技术领域
[0001] 本
发明涉及漫反射红外光谱分析测试技术领域，尤其涉及一种能提供等离子体环境的原位漫反射红外光谱反应池。
背景技术
[0002] 低温等离子体中含有大量的
电子、离子、自由基和亚稳态分子，它们的化学性质非常活跃，很容易和其它
原子、分子或其它自由基发生反应。低温等离子体与催化剂能够产生协同作用，提高选择性和反应速率，低温等离子体协同催化技术在污染物治理、
燃料转化方面具有广阔的应用前景。然而，目前相应的协同反应过程和机理仍然不够清晰，需要有效的表征手段加以研究。同催化反应一样，等离子体参与的催化反应也包括反应物在催化剂表面的
吸附、反应转化、生成物
解吸等过程，认识催化反应机理的过程，就是要获取催化反应各个历程的详细信息。由于低温等离子体中的正负离子、自由基寿命较短，非原位表征往往只能间接得到反应过程的信息，难以真正剖析瞬态反应过程。一般来说，原位红外光谱表征是进行催化反应机理研究的有效手段，可以给出反应条件下反应物在催化剂表面的吸附态及其动态转化信息，常被运用于催化反应机理的研究中。但是等离子体放电装置复杂，而且涉及几千伏到几十千伏的高
电压放电，给原位表征的反应池设计带来了困难，因此目前缺乏相关的检测装置和方法。
[0003] 漫反射红外光谱技术由于不破坏样品固有形态等优点而被运用于原位红外光谱表征领域，但通用的原位漫反射光谱池，如Thermo Spectra-Tech的原位漫反射池，并不能对等离子体环境下的样品进行测定。
[0004]
现有技术公开了一种一段式等离子体催化原位漫反射红外检测装置，该装置采用同轴式介质阻挡放电，等离子放电区域与催化剂具有一定的距离，只能保证寿命比较长的几种自由基到达催化剂表面，尚不能真正为催化反应提供等离子体环境。
[0005] 综上所述，现阶段还没有相关装置能够提供等离子体环境中的催化剂表面物种结构的原位检测。
发明内容
[0006] 针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种能提供等离子体环境的原位漫反射红外光谱反应池，能够提供等离子体环境中的催化剂表面物种结构的原位检测。
[0007] 本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0008] 一种能提供等离子体环境的原位漫反射红外光谱反应池，包括：
[0009] 底座；
[0010] 反应池
基座，安装于所述底座上，所述反应池基座的顶部设有第一凹槽；
[0011] 外罩，罩设于所述反应池上，底部与所述底座连接，所述外罩的内壁与所述反应池基座之间形成通气通道，所述外罩上设有进气口和出气口，所述进气口和出气口均与所述通气通道连通；
[0013] 介质，位于所述板状电极上，所述介质以及第一凹槽的内壁面构成样品池；
[0014] 针状电极，一端从所述外罩的顶部伸入至所述介质的上方，另一端位于所述外罩外部；及
[0015] 红外光入射和出射单元，用于使得红外光能够入射至所述外罩内，并从外罩内出射，所述红外光入射至外罩内后进入所述样品池内，经反射和部分折射后射出外罩；
[0016] 其中，所述针状电极与高压电源连接，所述板状电极接地。
[0017] 优选地，所述红外光入射和出射单元为红外光入射口和红外光出射口，所述红外光入射口和所述红外光出射口均设置于所述外罩上，并位于所述样品池的斜上方，所述红外光入射口和红外光出射口均安装有ZnSe玻璃。
[0018] 优选地，所述红外光入射和出射单元包括位于所述外罩内的凹面镜A、凹面镜B、平面镜A、平面镜B和位于所述外罩上红外光入射口和红外光出射口，所述凹面镜A和所述凹面镜B分别设置于所述外罩的内壁上，并位于所述样品池两侧的斜上方，所述平面镜A和所述平面镜B安装于所述底座上，所述平面镜A位于所述凹面镜A的正下方，所述平面镜B位于所述凹面镜B的正下方，所述红外光入射口和所述红外光出射口分别与所述平面镜A和所述平面镜B相对应。
