本實(shí)用新型屬于一種催化劑表征裝置，具體涉及一種光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置。

背景技術(shù)：

絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)過程屬于催化過程，所用催化劑的表面微觀結(jié)構(gòu)是決定其反應(yīng)性能至關(guān)重要的因素。X射線在催化劑結(jié)構(gòu)分析表征方面占有十分重要的地位。由于催化反應(yīng)過程通常是在一定的溫度和壓力下進(jìn)行，但鑒于早先技術(shù)條件的限制，對真實(shí)反應(yīng)條件下催化劑活性中心及其變遷規(guī)律進(jìn)行研究困難重重。隨著高亮度、高準(zhǔn)直、能量可調(diào)的同步輻射X光的出現(xiàn)和發(fā)展，為許多常規(guī)條件下無法進(jìn)行的研究提供了可能。同步輻射X光具有常規(guī)光源不可比擬的優(yōu)良性能，其各具特色的技術(shù)手段，可以從不同側(cè)面提供催化劑樣品的微觀結(jié)構(gòu)信息。采用XANES(X-ray Absorption Near Edge Structure，X射線吸收近邊結(jié)構(gòu))譜可以檢測樣品中元素的化學(xué)態(tài)。而通過對催化劑EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure，擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu))譜研究可以獲得樣品中吸收原子近鄰結(jié)構(gòu)的原子種類、配位數(shù)和配位距離等信息，這不僅可以用于研究成型催化劑晶態(tài)以及非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)，還可以用于研究催化劑的微晶或無定形結(jié)構(gòu)。同步輻射X射線高準(zhǔn)直、能量可調(diào)的優(yōu)勢，更是常規(guī)XRD(X-ray Diffraction，X射線衍射)無可比擬；高準(zhǔn)直確保了高分辯，能量可調(diào)用以進(jìn)行反常散射；這都是結(jié)構(gòu)解析更加準(zhǔn)確可靠。高分辨率XRD可提供催化劑晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)、相變過程、晶粒大小、晶粒取向及微結(jié)構(gòu)(點(diǎn)缺陷、位錯、面缺陷)等信息。SAXS/WAXS(Small and Wide Angle X-ray Scattering，X射線小角散射和廣角散射)可用來考察催化劑晶化過程中前驅(qū)體納米顆粒結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的演化及催化劑晶體的生長過程。通過利用這些技術(shù)，研究催化劑在焙燒、活化、反應(yīng)和再生等過程的微觀結(jié)構(gòu)及其變化，有助于我們鑒別其催化活性中心，了解其演變規(guī)律。這些信息對新型催化劑和催化反應(yīng)過程的研究與開發(fā)不可或缺。

專利ZL200910075167.3涉及的光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置，沒有介質(zhì)進(jìn)出通道，無法開展對有氣體或液體介質(zhì)參與的催化反應(yīng)進(jìn)行原位表征；其用于XRD表征時，大角度的信息無法獲得。專利ZL200910075168.8的光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置，在進(jìn)行涉及高壓氣體介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)時，X光路上的死體積較大，嚴(yán)重影響信噪比，使得原位表征實(shí)驗(yàn)時數(shù)據(jù)質(zhì)量降低，難以發(fā)揮同步輻射X光的巨大優(yōu)勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位在線表征，準(zhǔn)確度高，適用范圍寬的光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位在線表征裝置。

本實(shí)用新型的裝置是在室溫～500℃，常壓～6MPa條件下，以原位在線的方式對制備催化劑時的晶化過程，金屬氧化物催化劑焙燒過程，各種催化劑的活化、反應(yīng)、再生等過程用XAFS(X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu))、XRD(X射線衍射)、SAXS(X射線小角散射)、SAXS/WAXS(X射線小角散射和廣角衍射)進(jìn)行研究。監(jiān)測在這些過程中催化劑結(jié)構(gòu)(特別是表面微觀結(jié)構(gòu))的變化。

