CN217305009U - 一种瞬态催化反应检测质谱装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型专利公开了一种瞬态催化反应检测质谱装置，包括比例调节阀、脉冲阀、歧管、管式加热炉、反应管、采样锥以及飞行时间质谱仪。歧管于腔体的上端端面上设有的气体入口均分别设有比例调节阀，于腔体的侧壁面上设有的气体进口均分别设有脉冲阀，于腔体的下端端面上设有气体出口；歧管的气体出口与内部装填有催化剂的反应管进口端相连，反应管出口端经采样锥与飞行时间质谱仪的进样口相连；反应管置于管式加热炉内部。该装置可以实现催化反应原料连续、脉冲式进入反应管，不同的进样方式实现不同的功能，从而满足对于连续、瞬态的催化反应进行检测的目的。

Description

一种瞬态催化反应检测质谱装置

技术领域

本实用新型专利主要应用于催化反应的研究，具体来说就是利用该装置实现催化反应原料的脉冲或连续进样方式的相互切换，通过高灵敏、高分辨的飞行时间质谱仪进行检测来分析催化反应过程中原料、产物、自由基以及中间态产物在催化剂表面的生成顺序、吸附、解吸等动力学行为。

背景技术

随着科学技术的快速发展，催化反应在人类的工业生产中具有越来越高的地位。80％以上的传统化工过程都与催化作用有关。在社会生产实践过程中，人们首先发现许多催化事实，随着对这些事实的观察、积累和思考，必然促进催化理论的形成，催化理论的创立能指导人们主动去研究更多的催化作用过程，而催化事实的发现和催化理论的创立都离不开先进的科学研究方法的发明。研究方法的科学化、仪器化、数据化、动态化则需要化学和其他相关科学进步和技术发明做后盾。

对催化反应进行在线反应监测,不仅可时刻掌握反应中分子结构变化信息,还可进行实时调控和快速优化,也为反应机理的研究提供可靠实验依据。然而，催化反应种类繁多，机理复杂，也给实时监测及快速评价提出了挑战。多种光谱技术被用于对催化反应进行监测和机理研究,但仍只能通过间接光谱信息进行分析,不能直接给出分子结构信息,也难以清晰阐明分子在反应中的结构变化及趋势。质谱是直接给出分子结构信息的最有效的表征手段之一。其中飞行时间质谱具有高检测速率、快速响应、直接测全质量数等优势，既可以适用于快速发生的催化反应，同时不会遗漏对催化反应过程中产生的自由基及中间体的检测，是用于检测催化反应的优秀手段。

通常飞行时间质谱的进样方式都是通过毛细管进样，这种进样方式会导致催化过程中产生的自由基和中间产物在传输过程中发生碰撞、吸附以及湮灭进而导致无法顺利检出，影响对催化过程机理的研究。分子束采样技术利用气相分子从高压传输到低压发生绝热膨胀减少热交换可以实现自由基和中间态物质近乎无损失的传输。分子束采样技术与飞行时间质谱技术结合通过微孔采样和分级差分抽气系统使处于高压气相系统中被检测粒子在近无碰撞的分子束条件下进行检测。

实用新型内容

本实用新型专利主要用于研究催化反应，采用的技术方案如下：

一种瞬态催化反应检测质谱装置，从上到下依次包括比例调节阀、脉冲阀、歧管、反应管、管式加热炉、采样锥、激光器以及飞行时间质谱。催化反应原料气体可以通过连接在比例调节阀以及脉冲阀上的四氟管进入到歧管中，通过电控系统调整比例调节阀的进样量来控制反应管中的反应气压以及调整脉冲阀的进样频率来尝试对催化反应不同条件下的研究。歧管可以使得通过脉冲阀、比例调节阀进入的反应气体充分均匀混合后进入到反应管中。包裹在反应管外部的管式加热炉通过电控系统设置需要加热的问题以提供催化反应发生的温度条件。

采样锥孔连接在反应管和飞行时间质谱的电离源之间。采样锥孔利用分子束采样技术将反应管中的反应物气体、产物气体、自由基以及中间态产物通过绝热膨胀引入到飞行时间质谱的电离源中，最大程度减少了气相分子在传输过程中的损失。通过具有较高电离效率的激光器将引入的物质电离并且进入飞行时间质谱的传输系统中进行检测。

通过采样锥孔引入的物质在激光器的电离作用下变成离子，在飞行时间质谱中进行传输。首先通过电离源的非均匀电场传输并汇聚，进入到静电传输系统中再次汇聚，最后通过狭缝进入到飞行时间质量分析器当中进行检出。

歧管可以有效避免气体混合不均匀，减少死体积；其上部与比例调节阀连接，侧面与脉冲阀连接；在进行瞬态催化反应检测的时候保证比例调节阀和脉冲阀中出来的气体能够充分混合进入到反应管中。

由于通过采样锥从反应管中引出的产物量较少，为了保证飞行时间质谱能够对产物顺利检出，采用具有较高电离效率的激光器对产物进行电离，以保证信号的检出。

飞行时间质谱由电离源、静电透镜及质量分析器组成，该结构能够在保证灵敏度及分辨率的良好性能下同时满足较高的离子传输速率，最快可以达到30μs采出一张谱图，以能够保证在高频、连续的脉冲进样条件下捕捉到催化剂原料、产物在催化剂表面的吸附、解吸、反应等行为。

本专利中的装置通过比例调节阀和脉冲阀的调谐可以实现不同催化反应进样模式的切换，通过高速脉冲阀实现对催化反应过程中反应物、产物、自由基以及中间体在催化剂表面的吸附解吸等行为研究，通过比例调节阀实现对产物生成先后顺序的研究。

