即插即用-微量热仪与气体吸附仪原位联用表征催化剂吸附过程

即插即用-微量热仪与气体吸附仪原位联用表征催化剂吸附过程

A adsorption-microcalorimetry system for studies of adsorption processes on solid catalysts

固体催化剂对气相的吸附一直是异相催化领域的研究重点，而各类吸附仪一直是此类研究中必不可少的基础设备，使用吸附仪可以精确测定样品的吸附量，而吸附过程的另一重要信息-吸附热-则通常需要通过计算得到，通过非直接的简化模型计算的吸附热不仅误差难以估量，也无法区分表面吸附过程不同阶段的能量差异，因此其应用非常有限。吸附热的直接测定可以由量热仪或DSC来完成，尤其是三维卡尔维式微量热仪，因具有测量准确，样品适应性强等特点，可以作为吸附热直接测量的可靠工具。常见的吸附热测定系统通常包含微量热仪，自建的真空及进气系统，因为需要自行搭建系统并手动采集吸附数据并计算吸附量，需要研究者具备较强的背景知识及动手能力，应用并不十分广泛。

本方案介绍的是将两台成熟的商业化仪器经简单适配即直接相连，同步测试并通过仪器标配软件同时得到吸附热及吸附量数据，省掉了繁复的装置搭建过程同时避免手动计算带来的误差。Sensys Evo快速微量热仪具有温度范围宽广，升降温速度快等优点，不仅可以测定恒温吸附热，也可以进行原位样品预处理，实现一站式解决方案。此方案更多详情可以参考此篇文献：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5024253

联用装置硬件示意图如下：Sensys Evo使用中部带有多孔石英平台的石英管反应器模拟固定床，两端连接到气体吸附仪的对应出/入口，脉冲进气由气体吸附仪控制，工作气体流经量热仪传感器并与样品发生反应，尾气流回气体吸附仪并由TCD检测器进行定量检测。

下图为典型的联用微量热数据及TCD曲线，实验开始时的数个脉冲对应完全吸附，最 后达到吸附平衡。

样品：Pd/CeO2 catalyst (Pd loading: 5.4 wt. %)

工作气体：CO/He 5%/2%/1%

预处理过程： 5% H₂/Ar， 200 ◦C 吹扫 30 min，然后 氦气吹扫一小时

吸附测试温度： -50 /-100℃

下图（左）为积分吸附热及吸附量与进气脉冲数的关系，由此可以得到下图（右）-归一化吸附热-吸附量曲线，并可由此区分样品表面三组不同的吸附位。

 除了与气体吸附仪联用，Sensys Evo还可以加载Setaram独有的全对称光电天平实现TG-DSC联用，通过TG法对气体吸附进行定量，如下图所示例子：

样品：沸石

工作气体：氨气（NH₃）

预处理: 氧化硅坩埚， 在He气氛中20℃/min  升温至  550°C ，然后以 10℃/min降温至 120℃ 

 等温吸附过程: 120℃ 通NH₃  15min

热脱附过程: 10°C/min 加热至550°C

Sensys Evo参数：

温度范围：-120~830℃

程控升降温速率：0.01~30K/min                            

样品池/坩埚最 高承受压力：500bar，600℃

样品池/坩埚最 高可监控压力：400bar，600℃

气路：3路载气，1路反应/辅助气, 可实现两路气体的混合

气氛：氧化，还原（H₂,CO)，腐蚀（H₂S,NH₃)，水蒸气