Chemische Adsorptie - een Inleiding aan de Chemische Analytische Techniek van de Adsorptie door Micromeritics

Besproken Onderwerpen

Inleiding
Het Onderscheiden van Fysieke en Chemische Adsorptie
De Verhouding van Chemisorptie aan Katalyse
De Technieken en de Methodes van de Chemisorptie voor de Evaluatie van Katalysators
Oppervlakte-energie
Samenvatting

Inleiding

De Katalysators worden gebruikt in een verscheidenheid van toepassingen van de productie van consumptiegoederen aan de bescherming van het milieu. Het Optimale ontwerp en het efficiënte gebruik van katalysators vereisen een grondig inzicht in de oppervlaktestructuur en de oppervlaktechemie van het actieve materiaal. Technieken de Chemische van de adsorptie („chemisorptie“) analyse verstrekken veel van de informatie noodzakelijk om katalysatormaterialen in de ontwerp en productiefasen, evenals na een periode van gebruik te evalueren. Hoewel een katalysator en de reactanten en de producten van vele vormen kunnen zijn, richt dit artikel algemeen gebruikte heterogeene katalysators.

Het Onderscheiden van Fysieke en Chemische Adsorptie

Een distinctief kenmerk van een stevig materiaal is een distributie van zwakke oppervlakte-energieplaatsen. De molecules van het Gas of van de damp kunnen verbindend worden aan deze plaatsen. Dit beschrijft over het algemeen het adsorptiefenomeen. De hoeveelheid molecules die door de oppervlakte wordt opgenomen hangt van verscheidene voorwaarden en oppervlakteeigenschappen af met inbegrip van temperatuur, druk, oppervlakte-energiedistributie, en de oppervlakte van het vaste lichaam. Een perceel van de hoeveelheid molecules die tegenover druk bij constante temperatuur worden geadsorbeerd wordt genoemd de adsorptieisotherm.

De Fysieke adsorptie („physissorpton“) is het resultaat van vrij zwakke Van der Waal's interactiekrachten tussen de stevige oppervlakte en adsorbate - een fysieke aantrekkelijkheid. De Fysieke adsorptie wordt gemakkelijk omgekeerd.

Afhankelijk van het gas en het vaste lichaam, kan het adsorptiefenomeen ook in het delen van elektronen tussen adsorbate en de stevige oppervlakte resulteren - een chemische band. Dit is chemische adsorptie en in tegenstelling tot physisorption, is de chemisorptie moeilijk om te keren. Een significante hoeveelheid energie wordt gewoonlijk vereist om chemisch geadsorbeerde molecules te verwijderen.

De Fysieke adsorptie vindt op alle oppervlakten plaats op voorwaarde dat temperatuur en druk de voorwaarden gunstig zijn. De Chemisorptie, echter, komt slechts tussen bepaalde adsorbentia en adsorberende species voor en slechts als de oppervlakte van eerder geadsorbeerde molecules wordt schoongemaakt. In de juiste omstandigheden, kan de fysieke adsorptie in geadsorbeerde molecules resulteren vormt veelvoudige lagen. De Chemisorptie, anderzijds, gaat slechts te werk zolang adsorberend direct contact met de oppervlakte kan opnemen; het wordt gewoonlijk als beschouwd om een single-layer proces.

Een kenmerk van fysieke adsorptie is dat bijna alle geadsorbeerde molecules door evacuatie bij de zelfde temperatuur kunnen worden verwijderd waarbij de adsorptie voorkwam. Het Verwarmen versnelt desorptie omdat het aan de geadsorbeerde molecules de energie noodzakelijk dadelijk beschikbaar maakt om aan de adsorptieplaats te ontsnappen.

Een chemisch geadsorbeerde molecule is sterk verbindend aan de oppervlakte en kan niet zonder de toevloed van een vrij grote hoeveelheid energie ontsnappen in vergelijking met dat noodzakelijk om een fysisch verbindende molecule te bevrijden. Deze energie wordt verstrekt door hitte en de vaak zeer hoge temperaturen worden vereist om een oppervlakte van chemisch geadsorbeerde molecules schoon te maken.

Physisorption neigt om slechts bij temperaturen dichtbij of onder het kookpunt van adsorberend bij de heersende druk voor te komen. Dit is niet het geval met chemisorptie. De Chemisorptie kan gewoonlijk bij temperaturen goed boven het kookpunt van adsorberend plaatsvinden.

De Verhouding van Chemisorptie aan Katalyse

Een katalysator is een materiaal dat het tarief van een chemische reactie beïnvloedt. Een katalysator kan geen reactie veroorzaken die anders niet zou voorkomen; het kan slechts het tarief verhogen waaraan het evenwicht van reactiebenaderingen. De oppervlakte van een actief' metaal ` is samengesteld uit chemisorptieplaatsen. De Gesteunde katalysators zijn die op die de fijn verdeelde korrels van het actieve metaal op een steunmateriaal worden gedeporteerd. Die korrels die op de oppervlakte van de steun worden gevestigd zijn beschikbaar om met adsorberend te reageren.

