Analyse de la surface spécifique et de la porosité
La surface spécifique et la porosité ont un impact significatif sur les performances des catalyseurs. Une surface spécifique plus grande signifie que davantage de sites actifs sont exposés, permettant aux réactifs d'entrer en contact plus complètement avec le catalyseur, augmentant ainsi la vitesse de réaction. La structure des pores appropriée facilite la diffusion des réactifs et des produits, affectant la sélectivité de la réaction.
1.Méthode de test de surface spécifique BET
L'analyse BET est une méthode couramment utilisée pour mesurer la surface spécifique et la porosité des catalyseurs. Elle est basée sur les caractéristiques physiques d’adsorption de gaz inertes tels que l’azote à la surface du catalyseur. En mesurant la quantité d'adsorption à différentes pressions, un modèle théorique spécifique est utilisé pour calculer la surface spécifique, le volume des pores, la distribution de la taille des pores et d'autres informations du catalyseur. Comme le montre la figure 1, l'expérience d'adsorption et de désorption du catalyseur dans un environnement azoté peut déterminer sa taille de surface spécifique et sa structure de pores, et peut clarifier la distribution granulométrique. La structure riche des pores et la surface spécifique élevée lui permettent de bien fonctionner dans les réactions d'adsorption et catalytiques. L'analyse BET peut révéler avec précision ces caractéristiques, fournissant ainsi une base pour optimiser la préparation et l'application des catalyseurs.
Image 1 : Courbe de désorption par adsorption d'azote et distribution de la taille des pores
analyse structurelle
1.Diffraction des rayons X (DRX)
La technologie XRD revient à prendre une « photo de la structure moléculaire » d'un catalyseur. Lorsque des rayons X sont irradiés sur des échantillons de catalyseurs, des phénomènes de diffraction se produisent et les catalyseurs avec différentes phases cristallines produisent des diagrammes de diffraction spécifiques. La structure cristalline, la composition des phases et la taille des grains du catalyseur peuvent être déterminées par analyse. Par exemple, sur la figure 2, des tests XRD ont été effectués sur trois catalyseurs en poudre différents et les résultats ont montré que les trois échantillons de morphologies différentes correspondaient parfaitement à la carte standard de Cu9S5 (JCPDS 47-1748).
La largeur du demi-pic du plan cristallin de Cu9S5 SNW (001) est nettement plus grande que celle des deux autres formes d'échantillons. Selon la formule de Scherrer, plus la taille des grains est petite, plus la largeur du demi-pic du pic de diffraction correspondant est grande. Au contraire, plus la taille des particules est grande, plus la demi-largeur du pic de diffraction est nette. En raison de la taille à l'échelle inférieure au nanomètre (0,95 nm) de l'échantillon de Cu9S5 SNW et du fait que l'échantillon présente une structure monocellulaire sans plan cristallin complet, la largeur du demi-pic est significativement plus grande, tandis que la largeur du demi-pic (001) des Cu9S5 SNW est plus élevée.
Image 2 : modèle XRD du catalyseur Cu9S5 SNW
2. Transformation de Fourier infrarouge (FT-IR)
FT-IR est une technique d’analyse spectroscopique basée sur les transitions de niveaux d’énergie de rotation des vibrations moléculaires. En irradiant l'échantillon avec une lumière infrarouge générée par un interféromètre, les signaux d'absorption, de transmission ou de réflexion de l'échantillon à différentes longueurs d'onde de lumière infrarouge sont enregistrés. L'interférogramme est converti en spectre infrarouge par transformée de Fourier, reflétant les caractéristiques vibratoires des groupes fonctionnels de la molécule. Sa fonction principale est d'identifier les groupes fonctionnels (tels que hydroxyle, carbonyle, méthyle, etc.) dans les molécules et de déduire la structure chimique des composés grâce à la position (nombre d'onde), l'intensité et la forme des pics caractéristiques du spectre. Il s'agit du principal moyen d'analyse structurelle des composés organiques, des matériaux polymères et d'autres matériaux.
Dans le spectre FT-IR des SNW Cu9S5, comme le montre la figure 3, un phénomène de décalage vers le rouge significatif a été observé par rapport aux NW Cu9S5, indiquant l'interaction électronique entre Cu et S. Les pics caractéristiques des échantillons de Cu9S5 NW et Cu9S5 SNW à 2916 cm-1 et 2846 cm-1 peuvent être attribués au mode de vibration d'étirement du méthylène (-CH2-) dans le dodécanethiol, tandis que le pic caractéristique à 1471 cm-1 correspond au mode de vibration de flexion de la liaison C-H.
