RU2791994C1 - Cell for x-ray spectroscopic diagnostics of liquid-phase samples in a controlled atmosphere under high pressures and temperatures in the operando mode - Google Patents

Cell for x-ray spectroscopic diagnostics of liquid-phase samples in a controlled atmosphere under high pressures and temperatures in the operando mode Download PDF

Info

Publication number
RU2791994C1
RU2791994C1 RU2021139361A RU2021139361A RU2791994C1 RU 2791994 C1 RU2791994 C1 RU 2791994C1 RU 2021139361 A RU2021139361 A RU 2021139361A RU 2021139361 A RU2021139361 A RU 2021139361A RU 2791994 C1 RU2791994 C1 RU 2791994C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cell
window
housing
liquid
hole
Prior art date
Application number
RU2021139361A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Васильевич Шаповалов
Александр Александрович Гуда
Арам Лусегенович Бугаев
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет"
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2791994C1 publication Critical patent/RU2791994C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: testing.
SUBSTANCE: area of application: for X-ray spectroscopic diagnostics of liquid-phase samples. Substance of the invention consists in the cell for X-ray spectroscopic diagnostics of liquid-phase samples containing a hollow body with the upper surface thereof equipped with a protrusion wherein a cup with the test sample is installed, made of a polymer non-radiopaque material and equipped with a ledge in the upper part thereof with the outer equal to the outer diameter of the protrusion; a cover rigidly connected to the body and made with holes for the installation of gas supply tubes; a hole is made on the side surface of the body, with a window made of a non-radiopaque material and tightly adjacent to the cup wall installed therein; a securing element with a central hole located, on top of the window and rigidly connected to the side wall of the body; heating elements located in the body channels; and a temperature sensor located in the hole of the body.
EFFECT: possibility of X-ray spectroscopic diagnostics of liquid samples in the operando mode under high temperatures and pressure of the gaseous medium.
6 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области анализа структуры материалов в контролируемых условиях с помощью источника рентгеновского излучения, в частности к ячейке для рентгеноспектральной диагностики жидкофазных образцов в контролируемой атмосфере при высоких давлениях и температурах в режиме operando. The invention relates to the field of analysis of the structure of materials under controlled conditions using an X-ray source, in particular to a cell for X-ray spectral diagnostics of liquid-phase samples in a controlled atmosphere at high pressures and temperatures in operando mode.

Наиболее близкими по исполнению и функционалу являются конструкции ячеек в патентных документах № 190702, № 173869 и № KR20200029262.The closest in execution and functionality are the cell designs in patent documents No. 190702, No. 173869 and No. KR20200029262.

Ячейка для спектральной диагностики по патенту РФ № 190702 предназначена для исследования материалов для катализа. Она имеет возможность подвода газов, а также нагрева и контроля температуры образца. Ячейка позволяет проводить в operando режиме измерения рентгеновских спектров поглощения, ИК-спектров пропускания, а также спектров рентгеновской флуоресценции и ИК-спектров диффузного отражения исследуемых образцов в контролируемой атмосфере. Эта возможность обеспечивается наличием в корпусе окон из прозрачного для ИК и/или рентгеновского излучения. Однако, ячейка по патенту РФ № 190702 предназначена только для образцов в твердой или порошкообразной форме, а возможность проведения исследований жидких образцов и растворов, а также химических реакций в них отсутствует.The cell for spectral diagnostics according to RF patent No. 190702 is intended for the study of materials for catalysis. It has the possibility of supplying gases, as well as heating and controlling the temperature of the sample. The cell allows measurement of X-ray absorption spectra, IR transmission spectra, as well as X-ray fluorescence spectra and IR diffuse reflectance spectra of samples in a controlled atmosphere in operando mode. This possibility is ensured by the presence in the case of windows made of transparent for IR and/or X-ray radiation. However, the cell according to RF patent No. 190702 is intended only for samples in solid or powder form, and there is no possibility to study liquid samples and solutions, as well as chemical reactions in them.

Ячейка для лабораторной рентгеноспектральной диагностики по патенту РФ № 173869 также предназначена для анализа структуры материалов в контролируемых условиях с помощью источников рентгеновского излучения благодаря наличию в ячейке окон из ретгенопрозрачного материала. Помимо этого, ячейка может подключаться к газовой линии для вакуумирования или воздействия на образец каким-либо газом или газовой системой. К недостаткам известной ячейки по патенту РФ № 173869 можно отнести возможность исследования только твердых образцов. Помимо этого, ячейка по патенту РФ № 173869 № 173869 не имеет встроенной возможности нагрева и контроля температуры образца. Еще одним важным отличием по патенту РФ № 173869 является то, что конструкция окон и материал корпуса (стекло) не позволяют создавать в ячейке высокое давление газовой атмосферы.The cell for laboratory x-ray spectral diagnostics according to RF patent No. 173869 is also intended for analyzing the structure of materials under controlled conditions using x-ray sources due to the presence of windows made of x-ray transparent material in the cell. In addition, the cell can be connected to a gas line for evacuation or exposure of the sample to any gas or gas system. The disadvantages of the well-known cell according to the patent of the Russian Federation No. 173869 include the possibility of studying only solid samples. In addition, the cell according to the patent of the Russian Federation No. 173869 No. 173869 does not have a built-in possibility of heating and controlling the sample temperature. Another important difference according to the patent of the Russian Federation No. 173869 is that the design of the windows and the material of the case (glass) do not allow creating a high pressure of the gas atmosphere in the cell.

