.jpg)
Besproken onderwerpen
Introductie
Differentiërende fysische en chemische adsorptie
De relatie van Chemisorptie om Katalyse
Chemisorptie technieken en methoden voor de beoordeling van Catalysts
Oppervlak Energieën
Overzicht
Katalysatoren worden gebruikt in een verscheidenheid van toepassingen van de productie van consumptiegoederen voor de bescherming van het milieu. Optimaal ontwerp en efficiënt gebruik van katalysatoren vereist een grondige kennis van de oppervlaktestructuur en oppervlakte-chemie van het actieve materiaal. Chemical adsorptie ("chemisorptie") analyse technieken zorgen voor veel van de informatie die nodig is om katalysator materialen te evalueren in het ontwerp en de productie fasen, zoals en na een periode van gebruik. Hoewel een katalysator en de reagentia en producten kunnen worden van de vele vormen, dit artikel gaat vaak gebruikt heterogene katalysatoren.
Een onderscheidend kenmerk van een vaste stof is een verdeling van de zwakke oppervlakte-energie sites. Gas of damp moleculen kunnen worden gebonden aan deze sites. Dit beschrijft in het algemeen de adsorptie fenomeen. De hoeveelheid van moleculen die door het oppervlak genomen hangt af van verschillende omstandigheden en oppervlakte-functies, waaronder temperatuur, druk, oppervlakte-energie distributie, en de oppervlakte van de vaste stof. Een perceel van de hoeveelheid moleculen geadsorbeerd versus de druk bij constante temperatuur wordt de adsorptie-isotherm.
Fysische adsorptie ("physissorpton") is het resultaat van de interactie relatief zwakke Van der Waal's troepen tussen de vaste en de adsorbaat - een fysieke aantrekkingskracht. Fysische adsorptie is gemakkelijk omgedraaid.
Afhankelijk van het gas en solide, de adsorptie verschijnsel ook kan leiden tot het delen van elektronen tussen de adsorbaat en de stevige ondergrond - een chemische binding. Dit is chemische adsorptie en in tegenstelling tot fysisorptie, chemisorptie is moeilijk terug te draaien. Een aanzienlijke hoeveelheid van de energie meestal nodig is om chemisch geadsorbeerde moleculen te verwijderen.
Fysische adsorptie vindt plaats op voorwaarde dat alle oppervlakken die temperatuur en druk omstandigheden gunstig zijn. Chemisorptie , treedt echter alleen tussen bepaalde adsorbentia en adsorptieve soorten en alleen als het oppervlak wordt gereinigd van eerder geadsorbeerde moleculen. Onder de juiste omstandigheden kan resulteren in fysieke adsorptie geadsorbeerde moleculen vormen van meerdere lagen. Chemisorptie , aan de andere kant, alleen verloopt zolang de adsorptieve kunt rechtstreeks in contact met het oppervlak te maken, is het meestal beschouwd als een single-layer proces.
Een kenmerk van fysieke adsorptie is dat bijna alle geadsorbeerde moleculen kunnen worden verwijderd door evacuatie op dezelfde temperatuur waarbij adsorptie plaatsgevonden. Verwarmen versnelt desorptie omdat het gemakkelijk beschikbaar om de geadsorbeerde moleculen de energie die nodig is om de adsorptie website te ontsnappen.
Een chemisch geadsorbeerde molecule is sterk gebonden aan de oppervlakte en niet kan ontsnappen zonder dat de instroom van een relatief grote hoeveelheid energie in vergelijking met dat nodig is om een fysiek gebonden molecuul te bevrijden. Deze energie wordt geleverd door hitte en vaak zeer hoge temperaturen nodig zijn om een oppervlakte van chemisch geadsorbeerde moleculen schoon te maken.
Fysisorptie neigt te ontstaan alleen bij temperaturen rond of onder het kookpunt van de adsorptiecapaciteit bij de heersende druk. Dit is niet het geval is met chemisorptie . Chemisorptie meestal kan plaatsvinden bij temperaturen ver boven het kookpunt van de adsorptiecapaciteit.
