Adsorpsiyon ve heterojen kataliz endüstriyeluygulamalarıngeniş bir yelpazede için önemli olan süreçler 1,2. Bu süreçler katı yüzeylerde meydana gelir ve bu nedenle bu yüzeylerin ayrıntılı karakterizasyonu süreçleri anlamak ve yeni etkili malzemelerin rasyonel tasarımı için belirleyicidir. Yüksek verimlilik sağlamak için, adsorbentler ve katalizörler normalde yüksek spesifik yüzey alanına sahiptir ve genellikle peletize tozlar şeklinde uygulanır. Bu malzemelerin karakterizasyonu, çeşitli analitik tekniklerin kullanımı ile ulaşılabilecek birincil bir araştırma hedefidir.
Hiç şüphesiz, in situ kızılötesi spektroskopi yüzey bileşikleri2,3,4,5,6,7,8,9,10,11çalışma için en sık kullanılan yöntemlerden biridir. Kızılötesi spektral bölge, moleküllerin simetrisine, bağların gücüne, atomların kütlesine ve diğer moleküler sabitlere bağlı olan atomlar arasındaki titreşimlere karşılık gelir. Bu nedenle, kızılötesi spektrumlar adsorbe moleküllerin yapısı ve simetrisi ve adsorbent-adsorbate ve adsorbate-adsorbate etkileşimleri hakkında zengin bilgiler içerir. Uygun seçilmiş bileşiklerin (sözde sonda molekülleri) adsorpsiyonunu inceleyerek, yüzeyin yapısı ve kimyasal bileşimi, aktif alanların yapısı, asitliği veya temelliği, yüzeydeki katyonlarin oksidasyon ve koordinasyon durumu, hidroksil gruplarının asitliği, vb.3,4,5,6,7,8,9 ,10,11. Kızılötesi spektroskopi ile, yüzeydeki moleküllerin kimyasal dönüşümü ve reaksiyon ara larının çeşitliliği için yollar tanımlanabilir, bu da katalitik reaksiyonların mekanizmalarını açıklığa kavuşturmak için bir ön koşuldur. IR iletim modu çoğunlukla kullanılır, ancak yerinde diffüz-refleks IR spektroskopi de kullanılır ve, farklı deneysel protokole dayalı olmasına rağmen, çok benzer bilgiler verir12,13,14,15,16. Genellikle IR spektroskopisi daha derin bilgi elde sağlayan diğer tamamlayıcı teknikler ile birleştirilir.
Genel olarak, yüzey bileşikleri çalışma için iki nedeni vardır. İlk olarak, moleküler probların adsorpsiyonu belirli bir malzemenin yüzeyini karakterize etmek için kullanılır. İkinci olarak, adsorpsiyon içeren belirli bir süreç hakkında bilgi aranır. Katalitik reaksiyonların mekanizmaları en sık bu şekilde incelenir. Bu iki olgu kesinlikle ayırt edilebilir değildir unutulmamalıdır, ve belirli bir adsorpsiyon sürecinin çalışmada, bilgi adsorbent yüzeyinde ve katalitik reaksiyon mekanizması hem de elde edilebilir.
Yüzey türlerinin spektral tespiti, kızılötesi ışın yolunda yeterince yüksek bir konsantrasyona sahip olduklarını gerektirir. Maddenin yaklaşık 2-10 mg cm-2 içeren numunenin kendi kendini destekleyen bir pelet kullanılarak adsorbe bileşiklerin optimal konsantrasyonu elde edilebilir. Kalın peletler kızılötesi ışın için pratik olarak opak, daha ince tabletler yapmak ve kullanmak ise teknik zorluklar alabilen.
IR çalışmaları için peletler, zemin öncesi numunenin optik pürüzsüz kalıpları arasında numune tozu sıkıştırılarak hazırlanır. Tipik olarak, IR bölgesinde yüksek şeffaflık ile karakterizedir ve iyi mekanik özelliklere sahiptir.