Электрохимическая проточная ячейка по патенту № KR20200029262 предназначена для исследования образцов в потоке жидкого электролита. В конструкции ячейки использована похожая концепция окон из рентгенопрозрачного материала в корпусе ячейки для обеспечения возможности in situ и operando исследования образцов методом рентгеновской спектроскопии поглощения. Описанная в аналоге конструкция позволяет создавать поток жидкого электролита вокруг расположенных в ячейке исследуемых электродов, к которым имеется возможность электрического подключения. Однако, данная ячейка не имеет возможности подвода газов к исследуемым образцам и по своей сути является электрохимической, то есть предназначена для исследования твердых образцов электродных материалов и химических процессов в них, протекающих под действием электрического тока в среде жидкого электролита, а не для исследования собственно жидкофазных образцов и растворов. Помимо этого, не представляется возможным проведение исследований под высоким давлением в данной ячейке.The electrochemical flow cell according to patent No. KR20200029262 is designed to study samples in a liquid electrolyte flow. The cell design uses a similar concept of X-ray transparent windows in the cell body to enable in situ and operando examination of samples by X-ray absorption spectroscopy. Described in the analogue design allows you to create a flow of liquid electrolyte around located in the cell of the investigated electrodes, to which there is the possibility of electrical connection. However, this cell does not have the ability to supply gases to the samples under study and is essentially electrochemical, that is, it is designed to study solid samples of electrode materials and chemical processes in them that occur under the action of an electric current in a liquid electrolyte medium, and not to study the actual liquid-phase samples and solutions. In addition, it is not possible to carry out studies under high pressure in this cell.

Из уровня техники авторам известно, что высокотемпературные operando исследования жидкофазных образцов и реакций в них, не требующих высоких давлений, проводят, как правило, в сосудах, выполненных из условно-рентгенопрозрачного термостойкого материала, например, из кварцевого стекла, полипропилена, тефлона. В случае же с реакциями при высоких давлениях operando исследования не проводились вообще (то есть отдельно исследовались в нормальных условиях продукты реакции уже после ее протекания), либо в отдельных случаях применялись самодельно модифицированные заводские химические реакторы, изначально не предназначенные для проведения рентгеновских исследований.From the prior art, the authors know that high-temperature operando studies of liquid-phase samples and reactions in them that do not require high pressures are usually carried out in vessels made of conditionally X-ray transparent heat-resistant material, for example, quartz glass, polypropylene, Teflon. In the case of reactions at high operando pressures, studies were not carried out at all (that is, the reaction products were studied separately under normal conditions after it had taken place), or in some cases home-made modified factory chemical reactors were used, which were not originally intended for X-ray studies.

Технической проблемой заявляемого изобретения является создание устройства, обеспечивающего возможность проведения рентгеноспектральной диагностики жидких образцов в operando режиме при высоких температурах и давлении газовой среды.The technical problem of the claimed invention is the creation of a device that makes it possible to carry out X-ray spectral diagnostics of liquid samples in operando mode at high temperatures and pressure of the gaseous medium.

С помощью разработанной конструкции ячейки можно исследовать жидкие образцы (например, гомогенные катализаторы) методом рентгеновской спектроскопии поглощения (например, с использованием синхротронного излучения) в режиме выхода флуоресценции непосредственно в процессе протекания химических реакций (в режиме operando). Кроме этого, осуществлена возможность устанавливать и контролировать необходимую (требуемую) температуру образца в пределах от температуры окружающей среды до 300 °С, а также поддерживать повышенное давление газовой среды над образцом до 50 бар. Using the developed cell design, it is possible to study liquid samples (for example, homogeneous catalysts) by X-ray absorption spectroscopy (for example, using synchrotron radiation) in the fluorescence output mode directly in the course of chemical reactions (in the operando mode). In addition, it is possible to set and control the required (required) temperature of the sample in the range from ambient temperature to 300 °C, as well as to maintain an increased pressure of the gaseous medium above the sample up to 50 bar.

