原位紅外光譜技術(shù)在催化反應(yīng)中的應(yīng)用

監(jiān)測催化劑表面變化

原位紅外光譜技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測催化劑表面的變化，從而了解反應(yīng)機(jī)理和提高催化性能。在催化反應(yīng)中，催化劑對(duì)反應(yīng)體系的一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)物分子起到活化、激發(fā)、轉(zhuǎn)化的作用。使用原位紅外光譜技術(shù)，可以從催化劑表面反應(yīng)物的變化中獲得重要信息，進(jìn)而更好地研究催化反應(yīng)機(jī)制以及其他因素的影響。

研究催化反應(yīng)中間體

通過原位紅外光譜技術(shù)，可以觀測到催化反應(yīng)過程中的中間體，這對(duì)于理解催化反應(yīng)的機(jī)理至關(guān)重要。例如，在二氧化碳還原反應(yīng)（CO2RR）中，原位紅外光譜技術(shù)可以觀測到催化劑表面CO2化學(xué)吸附過程中的吸收峰，從而明確反應(yīng)中的中間體和活性位點(diǎn)。此外，該技術(shù)還可以用于研究其他催化反應(yīng)中的中間體，如甲醇、甲酸、乙醇等小分子的電催化氧化反應(yīng)中的中間體。

優(yōu)化催化劑設(shè)計(jì)

原位紅外光譜技術(shù)還可以用于優(yōu)化催化劑的設(shè)計(jì)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測催化劑的活性變化，可以了解催化劑在反應(yīng)過程中的穩(wěn)定性和活性變化，從而優(yōu)化催化劑的制備工藝和設(shè)計(jì)。例如，在甲烷直接氧化為甲醇的反應(yīng)中，通過設(shè)計(jì)超薄的PdxAuy納米片，并利用原位紅外光譜技術(shù)監(jiān)測反應(yīng)過程中催化劑表面的變化，發(fā)現(xiàn)催化劑表面上羥基自由基的吸附強(qiáng)度與催化性能呈現(xiàn)火山型關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化催化劑設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

應(yīng)用實(shí)例

電催化二氧化碳還原：通過原位紅外光譜技術(shù)，可以研究電催化劑在二氧化碳還原反應(yīng)中的活性位點(diǎn)、反應(yīng)路徑以及中間體等。例如，利用原位ATR-SEIRAS技術(shù)，可以觀察到催化劑上中間體的形成過程，如CO32-、活化的CO2分子（*CO2-）以及HCO3-基團(tuán)等。這些發(fā)現(xiàn)有助于理解二氧化碳還原反應(yīng)的機(jī)理，并優(yōu)化電催化劑的設(shè)計(jì)。

熱催化甲烷氧化：在熱催化甲烷氧化為甲醇的反應(yīng)中，原位紅外光譜技術(shù)可以監(jiān)測反應(yīng)過程中催化劑表面的變化以及中間體的生成。例如，通過原位DRIFTS技術(shù)，可以觀察到甲烷、氧氣和氫氣在催化劑表面的吸附狀態(tài)以及反應(yīng)過程中生成的中間產(chǎn)物如CH3、OCH3等。這些發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)、提高甲醇產(chǎn)率和選擇性提供了重要依據(jù)。

技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢

實(shí)時(shí)監(jiān)測：原位紅外光譜技術(shù)能夠在反應(yīng)過程中對(duì)催化劑表面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，捕捉到反應(yīng)過程中的關(guān)鍵信息。

高靈敏度與分辨率：紅外光譜技術(shù)具有較高的靈敏度和分辨率，能夠準(zhǔn)確識(shí)別催化劑表面的化學(xué)物種和反應(yīng)中間體。

非破壞性：該技術(shù)對(duì)催化劑表面無破壞性影響，可以在不影響催化反應(yīng)的情況下進(jìn)行監(jiān)測。

綜上所述，原位紅外光譜技術(shù)在催化反應(yīng)中具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的研究價(jià)值。通過該技術(shù)的研究和應(yīng)用，可以深入了解催化反應(yīng)的機(jī)理和動(dòng)力學(xué)過程，優(yōu)化催化劑的設(shè)計(jì)和制備工藝，為催化科學(xué)的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。