本實(shí)用新型的一種光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置，它包括定窗片，樣品倉，動窗片，定窗片座，進(jìn)管，平墊環(huán)，動窗片座，后壓環(huán)，后蓋，出管，前蓋，其特征在于前蓋上側(cè)有長槽式喇叭口，下小上大，定窗片位于定窗片座上端面，動窗片鑲嵌在動窗片座上端面，動窗片座軸向有通孔，動窗片座位于定窗片座內(nèi)，并通過螺紋連接，定窗片、定窗片座和動窗片之間形成樣品倉，定窗片座有對稱2個軸向圓孔，并與樣品倉相通，進(jìn)管、出管分別與2個軸向圓孔相通，后壓環(huán)位于動窗片座下端，后壓環(huán)與動窗片座之間有平墊環(huán)，后壓環(huán)與后壓座以螺紋聯(lián)接，后蓋和前蓋用螺栓連接緊固。

如上所述的后蓋與前蓋均勻分布4-8個大通孔，螺栓通過大通孔將后蓋和前蓋連接緊固。在后蓋與前蓋均勻分布2-6個小通孔用于放置筒式加熱器。

如上所述定窗片與定窗片座之間、平墊環(huán)與動窗片座之間、平墊環(huán)與后壓環(huán)之間有密封墊，其材質(zhì)可以是聚四氟乙烯、聚酰亞胺、柔性石墨等，以適應(yīng)不同溫度、壓力的需要。密封墊材料根據(jù)實(shí)驗(yàn)溫度選擇，≤250℃可以選用聚四氟、聚酰亞胺、柔性石墨；＞250℃且≤400℃選用聚酰亞胺、柔性石墨。

如上所述動窗片座軸向通孔為內(nèi)六角形，外圓表面有細(xì)牙螺紋，用內(nèi)六角扳手旋動動窗片座時，它可以沿定窗片座的螺紋旋進(jìn)、旋出，進(jìn)而改變樣品倉軸向方向的尺寸。樣品倉軸向方向的尺寸(即X光程)優(yōu)選的調(diào)整范圍為：0.01～3mm。

進(jìn)管、出管尾端安裝直通式兩通。直通式兩通可以連接供流體進(jìn)出的管線，也可以用死堵密封，分別用于需要或不需要有流體(氣體或液體)介質(zhì)連續(xù)進(jìn)出樣品倉的情況。

后壓環(huán)的下端面有內(nèi)六角形的內(nèi)孔，用內(nèi)六角扳手旋動后壓環(huán)時，它可以沿定后壓座的螺紋旋進(jìn)、旋出。

定窗片、動窗片為透X射線材質(zhì)的金屬鈹、氮化硼陶瓷、聚酰亞胺制成。優(yōu)先選用金屬鈹，為了提高窗片與介質(zhì)的兼容性，可在其表面氣相沉積氮化硼、氧化鋁、聚酰亞胺膜。材料根據(jù)實(shí)驗(yàn)氣氛選擇，金屬鈹適用于還原性氣氛，聚酰亞胺、氮化硼陶瓷或內(nèi)表面沉積氮化硼薄膜的金屬鈹適用于還原性、氧化性、惰性等各種氣氛。

樣品倉用于盛放樣品。樣品倉的樣品可以是液態(tài)(膠體、溶液、微乳液等)，固態(tài)(顆粒狀、整體片狀)等。

本發(fā)明的應(yīng)用如下：

光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置在室溫～500℃，常壓～6MPa條件下工作，XRD及XAFS透射模式表征時，X光從后蓋中心軸向方向進(jìn)入，并攜帶樣品信息，從前蓋的長槽式喇叭口到達(dá)探測器。XAFS熒光模式表征時，X光從前蓋的長槽式喇叭口與定窗片成45度角進(jìn)入，熒光信號也通過前蓋的長槽式喇叭口到達(dá)探測器。

本發(fā)明詳細(xì)的應(yīng)用步驟如下：

(1)、根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件選擇適宜的密封墊材料，定窗片和動窗片的材料，密封墊材料根據(jù)實(shí)驗(yàn)溫度選擇，溫度≤250℃選用聚四氟、聚酰亞胺、柔性石墨；溫度＞250℃且≤400℃選用聚酰亞胺、柔性石墨；定窗片和動窗片的材料根據(jù)實(shí)驗(yàn)氣氛選擇，金屬鈹適用于還原性氣氛，聚酰亞胺、氮化硼陶瓷或內(nèi)表面沉積氮化硼薄膜的金屬鈹適用于還原性、氧化性或惰性氣氛；