[0019] 优选地，所述平面镜A和所述平面镜B的相对于所述底座上表面的
角度可调。
[0020] 优选地，所述反应池基座内还设有电加热腔，所述电加热腔位于所述第一凹槽的周向外侧，所述电加热腔内设有电热丝。
[0021] 优选地，还包括
冷却水管，所述冷却水管缠绕在所述反应池基座的顶部周向外侧。
[0022] 优选地，还包括
热电偶，所述热电偶位于所述反应池基座内，用于测量待测样品的
温度。
[0023] 优选地，还包括温控器，所述温控器与所述热电偶和所述电热丝连接，所述温控器根据所述热电偶反馈的
信号控制所述电热丝通电时长。
[0024] 优选地，所述外罩的顶端内部-柱状绝缘
块，所述针状电极通过连接柱头安装于所述外罩上，所述-柱状绝缘块上设有内
螺纹通孔，所述连接柱头上设有与所述螺纹通孔配合的
外螺纹，所述-柱状绝缘块与所述连接柱头
螺纹连接。
[0025] 优选地，还包括
保护罩和固定
螺母，所述固定螺母设置于所述针状电极的另一端，所述针状电极通过所述固定螺母与高压电源线连接，所述保护罩罩设在所述针状电极的另一端上，并与所述外罩连接。
[0026] 本发明的有益效果：
[0027] 1)本发明在红外光谱原位反应池中引入了由针状电极、板状电极以及介质构成的等离子体发生单元，实现了对在一定的温度下处于等离子体环境中的催化反应的观测。
[0028] 2)本发明采用针板式介质阻挡放电产生低温等离子体，其起始电压低、适应的气体条件广泛、放电稳定，能够为表面催化反应提供稳定的等离子体环境。
[0029] 3)本发明能够检测松散结构的样品，通过收集样品表面漫反射红外光来进行催化剂表征研究，可以避免由于压片而造成的扩散的影响，适用于散射和吸附性强的样品，也适应于不易进行压片制样的样品。
[0030] 4)本发明处理前后样品检测以及反应过程均在反应池中进行，处于同一氛围下，未与外界
接触，大大减少了受污染的可能，所得结果更为准确可信。
附图说明
[0031] 图1为根据本发明
实施例的一种能提供等离子体环境的原位漫反射红外光谱反应池一较佳实施例的半剖结构示意图。
[0032] 图2为图1所示反应池的左视图；
[0033] 图3为图2所示反应池的A-A截面剖视图；
[0034] 图4为图3所示A部分的局部放大图；
[0035] 图5为根据本发明实施例的一种能提供等离子体环境的原位漫反射红外光谱反应池另一较佳实施例的半剖结构示意图。
[0036] 附图标记：
[0037] 1-外罩；2-底座、3-高压接头保护罩、4-进气口、5-出气口、6-冷却水进口、7-冷却水出口、8-连接
螺栓、9-红外光入射口、10-红外光出射口、11-ZnSe玻璃、12-板状电极
连接线、13-电热丝电源线、14-热电偶连接线、15-反应池基座、16-电热丝、17-板状电极、18-催化剂样品、19-介质、20-热电偶连接线通道、21-冷却水管、22-固定螺母、23-高压电源线、24-针状电极、25-两端带螺纹的电极连接柱头、26--柱状绝缘层、27-电热丝电源线通道、
28-绝缘管、29-热电偶、30-凹面镜A、31-凹面镜B、32-平面镜A、33-平面镜B。
具体实施方式
[0038] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0039] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0040] 下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种能提供等离子体环境的原位漫反射红外光谱反应池。
[0041] 请参阅图1至图5，根据本发明实施例的一种能提供等离子体环境的原位漫反射红外光谱反应池，包括底座2、反应池基座15、外罩1、板状电极17、介质19、针状电极24、电热丝16、冷却水管21、热电偶29、温控器和红外光入射和出射单元。
