依托同步辐射的原位催化反应质谱探测方法学构建

To the mechanism study of heterogeneous catalytic reactions, the direct evidence is the observation of unstable species under experimental condition. In-situ detection of unstable products desorbed from the surface of catalyst is important for elucidating the reaction mechanism. However, due to their unstable characteristics, intermediates like radicals are hard to be detected. In addition to the ambiguous observation of several radicals by MIESR method, reports about the detection of gaseous unstable intermediates are really scare.. Synchrotron radiation is characterized by high brightness, collimation, and tunability. The combination of tunable synchrotron and molecular beam mass spectrometry can give the information of unstable radicals. Moreover, isomers can be distinguished by scanning the photon energies. In this project, an in-situ catalytic reactor and products detector will be constructed based on our molecule beam mass spectrometer, and an in-situ detection method for the unstable gaseous intermediates will be established, which will provide an experimental platform for researchers.

对于非均相催化反应机理研究而言，最直接的证据莫过于实验条件下直接观察到反应中间物。原位探测催化剂表面脱附出的亚稳态气相中间体，对于阐明催化反应机理有重要意义。由于气相反应亚稳态中间物种通常都非常活泼，从而很难被探测，除了离线基质分离电子自旋共振（MIESR）方法曾给出数个反应中间物种比较模糊的证据以外，国内、外极少有关于催化反应气相重要中间物种的明确证据和报道。. 同步辐射具有高亮度、高准直性和波长连续可调等特性，同步辐射可调谐真空紫外光和分子束质谱相结合，不仅可以探测亚稳态活性自由基，还可通过扫描光子能量区分同分异构体，是研究气相反应机理的利器。本项目拟依托同步辐射装置，在现有分子束质谱基础上，设计搭建一套专用原位催化反应器和气相产物探测装置，建立和发展用于催化气相活泼中间体的原位探测方法学，为国内催化研究工作者提供一个催化机理研究实验平台。

对于非均相催化反应机理研究而言，最直接的证据莫过于实验条件下直接观察到反应中间体。原位探测催化剂表面脱附出的亚稳态气相中间体，对于阐明催化反应机理有重要意义。由于气相反应亚稳态中间物种通常都非常活泼，从而很难被探测，除了离线基质分离电子自旋共振（MIESR）方法曾给出数个反应中间物种比较模糊的证据以外，国内、外极少有关于催化反应气相重要中间物种的明确证据和报道。.同步辐射具有高亮度、高准直性和波长连续可调等特性，同步辐射可调谐真空紫外光和分子束质谱相结合，不仅可以探测亚稳态活性自由基，还可通过扫描光子能量区分同分异构体，是研究气相反应机理的利器。本项目依托同步辐射装置，设计建造了低压/高压原位催化反应器和质谱仪，详细开展了甲烷氧化偶联和乙烷氧化脱氢的催化转化研究，不仅探测到甲基、乙基、乙烯酮等短寿命自由基和中间体，还探测到二次反应产物过氧化物自由基，并获得了这些初级和次级产物随空间距离变化的动力学过程，详细阐明了反应机理。此外，我们还设计搭建了一套原位催化热解质谱仪，并应用到废弃塑料、生物质、劣质煤的催化热解实验中。该装置不仅能对产物进行原位探测，还能研究这些产物随温度、时间变化过程，为生物质和煤的清洁利用研究提供了重要的实验手段。上述实验装置建成后，为催化研究工作者提供一个开放的实验平台。国内一些课题组近几年依托这些实验装置，开展了合成气制烯烃、甲醇制芳烃、丙烷氧化脱氢、生物质模型化合物热解、生物质催化热解，以及阻燃机理等研究，获得了一系列重要的实验证据。该项目的成功实施，不仅对阐明非均相催化气相机理提供证据，在催化剂和反应器设计上也有广泛的应用前景。