一般现象,气体冷凝
特定的或有选择性的
真空可除去物理吸附 加热和真空除去化学吸附
可发生多层吸附
永不超过单层
临界温度时明显发生
在较高温度时发生
吸附速率快,瞬间发生百度文库可快可慢,有时需要活化能
第二节 程序升温表面反应
程序升温表面反应(TPSR):在程序升温过程中, 在催化剂表面同时发生表面反应和脱附。
1、预处理后的催化剂在反应条件下进行吸附和 反应,程序升温使催化剂上吸附的各个表面物种 边反应边脱附出来。
2、载气为反应物,程序升温过程中,载气(或载 气中某组成)与催化剂表面上反应形成的某吸附 物种一面反应一面脱附。
采用碱强度不同的吸附质,可以表征催化剂的 表面酸位的种类
三、NO-TPD 研究催化剂表面 NO分解机理及动力学
k1
NO + S NOs
k2
NOa
NO + S
k3
NOa + S
Na + Oa
k4
Na + Na
N2O + 2S
脱附产物除NO外, 还有N2、 N2O和 O2。 NO解离主要发生 在TPD过程。
第五章 化学吸附和催化剂 动态分析方法
化学吸附:其特征为有大的相互作用位能即有高 的吸附热。
化学吸附发生时,在吸附质分子与表面分子之间 有真正的化学成键,常在高于吸附质临界温度的 较高温度下发生,需要活化能,有高的吸附势, 其值接近于化学键能。
用于研究催化剂活性位性质和测定负载金属的金 属表面积或颗粒大小。
催化剂即使吸附饱和了CO,还能吸附大量的H2, CO和H2在两个不同中心上,生成CO2时,同时生 成CH4。
流动H2中,以相同峰形生成了等量CH4和H2O。
1、 CO(g)
CO(a)
2、 CO(a)
C(a) + O(a)
3、 CO(a) + O(a) 4、 2H(a) + O(a) 5、 C(a) + 4H(a)
脱附产物除 NO外,还 有N2、N2O 和O2
吸附CO2后阻 碍了NO吸附, 说明NO和CO2 吸附在同一个 吸附中心上。
四、CO、CO2和催化剂的相互作用
TPD-CO的产物为CO和 CO2。-IR结果:Mn2+上 吸附的CO的脱附。CO2 来自于与Mn3+上的碳酸 盐分解。
a、873 K氧化;b、573 K还原;c、723K还原。
升温速率的影响
升温速率增大,峰形变得尖锐; 峰的相互重叠趋势增加
程序升温脱附过程的数学分析
略。 参考书《吸附与催化》,
河南科学技术出版社 第五章,5.1.4节
TPD法研究催化剂的实例
一、助剂对Pt/Al2O3 催化剂TPD影响
a, Pt 催化剂 b, Pt-Au 催化剂 c, Pt-Re 催化剂 d, Pt-Re-Au 催化剂 e, Pt-Sn 催化剂 f, Pt-Ir-Al-Ce 催化剂
整个分子吸附
解离成原子、分子、离子
吸附剂影响不大
吸附剂有强的影响
在许多情况下两者的界限 不明显
小分子气体(O2, H2, CO2, N2, CO和C2H4)在金属 或氧化物表面的吸附,其催化作用与其表面对反应物 的化学吸附紧密相关,通过研究吸附态分子与表面的 作用以及吸附态分子的相互作用来揭示催化作用的本 质。
和不变, 峰温和 强度随负载量剧增。
载气:高纯He或Ar;催化剂装量:100mg左 右;升温速率:525K/min;监测器:TCD和 MS
流动态TPD 实验系统
TPD
真 空 试 验 体 系
工作压力:10-3Pa, 可以排除水分和空气的干扰,较准 确的初始覆盖度,一般采用MS作检测器。
TPD定性分析: 1、脱附峰的数目表征吸附在固体物质表面不同吸附强
TPR曲线的形状、峰的大 小及其峰顶温度TM与催化 剂的组成和可还原物种的 性质有关。
影响TPR的因素
1、载气流速:载气流速增加,TM降低,从10ml/min 增加到20ml/min, TM降低1530oC。
2、催化剂重量:理论上TM不受影响。实际上,过多 TM升高,TPR峰数减少。一般取:50100mg。
很低,因此,在高温时,
ΔG可能小于零。所以,
一些ΔGo大于零的氧化物
也能获得TPR图。
机理:
MO(s) + H2(g) M(s) + H2O(g)
1、成核模型 首先形成金属核,核变大和新核形成 增加,反应面增加,反应速度加快。但核进一步 增加和扩大,核间相互接触,反应面减小,反应 降低。
2、球收缩模型 开始时界面最大,迅速成核,形成 金属膜层,随后反应界面变小,反应速率不断下 降。
度吸附物质的数目;
2、峰面积表征脱附物种的相对数量;
3、峰温度表征脱附物种在固体物质表面的吸附强度。
实验条件的选择和对TPD的影响
干扰因素:传质(扩散)和再吸附的影响。
6个参数:1、载气流速(或抽气速率) 2、反应气体/载气的比例(TPR) 3、升温速率 4、催化剂颗粒大小 5、吸附(反应)管体积和几何形状 6、催化剂“体积/质量”比
体相氧还原峰