Als het versnelde tarief van reactie aan een verhoogde concentratie van molecules aan de oppervlakte eenvoudig toe te schrijven was, kon de katalyse uit fysieke adsorptie van de reactanten voortvloeien. Dit is niet het geval; de chemisorptie is een essentiële stap, blijkbaar veranderend de reactant (de geadsorbeerde molecule) om het aan chemische reactie ontvankelijker te maken. De afhankelijkheid van katalyse bij het vormen van de actieve tussenpersonen van de oppervlakteband is één reden waarom de chemisorptie als analytische techniek in de studie van katalyse zo fundamenteel is.

De Stadia van een heterogeene katalytische reactiecyclus zijn:

  1. verspreiding (vervoer) van reactanten aan de oppervlakte van de katalysator
  2. de chemisorptie van de reacties van de reactantoppervlakte onder chemisorbed species
  3. bevrijding van producten van katalysators
  4. verspreiding van producten vanaf de oppervlakte van de katalysator toestaan recyclerend aan stap 1

Het Voorspellen van de efficiency van stappen 1 en 5 wordt geholpen door analytische technieken zoals fysieke porosimetry adsorptie en kwik, die de poreusheid van het katalysatorbed, katalysatormonoliet, of de individuele korrels van katalysatormateriaal kenmerken. Kenmerkend stappen 2, zijn 3, en 4 het domein van chemisorptieanalyses.

De Technieken en de Methodes van de Chemisorptie voor de Evaluatie van Katalysators

De analyses van de Chemisorptie kunnen worden toegepast om de relatieve efficiency van een katalysator in het bevorderen van een bepaalde reactie, of worden gebruikt om katalysatorvergiftiging te bestuderen en te bepalen in de controle van de degradatie van katalytische activiteit in tijd van gebruik. De Isothermische chemisorptieanalyses worden uitgevoerd door twee chemisorptietechnieken: a) statische volumetrische chemisorptie, en B) dynamische (stromend gas) chemisorptie. De volumetrische techniek is geschikt voor hoofdzakelijk het verkrijgen van een high-resolution meting van de chemisorptieisotherm uit zeer lage druk aan luchtdruk bij om het even welke temperatuur van dichtbij omringend aan 1000 oC of groter.

De chemisorptie van de Impuls, een stromende gastechniek, wordt typisch uitgevoerd bij omringende druk. Nadat de steekproef in een stroom van inert gas is schoongemaakt, worden de kleine hoeveelheden van een reactant ingespoten tot de steekproef wordt verzadigd. Een gekalibreerde warmtegeleidingsvermogendetector wordt (TCD) gebruikt om de hoeveelheid reactantmolecules te bepalen die door actieve plaatsen op elke injectie wordt opgenomen. De Aanvankelijke injecties kunnen zijn totaal chemisorbed; op verzadiging geen van de recentere injecties zal zijn chemisorbed, wijzend op verzadiging. Het aantal molecules van gas chemisorbed is direct verwant met de actieve oppervlakte van actief materiaal.

De hoeveelheid gas chemisorbed per gram van steekproef dat met de kennis van de stoichiometrie van de reactie wordt gecombineerd en de hoeveelheid van actief metaal die met steunmateriaal tijdens formulering van de katalysator wordt gemengd laat de verspreiding van het percentenmetaal toe om worden berekend. Dit kan een belangrijke indicator van de prestaties van de katalysator en een belangrijke economische maatregel van zijn hoe efficiënt het dure actieve metaal in een katalysatorproduct wordt aangewend.

De temperatuur-geprogrammeerde Desorptie (TPD), Temperatuur Programmeerde Vermindering (TPR) en temperatuur-Geprogrammeerde Oxydatie (TPO) is drie niet isothermische methodes om katalysators te kenmerken. De temperatuur-Geprogrammeerde desorptie typisch wendt geen vacuüm, betere het simuleren voorwaarden aan die in daadwerkelijke industriële toepassingen worden gevonden. In de analyse TPD, worden de materialen geplaatst in een steekproefcel en vooraf behandeld om de actieve oppervlakten schoon te maken. Daarna, zijn een geselecteerde gas of een damp chemisorbed op de actieve plaatsen tot de verzadiging wordt bereikt, waarna worden de resterende molecules uitgespoeld met een inert gas.

De Temperatuur (energie) wordt verhoogd aan een gecontroleerd tarief terwijl een constante stroom van inert gas over de steekproef wordt gehandhaafd. Het inerte gas en om het even welke gedesorbeerde molecules worden gecontroleerd door een warmtegeleidingsvermogendetector. Het signaal TCD is evenredig aan de hoeveelheid molecules die als thermische energie worden gedesorbeerd overwint de bindingsenergie. De Hoeveelheden die bij specifieke temperaturen worden gedesorbeerd verstrekken informatie over het aantal, de sterkte, en de ongelijksoortigheid van de chemisorptieplaatsen.

