Durch die Echtzeitüberwachung der spektralen Charakteristikänderungen von Reagenten, Zwischenprodukten und Produkten während der katalytischen Reaktion bietet die In-situ-Absorption-Spektrologietechnologie direkten Nachweis für die Aufdeckung von Reaktionswegen, Aktivitätsstätten und dynamischen Mechanismen und ist eines der Kerninstrumente für die Forschung der katalytischen Mechanismen.
1. Nachverfolgung von Reaktionsmitteln in Echtzeit, um den Reaktionsweg aufzuzeigen
Eine katalytische Reaktion beinhaltet in der Regel die Generierung und Umwandlung von mehrstufigen Zwischenstoffen, und die herkömmliche Offline-Analyse macht es schwierig, diese vorübergehenden Arten zu erfassen. In situ Absorptionsspektrum (z. B. UV-Vis-, Infrarot- oder Raman-Spektrum) kann Veränderungen der Lichtabsorption oder des Vibrationssignals des Reaktionssystems in situ erkennen und das Vorhandensein von Zwischenstoffen direkt erkennen. Beispielsweise kann in der photokatalytischen CO2-Reduktionsreaktion das in situ UV-Vis-Spektrum die charakteristischen Absorptionsspitzen von kritischen Zwischenstoffen wie COOH-, CO- und anderen überwachen. In Kombination mit der Dichte-Panfunktion-Theorie (DFT) kann der Schrittweite der Umsetzung von CO2 in CO festgestellt werden, um den Zwischenstoffabbau oder eine falsche Beurteilung durch Offline-Probenahme zu vermeiden.
2. Positionierung der aktiven Stellen und Optimierung des Katalysatordesigns
In situ-Spektrologien können in Kombination mit räumlicher Auflösung (z. B. Mikrospektroskopie) aktive Stellen in verschiedenen Bereichen der Katalysatoroberfläche lokalisieren. Beispielsweise in Metall-Nanopartikel-Katalysatoren kann die in situ oberflächenverstärkte Raman-Spektrologie (SERS) die Differenzen in der Adsorptionsstärke und Produktselektivität eines spezifischen Kristalls (z. B. Au {111}) an dem Reaktor anzeigen, wodurch die Katalysatormorphologie (z. B. die Synthese von Nanopartikeln mit spezifischen exponierten Kristallen) zur Verbesserung der Aktivität geführt wird. Darüber hinaus kann in situ Röntgenabsorptionsspektrum (XAS) Metallpreisänderungen analysieren und die dynamische Evolution der aktiven Stellen im Oxidationsreduktionszyklus aufzeigen.
3. Quantifizierung der Reaktionsdynamik, Führung der Prozessoptimierung
Durch die kontinuierliche Überwachung der Veränderungen des spektralen Signals im Laufe der Zeit erlangt das in situ absorbierte Spektrum dynamische Parameter wie Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten und Umwandlungsfrequenzen. Beispielsweise kann in der enzymkatalytischen Reaktion in situ UV-Vis-Spektrum den Substratverbrauch und die Produkterzeugungskurve verfolgen, kombiniert mit der Mischer-Gleichung, um die Enzym-Substrat-Bindungskonstante (Km) und die maximale Reaktionsgeschwindigkeit (Vmax) zu bestimmen, um die Optimierung der Reaktionsbedingungen (z. B. pH, Temperatur) zu ermöglichen.
Multitechnologische Zusammenarbeit, die Grenzen einer einzigen Methode zu überbrechen
In situ Absorptionsspektrum wird häufig in Verbindung mit Massenspektrometrie, Chromatografie oder elektrochemischen Technologien verwendet, um eine multidimensionale Assoziationsanalyse "Spektrum-Zusammensetzung-Leistung" zu ermöglichen. Beispielsweise bei der elektrokatalytischen CO2-Reduktion kann das Infrarotspektrum in situ in Verbindung mit der Online-Gaschromatografie zur synchronen Überwachung der Erzeugung von Reaktionsmitteln (z. B. *COOH−) und Gasprodukten (z. B. CO, H2) verwendet werden, um ein vollständiges Reaktionsnetzmodell aufzubauen.
Schlussfolgerung: In-situ-Absorptionsspektrum mit seiner Echtzeit, nicht-zerstörerischen und hohen Empfindlichkeit ist das "Auge" der Forschung der katalytischen Mechanismen geworden, fördert die Entwicklung der rationalen Konstruktion von Katalysatoren und der präzisen Regulierung des Reaktionsprozesses, um den Durchbruch der grünen Chemie und der Technologie der Energieumwandlung zu unterstützen.