Adsorbimento Chimico - Un'Introduzione alla Tecnica Analitica di Adsorbimento Chimico da Micromeritics

Argomenti Coperti

Introduzione
Differenziazione dell'Adsorbimento Fisico e Chimico
La Relazione tra Chemiassorbimento e la Catalisi
Tecniche e Metodi di Chemiassorbimento per la Valutazione dei Catalizzatori
Energie Di Superficie
Riassunto

Introduzione

I Catalizzatori sono utilizzati in varie applicazioni dalla produzione dei beni di consumo alla protezione dell'ambiente. La progettazione Ottimale e l'utilizzazione efficiente dei catalizzatori richiede una comprensione accurata della chimica di superficie della superficie e della struttura del materiale attivo. Le tecniche dell'analisi dell'adsorbimento Chimico (“chemiassorbimento ") forniscono gran parte di informazioni necessarie per valutare i materiali del catalizzatore nella progettazione e nelle fasi di produzione come pure dopo un periodo di uso. Sebbene un catalizzatore ed i reattivi ed i prodotti possano essere di molti moduli, catalizzatori eterogenei comunemente usati di indirizzi di questo articolo.

Differenziazione dell'Adsorbimento Fisico e Chimico

Una caratteristica distintiva di un prodotto solido è una distribuzione dei siti deboli di energia di superficie. Le molecole del vapore o del Gas possono essere rilegate a questi siti. Ciò descrive generalmente il fenomeno dell'adsorbimento. La quantità di molecole prese dalla superficie dipende da parecchie funzionalità di superficie e di circostanza compreso la temperatura, la pressione, la distribuzione di energia di superficie e l'area del solido. Un tracciato della quantità di molecole adsorbite contro pressione alla temperatura costante è chiamato l'isoterma dell'adsorbimento.

L'adsorbimento Fisico (“physissorpton ") è il risultato delle forze di interazione di Van der Waal relativamente debole fra la superficie solida e l'adsorbato - un'attrazione fisica. L'adsorbimento Fisico è invertito facilmente.

Secondo il gas e solido, il fenomeno dell'adsorbimento anche può provocare la divisione degli elettroni fra l'adsorbato e la superficie solida - un legame chimico. Ciò è l'adsorbimento chimico ed a differenza del physisorption, il chemiassorbimento è difficile da invertire. Una quantità significativa di energia è richiesta solitamente per rimuovere le molecole chimicamente adsorbite.

L'adsorbimento Fisico ha luogo su tutte le superfici a condizione che gli stati di pressione e della temperatura sono favorevoli. Il Chemiassorbimento, tuttavia, si presenta soltanto fra determinati adsorbenti e le specie adsorbitive e soltanto se la superficie è pulita delle molecole precedentemente adsorbite. Nelle circostanze adeguate, l'adsorbimento fisico può provocare molecole adsorbite che formano i livelli multipli. Il Chemiassorbimento, d'altra parte, continua soltanto finchè l'adsorbitivo può stabilire il contatto diretto con la superficie; è considerato solitamente come un trattamento a un solo strato.

Una caratteristica dell'adsorbimento fisico è che quasi tutte le molecole adsorbite possono essere rimosse tramite l'evacuazione alla stessa temperatura a cui l'adsorbimento si è presentato. Il Riscaldamento accelera il dissorbimento perché rende disponibile facilmente alle molecole adsorbite l'energia necessaria per sfuggire al sito dell'adsorbimento.

Una molecola chimicamente adsorbita è limitata forte alla superficie e non può sfuggire a senza l'afflusso di relativamente un gran quantità di energia confrontata a quella necessaria per liberare una molecola fisicamente limitata. Questa energia è fornita dal calore e spesso molto le temperature elevate sono richieste per pulire una superficie delle molecole chimicamente adsorbite.

Physisorption tende ad accadere soltanto alle temperature vicino o sotto il punto di ebollizione dell'adsorbitivo alla pressione prevalente. Ciò non è il caso con chemiassorbimento. Il Chemiassorbimento può avere luogo solitamente ben sopra alle temperature il punto di ebollizione dell'adsorbitivo.

La Relazione tra Chemiassorbimento e la Catalisi

Un catalizzatore è un materiale che pregiudica la tariffa di una reazione chimica. Un catalizzatore non può causare una reazione che non accadrebbe altrimenti; può aumentare soltanto la tariffa a cui la reazione si avvicina all'equilibrio. La superficie di un metallo attivo del `' è composta di siti di chemiassorbimento. I catalizzatori Di Supporto sono quelli su cui ha diviso con precisione i granuli del metallo attivo sono deportati su un materiale di supporto. Quei granuli situati sulla superficie del supporto sono a disposizione per reagire con l'adsorbitivo.

