CN104596892A - 一种气固表面反应装置及采用其进行测定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气固表面反应装置及采用其进行测定的方法，目的在于解决目前样品在低真空或正压条件下处理后需要暴露大气后才能转移至其它超高真空环境进行后续分析的问题。常规方法是在特定的反应容器内完成对样品低压或高压反应处理，然后打开反应容器取出样品并转移到其它超高真空分析谱仪，该过程显然难以避免大气对被处理样品表面的二次污染问题。本发明的气固表面反应装置既能开展气固高压反应，又能获取超高真空；在高压充气及反应过程中，可实现温度、压力的在线采集记录，反应完毕后，又能使腔体处于超高真空状态，并能快速将样品真空转移至相连的其它分析设备。本发明彻底解决了大气对样品表面的二次污染，同时有效提高了工作效率。本发明设计合理，构思巧妙，对于气固表面反应研究具有重要意义。

Description

一种气固表面反应装置及采用其进行测定的方法

技术领域

本发明涉及一种气固表面反应装置及采用其进行测定的方法，尤其是一种既可提供超高真空又能进行高压反应的气固表面反应室，本发明中高压反应室位于超高真空腔体内且其且与超高真空腔体共用一套样品架。本发明能够用于材料在特定反应气氛中的相容性和表面反应研究，具有重要的使用价值。

背景技术

固体表面附近的几个原子层内，原子具有许多异于固体内部的物理化学特性。因此，材料表面科学研究表面几个原子层内原子的排列情况、电子状态、吸附在表面上的外来原子或分子，以及在表面几个原子层内的外来杂质的电子状态和其它物化性质。为了提高材料对环境的适应性能，需要深入研究材料表面在使用环境条件下（温度、压力）的表面物理化学变化，相关研究成果可为材料表面改性技术和新材料研发提供技术支撑。

现代表面科学分析技术，如XPS、AES、SIMS和STM等技术，在进行材料的表面分析时，通常需要在优于10^-6Pa以上的超高真空环境中进行。超高真空环境具有如下优点：（1）样品表面短时间内，不会受到残余气氛污染；（2）能降低电子被残余气体分子吸收或散射几率；（3）为某些真空部件提供稳定的工作环境。但在某些工程环境中，反应气氛为低真空甚至正压条件，为了原位开展这些表面反应研究，必须设计新的气固反应装置。

样品在低真空或正压条件下处理后，通常需要再转移至其它超高真空环境进行后续分析。常规方法需要先在特定的反应容器内完成对样品低压或高压反应处理，然后打开反应容器取出样品并转移到其它超高真空分析环境。然而，该方法难以避免转样过程中大气对材料表面的二次污染，进而影响实验结果。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对目前样品在低真空或正压条件下处理后需要暴露大气才能转移至其它超高真空环境进行后续分析的问题，提供了一种气固表面反应装置及采用其进行测定的方法。本发明的气固表面反应装置既能开展气固高压反应，又能获取超高真空；在高压充气及反应过程中，可实现温度、压力的在线采集记录，气固反应完毕后，又能使腔体处于超高真空状态，再通过样品传送通道将样品真空转移至相连的其它分析设备，彻底解决了大气对材料表面污染的问题。同时，本发明还提供基于该装置的测定方法，该方法能够实现气固反应样品的测定，具有操作简单、便捷，测定结果准确的特点，能够满足气固表面反应测定的需要。本发明彻底解决了大气对反应表面的二次污染，同时有效提高了工作效率。本发明设计合理，构思巧妙，对于气固表面反应研究具有重要的意义。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种气固表面反应装置，包括反应室、与反应室相连的样品支架、抽真空系统、充气装置、测定装置，所述反应室内设置有腔体，所述腔体包括高真空腔、设置在高真空腔上方且与高真空腔相连的高压腔体，所述高真空腔的水平截面积大于高压腔体的水平截面积，且高真空腔的顶端形成与高压腔体相连的环形凸台；

