红外光谱法用于固体催化剂表征

红外光谱法用于固体催化剂表征董庆年（中国科学院山西煤炭化学研究所，太原，030001）一．序言在非均相催化反应研究中，红外光谱法已成为常用手段之一。一般说来，这方面的工作主要集中在两个方面：1.研究催化反应机理。 2.考察催化剂本身。但对复杂反应来说， 红外光谱法用于前者往往受到限制，这是因为反应物、 中间物以及最终产物的光谱叠加，大大增加了谱图解析的困难，再者,仪器的扫描速度也难以截获快速反应中寿命短促的中间物的信息，虽然“时间分辨光谱” 附件的出现，已可使跟踪速度提高到微秒级，但对反应体系的苛刻要求， 以及实验操作的复杂， 又使一般实验室望而生畏。 然而如果用红外光谱法来研究非均相过程中另一主角催化剂的表面微观状态，则困难往往要小得多。这种观察固体催化剂表面微观状态的测定也称催化剂的表面表征，或简称催化剂表征。当用红外光谱法来进行这类表征时， 不是直接测定催化剂本身的谱图，而是借助所谓的“探针分子” ，用探针分子吸附物种的红外特征峰位置和强度来获得所需要的信息。对探针分子的选择，一般要求其吸附态分子具有较高的稳定性，且其特征峰的吸收系数较大 （灵敏度高） 和不被催化剂本身吸收干扰的优点。目前常用的探针分子有： CO,NO,H2O,CO2,NH3,C5H5N(吡啶 ),HCOOH 等，其中高纯 CO 由于价廉易得，在研究金属 /金属氧化物催化剂时，尤为常用。当选用 CO 作探针分子在催化剂表面作化学吸附时，有两个过程可能发生，即σ -给予（σ -donation）过程和π 反馈（π-back donation）过程。σ -给予过程发生在CO 的 5σ 分子轨道〔“MO”(molecule orbit)〕和催化剂表面缺电子中心之间，由于CO 5σ -MO 中的单独电子对与表面原子共享，将导致CO 键增强，引起它的线型吸附态特征峰向高波数方向位移（兰移）。所谓π 反馈则发生在CO 吸附在金属原子或金属离子上，其时，金属原子或离子上的 d 电子进入 CO 分子的 2π *反键分子轨道（ anti-bonding 2π *-MO ）,结果 CO 键减弱，它的线型吸附物种的特征峰移向低波数（红移）。探针分子吡啶， NH 3常用来表征催化剂的表面酸中心，这种表征方法的特点是能区分表面酸类型：非质子酸（L 酸）和质子酸（ B 酸），见表 1.，而甲酸（或乙酸）或CO2 多用来检测碱中心。当甲酸（或乙酸）吸附在催化剂上出现～1600cm-1（νas CO2-1）和～ 1400 cm-1（νs CO2-1）吸收峰时，则表示碱中心的存在，而以...