Исследование механизмов каталитических реакций

Главная задача, которая решается методами ИК спектроскопии — исследование химических реакций на поверхности гетерогенных катализаторов или изучение механизмов каталитических реакций. В гомогенном катализе ИК спектроскопия для этих целей используется постоянно, если чувствительность позволяет работать в области приемлемых для катализа концентраций. Эти исследования, как правило проводятся в диапазоне температур от комнатной до 150оС. До начала измерений, как правило, известна концентрация реагентов и структура катализатора. Для гетерогенных катализаторов имеется ряд осложнений:

Во-первых, перед исследованиями катализатор необходимо тренировать, т. е. прокаливать в заданных условиях при температурах выше 300оС;

Во-вторых, концентрация реагентов на поверхности и число активных центров требует дополнительных измерений;

В-третьих, диапазон температур каталитических реакций достаточно широк от 173 до 873 К.

Первое и третье осложнение преодолевается за счет использования специальных кювет. Но, тем не менее, в литературе и на практике часто допускаются элементарные ошибки, следствием которых является недостаточная достоверность предлагаемых механизмов протекания каталитических реакций.

4.1 Общая методология исследования механизмов с помощью ИК спектроскопии Общая методология изучения механизма каталитической реакции состоит в обязательном следовании следующей последовательности работ:

• 1. Охарактеризование поверхности, состоящее в измерении природы, силы и концентрации адсорбционных центров. Оно особенно важно при исследовании реакций с веществами, которые не имеют характерных ИК спектров, например молекул парафинов;
• 2. Проведение адсорбции молекул реагентов и ожидаемых продуктов реакции при температурах ниже, чем температура реакции, что необходимо для определения структуры поверхностных комплексов. При этом, необходимо контролировать количество адсорбированных молекул реагентов, чтобы доля физической адсорбции была минимальной, а количество продуктов вторичных превращения продуктов реакции была минимальна.
• 3. Проведение кинетических измерений статическим и проточными методами. В проточных исследованиях существует вероятность накопления на поверхности продуктов вторичных реакций, в том числе дезактивирующих катализатор из-за постоянной подачи реагента. В статических экспериментах трудно подойти к температуре каталитического эксперимента из-за больших времен контакта. Последняя проблема есть следствие ограниченности скорости регистрации спектров. Если время контакта в обычном каталитическом процессе лежит в диапазоне 0,1−10 секунд, то спектрометр должен обладать способностью к регистрации не менее 100 спектров в секунду, чтобы на кинетической кривой получить не менее 10 точек.
• 4. Корректное сопоставление кинетических данных полученных в ИК эксперименте и каталитических данных. Для данного сопоставления необходимо, как минимум знать число активных центров и стабильность катализаторов, так как накопление продуктов побочных реакций часто происходит в первые минуты контакта катализатора и реагентов.
• 4.2 Исследование строения поверхностных комплексов

Изучение природы и строения поверхностных комплексов начинается с интерпретации наблюдаемых полос поглощения. На первом этапе, пользуясь корреляционными таблицами, аналогичными представленной Табл. 1, можно установить природу полос поглощения обнаруженных в спектрах. Далее, путем вариации концентрации адсорбированных молекул реагентов, при температурах, исключающих химические превращения устанавливаются группы полос, интенсивность которых, при изменении поверхностных концентраций, изменяется пропорционально определяют функциональные группы, относящиеся к тому, или иному поверхностному комплексу.

Для наиболее часто встречающихся случаев этого бывает достаточно, если удается установить, что спектры соответствуют числу тех или иных адсорбционных центров. (Это возможно только если на первом этапе работы были охарактеризованы кислотные центры). При этом, смещения полос поглощения позволяют выявить изменение прочности связей внутри функциональных групп, и тем самым, получить информацию о влиянии свойств центров на электронную структуру молекул реагентов. Например, смещение полос С=О и С=С в область низких частот свидетельствует об ослаблении этих связей.

