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化学吸附-质谱联用仪

发布日期:2025-10-22 15:34 阅读次数:

仪器名称

化学吸附-质谱联用

放置地点

继续教育学院楼109

负责人

白书立 

仪器生产厂家及型号

Micromeritics/AutoCh AutoChem II 2920Hiden / QGA

仪器研究方向

多相催化、气体吸附

 

仪器主要功能用途及参数

化学吸附-质谱联用系统仪器主要功能

核心功能:通过化学吸附仪的TCD检测器获得催化性能与其微观表面性质的信号峰,同时通过质谱仪实时、多通道气体产物监测,精确鉴定在升温过程中逸出的气体产物是何种分子或碎片,为催化机理研究提供有利依据。可以进行TPD(程序升温脱附)TPR(程序升温还原)TPO(程序升温氧化)TPRS脉冲化学吸附等的分析

主要用途:主要用于多相催化、吸附等领域

核心参数:

1. Micromeritics AutoChem:

1加热电热炉最高温度1200度,程序升温温度控制范围为环境温度~1100℃。

2升温速率:在室温-500℃范围,0~70℃/min; 在500℃~1100℃范围0~30℃/min,冷却速率:快速冷却,1000度降温至100度时间不超过1小时。 3在线质谱:质量数范围1-200amu;离子源灯丝:铱灯丝

2. Hiden QGA:

质量范围:通常1-300 amu,覆盖从H₂到大部分有机分子的质量。

检测限:可达ppm甚至ppb级别,灵敏度极高。

响应时间:<1秒(与毛细管入口线和设置有关)。

离子源:电子轰击离子源(EI)。

检测器:法拉第杯和电子倍增器(SEM),用于不同浓度范围的检测。

测试内容及领域

测试内容:催化剂性质、表界面化学反应及微观机理

常见测试类型和项目:

1. 实时、多通道气体产物监测:质谱仪可以同时监测多种不同质荷比(m/z)的气体信号,如H2 (m/z=2),CO (m/z=28),CO2 (m/z=44),H2O (m/z=18)等。

2. 程序升温分析:(1)程序升温脱附(TPD):研究催化剂的酸性/碱性位点、金属位点的强度和数量。例如,NH₃-TPD(酸位点);(2)程序升温还原(TPR):研究金属氧化物的还原性、还原温度及还原过程;(3)程序升温氧化(TPO):研究积碳催化剂的再生、金属的氧化行为及碳物种的反应性;(4)程序升温表面反应(TPSR):在反应气气氛下升温,研究特定反应的中间体和反应路径。

3. 脉冲化学吸附:精确测定活性金属分散度、金属表面积和活性位点浓度。

主要应用领域:

1. 催化剂酸性/碱性表征

2. 催化剂还原行为研究

3. 积碳催化剂研究

4. 反应机理研究

5. 物种追踪

注意事项(仪器使用和样品制备)

一、预约测试与使用

1. 培训:操作者必须经过系统性的正规培训,并通过考核获得独立操作资格。未经许可严禁操作仪器。

2. 提前预约:严格按照实验室管理系统提前预约,并遵守时间安排。完成测试后及时在系统中结束预约。沟通与准备:预约时需明确告知样品组成、样品颗粒大小、制备温度、稳定性等信息,以便管理员确认方法兼容性。

3. 开机前检查

气源检查:确认所需的准备气(如高纯He、H2/He或CO2/NH3/He)、载气(如高纯He、H2/He)和脉冲气体(如Ar)压力充足(通常>5 MPa)及浓度合适(如10 wt% H2/He)。确保所有气体净化器未过期。

4. 方法确认:严禁随意修改他人或标准方法。上机前务必确认所调用方法的参数(如升温速率测试温度、气体预处理方式等)适用于当前样品。最好使用自己创建并经过验证的方法。

5. 真空系统:质谱仪是高真空设备,开机前必须确认前级泵和分子涡轮泵运行正常,达到工作真空度(通常优于10⁻⁶ mBar)。

6. 防止污染:避免测试高浓度、易冷凝的样品(如大量硫化物、高沸点有机物),这些物质会污染质谱离子源和四极杆;在TPO测试高积碳样品后,务必确保系统充分吹扫,防止残留CO₂影响后续低浓度检测。

7. 信号饱和:在设置质谱方法时,要预估气体浓度,避免信号过强导致检测器饱和(特别是电子倍增器)。

8. 校准与标定:质谱校准:定期使用标准气体(如残余气体分析仪标准品)对质谱的质量数和灵敏度进行校准;延迟时间:由于从反应管到质谱检测器有毛细管传输线,TCD信号和MS信号存在时间差,在数据关联分析时必须进行校准。

9. 气体干扰:注意不同气体的碎片离子可能重叠,例如CO (m/z=28) N₂ (m/z=28) 会相互干扰,需通过其他碎片峰(如COm/z=12, 16)或使用高纯氦气作为载气来区分。