De temperatuur-Geprogrammeerde vermindering wordt hoofdzakelijk gebruikt om de reduceerbaarheid van species zoals metaaloxides te bestuderen die op een steun worden verspreid. Dit impliceert stromend een stroom van verdunde waterstof (of een andere verminderende agent) over de steekproef aangezien de steekproeftemperatuur wordt verhoogd. De verbruikte hoeveelheid waterstof en het temperatuurprofiel waaronder de vermindering plaatsvond worden gemeten. Een perceel van hoeveelheid waterstof die tegenover temperatuur wordt verbruikt kan één of meerdere pieken veroorzaken en de verkregen gegevens openbaren het aantal reduceerbare species in de steekproef, evenals hun activeringsenergieën.

De temperatuur-Geprogrammeerde oxydatie wordt uitgevoerd om de mate te onderzoeken waarin een katalysator kan worden opnieuw geoxydeerd. Gewoonlijk wordt de steekproef vooraf behandeld en de metaaloxides worden verminderd tot het onedele metaal. De steekproef wordt verwarmd aan een eenvormig tarief zoals het reactantgas, typisch 2% zuurstof, wordt toegepast op de steekproef in impulsen of, alternatief, als regelmatige stroom. De oxydatiereactie komt bij een specifieke temperatuur voor en het resulterende begrijpen van zuurstof wordt gekwantificeerd.

Oppervlakte-energie

Wanneer een stevige oppervlakte aan adsorberend wordt blootgesteld, zijn de energiekste plaatsen eerst bezet. De hitte van adsorptie bij een specifieke graad van oppervlaktedekking (lading) kan worden berekend gebruikend de vergelijking van Clausius- Clapeyron. Deze uitdrukking beschrijft de isosteric hitte van adsorptie in termen van druk, temperatuur, en de gasconstante en is bijzonder van toepassing op gegevens die door volumetrische adsorptietechnieken worden verkregen.

De isosteric hitte van adsorptie over een waaier van dekking kan uit adsorptie worden verkregen isosteres, die percelen van druk versus temperatuur bij een constant geadsorbeerd volume is. Isosteres worden gehaald uit een familie van isothermen die voor het zelfde materiaal bij verschillende temperaturen worden verkregen. De helling van een isostere die op logaritmische schaal (lnP versus 1/T) in kaart wordt gebrachtn verstrekt één gegevenspunt (qst, n), waar n de graad van dekking verbonden aan isostere vertegenwoordigt. Een perceel van gelijkaardige punten voor verschillende graden van dekking beschrijft de oppervlakte-energiedistributie als functie van dekking. Deze informatie helpt in het voorspellen van de activiteit van een katalysator naar een specifieke chemische reactie bij een specifieke temperatuur.

De energie van de Activering kan ook uit gegevens worden afgeleid die door de dynamische chemisorptietechniek worden verkregen, in het bijzonder TPD. Het proces is met deze methode in de tegenovergestelde richting zoals dat beschreven voor statische volumetrische techniek. In dit geval, wordt de hitte (energie) toegepast en, aangezien de temperatuurverhogingen, molecules in volgorde van het zwakste plakken worden bevrijd. De gedesorbeerde molecules worden weggeveegd en geen readsorption wordt toegestaan om voor te komen. Het tarief van verandering van oppervlaktedekking, of de lading, zijn verwant met het tarief van verandering in temperatuur.

Het tarief van eenvoudige moleculaire desorptie kan worden gemodelleerd gebruikend 1st ordekinetica algemeen uitgedrukt zoals - kq, waar k de tariefconstante is, vertegenwoordigt het negatieve teken dat op een vermindering van dekking met tijd, en q wijst de huidige graad van oppervlaktedekking.

Het tarief constant k kan in Arrhenius vorm, exp van A worden uitgedrukt (- E/RTA), waar EA de activeringsenergie voor desorptie is, is T absolute temperatuur, en R de gasconstante. A is genoemd geworden preexponential factor.

Het Combineren van de hierboven voorgestelde verhoudingen en de vergelijkingen brengt uiteindelijk een uitdrukking voor activeringsenergie in termen van op variabelen die door TPD analyses kunnen worden bepaald.

Samenvatting

De Chemisorptie is een fundamenteel proces in heterogeene katalyse. Het Begrip van het chemisorptieproces verbonden aan een katalysator en een reactant is zeer belangrijk aan het controleren van de samenstelling en de vervaardiging van katalysators en voor katalysatorevaluatie. Daarom temperatureprogrammed de analytische instrumenten geschikt om chemische en fysieke adsorptie en desorptieisothermen en die te meten geschikt om te analyseren reacties zijn krachtige hulpmiddelen in de studie van katalyse.

Dit artikel is een gecondenseerde versie van een uitvoerigere artikel met een adellijke titel „Chemische Adsorptie,“ als Analytische Techniek, beschikbaar op' website Micromeritics.

Het Bedrijf van het Instrument van Micromeritics

Bron: Het Bedrijf van het Instrument van Micromeritics.

Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve het Bedrijf van het Instrument Micromeritics.

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

Last Update: 11. September 2013 07:31

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit