化学吸附和催化剂动态分析方法
测定Ni催化剂金属分散度的分析方法比较
测定Ni催化剂金属分散度的分析方法比较柳颖【摘要】分别采用动态脉冲H2化学吸附、静态H2化学吸附、H2-O2滴定法和H2-程序升温脱附(H2-TPD)法测定了Ni催化剂的金属分散度,探讨了不同测试方法、不同测试条件对金属分散度测定的影响.结果表明,动态脉冲H2化学吸附、静态H2化学吸附这两种测量方法比较适合Ni催化剂金属催化剂的测定,重复性较好.而H2-O2滴定法和H2-TPD法实验偏差相对较大,H2-O2滴定法只有在一定的测试条件进行才能保证测试结果的真实性.【期刊名称】《分析仪器》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】5页(P117-121)【关键词】金属分散度;化学吸附;Ni催化剂;测试条件【作者】柳颖【作者单位】中国石油化工股份有限公司北京化工研究院分析研究所,北京100013【正文语种】中文金属分散度是催化剂重要的表面性质之一，Ni基催化剂是广泛应用在化工生产过程中的工业催化剂。
Ni基催化剂的金属分散度是其表面活性Ni金属原子数与催化剂上总Ni金属原子数之比。
测定金属分散度最普及的方法是化学吸附法[1]。
科学家们上世纪就开始采用各种方法[2，3]对负载型催化剂进行金属分散度的测定，对不同的测试方法进行比较[4-5]，研究了吸附的探针分子和金属的对应关系[6]。
不同测试条件对金属负载催化剂分散度的测定影响也较大[7-12]，但是没有系统研究这几种不同的测试方法对金属分散度测定值的影响，对不同催化剂适合的测试方法及相应方法的实验条件优化研究的不够系统和深入。
本实验采用动态脉冲H2化学吸附、静态H2化学吸附、H2-O2滴定法和H2-程序升温脱附(H2-TPD)的方法测定了Ni催化剂的金属分散度，研究了测试条件和不同测试方法对测试得到的Ni金属分散度的影响。
1 实验部分1.1 样品和仪器1.1.1 样品Ni负载催化剂1.1.2 仪器美国MICROMERITICS的全自动物化吸附分析仪(ASAP2020M+C)；美国MICROMERITICS公司的全自动化学吸附仪(Autochem 2920)。
氨气TPD操作流程及定量计算
氨气TPD操作流程及定量计算
化学吸附仪指的是利用动态（流动的气体）分析技术，了解多相催化反应机理，是针对于静态化学吸附仪而言的。
吸附法具有设备简单、操作简便、分析时间短、脉冲重复性好、灵敏度和准确性高等优点。
动态法所测得的数据虽然不如静态法准确，但和静态法结果相当一致，尤其是该方法可以在接近反应温度的条件下做吸附实验而不用担心吸附质会发生分解。
那么什么是动态法化学吸附仪的定性定量分析，我们以NH3-TPD实验测量催化剂的酸度为例说明：就是对研究对象进行“质”的方面的分析。
即研究该催化剂有几个酸性中心，都是哪些酸性中心。
而动态化学吸附法的定量分析是指得到一克该催化剂的总酸量具体是多少mmol。
动态法化学吸附仪测试酸催化剂的总酸量的一般流程：
1、样品预处理，通入惰性气体在一定温度下对样品进行吹扫后降到室温
2、氨气吸附（通常为室温或100℃下吸附），使样品对NH3吸附达到饱和
3、吹扫，除去样品表面与NH3发生的物理吸附
4、程序升温脱附，脱附出来的氨气用一定浓度的酸溶液吸收，再用一定浓度的碱溶液滴定，
通过消耗掉的碱溶液体积计算样品的酸量
彼奥德PCA-1200动态法化学吸附仪，软件可直观显示每个操作流程，界面可显示时间，温度和信号输出，实现对反应的实时监控。
可实现TPD、TPO、TPR、TPS、脉冲滴定、储氧量分析、比表面积测定，对催化剂性能的定性定量分析。
吸附动力学及动态学
实验步骤与实验方法
01
实验步骤
02
1. 选择合适的吸附剂和吸附质，进行预处理；
2. 配置不同浓度的吸附质溶液；
03
实验步骤与实验方法
01
实验步骤
02
1. 选择合适的吸附剂和吸附质，进行预处理；
2. 配置不同浓度的吸附质溶液；
03
实验步骤与实验方法
3. 在恒温条件下进行吸附实验，记录吸附量随时 间的变化；
扩散系数
描述分子在溶液中扩散快慢的常数， 影响吸附速率。
03
02
吸附速率常数
描述吸附速率快慢的常数，与扩散 系数、反应速率常数等有关。
反应速率常数
描述化学反应快慢的常数，影响化 学反应控制模型的吸附速率。
04
吸附动力学模型的参数
01
平衡吸附量
在一定温度和压力下，吸附剂达到 吸附平衡时的吸附量。
扩散系数
吸附动态学在各领域的应用
环境科学
吸附动态学在环境科学领域中广泛应用于处理和治理环境污染问题。例如，通过研究土壤、水体和空气中的污染物在 吸附剂表面的动态行为，可以有效地去除和降低污染物的浓度。
能源科学
在能源科学领域，吸附动态学可用于研究和开发高效、低成本的储氢材料和二氧化碳捕获技术。通过了解吸附剂对氢 气和二氧化碳的动态吸附特性，可以优化材料的结构和制备方法，提高储氢和二氧化碳捕获的性能。
物理吸附
物理吸附是指分子间的范德华力 作用，吸附力较弱，吸附速率较 快。
化学吸附
02
03
动态吸附
化学吸附是指吸附剂与被吸附物 之间通过化学键结合，吸附力较 强，吸附速率较慢。
动态吸附是指吸附剂在动态条件 下的吸附行为，如流化床、固定 床等反应器中的吸附过程。
《吸附与催化》课件
吸附剂与催化剂的比较
作用机制
吸附剂主要通过物理作 用力吸附物质，而催化 剂则是通过参与化学反 应来加速反应速率。
选择性
吸附剂通常对吸附物有 选择性，而催化剂则对 反应物和产物有一定的 选择性。
再生性
一些吸附剂经过处理后 可以重复使用，而催化 剂在反应过程中可能会 失去活性，需要再生或 更换。
PART 05
能源领域的应用
在能源领域，如燃料电池、太阳能电池等，吸附与催化作用的应用 有助于提高能源转化效率和降低能耗。
环境治理
吸附与催化在环境治理方面发挥重要作用，如污水处理、废气处理 等，能够有效降低污染物排放和改善环境质量。
PART 04
吸附剂与催化剂的实例
常见吸附剂
活性炭
由于其丰富的孔结构和较大的比表面积，活性炭 被广泛用于气体和液体的吸附。
催化类型
均相催化
01
催化剂与反应物同处于一相，通常为液相，如硫酸、氯化铁等
。
多相催化
02
催化剂为固相，反应物为气相或液相，如汽车尾气催化剂、石
油裂化催化剂等。
酶催化
03
酶作为物
体内的化学反应。
催化原理
降低反应活化能
催化剂能够降低化学反应所需的活化能，使反应更加容易进行。
吸附与催化的未来发展
吸附技术的研究进展
吸附技术的新材料
随着科技的发展，新型吸附材料如活 性炭、分子筛、金属有机骨架等不断 涌现，具有更高的吸附性能和更广泛 的吸附范围。
吸附技术的环境应用
吸附技术在水处理、空气净化、有毒 有害物质的去除等方面表现出巨大潜 力，为环境保护和可持续发展提供有 力支持。
催化技术的研究进展
选择性催化
2014年催化化学与研究方法教学大纲-中国科学院大连化学物理研究所
催化化学和研究方法教学大纲1.课程编号：2.课程类型：学位课3.课程性质：专业课（适用物理化学、工业催化学科）4.学时/学分：80/35.预修课程：6.教学目的与要求：催化化学和研究方法为物理化学专业研究生的专业课，也可作为催化、材料等相关专业研究生的选修课程，本课程着眼于基础原理，结合应用实际，系统阐述了催化化学研究方法的适用性及局限性。
