催化剂表征技术

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1、催化剂的表征技术;即特性的描述。采用现代科学手段与现代分析仪器，对一种物质进行物理化学鉴定、鉴别等一系列特性及特征的描述。表征用Characterization 来表示。4.1电镜技术4.2 X射线衍射4.3全自动比表面及孔隙度分析仪4.4 X射线 光电子谱 （XPS）4.5热分析技术4.6激光拉曼技术4.7程序升温分析技术4.8红外吸附4.1电镜技术 电镜技术主要用于测量材料的颗粒度、粒径及分散性，可观察到样品表面的微细 形态结构。第一代光学显微镜它使人类“看”到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体，对社会的发展起了巨大的促 进作用，至今仍是主要的显微工具。第二代电子显微镜20世纪三十年代

2、早期卢斯卡（E. Ruska）发明了电子显微镜。使人类能“看”到病毒等亚微 米的物体，它与光学显微镜一起成了微电子技术的基本工具。第三代 扫描探针显微镜（纳米显微镜）1981年比尼格和罗勒尔发明了扫描隧道显微镜（STM），使人类观察到单个原子。1985年 比尼格发明了具有原子分辨率、可适用于非导电样品的原子力显微镜（AFM）STM与AFM 一起构建了扫描探针显微镜（SPM）系列。使用SPM不仅能观察单个原子或分子，还能操纵单个原子或分子，人们称SPM是纳米世界的“眼”和“手”。比尼 格、罗勒尔和卢斯卡分享了 1986年的诺贝尔物理奖。SEM (Scanning Electronic Micro

3、scopy)TEM (Transmission Electron Microscope)STM (Scanning Tunnelling Microscope)AFM (Atomic Force Microscope)一 扫描电子显微镜(scanning electron microscopy )1 SEM成像原理聃1杨-IHW-碗.允皆-tfFJl物愤-故普黑伸成H-二次电子 它在SEM成像过程中担任主角。它是样品本身的原子中的外层电子，被入射电子激发出来 后，形成带有样品形貌等信息的电子束。二次电子主要反映样品浅表层(约5 nm10 nm) 的信息。(2) 背散射电子：是被样品大角度反射回

4、来的入射电子，它主要反映样品内部较深层(约50 nm1 00nm) 原子的质量信息。背散射电子的产额随样品的原子序数增大而增加，即其电子信号的强度与 样品的化学组成有关，主要用于显示元素的分布状态。(3) 特征X射线：电子束轰击样品时，原子内层电子受到激发后在能级跃迁过程中直接释放的一种电磁波辐 射。产生深度：500 nm5 mm。样品中元素不同，产生的特征X射线的波长和能量也不同， 主要用于透射电镜和扫描电镜中的X射线能谱分析(EDS)。透射电子显微镜(TEM)Transmission Electron Microscope1成像原理I 电 * y 固体5X 杵的和号.作HJI2透射电镜的结

5、构三 扫描隧道显微镜（STM）是20世纪80年代初期发展起来的新型显微仪器，能达到原子级的超高分辨率。扫描隧 道显微镜不仅作为观察物质表面结构的重要手段，而且可以在纳米尺度上实现对物质表面精 细加工的新奇工具。目前科学家已经可以随心所欲地操纵某些原子。20世纪80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家比尼格和罗勒尔发明了扫描 隧道显微镜。这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测到原子在物质表面的排列状 态和与表面电子行为有关的物理化学性质，对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技 术的研究有着重大意义。为此，这两位科学家与电子显微镜的创造者卢斯卡教授一起荣获 1986年诺贝尔物理奖

