CN209997602U - 高温高压原位xrd和xas气固反应装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高温高压原位XRD和XAS气固反应装置，包括腔体、样品架、加热装置、窗口组件、高压进气组件、温控系统；样品架设置在腔体内，加热装置设置在样品架外围，窗口组件设置在样品架端部，并与腔体密封连接；腔体内的气体通道连接进气口、样品架以及出气口，高压进气组件连接进气口，温控系统设置在腔体外部，通过线路连接加热装置。本实用新型的有益效果：通过加热装置、高压进气组件实现可高温高压的密封环境，适用于各类气固相催化反应体系，能够实现气氛、温度、压力等多种环境的自由调节，并能够在上述复杂环境下对催化剂进行原位的XRD和XAS测试。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种反应装置，尤其涉及的是一种高温高压原位XRD和XAS气固反应装置。
背景技术
最近，由于煤和石油的利用，导致气候全球变暖的大量二氧化碳作为温室气体的排放引起了全面的关注。如何减少二氧化碳的排放是非常重要的，而且在全世界都非常迫切。中国政府声称到2020年底二氧化碳排放量将减少43％。更有意思的是，在中国南海北部地区成功开发了甲烷水合物(即可燃冰)，并在其中收集到了甲烷气体。因此，CH4和CO2转化为合成气也被认为是一个十分具有前景的反应过程。一方面，合成气可直接用于合成液体燃料、氨和有价值的含氧化合物，以及燃料电池的开发。另一方面，CH4/CO2重整反应的实现将有效地缓解CO2的排放。此外，CH4/CO2重整过程中的低H2/CO比对Fischer-Tropsch合成更有利。而工业化实现CH4/CO2重整反应的关键是需要设计开发出具有高选择性和高效率的催化剂。许多贵金属催化剂，如Ru，Rh，Ir，Pt就具有很好的催化活性和选择性。考虑到价格和可用性，过渡金属基催化剂也被广泛研究和开发中，如Ni基催化剂、Cu基催化剂等。除此之外，由负载在过渡金属氧化物(TMO)上的贵金属(NM)纳米颗粒(NP)也是工业催化中的重要组成部分，其中金属是主要活性组分。氧化物，特别是可还原的氧化物，如TiO2，Fe2O3或CeO2，不仅可以作为金属NPs分散的载体，而且可以促进金属催化反应。在这些工业催化反应中，通常反应中存在的高温、甚至是高压的不同环境场经常会对催化剂产生很多不可期的影响，如高温催化剂中毒就是其中典型的一类。具体如由于吸热效应，甲烷分解是高温下碳沉积的主要原因，其可以覆盖Ni活性位点以导致催化剂失活。此外，在这些具体的催化反应过程中，催化剂本身也有可能会发生各种相转变等情况，也有可能与载体发生相互作用，这些不可期的结构变化都会对催化剂本身的选择性和催化效率产生巨大的影响。因此，如何在催化过程中实现对催化剂的结构表征就显得尤为重要。
X射线衍射谱(XRD)和X射线吸收谱(XAS)是研究材料微观结构的两种常用技术，两者联合测量可获得样品原子尺度长程有序和局域微观结构等全方面信息。
在早期的研究中，研究人员更加关系的是如何构建高效的催化剂，所用的方式往往是通过理论计算来判断催化剂的种类，然后进行试验合成，最终直接在催化反应过程中进行性能测试。这种方法曾帮助我们从大量的备选材料中选择出了许多高效并具有选择性的催化剂材料。但随着研究和实际应用的不断深化，人们已经不能满足于从大量的备选材料中进行选择，而是将目光转向了如何精确合成并定向催化的方向，这就要求研究人员对现有催化剂的催化机理了解的很透彻。在过去十年中成熟的强大实验和理论方法使得人们已经对各类现有催化剂的结构-组成-活性关系在分子水平的理解成为可能。但受制于各类催化反应具体的极端条件，如高温、高压、光照等条件，在这些特定环境下对催化剂在催化过程中的实时监控的困难性，使得研究人员无法真正从分子甚至是原子层面对整个反应动力学有很好的理解。由于迄今为止尚未报道关于这一关键方面的证据，在催化期间对催化剂起作用的温度依赖性研究对于确定作为操作温度的函数的替代反应途径和活性物质是至关重要的。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于：如何解决难以实时监控催化过程的问题。