涵盖了催化剂宏观表征、X射线衍射、热分析、分子光谱、核磁共振和分析电镜等十种最通用、最基本的催化剂研究方法。
催化化学部分则以对催化活性中心认识为主线，结合催化剂制备，系统地介绍了：合成氨、三大合成、石油炼制、天然气化学、煤化工等领域的科学问题和最新进展。
通过本课程的学习，使学生在催化和料领域拥有扎实的基础知识，提高其独立从事科研工作的能力7.教学方式：课堂讲授为主8.考核方式：闭卷、考试9.内容提要:第1章“物理吸附和催化剂的宏观物性测定”物理吸附的基础、催化剂的颗粒分析、催化剂的机械强度测定、比表面（BET）和孔结构的表征、催化剂扩散系数测定。
第2章“热分析方法”热分析的定义和分类、几种常用热分析技术：TG.、TDA、TDS…、热分析在催化研究中的应用。
第3章“多相X—射线衍射”晶体对X—射线的衍射基本原理、衍射数据的收集、物相分析、定量相分析、平均粒度的测定：（衍射峰宽化法；小角度衍射）、非完整晶体中晶格畸变和体平均厚度的测定、层状化合物的X—射线衍射、径向分布函数（RDF）、多晶X—射线衍射全图拟合结构参数的修正、在催化剂研究中的应用实例。
第4章“分析电子显微镜”简介；透射电镜、扫描电镜和超高分辨率分析电镜的基本原理和技术；电子束和物质相互作用：衍射、散射原理——Bragg方程；衍射几何：高分辨像、倒易点阵、指数标定、长周期结构、孪晶；衍射衬度：明场像、暗场像、衬度像；EDS，EELS原理和应用（组成分析）；选区电子衍射；在高分辨电镜研究中的制样技术和应用实例及其局限性。
化学吸附仪在催化剂研制过程中的应用
第33卷第11期辽 宁 化 工V ol.33,N o.11 2004年11月Liaoning Chemical Industry N ovember,2004化学吸附仪在催化剂研制过程中的应用杨春雁,张喜文,凌凤香(中石化抚顺石油化工研究院,辽宁抚顺113001)摘 要: 化学吸附仪具有多种表征功能,能够对新鲜催化剂进行TPD、TPR、TPS、TPSR、单点BET等研究,也可对失活催化剂、干燥催化剂进行TPO研究。
利用化学吸附仪中的脉冲吸附技术还可对催化剂的酸性、表面金属分散度、金属与载体的相互作用等进行研究。
这些分析方法的使用,在催化剂研制过程中起着至关重要的作用。
关 键 词: 化学吸附仪;TPD;TPR;TPO;TPS;TPRS;脉冲吸附中图分类号: T Q051.8+6 文献标识码: A 文章编号: 10040935(2004)11064504 催化剂是炼油和化工技术的核心,研制高性能的催化剂,对石化行业提高经济效益和产品质量,以及适应日益激烈的国际竞争和日益提高的环保标准具有举足轻重的意义。
为了阐明催化剂在催化过程中的作用本质及反应分子与其作用的机理,必须对催化剂的吸附性质(吸附中心的结构、吸附分子在吸附中心上的吸附等)和催化性能进行深入研究,这样才能捕捉到决定催化过程的信息。
动态分析技术(程序升温技术)作为一种原位表征技术,可以在反应或接近反应的条件下有效的研究催化过程,而化学吸附仪是一款用于动态程序升温研究的重要仪器,它能够对新鲜催化剂进行程序升温脱附(TPD)、程序升温还原(TPR)、程序升温硫化(TPS)、程序升温表面反应( TPSR)和单点BET等研究,也可对失活催化剂、干燥催化剂进行程序升温氧化(TPO)研究。