Se la tariffa accelerata della reazione fosse semplicemente dovuto una concentrazione aumentata di molecole alla superficie, la catalisi potrebbe derivare dall'adsorbimento fisico dei reattivi. Ciò non è il caso; il chemiassorbimento è un punto essenziale, alterante apparentemente il reattivo (la molecola adsorbita) per renderlo più ricettivo alla reazione chimica. La dipendenza della catalisi dalla formazione dei composti intermedi attivi dell'obbligazione della superficie è una ragione per la quale chemiassorbimento poichè una tecnica analitica è così fondamentale nello studio sulla catalisi.

Le Fasi di un ciclo eterogeneo della reazione catalitica sono:

  1. diffusione (trasporto) dei reattivi alla superficie del catalizzatore
  2. chemiassorbimento delle reazioni della superficie dei reattivi fra le specie chemisorbed
  3. liberazione dei prodotti dai catalizzatori
  4. diffusione dei prodotti a partire dalla superficie del catalizzatore da concedere riciclare a punto 1

La Predizione del risparmio di temi di punti 1 e 5 si aiuta mediante tecniche analitiche quali l'adsorbimento fisico ed il mercurio porosimetry, che caratterizzano la porosità del letto del catalizzatore, il monolito del catalizzatore, o i diversi granuli del materiale del catalizzatore. Caratterizzando punti 2, 3 e 4 sono il dominio delle analisi di chemiassorbimento.

Tecniche e Metodi di Chemiassorbimento per la Valutazione dei Catalizzatori

Le analisi di Chemiassorbimento possono applicarsi per determinare l'efficacia relativa di un catalizzatore nella promozione della reazione particolare, o essere usate all'avvelenamento del catalizzatore di studio e nel video della degradazione di attività catalitica col passare del tempo di uso. Le analisi Isotermiche di chemiassorbimento sono eseguite mediante due tecniche di chemiassorbimento: chemiassorbimento volumetrico statico di a) e b) (chemiassorbimento dinamico del gas scorrente). La tecnica volumetrica è conveniente per ottenere una misura ad alta definizione dell'isoterma di chemiassorbimento da pressione molto bassa a pressione atmosferica essenzialmente a tutta la temperatura da ambientale a C 1000 oo maggior vicino.

Il chemiassorbimento di Impulso, una tecnica scorrente del gas, è realizzato tipicamente a pressione ambiente. Dopo Che il campione è stato pulito in un flusso di gas inerte, le piccole quantità di reattivo sono iniettate fino a saturare il campione. Un rivelatore calibrato della conducibilità termica (TCD) è usato per determinare la quantità di molecole del reattivo prese dai siti attivi sopra ogni iniezione. Le iniezioni Iniziali possono essere chemisorbed completamente; sopra saturazione nessuno delle iniezioni successive chemisorbed, indicanti la saturazione. Il numero delle molecole di gas chemisorbed direttamente è collegato con l'area attiva di materiale attivo.

La quantità di gas chemisorbed per grammo di campione combinato con la conoscenza della stechiometria della reazione e la quantità di metallo attivo mista con materiale di supporto durante la formulazione del catalizzatore permette che la dispersione del metallo delle percentuali sia calcolata. Ciò può essere un indicatore importante della prestazione del catalizzatore e di una misura economica importante di quanto il metallo attivo costoso sta impiegando efficientemente in un prodotto del catalizzatore.

Il Dissorbimento Temperatura-Programmato (TPD), la Temperatura Ha Programmato la Riduzione (TPR) e l'Ossidazione Temperatura-Programmata (TPO) è tre metodi non isotermici per la caratterizzazione dei catalizzatori. il dissorbimento Temperatura-Programmato non impiega tipicamente un vuoto, migliori circostanze di simulazione trovate nelle applicazioni industriali reali. Nell'analisi di TPD, i materiali sono collocati in una cella di campione e sono pretrattati per pulire le superfici dell'attivo. Dopo, un gas o un vapore selezionato chemisorbed sui siti attivi fino a raggiungere la saturazione, dopo di che le molecole restanti sono risciacquate con un gas inerte.