(2)、旋轉(zhuǎn)動窗片座，調(diào)整樣品倉軸向方向的尺寸至合適尺寸；

(3)、先將固態(tài)待測樣品裝入樣品倉，再裝配好光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置；或先裝配好光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置，再將液態(tài)樣品注入樣品倉；

(4)、放置好加熱器件及控溫電偶；

(5)、將光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置放入X光路，并固定好；

(6)、連接流體進(jìn)管、出管，將光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置連接到實(shí)驗(yàn)裝置中；

(7)、在室溫～500℃，常壓～6MPa之間，根據(jù)被表征催化劑所需要的真實(shí)反應(yīng)條件設(shè)定溫度和壓力；

(8)、采用XRD模式表征時，X光從后蓋中心軸向方向進(jìn)入，并攜帶樣品信息，從前蓋的長槽式喇叭口到達(dá)探測器；采用XAFS熒光模式表征時，X光從前蓋的長槽式喇叭口與光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置定窗片成45度角進(jìn)入，熒光信號也通過前蓋的長槽式喇叭口到達(dá)探測器；

(9)、持續(xù)用同步輻射裝置提供的檢測器采集透射的X光信號、衍射出的X光信號、散射出的X光信號，即可獲得催化劑在實(shí)驗(yàn)過程中，其結(jié)構(gòu)動態(tài)的變化信息。

本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)：

⑴.利用高亮度的同步輻射X光，實(shí)現(xiàn)了催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位在線表征。

⑵.適用范圍寬。可以對固態(tài)、液態(tài)等形態(tài)的催化劑樣品進(jìn)行研究；可以對制備催化劑時的晶化過程，金屬氧化物催化劑焙燒過程，各種催化劑的活化、反應(yīng)、再生等過程進(jìn)行研究。

⑶.光程連續(xù)可調(diào)，調(diào)整簡便。對不同濃度的樣品，可方便地調(diào)整光程尺寸，以獲得最佳的信噪比。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)俯視示意圖。

如圖所示，1是定窗片，2是樣品倉，3是動窗片，4是定窗片座，5是進(jìn)管，6是平墊環(huán)，7是動窗片座，8是后壓環(huán)，9是后蓋，10是出管，11是前蓋。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

一種光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置，它包包括定窗片1，樣品倉2，動窗片3，定窗片座4，進(jìn)管5，平墊環(huán)6，動窗片座7，后壓環(huán)8，，后蓋9，出管10，前蓋11，其特征在于前蓋11上側(cè)有長槽式喇叭口，下小上大，定窗片1位于定窗片座4上端面，動窗片3鑲嵌在動窗片座7上端面，動窗片座7軸向有通孔，動窗片座7位于定窗片座4內(nèi)，并通過螺紋連接，定窗片1、定窗片座4和動窗片3之間形成樣品倉2，定窗片座4有對稱2個軸向圓孔，并與樣品倉2相通，進(jìn)管5、出管10分別與2個軸向圓孔相通，后壓環(huán)8位于動窗片座7下端，后壓環(huán)8與動窗片座7之間有平墊環(huán)6，后壓環(huán)8與后壓座9以螺紋聯(lián)接，后蓋9和前蓋11用螺栓連接緊固。具體步驟：

(1)、選擇定窗片1與定窗片座4之間、平墊環(huán)6與動窗片座7之間、平墊環(huán)6與后壓環(huán)8之間的密封墊材質(zhì)為聚四氟乙烯。定窗片1和動窗片3的材質(zhì)為金屬鈹，其表面氣相沉積氧化鋁。

(2)、旋轉(zhuǎn)動窗片座7，調(diào)整樣品倉2軸向方向尺寸，使X光路上光程為3mm。

(3)、裝配好光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置，后蓋9與前蓋12均勻分布4個大通孔，螺栓通過大通孔將后蓋9和前蓋11連接緊固。將膠體狀鈦硅分子篩催化劑注入樣品倉2，進(jìn)管5、出管10尾端安裝直通式兩通，直通式兩通用死堵密封；

