CN2350764Y - 一种与表面分析仪器配套的化学反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于超高真空表面分析仪器配套的化学分析仪。其特征在于与分析仪配装的反应室和样品传送部件分别通过上下同轴法兰相接于预处理室,反应室壁体下端中部为样品进入密封口,中部置装加热炉;传送部件转动手柄经中部套装液压波纹管的升降杆接至样品架,与反应室中加热炉对应设置的升降杆定位于连至固定架上的导轨法兰、带轴承的滑动法兰和连接法兰中部。本反应器可用于真实粉末催化剂的研究;其真空密封技术可靠;结构简单,操作方便。

Description

一种与表面分析仪器配套的化学反应器

本实用新型属于超高真空表面分析仪器配套的化学分析仪。

由催化剂参与的催化反应是个表面过程，催化剂的表面特征，如结构、组成和电子状态等直接关系到其表面的化学反应的速率和方向。自60年代以来，大量的表面仪器已广泛地研制出来，并直接和间接地用于催化剂和催化反应的研究中，且得到了一大批有意义的研究成果，然而高温、高压和反应物存在真实反应中的应用受到了很大的限制。为了获得其实催化条件下催化剂表面特征信息，70年代始Somorjai(1976)、Goodmann(1980)、Campbell(1985)等都先后尝试在真空中另外隔离一个反应室，从而在反应时，反应室更接近真实的反应条件，反应完毕后，排空反应室，在不暴露大气的情况下，将样品迅速转入分析室，进行表面表征。这些研究取得了一些有意义的成果，但是所报导的体系都是针对催化剂，为了直接观察真空催化表面反应前后的变化，德国的Schlog(1995)教授，设计了一套管式反应器，根据他报导的方法，能直接用于观察催化剂的表面变化，但是这一装置较为复杂，不易操作，而且造价高。

本实用新型的目的是针对上述存在的缺点，提供一种可在线测室催化剂反应前后表面特征，结构简单，可操作、实用的反应仪器。

本实用新型是与具有分析室(1)和预处理室(3)的分析仪配套使用，其特征在于与分析仪配装的反应室(5)和样品传送部件(2)分别通过上下同轴法兰相接于预处理室(3)，所说的反应室(5)壁体下端中部为样品进入密封口(23)，设有冷却水管(20)的壁体内中部置装加热炉(22)，加热炉(22)内设有加热电极(19)、热电偶(18)、进气管(17)和出气管(21)；传送部件转动手柄(1)经中部套装液压波纹管(28)的升降杆(4)接至样品架(6)，与反应室中加热炉对应设置的升降杆(4)定位于连至固定架(27)上的导轨法兰(24)、带轴承(25)的滑动法兰(26)和连接法兰(29)中部。反应室(5)内的加热炉(22)是通过加热电极(19)对样品进行加热，热电偶(18)测温，进气管(17)进反应气体，并在出气口连接色谱仪或质谱仪进行尾气分析。传送部件的样品升降杆(4)最上端是样品架(6)，样品架(6)放在绝热陶瓷(31)上，转动手柄(1)可使样品杆(4)上下移动，向上移动可进入反应室，向下移动可返回到预处理室。当样品到达反应炉的中心位置时，密封圈(30)将反应室(5)与预处理室(3)真空密封隔离，样品在反应室内进行化学反应时不影响预处理室的真空，保证了样品在高真空环境下传递。样品在预处理室时，可通过样品传送机械手(14)送入电子微控针谱仪分析室进行表面分析。加热炉(22)的电炉丝(33)放在石英管(32)(35)的夹套中，加热时电炉丝(33)放出的气体被封在石英管内。本反应器的预处理室管道中上、下在同一轴线的法兰上，分别嵌入反应室的样品升降杆，反应室对样品能进行加热、测温和进反应气体，并在出气口连接色谱仪进行尾气分析；样品升降杆的最上端是样品架，转动手柄可使其上下移动，如其向上移动可进入反应室，当样品到达反应炉的中心位置时，密封圈将反应室与谱仪的真空室密封隔离。样品可在反应室内进行化学反应。

本反应器的特点是：可实现真实催化反应与表面分析仪器的在线连接；样品加热炉采用全封闭式石英管，这样加热反应时不放出与反应无关的气体，保证了加热丝不腐蚀、不氧化，从而提高了反应压力，使被测样品更接近真实反应；解决了反应压力为0～5atm时，反应器与真空室1×10^-8mbar之间的重复密封技术。本反应器可用于真实粉末催化剂的研究；其真空密封技术可靠；结构简单，操作方便。采用密封式加热炉的方法打破传统的直接加热法，解决了粉末催化剂的反应测试问题，同时克服了加热丝放出于扰气体破坏反应背景的缺点。