Техническим результатом является возможность получать наиболее достоверные данные о локальной атомной и электронной структуре жидких образцов и динамике её изменения непосредственно в ходе протекания химических реакций, например, реакций гомогенного катализа, протекающих при высоких температуре и давлении, что приведет к совершенствованию существующих химических систем, например, увеличению долговечности катализаторов и эффективности их работы, ускорению химических реакций и увеличению выхода и чистоты продукта реакций, а также к разработке на их основе новых систем, обладающих улучшенными количественными и качественными характеристиками, благодаря глубокому пониманию механизмов протекания подобных реакций.The technical result is the ability to obtain the most reliable data on the local atomic and electronic structure of liquid samples and the dynamics of its change directly in the course of chemical reactions, for example, homogeneous catalysis reactions occurring at high temperature and pressure, which will lead to the improvement of existing chemical systems, for example, increasing the durability of catalysts and their efficiency, accelerating chemical reactions and increasing the yield and purity of the reaction product, as well as developing new systems based on them with improved quantitative and qualitative characteristics, thanks to a deep understanding of the mechanisms of such reactions.

Однако, авторами не были найдены в известном уровне технике ячейки для рентгеновских исследований, конструкция которых предусматривает возможность проведения исследования жидких образцов с одновременным поддержанием сравнительно высокой температуры исследуемого образца более 100 °С и создания давления более 2 бар над реакционной смесью с помощью подачи газового потока. However, the authors did not find cells for x-ray studies in the known state of the art, the design of which provides for the possibility of studying liquid samples while maintaining a relatively high temperature of the test sample of more than 100 °C and creating a pressure of more than 2 bar over the reaction mixture by supplying a gas flow.

Ячейка для рентгеноспектральной диагностики жидкофазных образцов содержит полый корпус, верхняя поверхность которого снабжена выступом, в который установлен стакан с исследуемым образцом из полимерного рентгенопрозрачного материала, снабженный бортиком в верхней части, внешний диаметр которого равен внешнему диаметру выступа, крышку корпуса, жестко соединенную с корпусом и выполненную с отверстиями для установки трубок для подачи газа, на боковой поверхности корпуса выполнено отверстие, в которое установлено окно, выполненное из рентгенопрозрачного материала и плотно прилегающее к стенке стакана, фиксирующий элемент с центральным отверстием, расположенный поверх окна и жестко соединенный с боковой стенкой корпуса, нагревательные элементы, расположенные в каналах корпуса, датчик температуры, расположенный в отверстии корпуса. The cell for X-ray spectral diagnostics of liquid-phase samples contains a hollow body, the upper surface of which is provided with a protrusion, in which a glass with a test sample made of a polymeric X-ray transparent material is installed, equipped with a rim in the upper part, the outer diameter of which is equal to the outer diameter of the protrusion, a housing cover rigidly connected to the housing and made with holes for installing pipes for gas supply, a hole is made on the side surface of the housing, into which a window is installed, made of a radiolucent material and tightly adjacent to the wall of the glass, a fixing element with a central hole, located over the window and rigidly connected to the side wall of the housing, heating elements located in the channels of the housing, a temperature sensor located in the opening of the housing.

Корпус и выступ могут быть выполнены цилиндрической, овальной или прямоугольной формы.The body and the ledge can be cylindrical, oval or rectangular.

Отверстие в боковой стенке корпуса и окно могут быть выполнены в форме усеченного конуса, меньшее основание которого расположено со стороны стакана. The hole in the side wall of the housing and the window can be made in the form of a truncated cone, the smaller base of which is located on the side of the glass.

В отверстие боковой стенки корпуса может быть установлена прокладка, выполненная из химически и термостойкого уплотнительного материала, например, фторопласта или перфторированного каучука.A gasket made of a chemically and heat-resistant sealing material, such as PTFE or perfluorinated rubber, can be installed in the opening of the side wall of the housing.

Между фиксирующим элементом и окном может быть установлена проставка, выполненная из термостойкого материала с центральным отверстием, диаметр которого равен диаметру центрального отверстия фиксирующего элемента.A spacer can be installed between the fixing element and the window, made of a heat-resistant material with a central hole, the diameter of which is equal to the diameter of the central hole of the fixing element.

Центральное отверстие в фиксирующем элементе и в проставке может быть выполнено овальной или прямоугольной формы.The central hole in the fixing element and in the spacer can be oval or rectangular.

Изобретение поясняется чертежом. The invention is illustrated in the drawing.

Фиг. 1. Ячейка для рентгеноспектральной диагностики жидкофазных образцов в контролируемой атмосфере при высоких давлениях и температурах в режиме operando Fig. 1. Cell for X-ray spectral diagnostics of liquid-phase samples in a controlled atmosphere at high pressures and temperatures in the operando mode