利用化学吸附仪的脉冲吸附技术还可对催化剂的酸度、酸分布、活性金属分散度、金属与载体的相互作用等进行研究[1]。
化学吸附仪可以分为常压和高压两种类型,其中高压化学吸附仪可以更加精确的反映实际的反应条件,而常压化学吸附仪则具有维护简单、操作简便、耗时短等优点。
吸附(物理吸附与化学吸附)在催化中的应用
物理吸附与化学吸附在催化中的应用摘要：吸附过程与催化作用在国民经济和环境保护方面具有重要意义。
他们是化学工业，石油炼制以及国民经济其他领域最活跃的研究课题之一。
这两个领域涉及到的都是表面现象，使用的都是多孔固体。
吸附是催化反应得以发展的最关键步骤之一，通过它揭示催化本质和研究催化性质越来越受到人们的重视，因此许多在线原位动态测量技术得以快速发展。
关键词：物理化学吸附表征测定孔结构气体探针1. 吸附现象吸附：当流体与多孔固体接触时, 流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄, 此现象称为吸附。
吸附也指物质（主要是固体物质）表面吸住周围介质（液体或气体）中的分子或离子现象[1,2]。
实际上，人们很早就发现并利用了吸附现象，如生活中用木炭脱湿和除臭等。
随着新型吸附剂的开发及吸附分离工艺条件等方面的研究，吸附分离过程显示出节能、产品纯度高、可除去痕量物质、操作温度低等突出特点，使这一过程在化工、医药、食品、轻工、环保等行业得到了广泛的应用，例如：（1）气体或液体的脱水及深度干燥，如将乙烯气体中的水分脱到痕量，再聚合。
（2）气体或溶液的脱臭、脱色及溶剂蒸气的回收，如在喷漆工业中，常有大量的有机溶剂逸出，采用活性炭处理排放的气体，既减少环境的污染，又可回收有价值的溶剂。
（3）气体中痕量物质的吸附分离，如纯氮、纯氧的制取。
（4）分离某些精馏难以分离的物系，如烷烃、烯烃、芳香烃馏分的分离。
（5）废气和废水的处理，如从高炉废气中回收一氧化碳和二氧化碳，从炼厂废水中脱除酚等有害物质。
1.1吸附吸附属于一种传质过程，物质内部的分子和周围分子有互相吸引的引力，但物质表面的分子，其中相对物质外部的作用力没有充分发挥，所以液体或固体物质的表面可以吸附其他的液体或气体，尤其是表面面积很大的情况下，这种吸附力能产生很大的作用，所以工业上经常利用大面积的物质进行吸附，如活性炭、水膜等。
当液体或气体混合物与吸附剂长时间充分接触后，系统达到平衡，吸附质的平衡吸附量（单位质量吸附剂在达到吸附平衡时所吸附的吸附质量），首先取决于吸附剂的化学组成和物理结构，同时与系统的温度和压力以及该组分和其他组分的浓度或分压有关。
化学技术中催化剂活性的定量测试方法
化学技术中催化剂活性的定量测试方法化学技术发展至今，催化剂在各个领域中扮演着重要角色。
催化剂的活性是评价其性能和效果的重要指标之一，因此如何准确地测试催化剂的活性，一直是化学研究领域的热门话题。
本文将介绍一些常见的化学技术中催化剂活性的定量测试方法，希望能为读者提供一些参考。
一、化学反应速率法化学反应速率法是一种常见的测试催化剂活性的方法。
该方法通过测量反应物消失速率或生成物的增加速率来确定催化剂的活性。
在进行测试时，需要根据具体反应的特点选择合适的反应物和测量方法。
例如，在催化剂活性测试中，常用的方法有活性炭吸附甲烷气相催化裂化反应和铂催化醇氧化反应等。
二、吸附测定法催化剂表面的吸附性质与其活性密切相关。
吸附测定法是一种有效的测试催化剂活性的方法之一。
该方法利用催化剂表面对特定物质的吸附特性进行测量，来评估催化剂的活性。
例如，可以使用吸附测定法测试催化剂在吸附甲醇或二氧化碳等反应物时的吸附性能，进一步推测其活性。