La Temperatura (energia) è aumentata ad una tariffa controllata mentre un flusso costante di gas inerte è mantenuto sopra il campione. Il gas inerte e tutte le molecole dissorbite sono riflessi da un rivelatore della conducibilità termica. Il segnale di TCD è proporzionale alla quantità di molecole dissorbite come energia termica sormonta l'energia di legame. Le Quantità dissorbite alle temperature specifiche forniscono informazioni sul numero, sulla concentrazione e sull'eterogeneità dei siti di chemiassorbimento.

la riduzione Temperatura-Programmata pricipalmente è usata per studiare la riducibilità delle specie quali gli ossidi metallici dispersi su un supporto. Ciò comprende scorrere un flusso di idrogeno diluito (o di un altro agente riduttore) sopra il campione mentre la temperatura del campione è aumentata. La quantità di idrogeno consumata ed il profilo termico nell'ambito di cui la riduzione ha avuto luogo sono misurati. Un tracciato della quantità di idrogeno consumata contro la temperatura può produrre uno o più picchi ed i dati ottenuti rivelano il numero delle specie riducibili nel campione come pure le loro energie di attivazione.

l'ossidazione Temperatura-Programmata è eseguita per esaminare le dimensioni a cui un catalizzatore può essere riossidato. Il campione è pretrattato Solitamente e gli ossidi metallici sono diminuiti al metallo base. Il campione è heated ad una tariffa costante mentre il gas del reattivo, ossigeno di in genere 2%, si applica al campione negli impulsi o, alternativamente, come flusso costante. La reazione dell'ossidazione si presenta ad una temperatura specifica e l'assorbimento risultante di ossigeno è quantificato.

Energie Di Superficie

Quando una superficie solida è esposta ad un adsorbitivo, i siti più energetici sono occupati in primo luogo. Il calore dell'adsorbimento ad un grado specifico di copertura di superficie (caricamento) può essere calcolato facendo uso dell'equazione di Clausius- Clapeyron. Questa espressione descrive il calore dell'adsorbimento isosteric in termini di pressione, temperatura e costante di gas ed è particolarmente applicabile ai dati ottenuti mediante tecniche volumetriche dell'adsorbimento.

Il isosteric riscalda dell'adsorbimento sopra un intervallo di copertura può essere ottenuto dai isosteres dell'adsorbimento, che sono tracciati di pressione contro la temperatura ad un volume costante adsorbito. I isosteres sono estratti da una famiglia delle isoterme ottenute per lo stesso materiale alle temperature differenti. Il pendio di un isostere tracciato su un disgaggio logaritmico (lnP contro 1/T)n fornisce un punto di informazioni (qst, n), dove N rappresenta il grado di copertura connesso con il isostere. Un tracciato di simili punti per i gradi di copertura differenti descrive la distribuzione di energia di superficie in funzione di copertura. Aiuti di Questi informazioni nella predizione dell'attività di un catalizzatore verso una reazione chimica specifica ad una temperatura specifica.

L'energia di Attivazione anche può essere dedotta dai dati ottenuti dalla tecnica dinamica di chemiassorbimento, specialmente TPD. Il trattamento con questo metodo è nella direzione opposta come quello descritto per la tecnica volumetrica statica. Nel caso attuale, il calore (energia) è applicato e, poichè la temperatura aumenta, molecole è liberato per legame più debole. Le molecole dissorbite sono spazzate via e nessun readsorption è permesso accadere. La tariffa di cambiamento di copertura di superficie, o di carico, è collegata con la tariffa di cambiamento nella temperatura.

La tariffa di dissorbimento molecolare semplice può essere modellata facendo uso della cinetica di primo ordine espressa comunemente come - il kq, in cui il K è la costante di tariffa, il segno negativo che indica una riduzione della copertura con il tempo e la q rappresenta il grado corrente di copertura di superficie.

La tariffa che il K costante può essere espresso nel modulo di Arrhenius, A exp (- E/RTA), dove la EA è l'energia di attivazione per dissorbimento, T è temperatura assoluta e R la costante di gas. A è conosciuto come il fattore preexponential.

La Combinazione le relazioni e delle equazioni ha presentato sopra infine rende un'espressione per energia di attivazione in termini di variabili che possono essere determinate mediante le analisi di TPD.

Riassunto

Il Chemiassorbimento è un trattamento fondamentale nella catalisi eterogenea. La Comprensione del trattamento di chemiassorbimento connesso con un catalizzatore e un reattivo è chiave a gestire la composizione e la lavorazione dei catalizzatori e per la valutazione del catalizzatore. Di Conseguenza, gli strumenti analitici capaci di misurazione l'adsorbimento chimico e fisico e le isoterme e delle quelle di dissorbimento capaci di analizzare le reazioni temperatureprogrammed sono strumenti potenti nello studio sulla catalisi.

Questo articolo è una versione condensata di un articolo più completo nominato “l'Adsorbimento Chimico,„ come Tecnica Analitica, disponibile sito Web su Micromeritics'.

Micromeritics Instrument Corporation

Sorgente: Micromeritics Instrument Corporation.

Per ulteriori informazioni su questa sorgente visualizzi prego Micromeritics Instrument Corporation.

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

Last Update: 11. September 2013 07:33

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