Ячейка для рентгеноспектральной диагностики жидкофазных образцов содержит полый корпус (1) из прочного коррозионностойкого металла или сплава (например, нержавеющая сталь). Корпус (1) ячейки может быть выполнен цилиндрической, овальной или прямоугольной формы. Верхняя часть корпуса (1) снабжена цилиндрическим выступом (2), в который установлен тонкостенный стакан (3) из полимерного рентгенопрозрачного материала с высокой температурной и химической стойкостью (например, фторопласт), таким образом, чтобы стенки стакана плотно прилегали к стенкам корпуса. Стакан (3) в верхней части снабжен выступающим бортиком, внешний диаметр которого равен внешнему диаметру выступа (2) корпуса (1). За счет выступающего бортика стакана (3) происходит фиксация положения стакана внутри корпуса (1). Сверху корпус (1) закрывают крышкой (4), выполненной из того же материала, что и корпус (1). Для надежного крепления к корпусу крышка может иметь резьбовое соединение с корпусом, либо может притягивать к корпусу винтами с помощью фланца. В крышке (4) выполнены отверстия (5) для установки трубок для подачи газа во внутреннюю полость стакана (3). Для герметичного соединения трубок с крышкой (4) могут быть использованы соответствующие переходники для подключения трубок для подачи газовой атмосферы и подключения устройств манометрического контроля. Переходники могут быть соединены с крышкой (4) с помощью резьбового соединения, с помощью сварного соединения или выполнены неразъемными с крышкой (4). Герметизация внутреннего объема стакана (3) при установке крышки (4) обеспечивается за счет выступающего бортика, внешний диаметр которого равен внешнему диаметру выступа (2), что обеспечивает плотное прилегание бортика к верхней поверхности стенок выступа (2). Дополнительно может быть установлена прокладка, выполненная соразмерной с выступающим бортиком стакана (3). Прокладка должна быть выполнена из химически и термостойкого уплотнительного материала, например, из перфторированного каучука. На боковой поверхности корпуса (1) выполнено центральное отверстие (6). Сечение отверстия (6) может иметь форму усеченного конуса (для увеличения прочности и лучшего противодействия давлению внутри ячейки). В отверстие (6) на боковой поверхности корпуса (1) установлено окно (7), выполненное из прочного рентгенопрозрачного материала, например, из стеклоуглерода или бериллия. Форма окна (7) совпадает с формой сечения отверстия (6). The cell for X-ray spectral diagnostics of liquid-phase samples contains a hollow body (1) made of durable corrosion-resistant metal or alloy (for example, stainless steel). The body (1) of the cell can be cylindrical, oval or rectangular. The upper part of the body (1) is provided with a cylindrical protrusion (2), in which a thin-walled cup (3) is installed made of a polymeric X-ray transparent material with high temperature and chemical resistance (for example, fluoroplast), so that the walls of the cup fit snugly against the walls of the body. The glass (3) in the upper part is provided with a protruding rim, the outer diameter of which is equal to the outer diameter of the protrusion (2) of the body (1). Due to the protruding side of the glass (3), the position of the glass inside the body (1) is fixed. From above, the body (1) is closed with a lid (4) made of the same material as the body (1). For reliable fastening to the body, the cover can be screwed to the body, or it can be screwed to the body using a flange. Holes (5) are made in the cover (4) for installing pipes for supplying gas to the internal cavity of the cup (3). For tight connection of tubes with cover (4), appropriate adapters can be used for connecting tubes for supplying gaseous atmosphere and connecting manometric control devices. Adapters can be connected to the cover (4) using a threaded connection, using a welded connection, or made integral with the cover (4). The sealing of the inner volume of the cup (3) when installing the lid (4) is provided by the protruding rim, the outer diameter of which is equal to the outer diameter of the protrusion (2), which ensures a snug fit of the rim to the upper surface of the walls of the protrusion (2). Additionally, a gasket can be installed, made commensurate with the protruding rim of the cup (3). The gasket must be made of a chemically and heat resistant sealing material such as perfluorinated rubber. A central hole (6) is made on the side surface of the housing (1). The cross section of the hole (6) can be truncated-conical (to increase strength and better resist pressure inside the cell). A window (7) is installed in the hole (6) on the side surface of the body (1), made of a durable radiolucent material, for example, glassy carbon or beryllium. The shape of the window (7) coincides with the shape of the cross section of the hole (6).

