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會(huì)計(jì)學(xué)1催化化學(xué)英文催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)技術(shù)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)技術(shù)建立反應(yīng)速率和操作條件參數(shù)間的定量關(guān)系,提出正確的反應(yīng)機(jī)理,預(yù)測反應(yīng)條件時(shí)的速率變化。LHHW型:吸附---表面反應(yīng)---脫附穩(wěn)態(tài)同位素瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)--SSITKA一個(gè)或多個(gè)快速變化的狀態(tài)變量引如系統(tǒng)并跟蹤發(fā)生的系統(tǒng)變化。溫度----程序升溫技術(shù)同位素示蹤產(chǎn)物瞬時(shí)分析技術(shù)(TPA)瞬變應(yīng)答技術(shù)(TransientResponse)光譜跟蹤技術(shù)第1頁/共35頁MonitoringofReactions
MidInfraredSpectroscopy
TheideaisthatthecharacteristicpeakforeachcompoundthatisIRactivechangeswithtimeandthischangecanthenbeusedtofollowthereaction
第2頁/共35頁NearInfraredSpectroscopy
OneproblemwithNIRisthatcompoundsoftendonotexhibithighlycharacteristicpeaks,andoftenthechangesaremoresubtleandinsmallregionsofthespectrum
第3頁/共35頁UV/visspectroscopy第4頁/共35頁Ramanspectroscopy
Ramanspectroscopyprobeshavebecomefashionable.ThistechniqueisanalternativetoMIR,buttherelativeintensitiesofbandsdifferinthetwotechniques,however,manyofthesamemethodscanbeemployedtoanalysethedata.第5頁/共35頁SummaryofmaindataanalysistechniquesThefollowingdataanalyticaltechniquesaremostcommonfortheanalysisofon-linespectroscopicdatafromreactionsusingdifferentspectroscopies.MIRandRaman.Generallyconventionalkineticcurvefittingofpeakareas,butsomedeconvolutionnecessaryifoverlappingpeaks.NIR.UsuallymultivariatecalibrationsuchasPLSandanumberofrelatedclassicalchemometricsmethods.EAS.DeconvolutionusingMLR(multiplelinearregression)andpurestandards,plusmultivariatecalibration.Ofcourselifeisneversosimpleandsomequitesophisticatedapproacheshavebeendevelopedinrecentyearstoextractmoreinformationfromthesehighlyinformativebutsophisticateddatamatricesaswillbediscussedinthenextarticle.
第6頁/共35頁Itisofinteresttoconsiderthewaysinwhichthepresenceofzirconiaeitherasasupportoranadditiveenhancestherateofmethanolsynthesis.zirconiapromotestherateofmethanolformationoccurringonthesurfaceofCu,oralternativelyCupromotesthesynthesisofmethanoloverzirconia.Whichofthesetwooptionsoffersthemostplausibleexplanation.In-SituInfraredStudyofMethanolSynthesisfromH2/CO2overCu/SiO2andCu/ZrO2/SiO2IanA.FisherandAlexisT.Bell,JOURNALOFCATALYSIS172,222–237(1997)第7頁/共35頁InfraredspectratakenduringexposureofCu/SiO2to0.16MPaCO2and0.49MPaH2.第8頁/共35頁InfraredspectratakenforCu/SiO2at523Kafterswitchingthefeedfrom0.65MPaH2to0.16MPaCO2and0.49MPaH2at523K.