复杂催化反应体系的原位质谱表征与诊断

碳基能源的催化转化具有典型的复杂体系特点。催化过程往往不再仅仅局限于催化剂活性中心的表面,一些非常活性的中间体(如自由基)在催化剂界面形成并脱附到气相中,与反应物、中间产物、产物等分子相互作用,形成复杂的反应体系。为了开发或优化催化剂的活性、选择性、稳定性,表征与诊断这类复杂反应体系是不可或缺的。这不仅需要传统催化研究中的表面物理化学手段,还需要原位探测气相复杂反应体系中关键的中间体以及其衍化路径。

分子束采样的原位质谱是针对气相体系原位探测的表征与诊断的有效办法。利用合理的分子束设计能够最大程度采集活性中间体,通过非常软的光电离(如8-12 eV)手段最大程度避免离子碎片,通过高分辨的飞行时间或离子阱检测器能够得到准确的分子式,如果结合同步辐射光源来测量电离效率甚至可以分辨出不同的同分异构体。

根据这些气相中间体和其衍化的信息,通过相关的反应动力学研究和计算机辅助,找到影响产物生成的中间体和相关路线(活性相关);找到影响副产物生成的中间体和相关路线(选择性相关);找到造成积碳或难脱附的中间体和相关路线(稳定性相关),从而了解整个复杂体系的催化过程。结合表面物理化学的表征与诊断,理解催化剂结构-反应之间的关系,最终定向优化或开发催化剂。(文:马昊)