Chemiesorption - eine Einleitung zur Chemiesorptions-Analytischen Technik durch Micromeritics

Themen Umfaßt

Einleitung
Unterscheiden der Körperlichen und Chemiesorption
Das Verhältnis der Chemisorption zur Katalyse
Chemisorption Techniken und Methoden für die Bewertung von Katalysatoren
OberflächenEnergie
Zusammenfassung

Einleitung

Katalysatoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen von der Produktion von Konsumgütern zum Umweltschutz verwendet. Optimale Auslegung und effiziente Nutzung von Katalysatoren benötigt ein gründliches Verständnis der Oberflächenzellen- und Oberflächenchemie des aktiven Materials. Analysetechniken der Chemiesorption („Chemisorption ") liefern viel der Informationen, die notwendig sind, Katalysatormaterialien in der Auslegung und in den Produktionsphasen sowie nach einer Nutzungsdauer auszuwerten. Obgleich ein Katalysator und die Reaktionsmittel und die Produkte von vielen Formularen sein können, allgemein verwendete heterogene Katalysatoren dieses Artikels Adress.

Unterscheiden der Körperlichen und Chemiesorption

Eine unterscheidende Eigenschaft eines Vollmaterials ist eine Verteilung von schwachen Oberflächenenergiesites. Gas- oder Dampfmoleküle können zu diesen Sites verklemmt werden. Dieses beschreibt im Allgemeinen das Aufnahmephänomen. Die Menge von den Molekülen, die durch die Oberfläche aufgenommen werden, hängt von einigen Bedingungen und von Oberflächenmerkmalen einschließlich Temperatur, Druck, Oberflächenenergieverteilung und die Fläche des Körpers ab. Ein Plan der Menge der Moleküle, die gegen Druck bei der konstanten Temperatur adsorbiert werden, wird die Aufnahmeisotherme genannt.

Körperliche Aufnahme („physissorpton ") ist das Ergebnis verhältnismäßig schwacher der Interaktionskräfte Vans Der Waals zwischen der festen Oberfläche und dem Adsorbat - eine körperliche Anziehungskraft. Körperliche Aufnahme wird leicht aufgehoben.

Abhängig von dem Gas und fest, kann das Aufnahmephänomen das Teilen von Elektronen zwischen dem Adsorbat und der festen Oberfläche auch ergeben - eine chemische Bindung. Dieses ist Chemiesorption und anders als physisorption, ist Chemisorption schwierig aufzuheben. Eine beträchtliche Menge Energie normalerweise wird gefordert, um chemisch adsorbierte Moleküle zu löschen.

Körperliche Aufnahme findet auf allen Oberflächen statt, vorausgesetzt, dass Temperatur- und Druckzustände vorteilhaft sind. Chemisorption tritt jedoch nur zwischen bestimmten Adsorbenten und bindenden Spezies auf und nur wenn die Oberfläche von vorher adsorbierten Molekülen gesäubert wird. Unter ordnungsgemäßen Zuständen kann körperliche Aufnahme die adsorbierten Moleküle ergeben, die mehrfache Schichten bilden. Chemisorption andererseits fährt nur fort, solange das bindende direkten Kontakt mit der Oberfläche aufnehmen kann; es wird normalerweise ein als einlagiger Prozess betrachtet.

Eine Eigenschaft der körperlichen Aufnahme ist, dass fast alle adsorbierten Moleküle durch Evakuierung bei der gleichen Temperatur gelöscht werden können, bei der Aufnahme auftrat. Heizung beschleunigt Desorption, weil sie leicht verfügbar zu den adsorbierten Molekülen die Energie macht, die notwendig ist, die Aufnahmesite zu entweichen.

Ein chemisch adsorbiertes Molekül wird stark zur Oberfläche gesprungen und kann nicht ohne den Zufluss einer großen Menge Energie verhältnismäßig entweichen verglichen mit der, die notwendig ist, ein physikalisch gesprungenes Molekül zu befreien. Diese Energie wird von der Wärme zur Verfügung gestellt und häufig sehr werden hohe Temperaturen gefordert, um eine Oberfläche von chemisch adsorbierten Molekülen zu säubern.

