.jpg)
Emner Overdækket
Indledning
Differentiering af fysisk og kemisk adsorption
Forholdet mellem kemisorption til Katalyse
Kemisorption Teknikker og metoder til evaluering af katalysatorer
Overflade Energies
Resumé
Katalysatorer anvendes i en række applikationer fra produktionen af forbrugsgoder til beskyttelsen af miljøet. Optimal design og effektiv udnyttelse af katalysatorer kræver en grundig forståelse af overfladen struktur og overflade kemi af det aktive stof. Kemisk adsorption ("kemisorption") analyse teknikker giver mange af de nødvendige oplysninger til at vurdere katalysator materialer i design og produktion faser, som samt efter en tids brug. Selv om en katalysator og reaktanter og produkter kan have mange former, denne artikel omhandler almindeligt anvendte heterogene katalysatorer.
Et karakteristisk træk ved et fast materiale er en fordeling af svage overflade energi sites. Gas eller dampe molekyler kan blive bundet til disse websteder. Denne regel beskriver adsorption fænomen. Mængden af molekyler taget op af overfladen afhænger af flere forhold og overflade funktioner, herunder temperatur, tryk, overflade energi distribution, og overfladearealet af det faste stof. Et plot af mængden af molekyler adsorberet versus tryk ved konstant temperatur kaldes adsorptionsisotermens.
Fysisk adsorption ("physissorpton") er et resultat af relativt svage Van der Waals vekselvirkning kræfter mellem den faste overflade og adsorbate - en fysisk tiltrækning. Fysisk adsorption er let vendes.
Afhængigt af gas og fast, også adsorption fænomen kan resultere i fordelingen af elektroner mellem adsorbate og fast overflade - en kemisk binding. Dette er kemisk adsorption og i modsætning til physisorption, kemisorption er svært at vende. En betydelig mængde af energi normalt kræves for at fjerne kemisk adsorberet molekyler.
Fysisk adsorption finder sted på alle forudsat overflader, temperatur-og trykforhold er gunstige. kemisorption , forekommer imidlertid kun mellem visse adsorbenter og adsorptive arter, og kun hvis overfladen er renset for tidligere adsorberede molekyler. Under ordentlige forhold, kan fysiske adsorption resultere i adsorberede molekyler danner flere lag. kemisorption , på den anden side, kan kun fortsætter, så længe adsorberende komme i direkte kontakt med overfladen, er det normalt anses for at være en single-layer proces.
Et karakteristisk træk ved fysisk adsorption er, at næsten alle de adsorberede molekyler kan fjernes ved evakuering ved samme temperatur, hvor adsorption indtraf. Varme accelererer desorption fordi det giver let tilgængelige for den adsorberede molekyler den nødvendige energi til at undslippe adsorption site.
En kemisk adsorberet molekyle er stærkt bundet til overfladen og kan ikke undslippe uden at tilstrømningen af en forholdsvis stor mængde energi i forhold til det nødvendige for at befri en fysisk bundet molekyle. Denne energi er leveret af varme og ofte meget høje temperaturer er forpligtet til at rengøre en overflade af kemisk adsorberet molekyler.
Physisorption tendens til at forekomme kun ved temperaturer i nærheden af eller under kogepunktet af adsorptionsforholdene til den gældende pres. Dette er ikke tilfældet med kemisorption . kemisorption normalt kan foregå ved temperaturer langt over kogepunktet for adsorberende.
En katalysator er et materiale, der påvirker hastigheden af en kemisk reaktion. En katalysator kan ikke forårsage en reaktion, der ellers ikke ville forekomme, det kun kan øge den hastighed, hvormed reaktionen nærmer sig ligevægt. Overfladen af et »aktiv« metal er sammensat af kemisorption sites. Understøttet katalysatorer er dem, der findelte korn af den aktive metal er deporteret på underlag materiale. Disse kerner er placeret på overfladen af den støtte er til rådighed til at reagere med adsorberende.
Hvis den hurtige sats på reaktion var simpelthen på grund af en øget koncentration af molekyler på overfladen, kan katalyse skyldes fysiske adsorption af reaktanter. Dette er ikke tilfældet; kemisorption er et vigtigt skridt, tilsyneladende ændre reaktant (det adsorberede molekyle) for at gøre det mere modtagelige for kemiske reaktion. Afhængigheden af katalyse at danne aktive overflade bond mellemprodukter er en af grundene kemisorption som et analytisk teknik er så grundlæggende i studiet af katalyse.
Stadier af en heterogen katalytisk reaktion cyklus er:
- diffusion (transport) af reaktanter til overfladen af katalysatoren
- kemisorption af reaktant (r) overfladen reaktioner blandt chemisorbed arter
- frigørelse af produkter fra katalysatorer
- diffusion af produkter væk fra overfladen af katalysatoren til at tillade genbrug til trin 1
Forudsigelse af effektiviteten af trin 1 og 5 er hjulpet af analytiske teknikker som fysiske adsorption og kviksølv porosimetry, der karakteriserer den porøsitet af katalysatoren sengen, katalysator monolit, eller den enkelte kerner af katalysator materiale. Karakterisere trin 2, 3 og 4 er domænet for kemisorption analyser.
Kemisorption analyser kan anvendes til at bestemme en katalysator relative effektivitet i at fremme en bestemt reaktion, eller bruges til at studere katalysator forgiftning og ved overvågning af nedbrydningen af katalytiske aktivitet over tid af brug. Thermo kemisorption analyser er udført af to kemisorption teknikker: a) statisk volumetrisk kemisorption, og b) dynamiske (flydende gas) kemisorption. Den volumetriske Teknikken er bekvemt for at opnå en høj opløsning måling af kemisorption isoterm fra et meget lavt tryk til atmosfærisk tryk ved stort set alle temperaturer fra nær omgivende til 1000 o C eller derover.
Pulse kemisorption, en flydende gas teknik, der typisk udføres ved omgivende tryk. Efter prøven er blevet renset i en strøm af inaktiv gas, er små mængder af et reaktant injiceres, indtil prøven er mættet. En kalibreret varmeledningsevne detektor (TCD) bruges til at bestemme mængden af reaktant molekyler taget op af aktive steder ved hver indsprøjtning. Indledende injektioner kan chemisorbed totalt; ved mætning ingen af de senere indsprøjtninger vil blive chemisorbed, hvilket indikerer mætning. Antallet af molekyler med chemisorbed gas er direkte relateret til den aktive overfladeareal af aktivt stof.
Mængden af gas chemisorbed per gram prøve kombineret med kendskab til støkiometri af reaktionen og mængden af aktive metal blandet med støtte materiale under formuleringen af katalysatoren tillader procent metal spredning skal beregnes. Dette kan være en vigtig indikator for resultaterne af katalysatorprojekter og en vigtig økonomisk mål for, hvor effektivt de dyre aktive metallet er ved at blive ansat i en katalysator produkt.
Temperatur-Programmeret desorption (TPD), Temperatur-Programmeret reduktion (TPR) og Temperatur-Programmeret Oxidation (TPO) er tre ikke-isotermisk metoder til karakterisering af katalysatorer. Temperatur-programmeret desorption typisk ikke ansætte et vakuum, bedre simulerer vilkår findes i egentlige industrielle applikationer. I TPD analysen, er materialer anbragt i en prøve celle og forbehandlet at rengøre den aktive overflader. Dernæst er en udvalgt gas eller damp chemisorbed på de aktive sites, indtil mætning er opnået, hvorefter de resterende molekyler bliver skyllet ud med en inaktiv gas.