Een katalysator is een materiaal dat de snelheid van een chemische reactie beïnvloedt. Een katalysator kan niet leiden tot een reactie die anders niet zou plaatsvinden, maar alleen kan de snelheid waarmee de reactie nadert evenwicht te verhogen. Het oppervlak van een 'actieve' metal is samengesteld uit chemisorptie sites. Katalysatoren op een drager zijn die waarop de fijn verdeelde korrels van de actieve metalen worden uitgezet op een dragermateriaal. Die korrels op het oppervlak van de ondersteuning zijn beschikbaar om te reageren met de adsorptieve.
Als de versnelde snelheid van de reactie was gewoon te wijten aan een verhoogde concentratie van moleculen aan het oppervlak, kan katalyse van fysieke adsorptie van de reactanten. Dit is niet het geval is; chemisorptie is een essentiële stap, blijkbaar het veranderen van de reactant (de geadsorbeerde molecule) om het meer ontvankelijk voor chemische reactie. De afhankelijkheid van katalyse op de vorming van actieve oppervlak band tussenproducten is een reden waarom chemisorptie als een analytische techniek zo fundamenteel is in de studie van katalyse.
Stadia van een heterogeen katalytische reactie cyclus zijn:
- diffusie (transport) van de reactanten aan het oppervlak van de katalysator
- chemisorptie van de reactant (en) oppervlak reacties onder chemisorbed soorten
- bevrijding van producten uit katalysatoren
- diffusie van producten uit de buurt van het oppervlak van de katalysator, zodat recycling naar stap 1
Het voorspellen van de efficiëntie van de stappen 1 en 5 wordt geholpen door analytische technieken, zoals fysieke adsorptie en kwikporosimetrie, die de porositeit van het katalysatorbed, katalysator monoliet, of de individuele korrels van katalysator materiaal te karakteriseren. Het karakteriseren van de stappen 2, 3 en 4 is het domein van de chemisorptie analyses.
Chemisorptie analyses kan worden toegepast op een katalysator de relatieve efficiëntie te bepalen bij het bevorderen van een bepaalde reactie, of gebruikt om katalysatorvergiftiging studie en in het toezicht op de afbraak van katalytische activiteit in de tijd van gebruik. Isotherme chemisorptie analyses worden uitgevoerd door twee chemisorptie technieken: a) statisch volumetrische chemisorptie, en b) dynamisch (stromend gas) chemisorptie. De volumetrische techniek is handig voor het verkrijgen van een hoge resolutie meting van de chemisorptie isotherm van zeer lage druk tot de atmosferische druk op nagenoeg elke temperatuur uit de buurt van de omgevingstemperatuur tot 1000 o C of hoger.
Pulse chemisorptie, een vloeiende gas techniek, meestal wordt uitgevoerd bij omgevingsdruk. Nadat het monster is schoongemaakt in een stroom van inert gas, zijn kleine hoeveelheden van een reactant ingespoten totdat het monster verzadigd is. Een gekalibreerde thermische geleidbaarheid detector (TCD) wordt gebruikt om de hoeveelheid reactant moleculen in beslag genomen door actieve sites bij elke injectie te bepalen. De eerste injecties kunnen volledig worden chemisorbed; bij verzadiging geen van de latere injecties zullen worden chemisorbed, wat aangeeft verzadiging. Het aantal moleculen van chemisorbed gas is direct gerelateerd aan het actieve oppervlak van het actieve materiaal.
De hoeveelheid gas chemisorbed per gram monster in combinatie met de kennis van de stoichiometrie van de reactie en de hoeveelheid van de werkzame metalen gemengd met ondersteunend materiaal bij de formulering van de katalysator kan het percentage metaal dispersie worden berekend. Dit kan een belangrijke indicator van de prestatie van de katalysator en een belangrijke economische maatregel van hoe efficiënt de kostbare actieve metaal wordt gebruikt in een katalysator product.
Temperatuur-geprogrammeerde desorptie (TPD), temperatuur-geprogrammeerde reductie (TPR) en de temperatuur-geprogrammeerde oxidatie (TPO) zijn drie niet-isotherme methoden voor het karakteriseren van katalysatoren. Temperatuur-geprogrammeerde desorptie meestal niet gebruik van een vacuüm, betere simulatie van de werkelijke omstandigheden in industriële toepassingen. In de TPD-analyse worden de materialen geplaatst in een monster cel en voorbehandeld om de actieve oppervlakken te reinigen. Vervolgens wordt een geselecteerde gas of damp chemisorbed op de actieve plaatsen tot verzadiging is bereikt, waarna de overige moleculen worden gespoeld met een inert gas.