第9頁/共35頁TemporalResolutionofSurfaceSpeciesTransientspectrawereobtainedafterswitchingthefeedfromH2to3/1H2/CO2atatotalpressureof0.65MPawhilemaintainingthetemperatureoftheCu/SiO2catalystat523K.TheresultsareshowninFig.3.b-HCOO–Cu(2927,2849,1540,1350cm°1),andweakfeaturesforadsorbedCOonCu(2128,2094,2077cm°1,notshown)formimmediatelyuponswitchingandtheintensitiesofthebandsforthesespeciesremainrelativelyconstantduringthe22.6htransient.At2.7minintothetransient,apeakat2959cm°1beginstogrowinandincreasesinintensityduringtheremainderofthetransient.ThisfeatureisascribabletoCH3O–Siandthecompanionpeakat2856cm°1isevidencedbytheasymmetryofthepeakat2849cm°1(shoulderontheleft).CH3O–Siisalsoevidencedbytheshoulderat2994cm°1andthebendingmodeobservableat1464cm°1atlongertimes.ThesefeaturesforCH3O–SihavebeenobservedduringmethanoladsorptiononCu/SiO2.第10頁/共35頁InfraredspectratakenduringexposureofZrO2/SiO2to0.16MPaCO2and0.49MPaH2第11頁/共35頁Theprincipalfeaturesat323Karethoseforb-HCO3–Zr(1619cm°1)andi-CO3–Zr(1442cm°1).Asmallamountofm-CO3–Zr(1382cm°1)andb-CO3–Zr(1351cm°1(sh))arealsopresent.Asthetemperatureisincreased,theconcentrationsofb-HCO3–Zrandi-CO3–Zrdecreaseandbandsappearthatarecharacteristicofb-HCOO–Zr(2974,2892,1565,1386,1369cm°1).At523Kbandsappearat2942,2842,and1463cm°1whichareattributabletomethoxidespeciesonzirconia(CH3O–Zr)region(notshown),peaksforCOonCu(2131,2094,2077cm°1)arepresentat323K.Thepeakat2131cm°1isgoneat373K,whilethoseat2077and2094cm°1arepresentatalltemperatures,butdecreaseinintensitywithtemperature.第12頁/共35頁InfraredspectratakenduringexposureofCu/ZrO2/SiO2to0.16MPaCO2and0.49MPaH2第13頁/共35頁At323Kthespectrumiscomprisedoffeaturesattributabletob-HCO3–Zr(1606,1465cm°1),m-CO3–Zr(1490,1383cm°1),b-CO3–Zr(1576cm°1),andweakfeaturesforb-HCOO–Zr(2980,2897,1568,1390,and1370cm°1).Inthetemperatureintervalof373–523Kb-HCOO–Zr(2980,2897,1568,1389,and1370cm°1)becomesthedominantspecies.Withincreasingtemperaturetheintensitiesofthebandsforthisspeciespassthroughamaximumat423K.At373Knewfeaturesappearat2966and2861cm°1duetobidentatemethylenebisoxyonzirconia(b-CH2OO–Zr)(45,47–50),andat2944and2846cm°1duetoCH3O–Zr.At473Kbandsappearat2957and2856cm°1duetoCH3O–Si.At523K,thefeaturesforb-CH2OO–Zrarenotreadilyapparent.第14頁/共35頁Itisevidentthattheformationofb-HCOO–ZrandCH3O–ZraresignificantlyfasterinthepresenceofCu.第15頁/共35頁Intensitiesofb-HCOO–ZrandCH3O–ZrfeaturesformateandmethoxidedecayoccursmuchmorereadilyonthecoppercontainingcatalystandthatmethoxidedecaysonlyextremelyslowlyonZrO2/SiO2.第16頁/共35頁P(yáng)roposedmechanism.CO2isadsorbedonZrO2andthenundergoesstepwisehydrogenationtoformate,ethylenebisoxy,andmethoxidespecies,withatomichydrogenbeingsuppliedbyspilloverfromCu.ThefinalstepinthissequenceisthehydrolysisofthemethoxidegroupsonZrO2viareactionwithwaterproducedasaco-productofmethanolsynthesisandthereverse-water–gas-shiftreaction.ThelatterreactionisthoughttooccurexclusivelyonCuandisnotenhancedsignificantlybythepresenceofZrO2.