[0042] 如图3所示，底座2为底部镂空的圆盘状，中间打台阶孔用于安装反应池基座15，反应池基座15底部与台阶孔相配合，反应池基座15安装于台阶孔内。反应池基座15的顶部设有第一凹槽和电加热腔，所述电加热腔位于所述第一凹槽的周向外侧。
[0043] 外罩1罩设于所述反应池基座15上，底部与所述底座2通过连接螺栓8可拆卸固定连接，所述外罩1的内壁与所述反应池基座15之间形成通气通道，所述外罩1上设有进气口4和出气口5，所述进气口4和出气口5均与所述通气通道连通，气体从进气口4进入以实现气体维持气氛条件。反应池基座15由耐高温材料制成，能够进行样品的预处理和一定温度条件下的反应测试。
[0044] 如图4所示，板状电极17设置于所述第一凹槽内，板状电极17与板状电极连接线12连接，板状电极连接线12接地，介质19位于所述板状电极17上，所述介质19以及第一凹槽的内壁面构成样品池，催化剂样品18置于介质19上，介质19采用
石英玻璃、
氧化
铝陶瓷等材质制成。
[0045] 如图3所示，所述外罩1的顶端设有T型的柱状绝缘块26，针状电极24的一端从所述外罩1的顶部伸入至所述介质19的上方，另一端位于所述外罩1外部，具体的，所述针状电极24通过连接柱头25安装于所述外罩1上，针状电极24与连接柱头25
焊接，T型柱状绝缘块26上设有
内螺纹通孔，所述连接柱头25上设有与所述螺纹通孔配合的外螺纹，所述T型柱状绝缘块26与所述连接柱头25螺纹连接，通过旋转连接柱头25可调节针状电极24与催化剂样品
18的间距，配合
电源电压的调节，从而控制放电区域大小和放电强度。针状电极24的顶端设有固定螺母22，通过固定螺母22实现针状电极24与高压电源线23连接，绝缘保护罩3罩设在所述针状电极24的另一端上，保护罩3的底端与所述T型柱状绝缘块26连接。针状电极24、介质19和板状电极17形成等离子单元，当高压电源线23、板状电极连接线12分别接通高压电源和地线，两电极间的气体会被高压
电场电离，两级之间便会持续存在等离子体，从而与为催化反应提供等离子体环境。根据所需放电区域大小，针状电极24可以有一个或多个尖端，多个尖端可并列放置，尖端下部处于同一水平面。针状电极24和板状电极17均采用
导电性良好的金属材质制成，如
钢、
铜、铝等。
[0046] 如图4所示，电热丝16设置于所述电加热腔内，电热丝16与电热丝电源线13连接，用于间接加热催化剂样品18。冷却水管21螺旋缠绕在反应池基座15的上部，用于快速冷却装置和带走多余热量防止装置外部
过热损坏光谱仪得其他元件，底座2上设有冷却水进口6和冷却水出口7，与冷却水管21连接。冷却水有冷却水进口6进入冷却水管21后，由冷却水出口7流出。
[0047] 热电偶29位于所述反应池基座15内，与热电偶连接线14连接，用于测量待测样品的温度。温控器与所述热电偶29和所述电热丝16连接，所述温控器根据所述热电偶29反馈的信号控制所述电热丝16通电时长，改变催化剂样品18的升温速率和温度，以此来提供可控的温度条件。本实施例中的各个电源线上均设有绝缘管28，以保证装置的安全性。
[0048] 红外光入射和出射单元用于使得红外光能够入射至所述外罩1内，并从外罩1内出射，所述红外光入射至外罩1内后进入所述样品池内，经反射和部分折射后射出外罩1。
[0049] 如图3所示，根据本发明的一个实施例的红外光入射和出射单元为两个红外光窗口11，其中一个红外光窗口11作为红外光入射窗口，另一个红外光窗口11作为红外光出射窗口，两个所述红外光窗口11均设置于所述外罩1上，并位于所述样品池两侧的斜上方。
[0050] 装置工作时，电热丝13会将催化剂样品18加热到所需的温度条件，进气口4接入所需的气体维持气氛条件，等离子体发生单元源源不断的产生等离子体作用在催化剂样品18上，红外光谱仪发出的红外检验光从装置的红外光入射口9射入到催化剂样品18上，因为催化剂样品18上面的不同的官能团或化学键会吸收不同