10. 装样规范将样品管取下装样时,需带纱布手套操作以防烫伤。

11. 质谱仪开机后泵不用关(可常年运行),频繁开关会加速其不稳,停电前务必提前关机,不要突然断电,防止灯丝被烧坏。

12. 仪器检漏:不要轻易移动仪器,重装毛细管或分子漏进行检漏时,使用He气吹扫接口,查看He气压力信号进行判断。

13. 真空度异常:若仪器真空度超过10-7 bar,仪器报错,说明仪器堵塞了;如仪器真空度长时间到不了10-6 bar,说明仪器漏气,应立即暂停运行并查找原因

14. 实时监控:运行实验时,密切监控系统真空度、基线信号、泄漏检查状态等关键参数。发现异常(如压力突变、基线过高、真空度变差)应立即暂停运行并查找原因。

15. 数据与卫生:及时保存、备份和处理数据。清理实验台面,取走自己的样品和废液,保持仪器周围环境整洁。

二、 样品制备及测试注意事项

1. 此测试已使用的样品无法回收,若需回收,只能回收未使用的样品;

2. 一般粉末或者颗粒状样品(粉末40-80目即可,不要太细),样品质量100-200mg;对于密度比较小的样品,尽量制成颗粒,否则容易导致样品在管内堆积严重,气流不稳,造成信号波动。

3. 块状、薄膜样品气体分子一般不宜扩散到样品里面;

4. 样品需要充分干燥,同时提供样品具体成分,样品在整个过程必须稳定,在测试过程中不与坩埚反应,在测试温度范围内不发生分解,样品本身升温过程中不能分解或产生其他气体;若没有测试过热重数据,可在送样前自行在测试最高温度下焙烧处理,保证样品稳定;

5. C材料、C3N4 MOF等材料或制备温度低于测试温度,需要提供TG; 酸根,含S、 F、 Cl 5%以下可以测,磺酸基团不行; 碱性较强的材料,K2O、Na2CO3 NaOH等,会腐蚀石英管反应器,此类材料无法测试;有机物/有机质样品在惰性气氛下升温时易分解成黏糊糊的油状物,一般不接受此类样品;

6. 测试温度必须低于样品制备过程中处理温度;常规测试起始温度约50℃,数据采集温度低于50℃请联系我们;

7. 在TPD测试时,吸附气体的浓度可不做要求,只要吸附饱和即可。

8压力为零:如果准备气、载气和脉冲气体为零、出现报警提醒时,务必检查气体钢瓶是否打开、管路是否漏气,避免检测器在无气体吹扫下进行。

主要配件及拓展功能(选填)

 

仪器操作指引:(选填)(操作指南文件或操作视频二维码)

1步:开机前检查

1)气源检查: 确认所需准备气、载气或脉冲气体(He, Ar, H₂, O₂)气源充足,压力正常,净化器有效。

2)消耗品检查: 检查进样垫、衬管、O型圈是否完好,如需更换,在仪器未加热前完成。

3)工作站与硬件: 确认电脑、仪器主机、化学吸附仪-电脑网口以及化学吸附-质谱联用信号线连接正常。

2步:开启硬件与软件

打开气体:打开气瓶主阀和减压阀。

开启硬件:开启AutoChemQGA电源,启动控制软件。

开启机械泵,待真空度达标后启动分子涡轮泵,等待QGA达到工作真空。

3步:样品装载

从反应器中小心取出样品管。

称重并记录空管重量(含石英棉)。

装入适量样品,再次称重,记录样品净重。

将样品管重新安装回炉体,连接好气路。

4步:系统检漏与吹扫

用惰性气体(He/Ar)以一定流速吹扫系统,同时用QGA监测m/z=18 (H₂O), 28 (N₂/CO), 32 (O₂) 等,确认系统无泄漏且本底良好。

5步:方法设置与运行

AutoChem软件中:编辑温度程序,包括预处理、吸附、吹扫和程序升温阶段,设置TCD参数和气路切换。

NH3-TPD为例,操作流程为:Prep:NH3/He

Unit→import

File→New file→save file→edit

Experiment→insert→TPD

Prep: Gas: He 50 ml/min   Carrier: He 20 ml/min

Tem Ramp: 200 ℃ 60 min (200℃吹扫60 min)

Tem Ramp: 回到室温

Change gas flow: Prep: NH3/He 50 ml/min   Carrier: He 20 ml/min

Wait 120 min

Change gas flow: Prep gas: He 50 ml/min   Carrier/Reference: 50 ml/min

Wait 10 min

Wait 30 min

Wait :等到基线稳定

Set outputs: ☑ DO1

Start recording

Tem Ramp: 800 ℃

Stop recording

Set outputs: □ DO1

Termination

Hiden MASsoft软件中:创建质谱方法,选择需要监测的m/z列表,设置扫描速率、检测器模式(法拉第杯/SEM)和电压。

同步启动:确保两个软件的时间大致同步,然后启动AutoChem的运行程序和QGA的数据采集程序。

6步:数据分析

分别从AutoChemMASsoft软件中导出TCD数据和质谱数据。

使用OriginIgor等数据处理软件,根据延迟时间对TCDMS曲线进行时间对齐。

综合分析TCD的总体信号和MS的特定物种信号,进行定性和定量解读。

7步:关机

实验结束后,将系统温度降至室温,在载气下持续吹扫。

关闭QMA的检测器高压和灯丝,待涡轮泵温度降至安全范围后关闭涡轮泵,最后关机械泵和前级泵。

关闭AutoChem加热炉和所有气体。

 

 

 

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