固气表面上发生的吸附包括物理吸附和化学吸附两类吸附现象。二者之间的本质区别是气体分子与固体表面之间作用力的性质不同。
物理吸附(physisorption)是由范德华力(van der Waals 力)等物理力引起,它的性质类似于蒸汽的凝聚和气体的液化。
化学吸附(chemisorption)涉及化学成键,吸附质分子与吸附剂之间有电子的交换、转移或共有。
化学吸附分类
根据测试方法的不同,化学吸附又分为静态化学吸附和动态化学吸附。
动态化学吸附 | 静态化学吸附 |
动态化学吸附用于测量样品在流动的气氛下,温度程序升高过程中,气体流过样品后组分的变化。 | 静态化学吸附用于测量密闭空间内,固定温度下,样品对特定气体的吸附量。 |
用于表征材料中特定活性中心的强弱和多少。 | 用于表征吸附的能力。 |
一般程序升温。 | 一般是固定温度。 |
通过脉冲滴定测定表面活性面积、金属分散度等。 | 通过体积吸附量来计算表面活性面积、金属分散度等。 |
可以进行TPR、TPD、TPO测试。 | 无法进行TPR、TPD、TPO测试。 |
不需要真空泵、压力传感器等硬件。 | 必须配备真空泵、压力传感器等硬件。 |
核心部件是TCD传感器。 | 核心部件是真空泵、压力传感器。 |
吸附质气体
化学吸附与物理吸附最大的不同之处之一是,所使用的吸附质气体不同。物理吸附发生的是非选择性吸附,气体能吸附在材料的表面和孔道内,常用的吸附质气体是高纯氮气、高纯氩气等惰性气体。而化学吸附发生的是选择性吸附,常用的吸附质气体是H2、NH3、O2等特定气体。特定气体只能与材料中的特定吸附位点(上图中的介质位点)发生特定的化学键合。
动态化学吸附使用的气体通常是一定浓度的混气,并且根据发生的化学反应不同,使用的吸附质种类也不同。动态化学吸附实验一般包含以下几种。
TPR—程序升温还原
TPR:Temperature Programmed Reduction,程序升温还原。
用来表征材料表面氧化位点的还原性。测试完成后,金属氧化物会被还原成金属。通过得到的TPR曲线,能得到材料的还原温度。通常使用5%的氢气作为反应气,平衡气为氩气或者氮气,需要注意的是,对于氢气来说,不能使用氦气作为平衡气。除了氢气,一氧化碳也可以作为反应气进行TPR测试。
当使用氢气时,反应会生成水,为了避免水峰对数据产生干扰和保护TCD,需要使用冷阱对生成的水分进行收集。
TPO—程序升温氧化
TPO:Temperature Programmed Oxidation,程序升温氧化。
用来表征材料的氧化能力。测试过程中,持续的通氧气,检测随着温度的程序升高,样品氧化能力的变化。最终通过TPO曲线,得到样品的氧化温度。通常使用2%-5%的氧气作为反应气,平衡气为氦气。
TPD—程序升温脱附
TPD:Temperature Programmed Desorpion,程序升温脱附。
用来表征材料表面活性位点(酸性或碱性)的强弱。通常使用氨气和二氧化碳作为反应气,平衡气为氦气。当使用氨气时,检测的是材料的酸性位点的强弱,当使用二氧化碳时,检测的是碱性位点的强弱。测试流程通常是,预先让样品吸附饱和氨气或二氧化碳,然后将气体切换成氦气,经过一定时间的吹扫,将表面残留的反应气和弱吸附的气体吹扫干净,然后程序升温,检测发生强吸附的位点的程序升温脱附情况。通过测试,能得到样品的脱附温度,通过温度的高低,能分辨出位点的酸性或碱性的强弱。
以上,是动态化学吸附的几种定性测试的实验种类。除了定性测试,化学吸附还可以做定量测试,这部分内容我们下次进行分享。
以下是华璞的两款化学吸附仪,CM8310(单站化学吸附仪)和CM8320(双站化学吸附仪),均可以实现上文中提到的测试。欢迎有兴趣的老师跟我们联系咨询。
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