附图说明：

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型中的反应室结构示意图。

图3为本实用新型中的传送部件结构示意图。

图4为本实用新型中的反应室内加热炉结构示意图。

图中的16为压力表，32为外石英管，34为钨电极，35为内石英管；A为接抽气系统，B为反应器与预处理室连接处，C为进样部件与预处理室连接处，D为样品进入口。

本实用新型的工作过程如下(参考附图1)：转动升降杆手柄(13)，样品沿轴向缓缓进入反应室(5)，当其到达反应室加热炉中心位置时，密封圈恰好将反应器与预处理室密封真空隔离。打开进气阀(8)和微调阀(角阀7)，将反应器充N₂到1atm，此时预处理室的真空仍保持在1×10^-8torr.。拆下法兰(15)，装入样品，再将法兰(15)安装好。关闭进气阀(8)打开角阀(12)，用HB50A电子微控针谱仪的抽空系统将反应器抽空至10^-3torr以下，停止抽气并打开进气阀(9)，调节角阀(微调阀12)及排气阀(10)使反应室压力达到所需值(0～5atm)。接通冷却水，通过加热电极加热，温度调节到所需值(0～600℃可调)。在反应炉内可进行加热、进气、反应，反应一段时间后关闭进气阀(9)、排气阀(10)、加热器及冷却水等，接通抽气系统(打开出气阀11)将反应室的真空抽至10^-5torr以下，关闭角阀(7)和(12)。转动手柄(13)将样品降到预处理室，此时预处理室的真空仍可维持在10^-7～10^-8torr。用机械手(14)将样品取下传到分析室(1)中的样品夹上，对样品表面的形貌和化学组成进行分析。上述样品传递过程可在5分钟内完成。反复进行上述过程，便可获得样品表面和组成随反应条件变化的规律。反应过程中还可同时进行产物分析(在出气口连接四极质谱采样分析)。为了保证良好的重复性，密封采用了氟橡胶密封圈，样品加热温度数高为600℃；反应器的密封位置靠近加热炉；为了防止密封圈受热，采用了水冷技术，保证了密封的可靠性。

该反应器研制成功后，解决了该谱仪只能局限于模型催化剂在超高真空中的实验表征，由于样品在高真空中传递其表面在传递过程中所受污染较少，因此可对真空实催化剂在真实反应过程中的表面变化进行分析表征。使谱仪能直接观察催化剂反应前后的表面变化，从而大大提高了谱仪在催化反应研究中的应用价值，这为改造其它的表面分析仪器提供了技术保证。

实施例

Ni₈₀P₂₀合金的非晶化程度与催化活性的关联

样品：4种不同晶化程度的Ni₈₀P₂₀合金。

用XPS、SEM和AES研究了不同晶化程度的Ni₈₀P₂₀合金在各种预处理及反应以后结构上的变化。

装样时间约十几分钟，反应器抽空约需2分钟，30分钟温度升至473K，在1atm流动纯O₂气中473K温度下氧化1小时；在1atm流动H₂气中523K温度下还原2小对。乙炔加氢的反应是在一石英管微型流动反应器中进行的，催化剂重量均为0.5g，反应气C₂H₂由Ar气稀释100倍后以流速30ml/3进入反应室，纯H₂气以9ml/s的流速进入反应室，反应温度为373K。产物由气相色谱分析。活性测试完成后，抽空约2分钟，将样品传递到主分析室，(传递时间约5分钟)进行AES深度分析，另外还利用X射线衍射、Hitachi-扫描电子显微镜等方法，研究了不同晶化程度的Ni₈₀P₂₀合金在各种预处理及反应以后结构上的变化，并将这些变化与以这些合金作为催化剂用于乙炔加氢反应时的反应活性相关联。用非晶态到晶态的不同样品重复上述实验。

实验结果：非晶态合金具有更好的催化活性。

Claims (3)

1．一种与表面分析仪器配套的化学反应器，与具有分析室(1)和预处理室(3)的分析仪配套使用，其特征在于与分析仪配装的反应室(5)和样品传送部件(2)分别通过上下同轴法兰相接于预处理室(3)，所说的反应室(5)壁体下端中部为样品进入密封口(23)，设有冷却水管(20)的壁体内中部置装加热炉(22)，加热炉(22)内设有加热电极(19)、热电偶(18)、进气管(17)和出气管(21)；传送部件转动手柄(1)经中部套装液压波纹管(28)的升降杆(4)接至样品架(6)，与反应室中加热炉对应设置的升降杆(4)定位于连至固定架(27)上的导轨法兰(24)、带轴承(25)的滑动法兰(26)和连接法兰(29)中部。

2．按照权利要求1所述的反应器，其特征是传送部件的样品升降杆(4)最上端是样品架(6)，样品架(6)放在绝热陶瓷(31)上。

3．按照权利要求1所述的反应器，其特征是加热炉(22)的电炉丝(33)放在石英管(32)(35)的夹套中。

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