Image 3. spectre infrarouge
3. Caractérisation Raman
La spectroscopie Raman est basée sur l'effet de diffusion Raman. En détectant la différence de fréquence (décalage Raman) entre la lumière diffusée et la lumière incidente générée par la collision inélastique du laser et des molécules, les caractéristiques du niveau d'énergie vibrationnel et rotationnel des molécules peuvent être obtenues. Le décalage Raman est « l'empreinte digitale » de la structure moléculaire, particulièrement adaptée aux groupes fonctionnels non polaires difficiles à mesurer par spectroscopie infrarouge (comme les doubles liaisons carbone-carbone et les groupes fonctionnels symétriques), souvent complémentaires à la spectroscopie infrarouge.
Comme le montre la figure 4, le spectre Raman de V-RuO2 (RuO2 dopé au V) est cohérent avec celui de RuO2, sans autre pic unique, excluant la génération de V2O5. Le dopage V déplace le mode A1g de RuO2 vers des nombres d'onde inférieurs, indiquant que l'introduction de V affecte de manière significative sa structure de réseau et son environnement de liaison chimique (ce qui peut entraîner des lacunes en oxygène ou des défauts locaux), modifiant ainsi sa structure électronique ; Le décalage vers la gauche du pic A1g reflète l'interaction entre les atomes V et le réseau RuO2, indiquant que le dopage V module la symétrie locale et les caractéristiques de longueur de liaison de RuO2.
Image 4 : Spectres Raman de V-RuO2.
Analyse de la composition chimique
La technologie XPS peut analyser en profondeur la composition élémentaire, les états chimiques et la structure électronique des surfaces des catalyseurs. Lorsque la surface du catalyseur est irradiée par des rayons X, les électrons des atomes de la surface sont excités. En détectant l’énergie et la quantité de ces photoélectrons, nous pouvons déterminer le type et le contenu de l’élément, ainsi que l’environnement chimique dans lequel se trouve l’élément. Par exemple, lors de l'étude de catalyseurs métalliques sur support, XPS peut déterminer avec précision la forme du métal à la surface du support, s'il s'agit d'un élément métallique ou d'un oxyde métallique, ainsi que les changements dans son état d'oxydation. Ceci est très important pour comprendre l’activité et le mécanisme de désactivation du catalyseur. Comme le montre la figure 5, XPS a été utilisé pour démontrer la composition et les états de valence des éléments Ru, Co et Ni. Les spectres fins XPS d’éléments spécifiques de l’échantillon ont été utilisés pour déterminer le décalage positif/négatif de l’énergie de liaison, indiquant l’existence d’interactions électroniques.
Image 5 : Spectres fins XPS de Ru 3p, Co 2p, Ni 2p
techniques microscopiques
1. Microscope électronique à balayage (MEB)
Le SEM scanne la surface de l'échantillon en émettant un faisceau d'électrons, collectant des électrons secondaires ou des électrons rétrodiffusés pour l'imagerie, ce qui peut fournir des informations microscopiques sur la morphologie de la surface du catalyseur, avec une résolution allant généralement du nanomètre au micromètre. Grâce aux images SEM, la taille, la forme et l’état d’agrégation des particules de catalyseur, ainsi que la texture et la rugosité de la surface, peuvent être observés visuellement. Lors de l'étude de catalyseurs poreux, le SEM peut afficher clairement la répartition de leur structure poreuse, qui est étroitement liée au transfert de masse et aux performances de réaction du catalyseur.
2.Microscope électronique à transmission (TEM)
La TEM nous permet d'observer directement la microstructure des catalyseurs. Il émet un faisceau d'électrons à travers l'échantillon et image la diffusion après l'interaction entre les électrons et l'échantillon. En utilisant la TEM, nous pouvons clairement voir la taille, la forme et la distribution des particules de catalyseur, ainsi qu'observer la structure du réseau et les défauts à l'intérieur du catalyseur.
Les techniques de caractérisation de base des catalyseurs sont des outils puissants pour mieux comprendre leurs propriétés physiques, chimiques et structurelles. Grâce à une application complète, le mécanisme de la réaction catalytique peut être révélé, fournissant ainsi une base théorique pour la conception et le développement de catalyseurs hautes performances. Avec les progrès de la technologie, cette technologie continue d’innover et de se développer vers une résolution plus élevée, une quantification plus précise et une meilleure simulation des conditions de réaction réelles.
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