催化劑的工業用途

催化劑在現代工業扮演很重要的角色。目前,催化劑在製造產品中參與了80%以上的比例。此外,全世界工業的化學品90%以上在生產過程中加入催化劑。

儘管「因為催化劑而改變」已經是老生常談,但在材料科學的領域裡,催化劑是引發或加速化學物質進行反應,其本身並不會改變化學或物理反應的特性。人類在日常生活中所使用的材料,都有賴於催化劑,像是提煉石油製成塑膠瓶、紙漿造紙到牛奶製成起司…,甚至還可以透過減少製造業產生的有毒副產物,開發生質燃料並促成更高效的電池來實現環保。

正因為催化劑在工業製造的物質及環境保護上扮演著重要的角色,因此化學工程師、工廠管理人、品質控管技術人員、研究人員需要一系列的科學儀器來確認催化劑的特徵。其中特別的地方在於支撐材料的厚度、分佈以及化學組成對催化劑的影響。添加太多的支撐材料可能會浪費貴重的資源,像是白金;但比例太少或分布不均都有可能使催化劑失效。

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圖一、氧化鐵量子點在Transmission Electron Microscopy(TEM)
明場觀測下的成像,在各種化學製程反應中加入催化劑 *註1

當研究人員在做催化劑的特徵分析時,通常會使用一系列的科學技術:

X-ray Fluorescence spectrometry (XRF)

XRF是透過XRF儀器來量測X-Ray放射訊號的特徵來測定材料元素的基本組成。由於大部分催化劑是由非均相元素材料所組成,XRF分析元素在品質跟數量上是驗證催化劑材料的首選。

 

X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)

XPS是一項靈敏的表面分析技術。性質類似於X-Ray fluorescence,XPS是偵測樣品原子被激發後的光電子。與X-Ray的特性相比,光電子只有非常微弱的能量,XPS只可以顯示到元素週期表中接近最上面幾層的資訊。在催化劑的領域來說,是項非常有幫助的資訊。例如,XPS可以比較出催化劑最初的樣品與暴露在空氣中的化學位移的狀態,XPS可以顯示催化劑在催化過程中對活性材料的表現。

 

X-ray diffraction (XRD)

XRD是用來描述材料的晶體結構,和確認催化劑的奈米晶格尺寸。這項測試方式最常使用在催化劑的循環製程中用以確認品質。

 

Infrared spectroscopy (FTIR)

FTIR可以查詢化學分子的鍵結。當催化材料加入反應物時,在某些實驗中監控催化劑在酸性環境下的活性。FTIR可以進行原位分析(在自身的環境條件下)甚至在操作過程中(反應發生的同時)探測催化劑的工作狀態。

 

Raman spectroscopy

拉曼光譜儀也是提供關於化學分子的資訊,它與FTIR是互相輔助使用。拉曼顯示出催化材料在化學位點中細微的差異會影響其他各個部位的反應性,從而幫助工程師發揮催化材料的最佳效率。拉曼光譜儀與紅外線光譜儀可以使用搭配顯微鏡研究催化劑的顆粒,顯微拉曼光譜儀研究小至1微米,而顯微紅外線光譜儀可分析至10微米。

 

Electron microscopy (EM)

電鏡可以觀察到次埃(Å)級以下的材料,從而清晰地看到催化劑的型貌特徵以及元素的分佈。如今儀器將電子顯微鏡與energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS)的結合,能夠對催化劑與載體材料的結構及化學性質自動地進行奈米顆粒分析,使研究人員分析催化劑的品質,並開發新的催化劑材料。

 

儘管沒有一種分析技術能夠完全的調查與監控催化劑及其他活性材料,但研究人員可以結合多項分析技術以獲得所需要的資訊。

 

*註1:數據由Regional Centre of Advanced Technologies and Materials. Palacky University, Olomouc, Czech Republic提供

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原文連結:https://www.thermofisher.com/blog/materials/characterizing-the-effectiveness-of-industrial-catalysts

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