Таблица 1. Характеристические частоты для различных функциональных групп.

Однако, на основании анализа спектров можно получать гораздо более детальную структурную информацию, так как обнаружение функциональных групп не всегда позволяет выявить многоточечное взаимодействие молекулы с поверхностью. Этот анализ обязательно должен сопровождаться квантовохимическими расчетами спектров. Пример эффективности такого подхода демонстрируется рисунками 9 и 10. На рис. 9 приведены спектры аммиака, адсорбированного на поверхности цеолита типа HY. При комнатной температуре в области 1450 см-1, наблюдается одна широкая полоса поглощения. После охлаждения образца до температуры жидкого азота эта полоса расщепляется на 3 компоненты. Поскольку, независимо от условий адсорбции аммиака (адсорбцию проводили при температурах от 100 до 350оС), соотношение интенсивностей показанных полос не изменялись, был сделан вывод, что все три компоненты относятся к одному комплексу, а не обусловлены неоднородностью кислотных центров. Анализ числа компонент позволил сделать вывод, что у иона аммония имеются неоднородные по прочности связи N-H фрагменты, поскольку для симметричного NH4+ иона в этой спектральной области должна наблюдаться только одна полоса (в соответствии с теорией групп) поглощения. Abinitio расчеты колебательных спектров для структур показанных на рис. 10, показали, что появление в указанной области трех полос поглощения могут соответствовать или двух-центровому или трех-центровому взаимодействию иона аммония с атомами кислорода на поверхности. Однако, образование 1 центрового комплекса и 3-х центрового комплексов, согласно квантовохимическим расчетам было энергетически невозможным. Поэтому, был сделан вывод о том, что ионы аммония связаны с кислотным остатком на поверхности цеолитов посредством двух водородных связей.

Рис. 9. ИК спектры ионов аммония на поверхности цеолита HY снятые при комнатной температуре и температуре жидкого азота

Рис. 10. Возможные структуры аммонийных комплексов на поверхности цеолитов

Привлечение квантовохимических расчетов для интерпретации ИК спектров адсорбированных молекул и установления структуры поверхностных комплексов является очень эффективной и рекомендуемой для практического использования метода процедурой. Однако, существующие методы расчета ИК спектров, основанные на гармоническом приближении, часто дают вычисленные частоты отличающиеся от экспериментальных частот на сотни см-1, существенно снижает доверие спектроскопистов к квантовохимическим расчетам. Эту проблему решает применение метода «Скалирующей матрицы», суть которого иллюстрируется данными приведенными в табл. 2 и 3.

Таблица 2. Определение скалирующих коэффициентов (множителей) для СН валентных колебаний метанола Таблица 3. Вычисление ожидаемых частот для мостиковой группы ОСН3.

В начале, на основании сопоставления частот полос поглощения в экспериментальном спектре вещества (в данном случае газового метанола) с рассчитанным спектром этого же вещества определяются скалирующие коэффициенты. То есть отношения экспериментальных частот к вычисленным. Далее, в рамках того же квантовохимического метода, вычисляются спектры поверхностного соединения которое предполагается на поверхности катализатора. В нашем случае рассчитывался спектр мостикового алкоксида, образование которого можно было предположить в ходе реакции превращения метанола в олефины на цеолите (рис. 11).

Рис. 11. Структура метильного катиона на мостиковой ОН группе цеолита

Из расчетов следовало, что показанный алкоксид следует идентифицировать по полосе поглощения в области 3060 см-1. На основании исследований. проведенных в проточных условиях было обнаружено, что этот комплекс может быть обнаружен только в очень узком температурном интервале 110−120оС. При более низких температурах метанол адсорбируется на поверхности в виде водородносвязанных комплексов с кислотными ОН группами цеолита, а при более высоких температурах в виде водородносвязанного с ОН группами диметилового эфира.

Для проведения расчетов спектров можно пользоваться широко известными программными пакетами Гауссиан-80 или HYPERCHEM.