Для обеспечения бóльшей герметичности внутреннего объема корпуса в отверстие (6) боковой стенки корпуса (1) может быть установлена прокладка (8), выполненная из химически и термостойкого уплотнительного материала, например, фторопласта или перфторированного каучука. Форма прокладки (8) должна соответствовать форме отверстия (6), например, кольцеобразная или в форме усеченного конуса. Толщина прокладки (8) равна толщине стенки корпуса (1). Окно (7) размещают в отверстии (6) боковой стенки корпуса (1) после установки прокладки (8). Окно (7) установлено в корпус (1) таким образом, чтобы внутри корпуса вплотную примыкать к внешней стенке стакана (3) для предотвращения его деформации под действием внутреннего давления. Поверх окна (7) установлен фиксирующий элемент (9) с центральным отверстием. С помощью фиксирующего элемента (9) обеспечивается жесткое соединение и плотное прилегание окна (7) к боковой поверхности корпуса (1). Фиксирующий элемент (9) может быть выполнен в виде пластины, выполненной из материала корпуса. Фиксирующий элемент (9) может быть соединен с боковой стенкой корпуса с помощью фланца и/или винтов (10). Фиксирующий элемент (9) может быть дополнительно соединен с корпусом с помощью кронштейна или хомута. Центральное отверстие в фиксирующем элементе (9) обеспечивает прохождение рентгеновского излучения. Отверстие в фиксирующем элементе (9) предпочтительно выполнять максимального размера с сохранением необходимой прочности, жесткости и надежного прижима окна (7). Для увеличения угла выхода флуоресценции отверстие может расширяться с внешней стороны. Между фиксирующим элементом (9) и окном (7) может быть установлена проставка (11) для обеспечения равномерного давления со стороны фиксирующего элемента (9) на окно (7). Предпочтительно, чтобы проставка (11) была выполнена из твердого температуростойкого полимера, например, из фторопласта. Проставка (11) выполнена с центральным отверстием для прохождения рентгеновского излучения, совпадающим по форме с отверстием в фиксирующем элементе (9). To ensure greater tightness of the internal volume of the housing, a gasket (8) made of a chemically and heat-resistant sealing material, for example, fluoroplast or perfluorinated rubber, can be installed in the hole (6) of the side wall of the housing (1). The shape of the gasket (8) must match the shape of the hole (6), for example an annular or a truncated cone. The thickness of the gasket (8) is equal to the wall thickness of the housing (1). The window (7) is placed in the hole (6) of the side wall of the housing (1) after the gasket (8) is installed. The window (7) is installed in the body (1) in such a way that inside the body it closely adjoins the outer wall of the cup (3) to prevent its deformation under the action of internal pressure. A fixing element (9) with a central hole is installed over the window (7). With the help of the fixing element (9), a rigid connection and tight fit of the window (7) to the side surface of the housing (1) is ensured. The fixing element (9) can be made in the form of a plate made of the body material. The locking element (9) can be connected to the side wall of the housing using a flange and/or screws (10). The fixing element (9) can be additionally connected to the housing using a bracket or clamp. The central hole in the fixing element (9) allows the passage of X-rays. The hole in the fixing element (9) is preferably made of the maximum size while maintaining the necessary strength, rigidity and reliable pressing of the window (7). To increase the fluorescence exit angle, the hole can be expanded from the outside. A spacer (11) can be installed between the fixing element (9) and the window (7) to ensure uniform pressure from the side of the fixing element (9) on the window (7). Preferably, the spacer (11) is made of a solid, temperature-resistant polymer, such as PTFE. The spacer (11) is made with a central hole for the passage of x-ray radiation, which coincides in shape with the hole in the fixing element (9).

В верхней и нижней частях корпуса (1) выполнены отверстия с каналами, в которые установлены нагревательные элементы (12). В качестве нагревательных элементов могут быть использованы патронные керамические нагреватели, которые соединены с подходящим источником напряжения или регулятором температуры. Нагревательные элементы (12) могут быть закреплены в корпусе с помощью установочных винтов. Датчик температуры (13) может иметь произвольное расположение, например, в отверстии верхней части боковой стенки корпуса (1). Предпочтительно устанавливать датчик температуры (13) около стакана (3) для получения более достоверных данных и возможности боле точного контролирования температуры протекающих реакций. Holes with channels are made in the upper and lower parts of the body (1), into which heating elements (12) are installed. Cartridge heaters, which are connected to a suitable voltage source or temperature controller, can be used as heating elements. The heating elements (12) can be fixed in the casing with set screws. The temperature sensor (13) can have an arbitrary location, for example, in the hole in the upper part of the side wall of the housing (1). It is preferable to install a temperature sensor (13) near the glass (3) to obtain more reliable data and the possibility of more accurate control of the temperature of the reactions taking place.

Нагревательные элементы (12) и датчик температуры (13) подключены к приборам для контроля и поддержания температуры, например, к термостату или пропорционально-интегрально-дифференциальному (ПИД) регулятору. The heating elements (12) and the temperature sensor (13) are connected to devices for controlling and maintaining the temperature, for example, to a thermostat or a proportional-integral-derivative (PID) controller.

Ячейка может быть выполнена из прочного коррозионностойкого металла или сплава, например, из нержавеющей стали.The cell can be made of a durable corrosion-resistant metal or alloy, such as stainless steel.

Ячейка работает следующим образом. The cell works as follows.

