一种原位气固相光催化反应的质谱分析装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种原位气固相光催化反应的质谱分析装置，涉及质谱分析技术领域。包括光电离飞行时间质谱装置和原位光催化反应器，二者之间由差分室连接。原位光催化反应器包括催化剂放置机构、反应光源、进口管和出口管；改进的催化剂放置机构包括均为石英材料的平板状的固定床和空心封闭的板状壳体；反应光源位于板状壳体的上方，出光面对应着固定床的工作面；板状壳体的一侧边连通着进口管，另一侧边连通着出口管，出口管内设有砂芯。本实用新型专利技术实现气相中间体更加原位的取样，超快的捕获，低压下更加有利于气相中间体的脱附，分子束可对气相分子“冷却”，非常适合通过气固相光催化反应的气相中间体研究其反应机理，进而指导催化剂的合成。导催化剂的合成。导催化剂的合成。

【技术实现步骤摘要】
一种原位气固相光催化反应的质谱分析装置


[0001]本技术涉及质谱分析
，具体涉及一种原位气固相光催化反应的质谱分析装置。

技术介绍

[0002]自从1967年，藤岛昭教授在一次偶然的试验中发现了光催化的现象，光催化就引起了人们的广泛关注。光催化反应的基本原理是光催化剂在光照的激发下产生电子和空穴，产生的电子
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空穴对将引发光催化反应。气固相光催化反应有几个典型的应用：1、随着工业化和经济的发展，越来越多的工业废气（如HCHO、H2S、SO2、CS2、NOx等）被排放到大气环境中，光催化可利用环境中充足的光源将这些挥发性有害气体降解。2、2020年9月我国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标，即“双碳”，光催化CO2还原为高附加值化工品是一项非常重要的工作，不仅能消除环境中多余的CO2气体，还可将取之不尽、用之不竭的太阳能转化为化学能。3、氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，光催化水或其他储氢化合物分解产氢也是一个重要的研究领域。4、天然气、可燃冰、沼气、页岩气中含有大量的甲烷，将甲烷转化为更加附加值的化学品是当代催化转化一个重要的研究领域，光催化甲烷转化可在较低的温度下防止甲烷过度转化，目前是一项非常有前景的

[0003]目前对于光催化反应的表征主要集中于催化剂本身的表征，例如透射电镜（TEM）和扫描隧道显微镜（STM）可表征催化剂的形貌，X射线精细结构吸收光谱（EXAFS）和X射线衍射（XRD）可表征催化剂的晶体结构，X射线光电子能谱可测量催化剂的组成和化学态。漫反射红外光谱、拉曼光谱、电子顺磁共振可原位表征催化剂表面吸附物种，尤其是红外光谱和拉曼光谱是通过振动峰对一些官能团进行归属，真正能准确鉴定的中间体和产物非常少。
[0004]目前质谱是，除了红外光谱和激光诱导荧光之外，主要用于表征气固相催化反应的气相产物的工具。由于在光催化反应中，催化剂表面光生电子
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空穴复合速率快，反应物转化效率低，所以光催化反应一般都是釜式反应，定时从反应釜中抽取气体在气相色谱
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质谱（GC
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MS）上离线定性定量分析是对光催化气相稳定产物最常规的分析手段。通过对催化剂的精确调控，某些气固相光催化反应也可以实现较高的反应速率，这类反应也可以用于固定床催化反应器，尾气可通过GCMS连续监测。通过传统的GCMS分析气固相光催化反应气相成分的问题在于：1、取样非原位，而且是在大气压下，无法获取气相不稳定反应中间体的信息；2、气相成分一般是通过气相色谱分离后再通过质谱分析，气相色谱分离时间长达几十分钟，难以捕获不稳定中间体，然而，若无气相色谱，尾气直接进入质谱，一般是通过70 eV的电子轰击电离，母体信息缺失，碎片相互干扰，无法分析清楚气固相光催化反应中复杂的气相成分；3、商品化GCMS中多采用四级杆质谱，四级杆质谱仪对质荷比低于50的气相离子有质量歧视，探测效率低，对于气固相光催化反应中质量数低于50的气相小分子检测十分不利。
[0005]原位分子束取样
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光电离飞行时间质谱可以解决上述商品化GCMS仪器在检测中的问题，并且已经在热催化合成气制烯烃、甲醇制烯烃、甲烷氧化偶联等反应中气相反应中间
体捕获方面得到了验证。然而，原位光催化反应气相中间体的质谱捕获仍然是一大挑战，具体面临以下问题：1、基于原位热催化反应器设计，催化剂可放置于内径为6
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10mm的圆柱石英管内，将加热套管更换为光催化反应光源，通过照射圆柱石英管内催化剂引发气固相光催化反应，然而该结构存在的问题是，首先光子辐照面积有限，其次在圆柱石英管弧形表面照射存在严重的光散射问题，再者光子无法穿透石英管柱弧形表面到达固体催化剂内部，大量催化剂无法发挥作用；2、传统的光催化反应釜虽然光催化反应的面积大，在常压密封环境下通过反应气体在催化剂表面的吸附平衡尚需长时间的持续照射才能拉动反应的持续进行，当反应气只能从催化剂周围流过，无法与催化剂充分接触，这种情况下在线光催化反应效率是很低的； 3、此外，由于光催化反应催化剂表面光生电子
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空穴复合太快，光催化反应本身其效率也是远低于热催化的。