所述样品支架包括与高真空腔密封连接的高压阀头、与高压阀头相连且能使高压阀头沿高真空腔相对移动的升降杆，所述高压阀头上还设置有与环形凸台相配合的密封件；

所述抽真空系统、测定装置分别与腔体相连，所述充气装置与高压腔体相连。

还包括设置在腔体上的视窗。

所述视窗为玻璃视窗。

所述高压阀头上还设置有样品架。

所述密封件为密封圈。

所述密封圈为氟胶圈或金属密封圈。

所述测定装置包括压力传感器、温度传感器中的一种或多种。

还包括与测定装置相连的信息记录装置。

还包括与反应室相连的样品传送通道、与样品传送通道相连的插板阀、与反应室相连的推送装置。

所述推送装置为磁力传样杆或机械传样杆。

所述抽真空系统包括分子泵、机械泵、与腔体相连的真空管，所述分子泵、机械泵分别与真空管相连；所述充气装置包括高压气源、与高压气源相连的充气管，所述充气管与高压腔体相连，所述真空管、充气管上分别设置有高压阀门。

还包括与高压腔体相连的连接管，所述真空管、充气管分别与连接管相连，所述连接管上设置有高压阀门。

采用前述装置进行气固表面反应测定的方法，包括如下步骤：

（1）样品高压测定

将样品置于样品支架的高压阀头上，调节升降杆，使高压阀头沿高真空腔上升至密封件与环形凸台紧密接触，再通过充气装置向高压腔体内充入所需反应气体，通过测定装置记录反应情况；

（2）样品高真空获取

待步骤1反应完毕后，调节升降杆，使高压阀头沿高真空腔下降，同时通过抽真空系统将腔体内进行抽真空处理，使样品处于超高真空环境中。

将样品传送通道与分析设备相连，待腔体内处于超高真空环境后，打开插板阀，通过推送装置将样品转移至与本发明相连的其它设备。

针对前述问题，本发明提供一种气固表面反应装置及采用其进行测定的方法。本发明工作时，将样品置于高压阀头上，高压阀头可以兼作样品架的作用，通过调节升降杆，使高压阀头沿高真空腔上升至密封件与环形凸台紧密接触，此时，样品处于高压腔体内。然后，通过充气装置向高压腔体内充入所需气体，所需气体与样品反应，通过测定装置能够有效对样品进行测定，可在线记录高压腔体内温度、压力随时间的变化趋势。采用该结构，高压腔体的体积可控制在10mL左右，高压充气过程中，高真空腔的真空度不会受到任何影响。待测定完毕后，调节升降杆，使高压阀头沿高真空腔下降，同时通过抽真空系统将腔体内进行抽真空处理，使样品处于超高真空环境中，从而实现样品从低真空或正压条件向超高真空环境的转换，有效避免大气对材料表面的污染。

本发明中，反应室可采用不锈钢制成，部件加工、内表面处理及装配满足超高真空工艺要求。通过腔体与抽真空系统（可由机械泵和分子泵组成）的配合，反应室极限真空可达5×10^-8Pa。本发明中，升降杆（可采用旋转扳手）能控制高压阀头的升降，高压阀头兼起样品座的作用，也可在高压阀头上单独设置样品架。

进一步，还包括设置在腔体上的视窗，视窗可以为玻璃视窗；测定者可通过玻璃视窗观察样品表面状态的变化。密封件为密封圈，密封圈可以为氟胶圈或金属密封圈，使用者可以根据不同的反应体系选择不同的密封方式。测定装置包括压力传感器、温度传感器中的一种或多种，还包括与测定装置相连的信息记录装置。

进一步，还包括与反应室相连的样品传送通道、与样品传送通道相连的插板阀、与反应室相连的推送装置。推送装置可以为磁力传样杆或机械传样杆。通过该结构，能够实现本发明与其他分析设备的连接。将样品传送通道与需要进行测定的分析设备相连，待腔体内处于超高真空环境后，打开插板阀，通过与反应室相连的推送装置将样品送至分析设备，即可。采用该方式，既避免了大气环境对反应表面的二次污染，又提高了工作效率。

进一步，抽真空系统包括分子泵、机械泵、与腔体相连的真空管，分子泵、机械泵分别与真空管相连；充气装置包括高压气源、与高压气源相连的充气管，充气管与高压腔体相连，真空管、充气管上分别设置有高压阀门。