三、扩散测定法催化剂活性还与扩散性能密切相关。
扩散测定法是一种常用的测量催化剂活性的方法。
通过对催化剂表面上的反应物或产物浓度分布进行测量，来推断催化剂对反应物的吸附和扩散性能，进而评估催化剂的活性。
例如，可以利用催化剂表面上溶解度测定法测量溶解在催化剂表面的反应物浓度，来推测催化剂的活性。
四、电化学测定法电化学测定法是一种常见的测试催化剂活性的方法。
该方法是利用外加电场来推动催化剂上的电子转移反应，进而测量催化剂的活性。
电化学测定法的优点是可以在原位条件下测试催化剂的活性，具有较高的灵敏度和准确性。
例如，可以利用循环伏安法测量催化剂在不同电位下对特定物质的电流响应，进一步推断其活性。
五、光谱测定法光谱测定法是一种常用的测试催化剂活性的方法。
该方法是通过测量催化剂对特定波长光的吸收或散射特性，来评估催化剂的活性。
光谱测定法具有非破坏性、无特殊样品处理的优点，能够在实际工作条件下测试催化剂的活性。
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化学吸附：其特征为有大的相互作用位能即有高 的吸附热。
化学吸附发生时，在吸附质分子与表面分子之间 有真正的化学成键，常在高于吸附质临界温度的 较高温度下发生，需要活化能，有高的吸附势， 其值接近于化学键能。
用于研究催化剂活性位性质和测定负载金属的金 属表面积或颗粒大化学小吸附。和催化剂动态分析方法
化学吸附和催化剂动态分析方法
工作压力：10-3Pa, 可以排除水分和空气的干扰，较准 确的初始覆盖度，一般采用MS作检测器。 TPD定性分析： 1、脱附峰的数目表征吸附在固体物质表面不同吸附强
度吸附物质的数目； 2、峰面积表征脱附物种的相对数量； 3、峰温度表征脱附物种在固体物质表面的吸附强度。
化学吸附和催化剂动态分析方法
动态分析方法与程序升温技术
定义：当固体物质或预吸附某些气体的固体物 质，在载气流中以一定的升温速率加热 时，检测流出气体组成和浓度的变化或 固体(表面)物理和化学性质变化的技术。
可分为：程序升温还原(TPR)
程序升温脱附(TPD) 程序升温表面反应(TPSR) 程序升温氧化(TPO)
预处理条化学件吸附和和催气化剂动体态分性析方质法
第一节 程序升温脱附技术
基本原理 热脱附实验结果不但反映了吸附质与固体 表面之间的结合能力，也反映了脱附发生 的温度和表面覆盖度下的动力学行为。
脱附速度——Wigner-Polanyi方程：
N = -Vmd /dt = A nexp[- Ed( )/RT]
Vm 为单层饱和吸附量，N为脱附速率， A为脱 附频率因子， 为单位表面覆盖度，n为脱附级
1、流动态实验装置 2、真空实验装置
三部分组成：a、气体净化与切换系统 b、反应和控温单元 c、分析测量单元
载气：高纯He或Ar；催化剂装量：100mg左 右；升温速率：525K/min；监测器：TCD和 MS
化学吸附和催化剂动态分析方法
流动态TPD 实验系统
化学吸附和催化剂动态分析方法
TPD
真 空 试 验 体 系
实验条件的选择和对TPD的影响
干扰因素：传质(扩散)和再吸附的影响。
6个参数：1、载气流速(或抽气速率) 2、反应气体/载气的比例(TPR) 3、升温速率 4、催化剂颗粒大小 5、吸附(反应)管体积和几何形状 6、催化剂“体积/质量”比
化学吸附和催化剂动态分析方法
升温速率的影响
升温速率增大，峰形变得尖锐； 化学吸附峰和催的化剂相动态互分析方重法 叠趋势增加
二、NH3、C2H4和1-C4H8-TPD法 研究含硼分子筛的酸性