Bazı durumlarda, yeterince ince (şeffaf) bir pelet hazırlamak mümkün değildir; sonra, bir taşıyıcı kullanılır: bir metal ızgara, silikon veya KBr gofret. KBr kullanırken, bakım kolayca örnek tarafından oksitlenebilir çünkü alınmalıdır (oksitleyici özelliklere sahip ise) ya da bazı adsorbates tarafından (örneğin NO2)10.
Normalde, organik kirler, adsorbed su, karbonatlar, vb olarak hazırlanan adsorbents ve katalizörler yüzeyinde mevcuttur. Bu nedenle, yüzey ölçümlerden önce temizlenmelidir. Bu genellikle iki aşamadan oluşur aktivasyon ile elde edilir: (i) bir termo-oksidasyon tedavisi (organik kirleticilerin oksidasyonu amaçlayan) ve (ii) termo-vakum arıtma (özellikle adsordi su ve kirleri kaldırılması için yönlendirilir gibi bikarbonatlar, karbonatlar, nitratlar vb.) Tipik olarak aktivasyon sıcaklıkları 573 ile 773 K arasında değişir. Bazı durumlarda, etkinleştirme oda sıcaklığında bile gerçekleştirilebilir. Bazı özel malzemeler (desteklenen metaller, metal-organik çerçeveler) için, termo-oksidasyon tedavisi numuneyi etkileyebileceğinden atlanır.
Bir kural olarak, örnek aktivasyon amaç vakum hücreleri yapılan yerinde gerçekleştirilir. Çeşitli laboratuvarlar farklı tasarımlar hücreleri kullanmak ve farklı malzemeler (metal, cam, kuvars) tarafından yapılan, ancak ortak özellikleri bir dizi ile. Basit bir cam IR hücresi örneği Şekil 1'degösterilmiştir. Örnek pelet iki temel konuma sahip bir mobil tutucu yerleştirilir. İlk pozisyonda tutucu, peleti kızılötesi ışınına dik olarak sabitler. Bu bölümde, hücre kızılötesi radyasyon (genellikle KBr veya CaF2)saydam malzemeden pencereler ile donatılmıştır. İkinci pozisyonda, tutucu numuneyi ısıtma bölgesinde güvence altına alar. Bu bölgede, hücre harici bir fırın içerir. Peletin bir yerden diğerine hareketi mıknatıs veya metal zincir (dikey yapılar için) ile gerçekleştirilir. Hücreler ayrıca, numuneyi oda sıcaklığına kadar soğuturken arka plan spektrumunun kolay bir şekilde kaydedilmesine olanak tanıyan, hem fırının hem de kızılötesi ışın alanının dışında ara konumda peletin sabitlenmesi olanağı sağlar. Laboratuvarımızda yatay hücreler kullanıyoruz. Bu tasarım, numune tutucunun kazara serbest bırakılmasını önler ve bu da numunenin ve hatta hücrenin kırılmasına neden olabilir.
Çoğu durumda, düşük sıcaklıkta adsorpsiyon gerçekleştirmek için gereklidir. Bu amaçla, düşük sıcaklıktaki hücreler, kızılötesi ışın yolunda yken numunenin etrafındaki hacmin sıvı nitrojenle soğutulduğu nda kullanılır (Şekil 2). Hücre pencerelerini havadan suyun yoğuşmasını önlemek için, aralarında serin bölge ile arasında bir termal tampon (örneğin sürekli dolaşan sudan) uygulanır. Diğer bazı durumlarda, adsorpsiyon, amaca yönelik IR hücreleri kullanılarak, yüksek sıcaklıklarda yapılmalıdır. IR hücreleri her zaman doğrudan vakum / gaz manifoldu sistemine bağlı, adsorpsiyon deneyleri yerinde yapılmasını sağlar.
Yüzey türlerinin incelenmesinde iletim kızılötesi spektroskopisinin en önemli eksikliklerinden biri, kendi emicilikleri nedeniyle örneklerin opak olduğu spektral bölgelerin varlığıdır. Adsorbe bileşiklerin titreşim modları bu bölgelere düştüğünde, bunlar kaydedilemez.