本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的：本实用新型公开高温高压原位XRD和XAS气固反应装置，包括密封结构的腔体、至少一端开头的样品架、加热装置、一个以上窗口组件、高压进气组件、温控系统；腔体内部设有通孔，样品架设置在通孔内，加热装置设置在样品架外围，窗口组件设置在样品架开头端，并与腔体密封连接；腔体顶端设有进气口，底端设有出气口，在腔体内设有气体通道，气体通道连接进气口、样品架以及出气口，高压进气组件连接进气口，温控系统设置在腔体外部，通过线路连接加热装置。
本实用新型通过加热装置、高压进气组件实现可高温高压的密封环境，该原位装置适用于各类气固相催化反应体系，能够实现气氛、温度、压力等多种环境的自由调节，并能够在上述复杂环境下对催化剂进行原位的XRD和XAS测试，并在反应装置内设有气路，可以让气体充分的通过样品，保证整个气路的通畅。
优选的，所述腔体为长方体结构，顶面设有进气口，后侧面设有出气口，底面设有密封头，加热装置通过设置在密封头内的线路连接温控系统。
优选的，还包括设置在腔体两侧面底端的进水口、出水口，腔体内部设有冷却水通道，冷却水通道两端分别为进水口和出水口。
本实用新型设置的水冷系统可以使设备外壳保持较低温度，避免温度太高对人造成伤害。
优选的，所述加热装置包括加热主体、加热电阻丝、热电偶、隔热层；加热主体套接在样品架外，加热主体外缠绕加热电阻丝，隔热层套接在电阻丝外，热电偶的一端伸入到样品架内，另一端由线路连接温控系统，加热电阻丝连接温控系统。
优选的，所述加热主体为石英或陶瓷材质制得。
优选的，所述窗口组件包括窗口、窗口盖；窗口通过密封圈密封的嵌入窗口盖上，窗口盖通过密封圈与腔体密封连接。
优选的，所述窗口为高纯铍窗材质制得，或所述窗口为红外窗口，或所述窗口为拉曼窗口。可以对窗口进行更换，如红外窗口即可升级为红外原位测试，若更换为拉曼窗口，即可升级为拉曼原位测试。
优选的，所述窗口组件为两个，分别设置在样品架两端。
优选的，所述高压进气组件包括四通接头，一端通过卡套接头连接进气口，一端连接压力显示装置，一端连接压力过载保护装置，一端为进出气控制器。
本实用新型中的压力过载保护装置的设计主要为了保证整个装置系统的使用安全，防止内部压力过大而发生危险，压力显示装置可以实时观察内部压力情况。
优选的，还包括支架组件，支架组件包括四根圆柱和支撑底板，圆柱的一端固定在支撑底板上，另一端固定在腔体底部。
本实用新型相比现有技术具有以下优点：
(1)本实用新型通过加热装置、高压进气组件实现可高温高压的密封环境，该原位装置适用于各类气固相催化反应体系，能够实现气氛、温度、压力等多种环境的自由调节，并能够在上述复杂环境下对催化剂进行原位的XRD和XAS测试，并在反应装置内设有气路，可以让气体充分的通过样品，保证整个气路的通畅；
(2)可以通过温控系统控制反应腔室内部的温度和升温速率等参数，保证温度的精确度；
(3)本实用新型设置的水冷系统可以使设备外壳保持较低温度，避免温度太高对人造成伤害；
(4)本实用新型中的压力过载保护装置的设计主要为了保证整个装置系统的使用安全，防止内部压力过大而发生危险，压力显示装置可以实时观察内部压力情况。
附图说明
图1是本实用新型实施例高温高压原位XRD和XAS气固反应装置(包含气体走向示意)的结构示意图；
图2是本实用新型实施例高温高压原位XRD和XAS气固反应装置的与图1垂直方向的剖视图；
图3是冷却水走向示意图。
图中标号：腔体1、进气口11、出气口12、进水口13、出水口14、支架组件15、腔体底座16、密封头17、腔体侧盖18；样品架2、加热装置3、加热主体31、加热电阻丝32(图中未指出)、热电偶33、隔热层34、窗口组件4、窗口41、窗口盖42、密封圈43、高压进气组件5、四通接头51、卡套接头52、压力显示装置53、压力过载保护装置54、进出气控制器55、不锈钢管56、冷却系统6、冷却水通道61、样品7。