Physisorption neigt, nur bei den Temperaturen nahe oder unterhalb dem Siedepunkt vom bindenden mit dem maßgeblichen Druck aufzutreten. Dieses ist nicht der Fall mit Chemisorption. Chemisorption kann bei den Temperaturen über dem Siedepunkt vom bindenden normalerweise gut stattfinden.

Das Verhältnis der Chemisorption zur Katalyse

Ein Katalysator ist ein Material, das die Kinetik einer chemischen Reaktion beeinflußt. Ein Katalysator kann eine Reaktion nicht verursachen, die andernfalls nicht auftreten würde; er kann die Kinetik nur erhöhen, an der die Reaktion Gleichgewicht sich nähert. Die Oberfläche eines ` aktiven' Metalls wird aus Chemisorptionssites verfasst. Unterstützte Katalysatoren sind die, auf denen fein Körner des aktiven Metalls werden verbannt auf ein Hilfsmaterial teilte. Jene Körner, die auf der Oberfläche der Halterung gelegen sind, sind erhältlich, mit dem bindenden zu reagieren.

Wenn die beschleunigte Kinetik der Reaktion an einer erhöhten Konzentration von Molekülen an der Oberfläche einfach lag, könnte Katalyse aus körperlicher Aufnahme der Reaktionsmittel resultieren. Dieses ist nicht der Fall; Chemisorption ist ein wesentlicher Schritt und anscheinend ändert das Reaktionsmittel (das adsorbierte Molekül) um es empfänglicher zu machen zur chemischen Reaktion. Die Abhängigkeit der Katalyse auf der Formung von aktiven Oberflächenanleihenvermittlern ist ein Grund warum Chemisorption, da eine analytische Technik in der Studie der Katalyse so grundlegend ist.

Stufen einer heterogenen Schleife der katalytischen Reaktion sind:

  1. Diffusion (Transport) von Reaktionsmitteln zur Oberfläche des Katalysators
  2. Chemisorption von Reaktionsmitteloberflächenreaktionen unter chemisorbed Spezies
  3. Befreiung von Produkten von den Katalysatoren
  4. Diffusion von Produkten weg von der Oberfläche des Katalysators zu Schritt 1 aufbereiten zu dürfen

Die Vorhersage der Leistungsfähigkeit von Schritten 1 und 5 wird durch analytische Techniken wie körperliche porosimetry Aufnahme und Quecksilber unterstützt, die die Porosität des Katalysatorbetts, Katalysatormonolithen oder die einzelnen Körner des Katalysatormaterials kennzeichnen. Schritte 2 Kennzeichnend, ist 3 und 4 das Gebiet von Chemisorptionsanalysen.

Chemisorption Techniken und Methoden für die Bewertung von Katalysatoren

Chemisorptionsanalysen werden angewendet werden, um die relative Leistungsfähigkeit eines Katalysators zu bestimmen, wenn man eine bestimmte Reaktion fördert, oder verwendet möglicherweise zur Studienkatalysatorvergiftung und wenn man im Laufe der Zeit den Abbau der katalytischer Aktivität des Gebrauches überwacht. Isothermalchemisorptionsanalysen werden durch zwei Chemisorptionstechniken durchgeführt: A) statische volumetrische Chemisorption und B) dynamische Chemisorption (des flüssigen Gases). Die volumetrische Technik ist für ein hochauflösendes Maß der Chemisorptionsisotherme vom sehr Niederdruck im Wesentlichen erhalten zum Atmosphärendruck bei jeder möglicher Temperatur von nahem umgebendem zu C 1000 ooder größer bequem.

Impulschemisorption, eine flüssige Gastechnik, gewöhnlich wird mit Umgebungsdruck durchgeführt. Nachdem die Probe in einen Fluss des Edelgases gesäubert worden ist, werden kleine Mengen eines Reaktionsmittels eingespritzt, bis die Probe gesättigt ist. Ein kalibrierter Wärmeleitfähigkeitsdetektor (TCD) wird verwendet, um die Menge von den Reaktionsmittelmolekülen zu bestimmen, die durch aktive Sites nach jeder Einspritzung aufgenommen werden. Anfangseinspritzungen chemisorbed möglicherweise total; nach Sättigung chemisorbed keine der neueren Einspritzungen und zeigen Sättigung an. Die Anzahl von den Molekülen des Gases chemisorbed hängt direkt mit der aktiven Fläche des aktiven Materials zusammen.

