比表面積と気孔率の解析
比表面積と空隙率は触媒の性能に大きな影響を与えます。比表面積が大きいほど、より多くの活性部位が露出し、反応物がより完全に触媒と接触できるようになり、それによって反応速度が増加することを意味します。適切な細孔構造は反応物と生成物の拡散を促進し、反応の選択性に影響を与えます。
1.BET比表面積試験方法
BET 分析は、触媒の比表面積と空隙率を測定するために一般的に使用される方法です。これは、触媒表面における窒素などの不活性ガスの物理吸着特性に基づいています。異なる圧力での吸着量を測定することで、特定の理論モデルを用いて触媒の比表面積、細孔容積、細孔径分布などを計算します。図1に示すように、窒素環境下での触媒の吸脱着実験により、触媒の比表面積や細孔構造を決定し、粒度分布を明らかにすることができます。豊富な細孔構造と高い比表面積により、吸着や触媒反応において優れた性能を発揮します。 BET 分析はこれらの特性を正確に明らかにし、触媒の調製と適用を最適化するための基礎を提供します。
写真1:窒素吸脱着曲線と細孔径分布
構造解析
1.X線回折（XRD）
XRD技術は、触媒の「分子構造写真」を撮るようなものです。触媒サンプルにX線を照射すると回折現象が起こり、結晶相の異なる触媒は特有の回折パターンを生じます。触媒の結晶構造、相組成、粒径は分析によって決定できます。たとえば、図 2 では、3 つの異なる粉末触媒に対して XRD テストが実施され、その結果は、異なる形態を持つ 3 つのサンプルすべてが Cu9S5 の標準カード (JCPDS 47-1748) と高度に一致することを示しました。
Cu9S5 SNW (001) 結晶面の半値幅は、他の 2 つの形式のサンプルの半値幅よりも大幅に大きくなります。シェラーの公式によれば、粒子サイズが小さくなるほど、対応する回折ピークの半値幅は大きくなります。逆に粒子径が大きくなるほど回折ピークの半値幅はシャープになります。 Cu9S5 SNW サンプルのサブナノメートル スケール (0.95 nm) サイズと、サンプルが完全な結晶面を持たない単一セル構造を示すという事実により、半値幅は大幅に大きくなり、Cu9S5 SNW の (001) 半値幅はより大きくなります。
写真 2: Cu9S5 SNW 触媒の XRD パターン
2.フーリエ変換赤外線(FT-IR)
FT-IR は、分子振動の回転エネルギー準位遷移に基づく分光分析手法です。干渉計によって生成された赤外光をサンプルに照射すると、赤外光のさまざまな波長に対するサンプルの吸収、透過、または反射信号が記録されます。インターフェログラムはフーリエ変換により赤外スペクトルに変換され、分子内の官能基の振動特性が反映されます。その主な機能は、分子内の官能基 (ヒドロキシル、カルボニル、メチルなど) を識別し、スペクトル内の特徴的なピークの位置 (波数)、強度、および形状を通じて化合物の化学構造を推測することです。有機化合物や高分子材料などの構造解析の中核的な手段です。
図 3 に示す Cu9S5 SNW の FT-IR スペクトルでは、Cu9S5 NW と比較して顕著な赤方偏移現象が観察され、Cu と S の間の電子相互作用を示しています。2916 cm-1 および 2846 cm-1 の Cu9S5 NW および Cu9S5 SNW サンプルの特徴的なピークは、メチレン (-CH2-) の伸縮振動モードに起因すると考えられます。一方、1471 cm-1 の特徴的なピークは C-H 結合の曲げ振動モードに対応します。
写真3. 赤外スペクトル
3. ラマンの特性評価
ラマン分光法はラマン散乱効果に基づいています。レーザーと分子の非弾性衝突により生じる散乱光と入射光の周波数差（ラマンシフト）を検出することで、分子の振動・回転エネルギー準位特性を得ることができます。ラマン シフトは分子構造の「指紋」であり、特に赤外分光法では測定が難しい非極性官能基 (炭素炭素二重結合や対称官能基など) に適しており、多くの場合赤外分光法を補完します。
SEM は、電子ビームを放射してサンプルの表面をスキャンし、画像化のために二次電子または後方散乱電子を収集します。これにより、一般にナノメートルからマイクロメートルの範囲の解像度で触媒表面の微細な形態情報が得られます。 SEM画像により、触媒粒子の大きさや形状、凝集状態、表面の質感や粗さなどを視覚的に観察することができます。多孔質触媒を研究する場合、SEM は触媒の物質移動と反応性能に密接に関係する細孔構造の分布を明確に表示できます。
写真 4: V-RuO2 のラマンスペクトル。
化学組成分析
XPS テクノロジーは、触媒表面の元素組成、化学状態、電子構造を深く分析できます。触媒表面にX線が照射されると、表面原子の電子が励起されます。この光電子のエネルギーと量を検出することで、元素の種類や含有量、さらにはその元素が存在する化学環境を知ることができます。たとえば、担持金属触媒を研究する場合、XPS は担体表面の金属の形状、それが金属元素であるか金属酸化物であるか、およびその酸化状態の変化を正確に決定できます。これは、触媒の活性と失活のメカニズムを理解するために非常に重要です。図 5 に示すように、XPS を使用して、Ru、Co、Ni 元素の組成と価数状態を示しました。サンプル中の特定元素の XPS 微細スペクトルを使用して、結合エネルギーの正/負のシフトを決定し、電子相互作用の存在を示しました。
写真5:Ru 3p、Co 2p、Ni 2pのXPS微細スペクトル
顕微鏡技術
1.走査型電子顕微鏡(SEM)
SEM は、電子ビームを放射してサンプルの表面をスキャンし、画像化のために二次電子または後方散乱電子を収集します。これにより、一般にナノメートルからマイクロメートルの範囲の解像度で触媒表面の微細な形態情報が得られます。 SEM画像により、触媒粒子の大きさや形状、凝集状態、表面の質感や粗さなどを視覚的に観察することができます。多孔質触媒を研究する場合、SEM は触媒の物質移動と反応性能に密接に関係する細孔構造の分布を明確に表示できます。
2.透過型電子顕微鏡(TEM)
TEM では触媒の微細構造を直接観察できます。サンプルを通して電子ビームを放射し、電子とサンプル間の相互作用後の散乱を画像化します。 TEMを使用すると、触媒粒子の大きさ、形状、分布を鮮明に観察できるほか、触媒内部の格子構造や欠陥も観察できます。
触媒の基本的な特性評価手法は、触媒の物理的、化学的、構造的特性をより深く理解するための強力なツールです。包括的な応用を通じて触媒反応機構を明らかにし、高性能触媒の設計と開発に理論的基盤を提供します。技術の進歩に伴い、この技術は、より高い分解能、より正確な定量化、および実際の反応条件のより優れたシミュレーションを目指して革新と開発を続けています。
中国でマイクロパウダーを提供できますナノパウダー中国でマイクロパウダーを提供できます金属粉, 合金粉末顕微鏡技術酸化物粉末など、ご不明な点がございましたら、sales03@satnano.comまでお気軽にお問い合わせください。