具体实施方式
下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一：
如图1所示，本实施例公开一种高温高压原位XRD和XAS气固反应装置，包括密封结构的腔体1、两端开头的样品架2、加热装置3、两个窗口组件4、高压进气组件5、温控系统(图中未示出)；
所述腔体1为120mm*120mm*52mm长方体结构，腔体1内部设有用于放置样品架2和加热装置3的圆形通孔，样品架2亦为两端开口的圆形结构，设置在圆形通孔内，加热装置设置在样品架2外围，窗口组件4设置在样品架2的两端部，并与腔体1密封连接，打开窗口组件4后，可由样品架2开口端放入样品。
腔体1由上腔体与腔体底座16密封连接而成，样品架2、加热装置3、窗口组件4都安装在上腔体，腔体底座16主要是密封腔体1底部的作用，采用密封圈密封腔体底部，出气口接头安装在腔体1底部的侧面；上腔体的两侧设有腔体侧盖18，用于安装窗口组件4，腔体侧盖18通过密封圈与腔体密封连接，窗口组件4安装在腔体侧盖18上。
其中，所述窗口组件4包括窗口41、窗口盖42；窗口41通过密封圈43密封的嵌入窗口盖42上，窗口盖42通过密封圈43与腔体1密封连接。所述窗口41为φ20*0.5mm的高纯铍窗材质制得，窗口盖42为不锈钢材质加工的带有斜切角70度的盖子，可将窗口41与反应腔室固定并密封。
另外，还可以对窗口41进行更换，若更换为红外窗口即可升级为红外原位测试，若更换为拉曼窗口，即可升级为拉曼原位测试。
在腔体1内设有气体通道，气体通道连接进气口11与样品架以及出气口12，即：气体由进气口11进入样品架2右端，再由样品架2的左端出来，由左下角的出气口12排出，高压进气组件5连接进气口11，出气口12设有出气口接头，腔体内部气路设计，可以让气体充分的通过样品，保证整个气路的通畅。温控系统设置在腔体外部，腔体底部设有密封头17，加热装置3通过设置的密封头17内的线路连接温控系统。
本实施例中，样品架2未做特殊要求，可采用现有技术中能够承受高温高压材质制得。
本实用新型通过加热装置3、高压进气组件5实现可高温高压环境，该原位装置适用于各类气固相催化反应体系，能够实现气氛、温度、压力等多种环境的自由调节，并能够在上述复杂环境下对催化剂进行原位的XRD和XAS测试。该原位装置能够保证气体对催化剂的完全浸润和气体流动，并能够承载10bar的气压设置。该装置能够保证样品的同步辐射XRD测试(透射式)，衍射角不小于30°，同时也能进行同步辐射XAS的数据采集。并可实现加热温度500℃的温度处理。该款设备为气固相反应过程中催化剂的长程和短程结构都提供了重要的实验信息。
实施例二：
本实施例二与实施例一的区别在于：还保护了冷却系统6。
如图2所示，结合图3所示，设置在腔体两侧面底端的进水口13、出水口14，腔体内部设有冷却水通道61，冷却水通道61两端分别为进水口13和出水口14。冷却水通道61为“几”字型结构，冷却水的走向为由腔体1的左下端竖直向上一段后，水平方向走一段，再竖直向下走一段，由出水口出水，整体形成一个回路，通过接头与外部冷却水循环系统相连即可直接实现反应腔体的温度冷却功能。本实用新型设置的水冷系统可以使设备外壳保持较低温度，避免温度太高对人造成伤害。
实施例三：
本实施例三与实施例二的区别在于：细化了加热装置3的具体结构。
如图3所示，加热装置3包括加热主体31、加热电阻丝32、热电偶33、隔热层34；加热主体31套接在样品架2外，加热主体31外缠绕加热电阻丝32，隔热层34套接在加热电阻丝32外，减少热量的传递，热电偶33的顶端伸入到样品架2的左端内部，以保证温度的准确性，底端由线路连接温控系统，加热电阻丝32连接温控系统。腔体1的底端设有密封头17，加热电阻丝32和热电偶33与下方的密封头17连接。密封头17与外接的温控系统直接相连，用于控制反应腔室内部的温度和升温速率等参数。
其中，所述加热主体31为石英或陶瓷材质制得。