Исследуемый жидкий образец, например, гомогенный катализатор, помещают в стакан (3). Стакан (3) устанавливают в выступ (2) корпуса (1), затем сверху закрывают крышкой (4). Ячейку помещают в экспериментальную установку для проведения экспериментов по рентгеновской спектроскопии поглощения, например, на экспериментальной станции синхротрона. С помощью нагревательных элементов (12) осуществляют нагрев исследуемого образца в стакане (3) до необходимой температуры путем подачи тока. Контроль за температурой исследуемого образца осуществляют с помощью датчика температуры (13). По трубкам, установленным в отверстиях (5) крышки (4) корпуса создают в ячейке требуемую атмосферу путем подачи газового потока под определенным давлением. Устанавливают ячейку в лабораторный спектрометр. Рентгеновское излучение, проходя сквозь окно (7) в корпусе и стенку стакана (3), взаимодействует с исследуемым образцом, вызывая эффект рентгеновской флуоресценции. Излучение флуоресценции, распространяясь во все стороны, в том числе проникает через стенку стакана (3) и окно (7) в корпусе наружу ячейки, где регистрируется рентгеновским детектором. Таким образом проводят измерения спектров рентгеновского поглощения в контролируемых инертной или реакционной средах.The investigated liquid sample, for example, a homogeneous catalyst, is placed in a beaker (3). The glass (3) is installed in the protrusion (2) of the body (1), then the lid (4) is closed from above. The cell is placed in an experimental setup for conducting X-ray absorption spectroscopy experiments, for example, in the experimental station of the synchrotron. With the help of heating elements (12) the test sample in the glass (3) is heated to the required temperature by applying current. Control over the temperature of the test sample is carried out using a temperature sensor (13). Through the tubes installed in the holes (5) of the cover (4) of the housing, the required atmosphere is created in the cell by supplying a gas flow under a certain pressure. Install the cell in a laboratory spectrometer. X-ray radiation, passing through the window (7) in the housing and the wall of the glass (3), interacts with the test sample, causing the effect of X-ray fluorescence. The fluorescence radiation, propagating in all directions, including penetrating through the wall of the glass (3) and the window (7) in the body to the outside of the cell, where it is recorded by an X-ray detector. In this way, X-ray absorption spectra are measured in controlled inert or reactive media.

Анализируя полученные спектры рентгеновского поглощения с помощью заявляемой конструкции ячейки, можно отслеживать в реальном времени динамику локальной атомной и электронной структуры исследуемого образца в ячейке, что в свою очередь позволяет получать информацию о химических процессах, протекающих в исследуемом образце. Результаты исследований полученных спектров могут быть использованы для усовершенствования структуры и методов синтеза, например, гомогенных катализаторов с целью увеличения выхода продуктов каталитической реакции или замедления деградации катализатора.By analyzing the obtained X-ray absorption spectra using the proposed cell design, it is possible to track in real time the dynamics of the local atomic and electronic structure of the sample under study in the cell, which in turn allows obtaining information about the chemical processes occurring in the sample under study. The results of studying the obtained spectra can be used to improve the structure and methods of synthesis, for example, of homogeneous catalysts in order to increase the yield of catalytic reaction products or slow down catalyst degradation.

Новизна устройства состоит в том, что в корпусе ячейки, принципиально обладающей возможностями химического реактора-автоклава, имеется окно для прохождения рентгеновского излучения к реакционной смеси. Это позволяет не просто проводить с жидкими образцами и смесями химические реакции, протекающие при высоких давлении и температуре, как в обычном химическом реакторе, но и в реальном времени проводить диагностику этих химических реакций методом рентгеновской спектроскопии поглощения, отслеживая изменения локальной атомной и электронной структуры жидких образцов и образование новых веществ в ходе реакции.The novelty of the device lies in the fact that in the body of the cell, which in principle has the capabilities of a chemical reactor-autoclave, there is a window for the passage of X-rays to the reaction mixture. This makes it possible not only to carry out chemical reactions with liquid samples and mixtures that occur at high pressure and temperature, as in a conventional chemical reactor, but also to diagnose these chemical reactions in real time using X-ray absorption spectroscopy, tracking changes in the local atomic and electronic structure of liquid samples. and the formation of new substances during the reaction.

Высокая герметичность ячейки, достигаемая за счет плотного зажатия выступающего бортика стакана между крышкой и выступом, выполненным на верхней поверхности корпуса, позволяет создавать и контролировать необходимые значения технологических режимов протекающих реакций в образце. Кроме этого, коническая форма отверстия в боковой стенке корпуса и рентгенопрозрачного окна позволяют увеличить доступный телесный угол для выхода рентгеновской флуоресценции, в то же время, не снижая чрезмерно прочность корпуса и окна и, как следствие, допустимое рабочее давление. The high tightness of the cell, achieved by tightly clamping the protruding rim of the glass between the lid and the protrusion made on the upper surface of the body, makes it possible to create and control the required values of the technological modes of the reactions occurring in the sample. In addition, the conical shape of the hole in the side wall of the housing and the X-ray transparent window make it possible to increase the available solid angle for the exit of X-ray fluorescence, while at the same time not reducing the strength of the housing and window excessively and, as a result, the allowable working pressure.

Благодаря возможности рентгеноспектральной диагностики химических процессов в режиме operando становится возможным получение наиболее достоверных данных о химических процессах, протекающих в исследуемой системе, включая различные короткоживущие промежуточные фазы. Эти данные могут быть использованы для усовершенствования исследуемой жидкофазной химической системы. Thanks to the possibility of X-ray spectral diagnostics of chemical processes in the operando mode, it becomes possible to obtain the most reliable data on chemical processes occurring in the system under study, including various short-lived intermediate phases. These data can be used to improve the studied liquid-phase chemical system.