碱性气体脱附法是研究固体物质酸性的 常用的方法
碱性：NH化3学>吸C附和2催H化4剂>动态1分-析C方4法H8
NH3是酸性的 定量探针分子， 其吸附量对应 于B和Al元素 取代的骨架数。
438 K峰所有样 品都有；
D样品(f)有一个 635 K小峰。
整个分子吸附
解离成原子、分子、离子
吸附剂影响不大
吸附剂有强的影响
在许多情况下两者的化学界吸附限和催化不剂动明态分显析方法
小分子气体(O2, H2, CO2, N2, CO和C2H4)在金属 或氧化物表面的吸附，其催化作用与其表面对反应物 的化学吸附紧密相关，通过研究吸附态分子与表面的 作用以及吸附态分子的相互作用来揭示催化作用的本 质。
一、氢吸附， VIIIB金属上进行加氢和脱氢反应。化 学吸附热QH最小。解离吸附。LEED难以观察，常用 HREELS和EELS研究，得到H2在金属表面吸附的光 谱特征。
二、CO吸附，偶极活性大。红外光谱表征。线式、 桥式和孪生吸附态。
详见《吸附与催化》河南科技出版社，第四章内容。 化学吸附和催化剂动态分析方法
物理吸附与化学吸附的主要差别
物理吸附
化学吸附
范德华力 (无电子转移)
共价键或静电力(电子转移)
吸附热：1030kJ/mol 吸附热：50960kJ/mol
一般现象，气体冷凝
特定的或有选择性的
真空可除去物理吸附 加热和真空除去化学吸附
可发生多层吸附
永不超过单层
临界温度时明显发生
在较高温度时发生
吸附速率快，瞬间发生 可快可慢，有时需要活化能
化学吸附和催化剂动态分析方法
脱出物中除原始吸附物外，还有其它物质，且相 对分子质量均大于乙烯，表明乙烯脱附过程中在 催化剂表面上发生了聚合。
化学吸附和催化剂动催化剂的 表面酸位的种类化学吸附和催化剂动态分析方法
三、NO-TPD 研究催化剂表面 NO分解机理及动力学
程序升温脱附过程的数学分析
略。 参考书《吸附与催化》，
河南科学技术出版社 第五章，5.1.4节
化学吸附和催化剂动态分析方法
TPD法研究催化剂的实例
一、助剂对Pt/Al2O3 催化剂TPD影响
a, Pt 催化剂 b, Pt-Au 催化剂 c, Pt-Re 催化剂 d, Pt-Re-Au 催化剂 e, Pt-Sn 催化剂 化学吸附和催化剂动态分f析, 方P法t-Ir-Al-Ce 催化剂
化学吸附和催化剂动态分析方法
A和Na-D样品没有丁烯脱附
A和Na-D，B1和B2没有乙 烯脱附峰。乙烯脱附量随
丁烯的脱附量随硼含化量学吸俱附和增催化剂动硼态分含析方量法 增加而增加。
C1和C2样品对丁烯和乙烯吸附量大于Al和 B的化学计量数。说明烯烃在分子筛表面上 发生了聚合。每个酸性位吸附5个烯烃。
k1
NO + S NOs
k2
NOa
NO + S
k3
NOa + S
Na + Oa
k4
Na + Na
N2O + 2S
化学吸附和催化剂动态分析方法
脱附产物除NO外，
还有N2、 N2O和 O2。 NO解离主要发生
在TPD过程。
催化剂：
化学吸附和催化剂动态分析方法
Rh/SiO2
O2脱附温度 远高于其它物
质，1050 K。
高温N2峰归属于原 子态N之间的化合， 2Na N2 + 2S
数， Ed( )为脱附化学活吸附化和催化能剂动，态分T析方为法 脱附温度。
定性信息： 1、吸附物种的数目 2、吸附物种的强度 3、活性位的数目 4、脱附反应级数 5、表面能量分布
优点： 1、设备简单 2、研究范围大 3、原位考察吸附分子和
固体表面的反应情况 化学吸附和催化剂动态分析方法
实验装置和谱图定性分析