Die Menge des Gases chemisorbed pro das Gramm der Probe kombiniert mit den Kenntnissen der Stöchiometrie der Reaktion und die Menge des aktiven Metalls gemischt mit Hilfsmaterial während der Formulierung des Katalysators erlaubt, dass die Prozentmetallstreuung berechnet wird. Dieser kann sein ein wichtiger Anzeiger der Leistung des Katalysators und der wichtigen wirtschaftlichen Maßnahme von, wie effizient das teure aktive Metall in einem Katalysatorprodukt eingesetzt wird.

Temperatur-Programmierte Desorption (TPD), Temperatur Programmierte Reduzierung (TPR) und Temperatur-Programmierte Oxidation (TPO) sind drei nicht-Isothermalmethoden für die Charakterisierung von Katalysatoren. Temperatur-Programmierte Desorption gewöhnlich setzt kein Vakuum, die besseren simulierten Bedingungen ein, die in den tatsächlichen industriellen Anwendungen gefunden werden. In der TPD-Analyse werden Materialien in eine Beispielzelle gelegt und vorbehandelt, um die Activeoberflächen zu säubern. Als Nächstes chemisorbed ein ausgewähltes Gas oder ein Dampf auf die aktiven Sites, bis Sättigung erzielt ist, nachdem werden die restlichen Moleküle mit einem Edelgas ausgefüllt.

Temperatur (Energie) wird mit einer esteuerten Kinetik erhöht, während ein konstanter Fluss des Edelgases über der Probe aufrechterhalten wird. Das Edelgas und alle mögliche desorbierten Moleküle werden durch einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor geüberwacht. Das TCD-Signal ist zur Menge von den Molekülen proportional, die als Wärme desorbiert werden, ausgleicht die Bindungsenergie. Die Mengen, die bei den spezifischen Temperaturen desorbiert werden, liefern Informationen über die Anzahl, die Stärke und die Uneinheitlichkeit von den Chemisorptionssites.

Temperatur-Programmierte Reduzierung wird hauptsächlich verwendet, um die Reduzierbarkeit von Spezies wie Metalloxiden zu studieren, die auf einer Halterung zerstreut werden. Dieses bezieht mit ein, zu fließen ein Strom des verdünnten Wasserstoffs (oder eines anderen Reduktionsmittels) über der Probe, während die Beispieltemperatur erhöht wird. Die Menge des Wasserstoffs verbraucht und der Temperaturverlauf, unter denen die Reduzierung stattfand, werden gemessen. Ein Plan der Menge Wasserstoffs verbraucht gegen Temperatur kann eine oder mehrere Spitzen produzieren und die erhaltenen Daten decken die Zahl von reduzierbaren Spezies in der Probe sowie ihre Aktivierungsenergie auf.

Temperatur-Programmierte Oxidation wird durchgeführt, um den Umfang zu prüfen, in dem ein Katalysator nachoxidiert werden kann. Normalerweise wird die Probe vorbehandelt und die Metalloxide werden auf dem Grundmetall verringert. Die Probe ist mit einem Einheitskurs erhitzt, während das Reaktionsmittelgas, gewöhnlich 2% Sauerstoff, an der Probe in den Impulsen oder wechselweise als stabilen Strom aufgetragen wird. Die Oxidationsreaktion tritt bei einer spezifischen Temperatur auf und der resultierende ausziehende Wetterschacht des Sauerstoffes wird mengenmäßig bestimmt.