6、。1 STM的工作原理基础：量子力学中隧道效应。嗾5K 电济史呈美琰I KCZ七棉理卜坐OCVG-吒与样品表而籽性相关的券数】 明擎钉踞样品之司的四庄（电压差在车+尖甚近样品表面肘虫内来卜I数量第的塞化2结构扫描隧道显微镜（STM）由STM头部，电子学处理部分，减震系统以及计算机组成 探针通常用0.10.3 nm的伯铱合金丝或钨丝经电化学腐蚀制作，通过适当处理，可获得具 有一个原子的针尖。中国第一批扫描隧道显微镜诞生记在扫描隧道显微镜发明者获得1986年诺贝尔奖的同时，STM的神奇魅力也深深打动了一批中国学者的心。 当时在美国加州理工学院做博士后的中科院化学所白春礼博士正从事着STM的研制工作

7、，回国前整理好相 应的软件和关键的部件，怀着急切的心情返回北京。当时，北京的中科院电子显微镜实验室姚骏恩研究员也忙着从电子显微镜向第三代的扫描显微镜的过渡工 作。在北京还有一位为STM心动的学者，北大物理系的杨威生教授，他的目标是希望建立起高真空下的 STM，以观察半导体、金属表面的原子结构，但第一步得先把常压下的STM试制出来吧。与此同时，在上海中科院上海原子核所的李民乾研究员思考着怎么从依赖庞大设备的应用核物理研究转向 同样有价值的“小科学”？ STM是一个理想方向！于是他决心放弃熟悉的、自己亲自发展起来的多项核 分析技术，转向扫描隧道显微学及其应用领域。他与胡均、顾敏明和徐耀良等一起详细

8、研究了 STM的各种 设计，觉得STM的特点是多参数的数据收集和处理，这正是核物理实验中最熟悉的方式，国产化的STM 完全有可能在短期内研制成功。在80年代末的报纸上先后报道了上述四个单位研制成功STM的消息。以 白春礼领衔，中国第一批的扫描隧道显微镜诞生了。在当时尚无成熟商品化STM的情况下，自己研制无疑 在启动我国的纳米科技研究方面起了重要作用。日后的事实证明，这几家自己研制STM的实验室在各自的 科研中都无例外地做出了较出色的成果。纳米神算子一分子算盘科学家把C60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不同的 是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列的

9、。四 原子力显微镜Atomic Force Microscope1986年由IBM公司苏黎世研究中心的比尼格Binnig、罗勒尔Gerber和奎特Quate发明 了 AFM。检测器淑光器成像原理AFM技术应用举例AFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛以及溶液等各种环境下工作，且不受样品 导电性质的限制，因此已获得比STM更为广泛的应用，主要包括：1. 导体、半导体、绝缘体表面的高分辨成像2. 生物样品、有机膜等表面的高分辨成像3. 纳米加工与操作4. 分子间力和表面力研究5. 在线检测和质量监控电镜技术主要用于测量材料的颗粒度、粒径及分散性，可观察到样品表面的微细形态结构。SEM (Sc

10、anning Electronic Microscopy)TEM (Transmission Electron Microscope)STM (Scanning Tunnelling Microscope)AFM (Atomic Force Microscope)对一种粉体材料尺度的表征，首先要区分以下概念1. 颗粒与晶粒颗粒：呈粒状的固体粒子，可能是单晶体也可能是多晶体、非晶体或准晶体；晶粒：指单晶颗粒，即颗粒内为单晶，无晶界。2. 一次颗粒与二次颗粒一次颗粒：指含有低气孔率的一种独立的粒子；二次颗粒：是指人为制造的粉料团聚粒子。例如制备陶瓷的工艺过程中所指的“造 粒”就是制造二次颗粒。3.

11、 软团聚与硬团聚软团聚：一种由范德华引力作用引起的颗粒间聚集，软团聚可用机械的办法分开。硬团聚：在强的作用下使颗粒团聚在一起，不能用机械的方法分开。软团聚若不加以解决，在粉体干燥及煅烧过程中将很可能转变为硬团聚，粉碎、加压过程只 能破坏软团聚。4. 纳米微粒5.一般指一次颗粒。它的结构可分为晶态、非晶态和准晶态。在晶态的情况下，纳米粒子可以为多晶体，当粒径小到一定值后则为单晶体。只有纳米微粒为单晶体时，纳米微 粒的粒径才与晶粒尺寸相同。颗粒尺寸的定义：对球形颗粒来说，颗粒尺寸(粒径)即指其直径。对不规则颗粒尺寸的定义常为等当直径，如体积等当直径，投影面积直径等。纳米颗粒的粒径测量方法很 多。如

12、透射电镜法、x射线衍射法、比表面积及拉曼光谱法。U., J- IM + IJG. Mfrr 4-11tv F I扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy, SEM) .SEM成像原理1. 弹性散射与非弹性散射弹性散射：散射过程中入射电子只改变方向，总动能基本不变。弹性散射的电子符 合布拉格定律，携带有晶体结构、对称性、取向和样品厚度等信息，用于分析材料的结构。非弹性散射：散射过程中入射电子的方向和动能都发生改变。用于电子能量损失谱 (EELS)，提供成分和化学信息，也能用于特殊成像或衍射模式。2. 电子的非弹性散射(1) 背散射电子：指入射电子与样品相互作用

13、(弹性和非弹性散射)之后，再次逸出样 品表面的高能电子，其能量接近于入射电子能量。产生深度：100 nm1 mm。背散射电子的 产额随样品的原子序数增大而增加，即其电子信号的强度与样品的化学组成有关，可用于分 析形貌特征、显示原子序数衬度及定性成分分析。(2) 二次电子：入射电子与样品相互作用后，使样品原子较外层电子(价带或导带)电 离产生的电子，能量较低。产生深度：5 nm10 nm，分辨率高。二次电子的产额随样品的 原子序数的变化不大，主要取决于表面形貌。(3) 特征X射线：原子的内层电子受到激发后在能级跃迁过程中直接释放的具有特征 能量和波长的一种电磁波辐射。产生深度：500 nm5 m

14、m。用于透射电镜和扫描电镜中的X 射线能谱分析(EDS)。(4) 俄歇电子：假如入射电子有足够的能量使内层电子(如K层)激发，若其他内层电 子已经填满，则电子只能跑到原子外，在原子内产生空穴，这时其他内层电子跳下来填补空 穴。这个跳跃释放出的能量被其他内壳层电子吸收，使一个内壳层电子跳出样品外，则该电 子叫俄歇电子。俄歇电子对氢元素敏感，平均自由程小于1 nm，故给出的是表面化学信息。扫描电镜的结构扫描电子显微镜由：电子光学系统（镜筒）、偏转系统、信号检测放大系统、图像显示和记录 系统、电源系统和真空系统等部分组成。1. 电子光学系统:由电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等组成。其作用是用来获

15、得扫描电子束，作为信号的激发源。2. 信号收集及显示系统：检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制 信号。普遍使用的是电子检测器，它由闪烁体、光导管和光电倍增管所组成。3. 真空系统和电源系统：真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染而提供高的真空 度，一般情况下要求保持10-410-5 Torr的真空度。电源系统由稳压、稳流及相应的安全保护电路所组成，其作用是提供扫描电镜各 部分所需的电源。扫描电镜的工作原理扫描电镜的工作原理和闭路电视有些相似。由三级电子枪发射出来的电子束，在加速电压的作用下，经过23个电子透镜聚焦后，在 样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品表面产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、 吸收电子、X射线、俄歇电子等。这些物理信号随样品表面特征而改变，它们分别被相应的 收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显示器上，用来同步的调制显示器的 亮度。可简单归纳为：光栅扫描、逐点成像SEM的主要性能（1）可从20倍到20万倍连续调节。（2）影响SEM图像分辨率的主要因素有： 扫描电子束斑直径； 入射电子束在样品中的扩展效应； 操作方式及其所用的调制信号； 信号