3%CuO/-Al2O3 1峰:ER=67(kJ/mol)
10%CeO2/-Al2O3 2峰:ER=134(kJ/mol) 2峰:ER=155(kJ/mol)
CuO/Ce2催化剂的氧物种和Redox性能
5%,两个TPR峰; 5%,第三个TPR峰
出现,分别由 、和表示。
二、考察反应机理
CH4 出现在340 oC,H2O与CH4 同步; 有CO和CO2脱附 峰 1、饱和吸附CO的催化剂脉冲吸附H2至饱和。在He中 TPSR。
225 oC,CH4窄峰 H2O峰两个,低温 与CH4相同;高温 峰从350 oC开始。 150oC有一个宽的 CO 无CO2峰
2、在25%H2/75%He中吸附CO,再在25%H2/75%He 中TPSR.
H2、CO
脱附物:CO和H2 少量(CH3)2O和CH4 脱附峰温:530 oC
无高温峰 Ni的存在促进了 CH3OH分解。
七、程序升温脱附红外检测(TPD-IR)
CO 在Rh催化剂的 吸附态: 1、线式吸附态,
2060cm-1 2、桥式吸附态,
1830cm-1 3、孪生吸附态,
2090和2015cm-1 2086和2012cm-1共 进退
基本原理 热脱附实验结果不但反映了吸附质与固体 表面之间的结合能力,也反映了脱附发生 的温度和表面覆盖度下的动力学行为。
脱附速度——Wigner-Polanyi方程:
N = -Vmd /dt = A nexp[- Ed( )/RT]
Vm 为单层饱和吸附量,N为脱附速率, A为脱 附频率因子, 为单位表面覆盖度,n为脱附级
二、NH3、C2H4和1-C4H8-TPD法 研究含硼分子筛的酸性
碱性气体脱附法是研究固体物质酸性的 常用的方法
碱性:NH3>C2H4>1-C4H8
NH3是酸性的 定量探针分子, 其吸附量对应 于B和Al元素 取代的骨架数。
438 K峰所有样 品都有;
D样品(f)有一个 635 K小峰。
A和Na-D样品没有丁烯脱附
催化剂: Rh/SiO2
O2脱附温度 远高于其它物 质,1050 K。
高温N2峰归属于原 子态N之间的化合, 2Na N2 + 2S
低温N2峰归属于吸 附态N原子和吸附态 NO分子的反应,
Na+NOa N2+Oa+S
N2O 形成的机理: Na + NOa
N2O + 2S
所以,在NO分解脱出N2和N2O时没有发现O2 脱出,原因在于NO分解产生的Oa进入Rh的微 晶中,在高温时才会发生脱附。
A和Na-D,B1和B2没有乙 烯脱附峰。乙烯脱附量随
丁烯的脱附量随硼含量俱增 硼含量增加而增加。
C1和C2样品对丁烯和乙烯吸附量大于Al和 B的化学计量数。说明烯烃在分子筛表面上 发生了聚合。每个酸性位吸附5个烯烃。
脱出物中除原始吸附物外,还有其它物质,且相 对分子质量均大于乙烯,表明乙烯脱附过程中在 催化剂表面上发生了聚合。
2CO(a) C(a) +CO2
在293533K,孪生 CO不变;
在533K以上,孪生 CO同步锐减。
在293533K,孪生, 桥式,线式CO不变;
在533K以上 1、线式,桥式和孪生 CO减小由于表面碳覆 盖引起向低频移动。
2、孤立的孪生吸附中 心容易被表面碳覆盖。 无向低频移动。 线式,桥式吸附位粒 子大,表面无法覆盖 整个粒子。移向低频。
一、研究反应条件下的表面吸附态
TPD与TPSR比较: 一个的N2峰,峰位置 和形状明显不同。 830 K峰形较宽。
N2峰温为500 K, 峰形窄。 当H2存在,产生NH、 NH2中间体,并相互作用 生成N2,所以,低温下 就有N2脱附
无H2存在时,解离的N原 子结合而成,所以,高温 下才有N2脱附。

两者之间存在

较强的相互作
用。-IR结果:
表 面 酸
NH3存在,新 的CO2吸附中 心产物;CO2

存在,NH3-Zr4+


Zr4+-O2-酸碱对
苯酚取吸附的 CO2或NH3而 吸附。ZrO2表 面上有相当一 部分的酸、碱 中心因极化和 诱导作用而形 成。
六、甲醇分解中的溢流
(CH3)2O、H2O、 CO2、CO和H2 低温:CH3OH 560oC (CH3)2O 高温(780oC):
TPD-CO2结果:低温 CO2峰归属与Mn3+相 互作用的单醅位CO32高温CO2为与Mn3+或 La3+相互作用的双醅 位CO32-。CO峰来自 CO32-和低价Mn反应 而成。
双 组 分
先吸附NH3(或 CO2)对其后吸

附CO2(NH3)无

碍,在高温的

脱附量。独立
TPD ZrO2
的酸碱中心,
a. CO-RhI-CO b. RhI 孤立中心 c. RhI稳定,无聚集。
孪生CO吸附同上,线式 CO随温度谱带蓝移,强 度减少。线式和桥式吸 附受CO覆盖度影响,对 应Rh粒子大小有关,为 非孤立的中心。存在两 类吸附中心,孤立的中 心——孪生吸附;非孤 立中心——线式和桥式 吸附。
八、CO歧化
CO2(a) H2O(a) CH4(a)
CO2(g) H2O(g) CH4(g)
第三节 第三节 生徐升温还原 程序升温还原(TPR)
程序升温还原(TPR)是表征催化剂还原性能的简单、 有效的方法。
装置与TPD相同。TPR的载气为含有还原性气体的 惰性气体, 如5%H2-95%Ar(或He或N2)。
非等温还原理论
略。 参考书《吸附与催化》,
河南科学技术出版社 第五章,5.3.2.3节
氢 溢 流
由于活性组分不同,有的氧化物容易还原,在TPR过 程常常会遇到氢溢流现象。这种氢溢流现象很难避免, 采用CO替代H2可以减少氢溢流。
TPR
1、氧化铈、氧
表 征
化铜表面的氧物 种


表面氧还原峰

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