OberflächenEnergie

Wenn eine feste Oberfläche einem bindenden ausgesetzt wird, werden die energischstensites zuerst besetzt. Die Wärme der Aufnahme an einem spezifischen Grad an Oberflächendichte (Laden) kann unter Verwendung der Gleichung Clausius- Clapeyron berechnet werden. Dieser Ausdruck beschreibt die isosteric Wärme der Aufnahme im Hinblick auf Druck, Temperatur, und die Gaskonstante und ist auf die Daten besonders anwendbar, die durch volumetrische Aufnahmetechniken erhalten werden.

Isosteric heizt von der Aufnahme über einer Reichweite der Dichte kann von Aufnahme isosteres erreicht werden, die Pläne des Drucks gegen Temperatur an einem konstanten adsorbierten Volumen sind. Die isosteres werden von einer Familie von den Isothermen extrahiert, die für das gleiche Material bei den verschiedenen Temperaturen erhalten werden. Die Steigung eines isostere grafisch dargestellt auf einer logarithmischen Schuppe (lnP gegen 1/T)n liefert einen Datenpunkt (qst, N), wo N den Bedeckungsgrad verbunden mit dem isostere darstellt. Ein Plan von ähnlichen Punkten für verschiedene Bedeckungsgrade beschreibt die Oberflächenenergieverteilung als Funktion der Dichte. Beihilfen Dieser Informationen, wenn die Aktivität eines Katalysators in Richtung zu einer spezifischen chemischen Reaktion bei einer spezifischen Temperatur vorausgesagt wird.

Aktivierungsenergie kann von den Daten, die durch die dynamische Chemisorptionstechnik, besonders TPD auch abgeleitet werden erhalten werden. Der Prozess ist dadurch in der entgegengesetzten Richtung als der, der für statische volumetrische Technik beschrieben wird. Im vorliegenden Fall ist Wärme (Energie) angewandt und, als Temperaturanstiege, Moleküle werden befreit in der Reihenfolge der schwächsten Masseverbindung. Die desorbierten Moleküle werden weg gefegt und kein readsorption wird auftreten lassen. Die Änderungsgeschwindigkeit der Oberflächendichte oder des Belastens, hängt mit der Änderungsgeschwindigkeit in der Temperatur zusammen.

Die Kinetik der einfachen molekularen Desorption wird unter Verwendung der Kinetik der 1. Ordnung geformt möglicherweise, die geläufig wie ausgedrückt wird - kq, in dem K die Kinetikkonstante ist, das negative Zeichen, das eine Reduzierung in der Dichte mit Zeit und q anzeigt, stellt den aktuellen Grad an Oberflächendichte dar.

Die Kinetik, die konstantes K in Arrhenius-Form, A exp ausgedrückt werden kann (- E/RTA), wo EA die Aktivierungsenergie für Desorption ist, T, ist absolute Temperatur und R die Gaskonstante. A bekannt als der preexponential Faktor.

Die Kombination der Verhältnisse und der Gleichungen stellte sich über schließlich erbringt einen Ausdruck für Aktivierungsenergie im Hinblick auf Variablen dar, die durch TPD-Analysen bestimmt werden können.

Zusammenfassung

Chemisorption ist ein grundlegender Prozess in der heterogenen Katalyse. Den Chemisorptionsprozeß Zu Verstehen, der mit einem Katalysator und einem Reaktionsmittel verbunden ist, ist zur Steuerung der Zusammensetzung und der Fertigung von Katalysatoren und für Katalysatorbewertung Schlüssel. Deshalb sind die analytischen Instrumente, die zum Messen der chemischen und körperlichen Aufnahme und der Desorptionsisothermen und der -deren fähig sind zum Analysieren von temperatureprogrammed Reaktionen fähig sind, leistungsfähige Hilfsmittel in der Studie der Katalyse.

Dieser Artikel ist eine kondensierte Version eines umfassenderen Artikels, der „Chemiesorption,“ als Analytische Technik betitelt wird, die auf Micromeritics' Website erhältlich ist.

Micromeritics Instrument Corporation

Quelle: Micromeritics Instrument Corporation.

Zu mehr Information über diese Quelle besuchen Sie bitte Micromeritics Instrument Corporation.

Date Added: Jul 2, 2010 | Updated: Sep 11, 2013

Last Update: 11. September 2013 07:32

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit