DRIFT-原位光谱

散射反射傅立叶变换红外光谱（Diffuse Reflaxions Infrared Fourier Transformations Spectroscopy, DRIFTS）为化学家提供了研究接近真实反应条件的非均相气相反应的可能性。借助这种方法可以获取反应物与催化剂表面相互作用和吸附动力学方面的重要信息，更深入地理解催化机理。

许多研究非均相反应的方法都是基于用电子或离子等粒子辐射轰击催化剂表面，根据辐射性质（能量、冲量等）的改变推导固体表面的结构。这样的方法要在真空中工作，即在所谓的离位（ex-situ）条件下。

对于催化剂的原位研究必须采用电磁辐射（NMR、IR、UV、VIS、X-Ray）的方法，因为电磁辐射可以穿过反应气氛。本文建立了一种红外光谱法。

常用的红外光谱

利用红外光谱研究固体有许多不同的方法可供选择。最常用的方法是透射光谱的测量，为获得催化剂粉末的透射光谱，需将其与溴化钾晶体一起研细并压成片状。这种方法的缺点在于催化剂材料和稀释材料之间的相互作用是不可忽略的。透射光谱测量的另一个选择的方法是催化剂粉末直接压片法，但这需要很高的压力，可能导致催化剂相态发生变化，而得出错误的结论。且采用直接压片法时必须注意压片不能太厚，否则所有的IR辐射将被催化剂材料所吸收。高吸收系数或高反射的样品（如活性碳或金属）显然不能用这样的方法进行分析。这两种方法（溴化钾压片法和直接压片法）对于原位研究非均相催化反应有很多不足，因为气体无法再透过催化剂扩散到催化剂片中。

下面的另一个选择可以实现在粉末状样品表面的直接测量，特别适合于研究吸附作用和非均相催化反应。

粉末的测定

有三种不同的IR技术可以实现粉末样品的直接测定，它们是扩散反射光谱（DR）、光声光谱（PA）和发射光谱。此三种方法可测量到的辐射信号均低于透射光谱和ATR光谱，因而长时间得不到广泛应用。FTIR技术的引进为这些技术带来了新的曙光，借助FTIR技术可以大幅度降低测量时间，同时光谱的叠加可以获得足够高的信噪比。FTIR技术与散射反射光谱的结合产生了DRIFTS方法。

DRIFTS光谱的原理

DRIFT光谱一般是将IR辐射照射在散开的样品材料上，按照样品的不同性质，它们是反射、衍射、折射、透射和吸收过程的叠加，因而散开的辐射分散在样品以上的空间。为了让检测器能够尽可能多的收集这些散开的反射辐射需要一个适当的光学系统。因为固体材料对IR辐射的吸收强度与进入深度有关，因此DRIFT测量的低吸收系数的IR吸收带比用通常的透射法测量更清晰。这一点对低强度吸收带的红外光谱研究显然更加有利。

DRIFTS反应器测量池

在反应器测量池中加入纯粹的催化剂粉末，不需要事先进行机械加工，更不需要使用稀释剂如溴化钾。通过一个适当的设备将反应混合气体导入疏松堆放的催化剂粉末，可加热的样品池用于收集反应条件下的DRIFTS光谱，且目前已成为光谱仪的附件。常规的DRIFTS样品池只包含一个样品架，用于研究被吸附物质，因而通常以未吸附反应物的催化剂作为背景，也就是进行两次测量（吸附的和未吸附的样品）。外部环境的改变（如CO2或H2O的浓度）或样品池窗的吸附都将影响光谱的质量，特别对于特征表面较小的样品研究。若原位研究含有高红外活性气体组分存在，其吸收带也会在光谱中出现。

测量后用差减法去除气相谱带也是可能的，但将以损失光谱的质量为代价。在某些情况下差减法将产生“新带、假带”。

一个专门设计的DRIFTS反应器测量池可以将催化剂样品和一个参比样品一起放在一个样品室。两种物质在样品瓶内放在样品室内一个可以转动的盘上，且可以交替置于光谱仪入射光的入口处（准双光束方法）。因为两种物质由相同的反应气体组成，可以消除背景干扰。使用这种类型的测量池可以更方便地对这种测量体系进行真正的原位测量。

应用实例

借助DRIFTS光谱法与交替式反应器测量池的联用，Darmstadt工业大学已经对几个反应体系进行了富有成效的原位研究，如对碳黑（工业烟尘）表面基团氧化的定性和定量分析以及动力学研究；在非均相催化领域也有一些成功的应用，如在Mo/V/W混合氧化催化剂表面丙烯醛的部分氧化反应，硅和氯甲烷的反应（Müller-Rochow合成），银催化剂（Ag/α-Al2O3）催化乙烯环氧化反应和NOx在NSR催化剂上的富集。

综上所述，准双光束DRIFTS光谱法是一个研究非均相催化反应的有效方法，特别是在原位条件下的非均相催化剂研究。

作者简介

G. Herbert Vogel教授，工学博士，1982~1993年在BASF从事开发、设计和石油化学产品设备调试，从1993年开始，在Darmstadt工业大学从事非均相催化，苛刻条件下的化学和材料再生。

Helger Wiederhold，工程硕士，自2003年开始在Vogel教授的研究组攻读博士学位，研究方向为臭氧与碳黑的反应机理。

Alfons Drochner，工学博士， 2002年获Darmstadt工业大学技术化学博士；2002年开始非均相催化研究，期间还研究瞬变反应方法和DRIFTS。

来源：实验与分析