青浦区行业应用 | 催化剂评价整体解决方案

催化剂是一种物质，它通过基元反应步骤的不间断地重复循环，将反应物转变为产物，在循环的终步骤催化剂再生为其原始状态。更简单地说：“催化剂是一种加速化学反应而在其过程中自身不被消耗的物质。”许多种类的物质都可用来作催化剂，如金属、金属氧化物、有机金属络合物及酶。催化技术已成为调控化学反应速率与方向的核心科学。

对催化作用本质的认识，首先是研究催化剂活性中心/活性相，即解开所谓“黑匣子”的秘密；研讨其大小、形貌、组成、组成之间的相互作用同催化性能的关联，特别是利用各种现代物理化学手段在原子、分子层次在实时、实空间的获取基本信息加以研究。

1925年H.S.Taylor提出活性中心概念，它意味着催化作用“部位”并不是催化剂的整个表面，而是催化剂的某些特定“部位”，即活性中心/活性相。

程序升温脱附法（Temperature Programmed Desorption，TPD）,就是把预先吸附了某种气体分子的催化剂，在程序加热升温下，通过稳定流速的气体（通常用惰性气体，如He气），使吸附在催化剂表面上的分子在一定温度下脱附出来，随着温度升高而脱附速度增大，经过一个高值后而脱附完毕。对脱附出来的气体，可以用热导检测器检测出浓度随温度变化的关系，得到TPD曲线。脱附出来的碱性气体用酸吸收，通过滴定的办法可以求得消耗的酸量，从而得到催化剂的总酸量。也可通过化学吸附仪自动完成滴定步骤，直接获得准确的脱附量。

TPR(Temperature-ProgrammedReduction)是在 TPD基础上发展起来的。它可以提供负载型金属催化剂在还原过程中，金属氧化物彼此之间或金属氧化物与载体之间相互作用的信息。方法和原理如下:一种纯的金属氧化物具有特定的还原温度，可以利用此还原温度来表征该氧化物的性质。如果氧化物中引进另一种氧化物，两种氧化物混合在一起。如果在TPR过程中每一种氧化物保持自身还原温度不变，则彼此没有发生作用。

反之，如果两种氧化发生了固相反应的相互作用，氧化物的性质发生了变化，则原来的还原温度也要发生变化。用TPR技术可以记录到这种变化。所以TPR是研究负载型催化剂中，金属氧化物与金属氧化物之间以及金属氧化物与载体之间相互作用的有效方法。

在烃类反应中，烃被还原为碳单质沉积在催化剂表面上，这种沉积下来的碳单质被称作积炭。由于积炭，导致催化剂活性衰减。因此研究积炭的动力学和反应机理，对于减少积炭的发生，延长催化剂寿命具有重要意义。对于单晶表面积炭机理的研究，已经提出了有关模型。但对常用的催化剂来说，由于载体的作用使金属表面结构和积炭关系更为复杂。TPO(Temperature Programmed0xidization)是研究催化剂积炭并与反应性能关联的一种较灵敏的方法。

固体表面酸性位一般可看作是氧化物催化剂表面的活性位。在众多催化反应如催化裂化、异构化、聚合等反应中烃类分子与表面酸性位相互作用形成正碳离子，该正碳离子是反应的中间物种。正碳离子理论可以成功解释烃类在酸性表面上的反应，也对酸性位的存在提供了有力证明。

为了表征固体酸催化剂的性质，需要测定表面酸性位的类型(Lewis酸，Bronsted酸)、强度和酸量。测定表面酸性的方法很多，如碱滴定法、碱性气体吸附法、热差法等，但这些方法都不能区分L酸和B酸部位。AMI-300IR原位红外&程序升温化学吸附仪用来研究固体催化剂表面酸性，它可以有效区分L酸和B酸，在该方法中，常用碱性吸附质如氨、吡啶、三甲基胺、正丁胺等来表征酸性位，其中应用比较广泛的是吡啶和氨。