技术实现思路

[0006]为了解决上述常规原位质谱探测气固相光催化反应气相中间体的质谱捕获中存在的大量催化剂无法发挥作用和光催化反应效率低等问题，本技术提供一种原位气固相光催化反应的质谱分析装置。
[0007]本技术将原位光催化反应器与光电离飞行时间质谱仪通过差分室连接，差分室可将光催化反应器内的气相分子以分子束形式超快引入光电离飞行时间质谱的电离室。
[0008]一种原位气固相光催化反应的质谱分析装置，包括光电离飞行时间质谱装置和原位光催化反应器，二者之间由差分室9连接；所述光电离飞行时间质谱装置为反射式飞行时间质谱分析装置；所述原位光催化反应器包括催化剂放置机构、反应光源5、进口管和出口管；改进在于：
[0009]所述催化剂放置机构包括平板状的固定床6和空心封闭的板状壳体，固定床6材料为石英，固定床6位于所述板状壳体内，所述板状壳体的材料为石英玻璃；所述固定床6材料为石英，固定床6上放置催化剂的侧面为工作面；所述反应光源5位于板状壳体的上方，且反应光源5的出光面对应着固定床6的工作面；所述板状壳体长度方向的一侧边中部连通着进口管的一端，与固定床6相邻的进口管上设有第一阀门4；板状壳体长度方向的另一侧边中部连通着出口管的一端，与固定床6相邻的出口管上设有第二阀门8；所述出口管的另一端位于差分室9内，在板状壳体与第二阀门8之间的出口管内设有砂芯11；
[0010]工作时，板状壳体和差分室9内的真空度相同，为0.1 Torr～大气压；
[0011]在连续进样工作模式时，第一阀门4和第二阀门8保持敞开，气相成分12以流动相形式通过固定床6上的催化剂7连续参加反应，实现催化反应活泼中间体的超快捕获，适合原位光催化反应效率较高的催化反应；
[0012]在脉冲进样工作模式时，第一阀门4和第二阀门8保持关闭，达到反应的控制时间，打开第二阀门8，实现对不同阶段的反应的气相成分12快速直接分析。
[0013]进一步的技术方案如下：
[0014]所述固定床6的工作面为光滑平面。
[0015]所述砂芯11的材料为石英，砂芯11内砂孔的直径为0.1
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1mm；砂芯11与光电离飞行时间质谱装置中的分子束漏勺10外端面之间的距离小于20mm。
[0016]所述反应光源5的背面设有水冷机构或风冷机构，用于控制光催化反应温度。
[0017]所述反应光源5为紫外光源、可见光源、红外光源、或白光光源；反应光源5的数量与固定床6的表面积之间的关系为1个反应光源2/平方厘米。
[0018]与固定床6工作面对应的空心封闭的板状壳体的内壁上涂覆粉末状催化剂，或者填充粒径小于砂芯11内砂孔的催化剂颗粒。
[0019]本技术的有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原位气固相光催化反应的质谱分析装置，包括光电离飞行时间质谱装置和原位光催化反应器，二者之间由差分室（9）连接；所述光电离飞行时间质谱装置为反射式飞行时间质谱分析装置；所述原位光催化反应器包括催化剂放置机构、反应光源（5）、进口管和出口管；其特征在于：所述催化剂放置机构包括平板状的固定床（6）和空心封闭的板状壳体，固定床（6）材料为石英，固定床（6）位于所述板状壳体内，所述板状壳体的材料为石英玻璃；所述固定床（6）材料为石英，固定床（6）上放置催化剂的侧面为工作面；所述反应光源（5）位于板状壳体的上方，且反应光源（5）的出光面对应着固定床（6）的工作面；所述板状壳体长度方向的一侧边中部连通着进口管的一端，与固定床（6）相邻的进口管上设有第一阀门（4）；板状壳体长度方向的另一侧边中部连通着出口管的一端，与固定床（6）相邻的出口管上设有第二阀门（8）；所述出口管的另一端位于差分室（9）内，在板状壳体与第二阀门（8）之间的出口管内设有砂芯（11）；工作时，板状壳体和差分室（9）内的真空度相同，为0.1 Torr～大气压；在连续进样工作模式时，第一阀门（4）和第二阀门（8）保持敞开，气相成分（12）以流动相形式通过固定床（6）上的催化剂（7）连续参加反应，实现催化反应活泼中间体的超快捕获，适合原位光催化反...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘成园，吕纯纯，潘洋，肖天赐，许鸣皋，杨玖重，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：新型
国别省市：