进一步，还包括与高压腔体相连的连接管，真空管、充气管分别与连接管相连，连接管上设置有高压阀门。采用该结构，充气与抽真空均可通过连接管实现，具有结构简单，操作方便等优点。

本发明中，高压腔体位于高真空腔上方，且高真空腔、高压腔体共同构成腔体，同时，高真空腔、高压腔体共用一套样品架，这也使得本发明开展气固表面反应的气体压力覆盖范围很广，可从超高真空至2MPa。本发明设计合理，加工精密，在高压腔体充气的过程中，高真空腔的真空度不会受到任何影响，高压腔体的容积可控制在10mL左右，这对减少稀有贵重气体或有毒有害气体的用量十分有利。

综上所述，本发明提供了一种既能开展气固高压反应，又能获取超高真空的反应系统，高压充气及反应过程中可实现温度、压力等的在线采集记录；反应完毕后，腔体可处于超高真空状态，并将样品真空转移至相连的其它分析设备。本发明既避免了大气对反应表面的二次污染，又提高了工作效率，对于气固表面反应研究具有重要意义。

附图说明

图1为本发明未形成高压密闭子空间的剖视图。

图2为本发明形成高压密闭子空间的剖视状态图。

图3为本发明实施例1的结构示意图。

图中标记：1、高真空腔，2、高压腔体，3、环形凸台，4、高压阀头，5、升降杆，6、测定装置。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图所示，该气固表面反应装置包括反应室、与反应室相连的样品支架、设置在腔体上的视窗、抽真空系统、充气装置、测定装置、与反应室相连的样品传送通道、与样品传送通道相连的插板阀、与反应室相连的推送装置。

其中，反应室内设置有腔体，腔体包括高真空腔、设置在高真空腔上方且与高真空腔相连的高压腔体，高真空腔的水平截面积大于高压腔体的水平截面积，且高真空腔的顶端形成与高压腔体相连的环形凸台。

样品支架包括与高真空腔密封连接的高压阀头、与高压阀头相连且能使高压阀头沿高真空腔相对移动的升降杆，高压阀头上还设置有与环形凸台相配合的密封件。

抽真空系统、测定装置分别与腔体相连，充气装置与高压腔体相连。本实施例中，抽真空系统包括分子泵、机械泵、与腔体相连的真空管，分子泵、机械泵分别与真空管相连；充气装置包括高压气源、与高压气源相连的充气管，充气管与高压腔体相连，真空管、充气管上分别设置有高压阀门。进一步，还包括与高压腔体相连的连接管，真空管、充气管分别与连接管相连，连接管上设置有高压阀门。

本实施例中，视窗可以为玻璃视窗，密封圈可以为氟胶圈或金属密封圈，测定装置包括压力传感器、温度传感器中的一种或多种，推送装置可以为磁力传样杆或机械传样杆。同时，本实施例还包括与测定装置相连的信息记录装置。

该装置工作时，将样品置于高压阀头上，通过调节升降杆，使高压阀头沿高真空腔上升至密封件与环形凸台紧密接触，此时，样品处于高压腔体内。然后，通过充气装置向高压腔体内充入所需气体，所需气体与样品反应，通过测定装置能够有效对样品进行测定，可在线记录温度、压力随时间的变化趋势。待测定完毕后，调节升降杆，使高压阀头沿高真空腔下降，同时通过抽真空系统将腔体内进行抽真空处理，使样品处于超高真空环境中，从而实现样品从低真空或正压条件向超高真空环境的转换。然后，将样品传送通道与需要进行测定的分析设备相连，待腔体内处于超高真空环境后，打开插板阀，通过与反应室相连的推送装置将样品送至分析设备即可。