频率的红外光，所以经过催化剂样品18漫反射之后的红外光会携带着样品表面的官能团和化学键信息，经过红外光出射口10射出后接入到光谱仪即可检测出样品在等离子条件下的官能团和化学键等物质性征。
[0051] 如图5所示，根据本发明的一个实施例的红外光入射和出射单元包括位于所述外罩1内的凹面镜A30、凹面镜B31、平面镜A32、平面镜B33和位于所述外罩1上红外光入射口9和红外光出射口10，所述凹面镜A30和所述凹面镜B31分别设置于所述外罩1的内壁上，并位于所述样品池两侧的斜上方，凹面镜A30和所述凹面镜B31均为抛物面状，所述平面镜A32和所述平面镜B33安装于所述底座2上，所述平面镜A32位于所述凹面镜A30的正下方，所述平面镜B33位于所述凹面镜B31的正下方，可以使得各个方向射入凹面镜的红外光反射到焦点处，使红外检测光集中照射在催化剂样品18上，平面镜A32和所述平面镜B33的相对于所述底座2上表面的角度可调，所述红外光入射口9和所述红外光出射口10分别与所述平面镜A32和所述平面镜B33相对应。
[0052] 装置工作时，电热丝13会将催化剂样品18加热到所需的温度条件，进气口4接入所需的气体维持气氛条件，等离子体发生单元源源不断的产生等离子体作用在样品上，红外光谱仪发出的红外检验光从装置的红外光入射口9射入，经过平面镜A-32偏折后射入凹面镜A-30后被聚光照射到催化剂样品18上，因为催化剂样品18上面的不同的官能团或化学键会吸收不同频率的红外光，所以经过样品漫反射之后的红外光会携带着样品表面的官能团和化学键信息，射入凹面镜B-31后被聚光照射到平面镜B-33，并被其改变光路后，经过红外光出射口-10射出，将其接入到光谱仪即可检测出样品在等离子条件下的官能团和化学键等物质性征。
[0053] 根据本发明实施例的一种能提供等离子体环境的原位漫反射红外光谱反应池的测试方法，包括如下步骤：
[0054] 1)拧开连接螺栓8，取下外罩1；
[0055] 2)将催化剂18样品均匀平铺在样品池上，装回外罩1；
[0056] 3)将反应池放入红外光谱分析仪，从进气口4通入惰性气体或所需
指定气氛，维持反应池内惰性气氛；
[0057] 4)检查气密性等指标；
[0058] 5)接通控温控器，设定温度，待温度达到设定值时，保持30分钟到2小时。然后将温度降至室温或设定温度。
[0060] 7)当温度降至室温或设定温度时，接入红外光，测得催化剂样品初始表面性征并用光谱记录仪记录，并将该结果作为等离子体处理前的测试背景，便于与后期直观对比；
[0061] 8)通入反应气体，测得催化剂样品18在反应气氛中的红外光谱信息；
[0062] 9)将针状电极24通高压电，针状电极24和板状电极17之间施加高压交流电时，产生放电，形成低温等离子体；
[0063] 10)测得催化剂样品18在反应气体条件下等离子体环境的测试信息，与普通气体环境的测试信息进行对比；
[0064] 等离子体中含有大量的电子、离子、自由基和亚稳态分子，其参与的表面反应路径必然与普通的气固相反应不同，因此催化剂表面生成的吸附物种也会有变化，这些变化通过上述红外光谱检测方法可以表征出来。
[0065] 11)断开高压电源、加热电源、气路、光谱仪电源；
[0066] 12)测试结束，清洗装置。
[0067] 进一步地，测试过程中可以测定不同时间范围内的吸附结构，得到反应物在催化剂表面的反应过程。
[0068] 进一步地，测试过程中可以逐步升温，以得到不同温度下的测试信息。
[0069] 在本
说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包电热丝电源线含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0070] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、
修改、替换和变型。