本实施例中还包括支架组件15，支架组件15包括四根圆柱151和支撑底板152，圆柱151的一端固定在支撑底板152上，另一端固定在腔体1底部。圆柱151为不锈钢圆柱，支撑底板152为不锈钢底板，实现反应腔体在光学平台上的固定。
实施例四：
如图3所示、本实施例四与实施例三的区别在于：细化了高压进气组件5的具体结构。
所述高压进气组件5包括四通接头51，一端通过卡套接头52连接进气口11，一端连接压力显示装置53，一端连接压力过载保护装置54，一端为进出气控制器55，均采用不锈钢管56实现连接。
其中，进出气控制器55可选配球阀、针阀等控制，图中为球阀，压力显示装置53可选配数显压力计或表盘压力计，压力过载保护装置54以图中的卸荷阀为主体。其中压力过载保护装置54的设计主要为了保证整个装置系统的使用安全，防止内部压力过大而发生危险，压力显示装置53可以实时观察内部压力情况。
本实施例四的具体使用流程为：打开用于进样的窗口，将放入样品7的样品架2通过进样窗口放到反应腔体中，然后将进样窗口进行密封装配。先打开出气口12的阀门，再打开进气口11的阀门，气体在反应腔体内流通半小时后，将出气口12的阀门关闭，观察压力表，待压力到达目标值后，将进气口11的阀门关闭。先打开进水口13以及出水口14的阀门和外部的冷却水循环系统，然后将温控系统打开，此时加热装置3开始加热，待温度到达目标值后，可进行透射式的XRD和XAS结构表征。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.高温高压原位XRD和XAS气固反应装置，其特征在于，包括密封结构的腔体、至少一端开头的样品架、加热装置、一个以上窗口组件、高压进气组件、温控系统；腔体内部设有通孔，样品架设置在通孔内，加热装置设置在样品架外围，窗口组件设置在样品架开口端，并与腔体密封连接；腔体顶端设有进气口，底端设有出气口，在腔体内设有气体通道，气体通道连接进气口、样品架以及出气口，高压进气组件连接进气口，温控系统设置在腔体外部，通过线路连接加热装置。
2.根据权利要求1所述的高温高压原位XRD和XAS气固反应装置，其特征在于，所述腔体为长方体结构，顶面设有进气口，后侧面设有出气口，底面设有密封头，加热装置通过设置在密封头内的线路连接温控系统。
3.根据权利要求2所述的高温高压原位XRD和XAS气固反应装置，其特征在于，还包括设置在腔体两侧面底端的进水口、出水口，腔体内部设有冷却水通道，冷却水通道两端分别为进水口和出水口。
4.根据权利要求1所述的高温高压原位XRD和XAS气固反应装置，其特征在于，所述加热装置包括加热主体、加热电阻丝、热电偶、隔热层；加热主体套接在样品架外，加热主体外缠绕加热电阻丝，隔热层套接在电阻丝外，热电偶的一端伸入到样品架内，另一端由线路连接温控系统，加热电阻丝连接温控系统。
5.根据权利要求4所述的高温高压原位XRD和XAS气固反应装置，其特征在于，所述加热主体为石英或陶瓷材质制得。
6.根据权利要求1所述的高温高压原位XRD和XAS气固反应装置，其特征在于，所述窗口组件包括窗口、窗口盖；窗口通过密封圈密封的嵌入窗口盖上，窗口盖通过密封圈与腔体密封连接。
7.根据权利要求6所述的高温高压原位XRD和XAS气固反应装置，其特征在于，所述窗口为高纯铍窗材质制得，或所述窗口为红外窗口，或所述窗口为拉曼窗口。
8.根据权利要求1所述的高温高压原位XRD和XAS气固反应装置，其特征在于，所述窗口组件为两个，分别设置在样品架两端。
9.根据权利要求1所述的高温高压原位XRD和XAS气固反应装置，其特征在于，所述高压进气组件包括四通接头，一端通过卡套接头连接进气口，一端连接压力显示装置，一端连接压力过载保护装置，一端为进出气控制器。
10.根据权利要求1所述的高温高压原位XRD和XAS气固反应装置，其特征在于，还包括支架组件，支架组件包括四根圆柱和支撑底板，圆柱的一端固定在支撑底板上，另一端固定在腔体底部。
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