Возможность поддерживать высокую температуру и давление над исследуемой реакционной смесью, создаваемое газовой атмосферой, расширяет применимость данной ячейки для сложных случаев гидротермального и сольвотермального синтеза и гомогенного катализа.The ability to maintain a high temperature and pressure over the studied reaction mixture, created by a gaseous atmosphere, expands the applicability of this cell for complex cases of hydrothermal and solvothermal synthesis and homogeneous catalysis.

Примером практического применения предлагаемой ячейки может служить эксперимент, проведенный на базе синхротронного центра SOLEIL (Сент-Обен, Франция). В рамках данного эксперимента исследовались образцы гомогенных катализаторов на основе молекулярных комплексов рутения в ходе реакция каталитического гидрирования ацетона. В ячейку помещали смесь из 0.01 ммоль RuBr3, 1.7 ммоль Bu4PBr и 0.5 ммоль ацетона. Над смесью создавали атмосферу из угарного газа и водорода с парциальным давлением соответственно 5 бар и 35 бар. Ячейку нагревали от температуры окружающей среды (22 °С) до 180 °С. В процессе нагрева измеряли спектры рентгеновского поглощения за K-краем рутения в operando режиме. В реальном времени было зарегистрировано изменение профиля спектра, свидетельствующее об изменении каталитической активности рутения в системе по мере роста температуры. Полученные данные представлены на фигуре. An example of the practical application of the proposed cell can serve as an experiment carried out on the basis of the SOLEIL synchrotron center (Saint-Aubin, France). Within the framework of this experiment, samples of homogeneous catalysts based on ruthenium molecular complexes were studied in the course of the catalytic hydrogenation of acetone. A mixture of 0.01 mmol RuBr3, 1.7 mmol Bu4PBr, and 0.5 mmol acetone was placed into the cell. An atmosphere of carbon monoxide and hydrogen was created above the mixture at a partial pressure of 5 bar and 35 bar, respectively. The cell was heated from ambient temperature (22°C) to 180°C. During heating, the X-ray absorption spectra beyond the K-edge of ruthenium were measured in the operando mode. A change in the spectrum profile was recorded in real time, indicating a change in the catalytic activity of ruthenium in the system as the temperature increased. The obtained data are presented in the figure.

Claims (6)

1. Ячейка для рентгеноспектральной диагностики жидкофазных образцов, содержащая полый корпус, верхняя поверхность которого снабжена выступом, в который установлен стакан с исследуемым образцом из полимерного рентгенопрозрачного материала, снабженный бортиком в верхней части, внешний диаметр которого равен внешнему диаметру выступа, крышку, жестко соединенную с корпусом и выполненную с отверстиями для установки трубок для подачи газа, на боковой поверхности корпуса выполнено отверстие, в которое установлено окно, выполненное из рентгенопрозрачного материала и плотно прилегающее к стенке стакана, фиксирующий элемент с центральным отверстием, расположенный поверх окна и жестко соединенный с боковой стенкой корпуса, нагревательные элементы, расположенные в каналах корпуса, датчик температуры, расположенный в отверстии корпуса. 1. A cell for X-ray spectral diagnostics of liquid-phase samples, containing a hollow body, the upper surface of which is provided with a ledge, in which a glass with a test sample made of a polymeric X-ray transparent material is installed, equipped with a rim in the upper part, the outer diameter of which is equal to the outer diameter of the ledge, a cover rigidly connected to body and made with holes for installing tubes for gas supply, on the side surface of the body there is a hole in which a window is installed, made of radiolucent material and tightly adjacent to the glass wall, a fixing element with a central hole located over the window and rigidly connected to the side wall housing, heating elements located in the channels of the housing, temperature sensor located in the opening of the housing. 2. Ячейка по п.1, в которой корпус и выступ выполнены цилиндрической, овальной или прямоугольной формы.2. The cell according to claim 1, in which the body and the protrusion are cylindrical, oval or rectangular. 3. Ячейка по п.1, в которой отверстие в боковой стенке корпуса и окно выполнены в форме усеченного конуса, меньшее основание которых расположено со стороны стакана. 3. The cell according to claim 1, in which the hole in the side wall of the housing and the window are made in the form of a truncated cone, the smaller base of which is located on the side of the glass. 4. Ячейка по п.1, в которой в отверстие боковой стенки корпуса установлена прокладка, выполненная из химически и термостойкого уплотнительного материала, например фторопласта или перфторированного каучука.4. The cell according to claim 1, in which a gasket made of a chemically and heat-resistant sealing material, such as fluoroplast or perfluorinated rubber, is installed in the opening of the side wall of the housing. 5. Ячейка по п.1, в которой между фиксирующим элементом и окном установлена проставка, выполненная из термостойкого материала с центральным отверстием, диаметр которого равен диаметру центрального отверстия фиксирующего элемента.5. The cell according to claim 1, in which a spacer is installed between the fixing element and the window, made of a heat-resistant material with a central hole, the diameter of which is equal to the diameter of the central hole of the fixing element. 6. Ячейка по п.5, в которой центральное отверстие в фиксирующем элементе и в проставке выполнено овальной или прямоугольной формы.6. The cell according to claim 5, in which the central hole in the fixing element and in the spacer is made of an oval or rectangular shape.
RU2021139361A 2021-12-28 Cell for x-ray spectroscopic diagnostics of liquid-phase samples in a controlled atmosphere under high pressures and temperatures in the operando mode RU2791994C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2791994C1 true RU2791994C1 (en) 2023-03-15