第17頁/共35頁標(biāo)記同位素方法同位素質(zhì)子數(shù)相等但中子數(shù)不等---電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)不變動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)反應(yīng)機(jī)理H和D在振動(dòng)頻率和穿越活化勢壘的差異穩(wěn)定性同位素放射性同位素13C,18O,15N,D14C,35S等等第18頁/共35頁穩(wěn)定性同位素標(biāo)記物的分析原子質(zhì)量數(shù)的差異伸縮振動(dòng)頻率的紅移核自旋量子數(shù)不為零MSIRNMR第19頁/共35頁標(biāo)記同位素方法研究反應(yīng)機(jī)理丙烯歧化反應(yīng)2C=C*-C→C-C*-C-C-C*-C
→C=C*+C-C=C*-CCH2=14CH-CH32C=C*-CC-C*-CC-C*-C→→C=C+C-C*=C*-CRe2O7/Al2O3第20頁/共35頁標(biāo)記同位素方法研究反應(yīng)機(jī)理CO+H2合成甲醇的反應(yīng)機(jī)理Rh/TiO2CO→C+OadCHn+Had
→CH(n+1)adCH3ad+OHad
→CH3OHH2
→2HadHad+Oad
→OHadCO→COadCOHn+Had
→COH(n+1)adCOH3ad+Had
→CH3OHH2
→2HadCO離解的反應(yīng)機(jī)理CO非離解的反應(yīng)機(jī)理第21頁/共35頁標(biāo)記同位素方法研究反應(yīng)機(jī)理CO+H2合成甲醇的反應(yīng)機(jī)理Rh/TiO23234Massnumber33Molefraction/%13CH316OHProducts50%13CO+50%14COasC18OsourceCO非離解的反應(yīng)機(jī)理12CH316OH13CH318OH12CH318OH35154442CO離解的反應(yīng)機(jī)理產(chǎn)物的分布各25%第22頁/共35頁標(biāo)記同位素方法研究反應(yīng)機(jī)理丙烯氧化的反應(yīng)機(jī)理CH3-CH=CH2+O2
→CH2=CH-CHOH2C
CHCH2HCH2D-C-H=CH2CH3-CH=CHDCD3-CD=CD2CH3-CH=CH2RDSH14CH3-CH=CH214CH2=CH-CH350%CH2=14CH-CH30%H&DkineticeffectCarbonIsotopicTracer第23頁/共35頁18CH2=CH-CH16OCH2=CH-CH18OConvincingevidentfortheinvolvingofLatticeOxygenSelectiveOxidationofpropylenetoAcroleinOxygenactivationTOS第24頁/共35頁Steady-StateIsotopic-TransientKineticAnalysis---SSITKAS.L.Shannonetal.,Chem,Rev.,95(1995)677-695-------穩(wěn)態(tài)同位素瞬變動(dòng)力學(xué)同位素示蹤技術(shù)瞬變動(dòng)力學(xué)技術(shù)IR技術(shù)根據(jù)產(chǎn)物分布推測中間物種直接觀察催化劑表面吸附物種的變化吸附,基元反應(yīng),脫附MS和IR檢測技術(shù)的結(jié)合提供更深入的反應(yīng)信息第25頁/共35頁TypicalReactionSystemforSSITKAExperimentalGasFeedSystemReactionSystemProductAnalysisIRcell第26頁/共35頁穩(wěn)態(tài)同位素瞬變技術(shù)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測定反應(yīng)穩(wěn)態(tài)反應(yīng)體系的流速,壓力,溫度,催化劑表面狀態(tài)以及反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度不隨時(shí)間發(fā)生變化。同位素瞬變?cè)诜磻?yīng)穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行反應(yīng)物A和其同位素A*的理想切換或脈沖,但仍然保持體系的穩(wěn)定。瞬變響應(yīng)信息反應(yīng)物在催化劑表面的吸附和反應(yīng)導(dǎo)致了同位素A*的瞬變響應(yīng)和惰性失蹤劑的瞬變響應(yīng)的差別。第27頁/共35頁表面中間物種的量和壽命A→*AP→*P瞬變響應(yīng)曲線的積分求得表面物種的停留時(shí)間Typicalnormalizedstep-inputtransientresponsesfromAto*A/He反應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),產(chǎn)物P的生成速率可以根據(jù)流量和含量直接獲得,除以停留時(shí)間即得到中間物種的表面濃度?;瘜W(xué)吸附法確定的表面暴露的原子總數(shù)表面中間物種的覆蓋度第28頁/共35頁推測催化劑表面反應(yīng)機(jī)理Productresponsesof*COpulseintoaCOgasflowduringC2H4hydroformylation對(duì)生成產(chǎn)物P的中間產(chǎn)物停
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