介紹
化學吸附是一種強大的分析方法，用於研究固體材料（尤其是催化劑）的表面性質。與涉及弱凡德瓦爾力的物理吸附不同，化學吸附涉及強相互作用，例如共價鍵或離子鍵。這種相互作用具有高度特異性，通常是不可逆的，並且只形成單層。此相互作用高度依賴於表面和吸附質的化學性質。

化學吸附技術在非均相催化領域至關重要，因為觸媒表面活性位點的數量、性質和強度等資訊對於最佳化催化性能至關重要。這些資訊使科學家能夠確定金屬分散度，並評估觸媒的吸附強度、活性和反應性，這些都是觸媒設計和評估的關鍵參數。

多種化學吸附技術已被廣泛用於評估觸媒，包括脈衝化學吸附和程序升溫分析，例如還原、氧化、脫附、分解和表面反應。在本應用說明中，脈衝化學吸附技術將應用於 Micromeritics 參考標準材料，以證明其在 ChemiSorb Auto 上進行觸媒特性分析的實用性。

脈衝化學吸附工作原理
在脈衝化學吸附技術中，首先將氫氣和氬氣的混合氣體引入樣品床，在高溫下還原活性金屬。然後，惰性氣體流經樣品床，去除高溫下殘留的還原劑。之後，樣品冷卻至室溫。最後，根據活性金屬的類型，在樣品床中註入已知量的探針氣體，例如氫氣 (H₂)、一氧化碳 (CO)、氧氣 (O₂) 或一氧化二氮 (N₂O)。

系統將持續注入探針氣體，直到樣品被吸附氣體飽和。根據吸附探針氣體的量，任何未反應的氣體都會到達熱導偵測器 (TCD)，並在偵測器訊號中顯示為峰值。校正環可將已知量的吸附劑精確注入樣品床。

吸附質的選擇
脈衝化學吸附是一種廣泛用於量化固體材料上可用於化學反應的活性位點數量和金屬分散度的表面分析技術。在某些應用中，它也用於研究活性金屬表面積。然而，選擇合適的吸附質至關重要，應基於化學計量因子和結合親和力這兩個關鍵因素仔細考慮。

對於銅和銀等金屬，H₂和CO的結合親和力可以忽略不計，導致吸附量極少或幾乎沒有。然而，當引入N₂O作為吸附質時，它與這些金屬表現出強烈的結合親和力，使其成為化學吸附分析的更合適選擇。

氧氣常用於脈衝化學吸附中的氫氧滴定。對於鈀（Pd），氫氣傾向於與Pd形成氫化物。因此，對於鈀基觸媒，通常優先使用CO。然而，當觸媒負載在碳上時，使用氫氣也可能有問題，因為載體本身會顯著吸附氫氣，導致測量不準確。

儘管一氧化碳 (CO) 具有一些優勢，但它並非脈衝化學吸附的通用選擇。對於鎳和銠等催觸媒，CO 會形成羰基絡合物，使活性位點中毒並降低催化活性。因此，在選擇 CO 作為吸附質時需要謹慎考慮。

對於鉑 (Pt)，H₂ 和 CO 都可用於脈衝化學吸附實驗，因為它們都能吸附在金屬表面。然而，吸附質的選擇會影響金屬分散度計算中使用的化學計量因子。氫氣以解離方式與 Pt 結合，導致化學計量因子為 2。相較之下，CO 可以以線性或橋式方式結合，每種方式的化學計量因子都不同。對於 Pt/Al₂O₃ 標準材料，CO 以線性方式結合，這對應於化學計量因子為 1。

分析設備及條件
對於此類分析，我們使用ChemiSorb Auto儀器，以H₂和CO為探針氣體，對0.5%鉑氧化鋁進行了評估，金屬分散度規格為31%±5%。圖1A和1B分別顯示了使用10% H₂/Ar和10% CO/He作為探針氣體的脈衝化學吸附曲線。 H₂和Ar相對於空氣的熱導率分別為7.07和0.68。這種顯著差異使得熱導偵測器（TCD）能夠有效地區分未反應的H₂訊號。

在某些情況下，如果無法獲得10% H₂/Ar混合氣體，則可以使用氮氣作為替代載氣。鑑於N₂相對於空氣的熱導率為1.00，10% H₂/N₂混合氣體也適用於脈衝化學吸附應用。

在實驗一中，使用10% H₂/Ar混合氣體作為吸附質（圖1A），第一個峰值被樣品完全吸收，這是完全吸附的理想情況。第二個峰值對應於部分飽和階段，此時大部分氣體離開樣品管到達熱導偵測器（TCD）。最後三個峰值表示樣品已達到氫氣飽和，因此無需進一步進樣。

類似地，在實驗二中，使用10% CO/He混合氣體作為吸附質（圖1B），第一個峰值顯示活性金屬已完全吸收吸附質。第二個和第三個峰對應於部分飽和階段。當相鄰峰面積差在5%以內時，儀器停止向系統注入氣體。

透過積分峰面積計算累積吸附氣體量，可獲得金屬分散度、金屬表面積和晶粒尺寸等資訊。使用同一台ChemiSorb Auto型儀器對此批次標準樣品進行了六次分析。對於這 6 項分析，平均金屬分散度和標準差已在表 1 中報告。

表 1. 使用 CO 和 H₂ 作為探針氣體，在 ChemiSorb Auto 型號上對 0.5% 鉑氧化鋁進行六次分析的重複性結果。

圖 1A. 使用 10% H2/Ar 作為探針氣體在 0.5% 鉑氧化鋁上測得的典型曲線，其中包含一個完全消耗峰、一個部分消耗峰和三個飽和峰。

圖 1B. 使用 10% CO/He 作為探針氣體在 0.5% 鉑氧化鋁上測得的典型曲線，其中包含一個完全消耗峰值、兩個部分消耗峰和三個飽和峰。
 

數據討論
0.5%的Pt/Al₂O₃金屬負載量並不代表所有鉑都積極參與化學反應。因此，測量金屬分散度對於評估觸媒的活性至關重要。例如，在實驗一中，脈衝化學吸附測得的分散度為31.39%，顯示只有31.39%的鉑可及並積極參與表面反應。剩餘的鉑可能嵌入材料內部或被載體結構捕獲，因此無法發揮催化活性。觸媒的製備方法對活性的可及性起著重要作用。在某些情況下，活性金屬顆粒可能嵌入載體內部，從而阻礙部分活性位點。

ChemiSorb Auto是一款獨特的儀器，能夠提供觸媒界面活性物種百分比的寶貴數據。通常，較高的金屬分散度值與較高的催化活性相關。了解這種活性有助於科學家就擴大所需產品的生產規模或重新設計觸媒以提高性能做出明智的決策。