应用于探测固体催化剂结构演化的原位XAFS实验环境研究

Due to its excellent ability to study the catalytic mechanism of catalysts under working conditions, the in situ synchrotron radiation X-ray absorption fine structure spectra (XAFS) is being widely studied. In these studies, the design and build of novel experiment system is an important topic which is very challenging and can bring great opportunities for scientific researches. Combined with the time-resoluted XAFS (quick scanning X-ray absorption fine structure spectra) technique, this project will design novel in situ cell with controlled temperature and pressure. Unite the sample environment parameters control (temperature, gas and pressure) and data collection, set up a new, stable and highly automatic in situ experiment system. Based on this system, the absorption, desorption and oxidation process of nitric oxide on MnOx catalysts are studied, the local atom structure and electron structure changes of the active catalytic component are revealed, which can provide the experimental evidences and new ideas for the design of new catalysts.

原位同步辐射X射线吸收精细结构光谱(XAFS)因其能够揭示催化剂在工作环境下的催化机制,而被广泛研究。其中,卓越的原位实验系统的设计和构建是极具挑战、且又能为科学研究带来极大机遇的重要课题。本课题拟结合秒量级的时间分辨XAFS(快速扫描X射线吸收精细结构光谱QXAFS)方法,设计新型温度和压力可控的样品环境室,将样品环境参数(温度、气体、压力)控制与XAFS数据采集集成,构建新型、稳定和高度自动化的原位XAFS实验系统。应用该系统,通过改变样品周围环境参数(包括温度、压力等),研究一氧化氮在氧化锰催化剂上的吸附、脱附和氧化过程中,催化活性成分的局域结构和电子结构变化,为设计新型催化剂以及揭示催化反应机制提供实验依据或新思路。

X射线吸收谱学是研究晶体、非晶、熔融物质和液体物质局域结构和电子结构的有力手段。大多数情况下，结构变化的信息可以通过原位的方法来测得。原位高温吸收谱实验方法是研究温度依赖的结构相变材料的基础方法。除此之外，原位高温吸收谱实验方法还可以用于研究纳米晶体的成核机制和氧化还原反应的动力学过程以及揭示催化剂晶体结构和其催化性能之间的关系。因此，设计用于工作环境下原位、实时探测的装置是催化剂研究的重要基础。本项目基于北京同步辐射装置，设计了Ti2AlSi-BN复合加热器，并且使用硅酸盐板作为绝缘隔热板，将加热器件固定在装置外壳上面，起到了非常好的隔热效果，得益于加热器件和外壳之间的隔热设计，主体外壳只需自然冷却或者风冷就可以保持低温（<353K），不需要在主体外壳上通冷却水，方便了换样品时的拆卸。加热部件和样品池固定在主体外壳上，可以和主体外壳一起从光束线上取下来装填样品，方便了样品的装填。同时，为了配合加热装置的工作，设计了多用途温控机箱，考虑到不同实验的不同条件，在气氛方面，温度控制仪可以选择让加热炉在真空保护下工作，或者在气氛下工作；同时为了应对不同电阻率的加热设备，可以通过变压器调节加热两端的最大电压为50V、75V、100V、220V等四档，最大限度地利用利用温控表的输出调节范围，实现温度的精准控制；考虑到在开发加热设备前期的手动温度调节需求，温度控制仪还有不依赖于温控表的手动调节功能。采用溶液法如溶胶-凝胶法或共沉淀法制备MnOx纳米颗粒催化剂，并利用高温XAFS实验方法研究其其对NO的催化氧化机制。