(4)、后蓋9與前蓋12均勻分布的4個小通孔內(nèi)放入筒式加熱器；

(5)、將光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置放入X光路，并固定好；

(6)、控制溫度為200℃，壓力為自升壓力；

(7)、X光從后蓋9中心軸向方向進(jìn)入，從前蓋11的長槽式喇叭口到達(dá)探測器。

(8)、連續(xù)用檢測器采集衍射出的X光信號，即可獲得鈦硅催化劑在合成晶化過程中，其動態(tài)的XRD變化信息。

實(shí)施例2：

所有裝置同實(shí)施例1，具體步驟：

(1)、選擇定窗片1與定窗片座4之間、平墊環(huán)6與動窗片座7之間、平墊環(huán)6與后壓環(huán)8之間的密封墊材質(zhì)為柔性石墨。定窗片1和動窗片3的材質(zhì)為透X射線材質(zhì)的氮化硼陶瓷。

(2)、旋轉(zhuǎn)動窗片座7，調(diào)整樣品倉2軸向方向尺寸，使X光路上光程為0.1mm。

(3)、樣品倉2放入圓片狀Ni/ZnO催化劑，裝配好光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置，后蓋9與前蓋12均勻分布8個大通孔，螺栓通過大通孔將后蓋9和前蓋11連接緊固。

(4)、后蓋9與前蓋12均勻分布的6個小通孔內(nèi)放入筒式加熱器；

(5)、將光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置放入X光路，并固定好；

(6)、連接流體進(jìn)管5、出管10，將光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置連接到實(shí)驗(yàn)裝置中，通入氣體介質(zhì)氫氣；

(7)、控制溫度為400℃，壓力為6MPa；

(8)、X光從后蓋9中心軸向方向進(jìn)入，從前蓋11的長槽式喇叭口到達(dá)探測器。

(9)、連續(xù)用檢測器采集透射出的X光信號，即可獲得催化劑在還原活化過程中，其動態(tài)的XAFS變化信息。

實(shí)施例3：

所有裝置同實(shí)施例1，具體步驟：

(1)、選擇定窗片1與定窗片座4之間、平墊環(huán)6與動窗片座7之間、平墊環(huán)6與后壓環(huán)8之間的密封墊材質(zhì)為聚四氟乙烯。定窗片1和動窗片3的材質(zhì)為透X射線材質(zhì)的聚酰亞胺。

(2)、旋轉(zhuǎn)動窗片座7，調(diào)整樣品倉2軸向方向的尺寸，使X光路上光程為3mm。

(3)、樣品倉2放入圓片狀Pb/石墨烯催化劑，裝配好光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置，后蓋9與前蓋12均勻分布4個大通孔，螺栓通過大通孔將后蓋9和前蓋11連接緊固。

(4)、后蓋9與前蓋12均勻分布的2個小通孔內(nèi)放入筒式加熱器；

(5)、將光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置放入X光路，并固定好；

(6)、連接流體進(jìn)管5、出管10，將光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置連接到實(shí)驗(yàn)裝置中，通入氣體反應(yīng)介質(zhì)一氧化碳和氧氣；

(7)、控制溫度為50℃，壓力為0.3MPa；

(8)、X光從后蓋9中心軸向方向進(jìn)入，從前蓋11的長槽式喇叭口到達(dá)探測器。

(9)、連續(xù)用檢測器采集透射出的X光信號，即可獲得Pb/石墨烯催化劑在一氧化碳氧化過程中，其動態(tài)的XAFS變化信息。

實(shí)施例4：

所有裝置同實(shí)施例1，具體步驟：

(1)、選擇定窗片1與定窗片座4之間、平墊環(huán)6與動窗片座7之間、平墊環(huán)6與后壓環(huán)8之間的密封墊材質(zhì)為聚四氟乙烯。定窗片1和動窗片3的材質(zhì)為金屬鈹，其表面氣相沉積氮化硼。

