催化表征研究的新进展紫外拉曼光谱在催化研究中的应用

摘要

本文简要综述近年来催化和表面科学领域表征研究的最新进展,重点介绍我们将紫外拉曼光谱技术应用于催化研究所取得的最新结果,特别强调在真实工作条件下催化剂合成和催化反应的研究以及催化剂表面活性中心、活性相和催化反应性能之间的关联,拉曼光谱是鉴定物质分子结构的有力工具,它已应用于化学、物理、生物和材料科学等领域[1].传统的拉曼光谱可见区极易产生荧光,而荧光的强度往往是拉曼强度的几万倍乃至百万倍,因此常规拉曼光谱受到荧光的严重干扰,常常得不到拉曼光谱.这一难题成为拉曼光谱应用的主要制约因素.传统拉曼光谱的另一个弱点是其本征灵敏度很低,这也限制了它的广泛应用.上述两个难题在催化研究中尤其突出,因为催化剂表面极易产生荧光,特别是有碳氢物种存在时,表面荧光往往非常强,而绝大部分石油化工过程的催化剂在工作状态下不可避免地生成各种表面碳氢物种.所以,消除或避开表面荧光的干扰和提高灵敏度是拉曼光谱成功应用于原位催化研究的关键所在[2].针对荧光干扰和灵敏度低这两个难题,提出研制采用连续波紫外激光作为激发光源的紫外拉曼光谱仪的想法,于1997年在大连建成紫外拉曼光谱仪并将其应用于催化研究.紫外拉曼光谱仪建成后立即对一系列传统拉曼光谱难以研究的催化剂体系进行了研究.实验结果表明紫外拉曼光谱成功地避开了荧光干扰,大幅度提高了检测灵敏度,并通过共振拉曼效应可高选择地获得复杂体系的局域结构信息[2-4].在催化剂碳研究[5]、分子筛原位合成研究[6,7]、有机物单层分散研究、低担载量氧化物催化剂的研究[8,9]、固体超强酸催化剂[10]和过渡金属杂原子分子筛[6,7,11]的研究中已取得重要进展,特别是获得杂原子TS-1分子筛中有关骨架钛存在的直接证据[6],引起催化学术界的高度重视.除在物理、化学、材料和生称等领域的应用外[3],我们的近期的实验表明紫外拉曼光谱对下述几个方面的研究也非常有效[12]:(1)对传统拉曼光谱无法表征的催化剂进行研究,例如,催化原位反应、匀相(水相)催化过程、催化剂表面的动态反应过程和催化剂合成过程的研究;(2)表面功能材料、镀膜材料、纳米材料、复合材料的研究等.(3)用于监测大气污染物如烯烃、炔烃和芳烃等不饱和烃及其卤代芳烃;(4)避开了生物分子的荧光干扰,同时共振效应可获得生物大分子某一局部的结构信息.