实施例2     运用本发明测定活泼金属与高压H₂的反应诱导期

实验表明活泼金属在与高压H₂动力学反应前，会有一定时间的诱导期，该诱导期长短与温度、氢气压力及氢气纯度等诸多因素相关。

利用本发明的装置可准确测定特定温度和压力下金属与高压H₂的反应诱导期。通过分别改变温度、压力等实验参数还可获得相关参数对诱导期的影响规律。

实施例3     运用本发明测定活泼金属与高压H₂反应后的表面组成

活泼金属与H₂反应形成的金属氢化物在样品转移过程中，极易被大气中的含氧气氛所氧化，难以通过单独的表面分析设备原位研究表面组成。

利用本发明的装置，样品氢化后的表面不会被大气所污染。活泼金属与特定压力的H₂反应结束，卸载高压氢气并降下高压阀头后，可通过样品传输杆将样品真空转移至与本发明相连的二次离子质谱（SIMS）或X射线光电子能谱(XPS)，研究样品表面组成。

实施例4     研究不同压力的CO/H₂对金属表面高价氧化物的还原作用

利用本发明的装置，将样品与不同压力的CO/H₂作用一段时间后，卸载高压并降下高压阀头后，迅速将样品真空转移至与本发明相连的X射线光电子能谱（XPS），研究表面氧化物价态变化，探索不同压力的CO/H₂对金属氧化物的还原效果。

通过实际使用测定表明，本发明能够实现气固表面反应中，高压充气及反应过程的温度、压力的在线采集记录，且高压反应完毕后，能够使样品处于超高真空状态，有效避免了大气对于样品的二次污染，同时，样品能够迅速转移至与本系统相连的其它分析设备中开展进一步研究。本发明不仅彻底避免了大气对反应表面的二次污染，又有效提高了工作效率，具有显著的进步意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气固表面反应装置，其特征在于，包括反应室、与反应室相连的样品支架、抽真空系统、充气装置、测定装置，所述反应室内设置有腔体，所述腔体包括高真空腔、设置在高真空腔上方且与高真空腔相连的高压腔体，所述高真空腔的水平截面积大于高压腔体的水平截面积，且高真空腔的顶端形成与高压腔体相连的环形凸台；

所述样品支架包括与高真空腔密封连接的高压阀头、与高压阀头相连且能使高压阀头沿高真空腔相对移动的升降杆，所述高压阀头上还设置有与环形凸台相配合的密封件；

所述抽真空系统、测定装置分别与腔体相连，所述充气装置与高压腔体相连。

2.根据权利要求1所述气固表面反应装置，其特征在于，还包括设置在腔体上的视窗。

3.根据权利要求1所述气固表面反应装置，其特征在于，所述密封件为密封圈。

4.根据权利要求1-3任一项所述气固表面反应装置，其特征在于，还包括与测定装置相连的信息记录装置。

5.根据权利要求1-4任一项所述气固表面反应装置，其特征在于，还包括与反应室相连的样品传送通道、与样品传送通道相连的插板阀、与反应室相连的推送装置。

6.根据权利要求5所述气固表面反应装置，其特征在于，所述推送装置为磁力传样杆或机械传样杆。

7.根据权利要求1-6任一项所述气固表面反应装置，其特征在于，所述抽真空系统包括分子泵、机械泵、与腔体相连的真空管，所述分子泵、机械泵分别与真空管相连；所述充气装置包括高压气源、与高压气源相连的充气管，所述充气管与高压腔体相连，所述真空管、充气管上分别设置有高压阀门。

8.根据权利要求7所述气固表面反应装置，其特征在于，还包括与高压腔体相连的连接管，所述真空管、充气管分别与连接管相连，所述连接管上设置有高压阀门。

9.采用权利要求1-8任一项所述装置进行气固表面反应测定的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）样品高压测定

将样品置于样品支架的高压阀头上，调节升降杆，使高压阀头沿高真空腔上升至密封件与环形凸台紧密接触，再通过充气装置向高压腔体内充入所需反应气体，通过测定装置记录反应情况；

（2）样品高真空获取

待步骤1反应完毕后，调节升降杆，使高压阀头沿高真空腔下降，同时通过抽真空系统将腔体内进行抽真空处理，使样品处于超高真空环境中。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将样品传送通道与分析设备相连，待腔体内处于超高真空环境后，打开插板阀，通过推送装置将样品转移至与本发明相连的其它设备。