(2)、旋轉(zhuǎn)動窗片座7，調(diào)整樣品倉2軸向方向尺寸，使X光路上光程為1mm。

(3)、裝配好光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置，后蓋9與前蓋12均勻分布6個大通孔，螺栓通過大通孔將后蓋9和前蓋11連接緊固。將膠體狀磷鋁分子篩催化劑注入樣品倉2，進(jìn)管5、出管10尾端安裝直通式兩通，直通式兩通用死堵密封；

(4)、后蓋9與前蓋12均勻分布的4個小通孔內(nèi)放入筒式加熱器；

(5)、將光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置放入X光路，并固定好；

(6)、控制溫度為150℃，壓力為自升壓力；

(7)、X光從前蓋11的長槽式喇叭口與光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置定窗片1成45度角進(jìn)入，熒光X信號通過前蓋11的長槽式喇叭口到達(dá)探測器。

(8)、連續(xù)用檢測器采集衍射出的X光信號，即可獲得磷鋁催化劑在合成晶化過程中，其動態(tài)的XAFS變化信息。

實(shí)施例5：

所有裝置同實(shí)施例1，具體步驟：

(1)、選擇定窗片1與定窗片座4之間、平墊環(huán)6與動窗片座7之間、平墊環(huán)6與后壓環(huán)8之間的密封墊材質(zhì)為聚四氟乙烯。定窗片1和動窗片3的材質(zhì)為金屬鈹，其表面氣相沉積氮化硼。

(2)、旋轉(zhuǎn)動窗片座7，調(diào)整樣品倉2軸向方向尺寸，使X光路上光程為0.8mm。

(3)、裝配好光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置，后蓋9與前蓋12均勻分布6個大通孔，螺栓通過大通孔將后蓋9和前蓋11連接緊固。將膠體狀磷鋁分子篩催化劑注入樣品倉2，進(jìn)管5、出管10尾端安裝直通式兩通，直通式兩通用死堵密封；

(4)、后蓋9與前蓋12均勻分布的4個小通孔內(nèi)放入筒式加熱器；

(5)、將光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置放入X光路，并固定好；

(6)、控制溫度為180℃，壓力為自升壓力；

(7)、X光從后蓋9中心軸向方向進(jìn)入，從前蓋11的長槽式喇叭口到達(dá)探測器。

(8)、連續(xù)用檢測器采集散射出的X光信號，即可獲得磷鋁催化劑在合成晶化過程中，其動態(tài)的SAXS變化信息。

實(shí)施例6：

所有裝置同實(shí)施例1，具體步驟：

(1)、選擇定窗片1與定窗片座4之間、平墊環(huán)6與動窗片座7之間、平墊環(huán)6與后壓環(huán)8之間的密封墊材質(zhì)為聚四氟乙烯。定窗片1和動窗片3的材質(zhì)為透X射線材質(zhì)的金屬鈹。

(2)、旋轉(zhuǎn)動窗片座7，調(diào)整樣品倉2軸向方向尺寸，使X光路上光程為1.2mm。

(3)、樣品倉2放入100～160目Ni/ZnO催化劑，裝配好光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置，后蓋9與前蓋12均勻分布8個大通孔，螺栓通過大通孔將后蓋9和前蓋11連接緊固。

(4)、后蓋9與前蓋12均勻分布的6個小通孔內(nèi)放入筒式加熱器；

(5)、將光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置放入X光路，并固定好；

(6)、連接流體進(jìn)管5、出管10，將光程連續(xù)可調(diào)的催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)原位表征裝置連接到實(shí)驗(yàn)裝置中，通入氣體介質(zhì)氫氣及液體的含噻吩模型油；

(7)、控制溫度為280℃，壓力為3MPa；

(8)、X光從后蓋9中心軸向方向進(jìn)入，從前蓋11的長槽式喇叭口到達(dá)探測器。

(9)、連續(xù)用檢測器采集透射出的X光信號，即可獲得Ni/ZnO催化劑在吸附反應(yīng)脫硫過程中，其動態(tài)的XAFS變化信息。