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6097786A (en) * 1998-05-18 2000-08-01 Schlumberger Technology Corporation Method and apparatus for measuring multiphase flows
RU2441221C2 (en) * 2010-10-22 2012-01-27 Общество с ограниченной ответственностью "АНАЛИТНАУЧЦЕНТР" (ООО "АНАЛИТНАУЧЦЕНТР") Apparatus for x-ray radiometric analysis of composition of liquid media
RU173869U1 (en) * 2016-11-30 2017-09-15 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" CELL FOR LABORATORY X-RAY SPECTRAL DIAGNOSTICS
RU180097U1 (en) * 2017-12-25 2018-06-04 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" CELL FOR LABORATORY IR AND X-RAY DIAGNOSTIC
RU190702U1 (en) * 2019-04-23 2019-07-09 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" Cell for spectral diagnostics
KR20200029262A (en) * 2018-09-10 2020-03-18 한국과학기술연구원 Electrochemical flow cell, system for in-situ/operando X-ray absorption spectroscopy using the flow cell, and electrode structure used in the flow cell

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6097786A (en) * 1998-05-18 2000-08-01 Schlumberger Technology Corporation Method and apparatus for measuring multiphase flows
RU2441221C2 (en) * 2010-10-22 2012-01-27 Общество с ограниченной ответственностью "АНАЛИТНАУЧЦЕНТР" (ООО "АНАЛИТНАУЧЦЕНТР") Apparatus for x-ray radiometric analysis of composition of liquid media
RU173869U1 (en) * 2016-11-30 2017-09-15 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" CELL FOR LABORATORY X-RAY SPECTRAL DIAGNOSTICS
RU180097U1 (en) * 2017-12-25 2018-06-04 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" CELL FOR LABORATORY IR AND X-RAY DIAGNOSTIC
KR20200029262A (en) * 2018-09-10 2020-03-18 한국과학기술연구원 Electrochemical flow cell, system for in-situ/operando X-ray absorption spectroscopy using the flow cell, and electrode structure used in the flow cell
RU190702U1 (en) * 2019-04-23 2019-07-09 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" Cell for spectral diagnostics

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ryczkowski IR spectroscopy in catalysis
US5285071A (en) Fluid cell substance analysis and calibration methods
JP6001067B2 (en) Sample holder for radiation-based analyzers
JP3482497B2 (en) Isotope composition analyzer
EP0526559A1 (en) Reaction control and solids characterization device.
Kreetz et al. Theoretical analysis and experimental results of a 1 kWchem ammonia synthesis reactor for a solar thermochemical energy storage system
Köck et al. A high-temperature, ambient-pressure ultra-dry operando reactor cell for Fourier-transform infrared spectroscopy
RU2791994C1 (en) Cell for x-ray spectroscopic diagnostics of liquid-phase samples in a controlled atmosphere under high pressures and temperatures in the operando mode
Dalla Betta et al. Cell fitted with thin beryllium windows for x‐ray absorption under pressures up to 14 MPa and temperatures up to 700 K
Aguilar-Tapia et al. A new high temperature reactor for operando XAS: Application for the dry reforming of methane over Ni/ZrO2 catalyst
CN110314628A (en) A kind of side illuminated reactor decomposing aquatic products hydrogen for studying photo-thermal coupling and catalyzing
US20220339598A1 (en) Device And Method For Investigating Chemical Processes
US6046450A (en) Reduction furnace for quantitative deuterium determination in hydrogen-containing samples
CN212514441U (en) On-line gas chromatograph
CN104764760B (en) Polycrystalline X-ray diffraction-photocatalysis combination in situ characterization analysis system
CN113318683A (en) Multifunctional low dead volume gas-solid phase reactor suitable for multiple in-situ spectral characterization
CN112834550B (en) EPR in-situ reaction tank for vacuum, atmosphere, illumination and variable-temperature reaction
CN113533403A (en) Flowing electrochemical testing device and method for simultaneous radiation XAS and mass spectrum
US20130017125A1 (en) Sample presentation device for radiation-based analytical equipment
CN114216890A (en) High-temperature Raman/X-ray diffraction in-situ spectrum testing device
CN220154260U (en) Heating electrochemical in-situ Raman spectrum pool
CN113049618A (en) High-temperature high-pressure in-situ XRD testing device
CN112730551A (en) In-situ electrolytic cell for high-voltage electrochemistry
CN106732202A (en) A kind of single tube structure fixed bed reactors for teaching experiment
Jiang et al. Best Practices for Experiments and Reports in Photocatalytic Methane Conversion