Numunenin IR spektrumu malzeme hakkında bazı doğrudan bilgiler verir. En uygun durumlarda, yüzey hidroksil grupları ve sülfatlar, okso grupları, yabancı evreler gibi bazı kararlı yüzey türleri ile ilgili genel sonuçlar çıkarılabilir. Ancak, numunenin IR spektrumu koordinasyoniçinde doymamış iyonların varlığı açısından "kör"dür ve her iki tür de malzemelerin adsorpsiyon ve katalitik özellikleri nde belirleyici role sahip yüzey hidroksil gruplarının asitliği hakkında kıt bilgi verir. Ayrıca, dökme ve yüzey türleri arasında ayrımcılık yapılamaz. Bu sorunlar sonda moleküllerinin kullanımı ile çözülür. Bunlar özellikle yüzeyle etkileşimedebilen maddelerdir; adsorpsiyon sonucu spektral özelliklerinin değiştirilmesi, yüzey alanlarının doğası, özellikleri, konumu, konsantrasyonu vb. hakkında dolaylı bilgi sağlar. Prob molekülleri, örneğin yüzey asitliğinin veya temelinin belirlenmesi, koordinasyon halinde doymamış katyonların oksidasyon durumunun belirlenmesi ve koordinasyon boşluklarının sayısının belirlenmesi, yüzey sahalarının erişilebilirliği ve konumu hakkında bilgi elde edilmesi gibi çeşitli gruplara ayrılır. Prob molekülleri7,8için çeşitli temel gereksinimler vardır : (i) molekülün yüzeye bağlandığı fonksiyonel grup veya atom iyi bilinmelidir, (ii) molekül belirgin bir asidik veya temel karaktere sahip olmalıdır, (iii) molekül aynı tür adsorpsiyon sitelerine bağlanmalı ve oluşan yüzey türleri aynı yapıya sahip olmalıdır; (iv) adsorpsiyon kompleksleri yeterince kararlı olmalı, (v) molekül spektral parametrelere sahip olmalıdır (frekans, spektral bölünme, spektral kayma) tespit edilecek yüzey özelliğine yeterince duyarlı; (vi) moleküllerin birden fazla site türüne adsorbe edilmesi durumunda, farklı adsorpsiyon komplekslerinin spektral özelliklerine göre güvenilir bir şekilde ayırt edilebilmelidir; (vii) bilgilendirici spektral parametreler numunenin saydam olduğu alana girmelidir; (viii) yüzey komplekslerinin emme bantları yeterince yüksek yoğunlukta karakterize edilmeli ve (ix) molekül kimyasal olarak yüzeyi değiştirmemelidir. Yukarıdaki gereksinimlerin tümünün karşılatabileceği hemen hemen hiçbir bileşik yoktur. Bu nedenle, çalışma dan önce, uygun bir prob molekülünün dikkatli seçimi gereklidir.
IR spektroskopisinin bir diğer uygulaması da substrat ile pratik ilgi çekici bir veya daha fazla adsorbates arasındaki etkileşimi incelemektir. Bu gibi durumlarda, prob molekülleri ile birlikte adsorpsiyon (adsorpsiyon sitelerinin doğasını belirlemek için), tam veya kısmi izotopik ikameler (yüzey türünün yapısının belirlenmesi için), farklı reaktifler (türün reaktivitesini kurmak için), değişken sıcaklık deneyleri (entropi ve entalpi entalpi hesaplaması için), vb.
Son olarak, IR spektroskopisi mekanistik çalışmalariçin kullanılır. Bu şekilde operando spektroskopisi (gerçek reaksiyon koşullarında spektroskopi) 12,17,18uygulanır. Ancak, sağlam bir bilgi tabanı yerinde deneyler yoluyla önceden elde edilmelidir.
Bu makalede, farklı malzemelerin IR karakterizasyonu için kullandığımız protokolü açıklar ve metal-organik bir çerçeve (UiO-66) malzeme üzerinde su ile geliştirilmiş CO2 adsorpsiyonunu göstererek tekniğin gücünü göstermektedir. Deneyler için Nicolet 6700 FTIR spektrometresi kullandık. Spektrumlar 2 cm-1spektral çözünürlükte 64 tarama biriktirerek kaydedildi.