附图说明

图1为一种一种瞬态催化反应检测质谱装置示意图；1—比例调节阀、2—脉冲阀、3—歧管、4—反应管、5—管式加热炉、6—采样锥、7—飞行时间质谱仪。

具体实施方式

请参阅图1，为本实用新型的结构示意图。

本实用新型专利从左到右依次包括脉冲阀、比例调节阀、歧管、管式加热炉、反应管、采样锥孔以及飞行时间质谱仪。歧管为一密闭的中空筒状腔体，于腔体的上端端面上设有3气体入口，于腔体外部的每个气体入口处均分别设有比例调节阀，每个气体入口均分别通过比例调节阀与催化反应使用的气体气源相连；于腔体的侧壁面上设有2个气体进口，于腔体外部的每个气体进口处均分别设有脉冲阀，每个气体进口均分别通过脉冲阀与催化反应使用的气体气源相连；于腔体的下端端面上设有气体出口；歧管的气体出口与内部装填有催化剂的反应管进口端相连，反应管出口端经采样锥与飞行时间质谱的进样口相连；反应管置于管式加热炉内部。飞行时间质谱采用激光作为电离源，通过激光器发出的激光对样品进行电离。

比例调节阀以及脉冲阀通过歧管连接在一起，催化反应使用的气体分别从钢瓶中出来进入到比例调节阀和脉冲阀后在歧管内充分混合。比例调节阀可以实现反应管中100Pa～100kPa之间的气压调节，脉冲阀可以实现每次50-100μs范围的脉冲式进样，歧管可以有效地避免气体混合不均匀以及避免产生死体积；气体混合充分后进入填充用催化剂的反应管中，在管式炉的加热作用下发生催化反应，管式炉可在大于常温～2000℃的范围内加热；反应管在进气状态下最高会达到常压至2MPa的压强，为了保持飞行时间质谱仪7的真空度以及催化反应产生的中间态产物不由于碰撞发生湮灭或碎裂，产生的气体通过孔径为80-100μm的采样锥口进入到飞行时间质谱中，在激光器作用下电离并被飞行时间质谱检出。采样锥口上圆锥台形状通孔的较小内径的上底面与其上部的反应管出口相连，较大内径的下端面与其下部的飞行时间质谱仪的电离区相连通。在飞行时间质谱的可以达到30μs的高速率静电传输作用下，被电离的物质实现快速检出。

Claims (7)

1.一种瞬态催化反应检测质谱装置，其特征在于：

包括比例调节阀（1）、脉冲阀（2）、歧管（3）、管式加热炉（4）、反应管（5）、采样锥（6）、飞行时间质谱仪（7）；

歧管（3）为一密闭的中空筒状腔体，于腔体的上端端面上设有2、3或4个气体入口，于腔体外部的每个气体入口处均分别设有比例调节阀（1），每个气体入口均分别通过比例调节阀（1）与催化反应使用的气体气源相连；于腔体的侧壁面上设有1、2或3个气体进口，于腔体外部的每个气体进口处均分别设有脉冲阀（2），每个气体进口均分别通过脉冲阀（2）与催化反应使用的气体气源相连；于腔体的下端端面上设有气体出口；

歧管（3）的气体出口与内部装填有催化剂的反应管（5）进口端相连，反应管（5）出口端经采样锥（6）与飞行时间质谱仪（7）的进样口相连；

反应管（5）置于管式加热炉（4）内部。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述飞行时间质谱仪（7）采用激光作为电离源，通过激光器发出的激光对样品进行电离。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：

比例调节阀（1）以及脉冲阀（2）通过歧管（3）连接在一起，催化反应使用的气体分别从装有气源气体的钢瓶中流出来进入到比例调节阀（1）和脉冲阀（2）后在歧管（3）内充分混合，歧管可以有效地避免气体混合不均匀以及避免产生死体积；气体混合充分后进入填充用催化剂的反应管（5）中，在管式加热炉（4）的加热作用下发生催化反应；产生的气体通过采样锥（6）进入到飞行时间质谱仪（7）中，在激光器作用下电离并被飞行时间质谱仪（7）检出。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

脉冲阀（2）为脉冲电磁阀，通过输入的脉冲信号控制，可以实现每次50~100 μs范围的脉冲式进样，通过控制脉冲阀（2）的开闭使得催化反应原料气体可以以脉冲的方式进入反应管（5）中进行反应。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

比例调节阀（1）为电动比例调节阀，可以实现连续进样，通过控制比例调节阀（1）的进样量使得催化反应原料气体以不同的气体流量进入反应管（5）中进行反应，进而控制反应管（5）中的催化反应气压，可以实现100 Pa~100 kPa之间的气压调节。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

反应管在进气状态下最高会达到常压至2 MPa的压强，为了保持飞行时间质谱仪（7）的真空度以及催化反应产生的中间态产物不由于碰撞发生湮灭或碎裂，因此通过上端面孔径为80-100 μm的圆锥台形状的采样锥（6）口将反应管（5）中产生的气体引出到飞行时间质谱仪（7）的电离源中；采样锥（6）口上圆锥台形状通孔的较小内径的上底面与其上部的反应管出口相连，较大内径的下端面与其下部的飞行时间质谱仪（7）的电离区相连通。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

激光器发射激光通过飞行时间质谱仪（7）电离区侧壁面的光窗进入到电离区将采样锥（6）引入到电离区的气体电离。

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