通过热重-质谱联用分析对生成气体的反应进行定量分析

该方法有助于解答能源、化学和冶金领域中关于如何确定反应动力学参数及释放气体成分的关键问题。我认为，该技术的一个优势在于能够对反应过程中释放的各单一气体的质量流进行定性和精确定量分析。通过该方法，可深入了解能源、化学、冶金体系等中的反应过程。

该方法还可应用于食品、制药或材料等其他体系。为校准特征谱图，需准备待校准的气体产物，并将气体压力调节至0.15兆帕。使用不锈钢管将各气体钢瓶连接至热重-质谱联用系统（TG-MS系统），并以100毫升/分钟的流速将所有气体产物通入TG-MS系统中进行吹扫。

监测每种单一气体的质谱，仔细观察并比较待校准气体的特征峰以及气体中可能存在的杂质峰。为校准气体的相对灵敏度，先以300毫升/分钟的流速将参比气体通入TG-MS系统20分钟，以清洗系统。随后，以100毫升/分钟的流速，将各待校准气体与参比气体同步通入TG-MS系统进行吹扫。

然后根据已知的流速和质谱图，按照方程所示计算每种气体的相对灵敏度。样品制备时，取10克平均直径为15微米的碳酸钙，或10克白色块状水菱镁矿，或20克准东煤。将水菱镁矿块破碎至小于3毫米的颗粒，并使用机械搅拌磨将其研磨至约10微米。

然后将所有样品在105摄氏度的烘箱中干燥24小时，次日在研磨机中将煤样破碎并研磨，以获得180至355微米的粒径范围。为测试样品的热反应，使用氦气作为载气对TG-MS系统吹扫两小时，以排除空气和水分，并将仪器加热至约500摄氏度。当系统冷却回室温后，利用质谱监测气氛20分钟，仔细观察并比较二氧化碳和氦气的特征峰，以及氧气、氮气和水蒸气的杂质峰。

使用精密电子天平称取10毫克待测样品，并将称量好的样品加入氧化铝坩埚中。将装有样品的坩埚放入热重分析系统中并关闭炉体。然后为待测样品设置适当的运行参数。

因此，校准过程中使用的参考气体必须与样品测试过程中的气体相同，且绝不能与产生的气体发生反应。我们建议在校准和测试中均使用氦气作为载气。对于样品数据的定性与定量分析，将三维质谱数据加载到连接TG-MS系统的计算机上，并采用等效特征谱分析法（ECSA）根据先前确定的校准特征峰及样品的相对灵敏度来计算实际样品参数。

随后可根据实际样品参数分析热反应。在对二氧化碳相对于载气氦气的特征峰和相对灵敏度进行校准后，可通过ECSA方法计算碳酸钙热分解产生的二氧化碳的实际质量流量，并与实际质量损失进行比较。在此代表性分析中，整个测量过程中，二氧化碳的质量流量与数字热重分析所得的质量损失数据具有良好的一致性。

通过ECSA对水菱镁矿的热分解过程进行比较，并对二氧化碳和水进行校准，结果表明这些数据与实验所得的数字热重分析数据也具有良好的一致性。结合电子轰击电离和光致电离两种测量模式，对准东煤的典型热解过程进行分析，检测到16种不同的挥发性气体。在详细测定每种已识别气体相对于载气的质谱图和灵敏度后，计算出各气体的质量流量，并基于相同的操作参数用于比较每种气体的质量离子数据。

在尝试此实验步骤时，重要的是要记住在测试前搭建好组成固定装置，并了解各气体的相对敏感性。在此步骤基础上，可结合差示热分析与电化学活性表面积（ECSA）等方法，进一步探究反应特征，而无需检测释放的气体。该技术发展之后，为能源、化学、冶金等领域的研究人员探索气体反应及其在能量转换与先进材料开发中的作用机制铺平了道路。