高壓/超臨界原位紅外光譜監測系統研製

《高壓/超臨界原位紅外光譜監測系統研製》是依託陝西師範大學，由劉昭鐵擔任項目負責人的專項基金項目。

基本介紹

• 中文名：高壓/超臨界原位紅外光譜監測系統研製
• 項目類別：專項基金項目
• 項目負責人：劉昭鐵
• 依託單位：陝西師範大學

項目摘要

超臨界CO2(scCO2)可調節的溶劑性能賦予其獨特的理論研究意義和套用潛力，然而scCO2體系複雜多變的分子間相互作用及高壓原位監測手段的不足已成為這一綠色技術進一步研究和套用的“瓶頸”。研發在真實條件下線上監測scCO2體系的原位光譜技術，對於揭示scCO2體系微觀動態過程的奧秘或作用機制、促進scCO2技術的套用具有重要的意義。本項目擬針對現有高壓原位紅外光譜系統監測過程中存在的技術缺陷(如樣品池耐壓限低、無法攪拌及可靠性差等)，基於衰減全反射原理設計新型高壓原位紅外感測器，設計研製高壓紅外池及光路傳導系統等模組，通過各功能模組間的有效集成與融合，構建高壓/超臨界原位中紅外光譜線上監測系統，實現線上監測40MPa及200C以內在充分攪拌條件下的高壓/scCO2體系物理轉變或化學反應微觀動態過程，為研究真實條件下scCO2體系中催化、聚合和材料合成的機理及動力學等開闢一條新的有效途徑。

結題摘要

超臨界二氧化碳（scCO2）已被廣泛套用於催化、萃取、納米材料合成。但是，由於分子間相互作用及相行為隨高壓scCO2體系溫度/壓力變化而演變，使得高壓scCO2體系中的原位表征技術極具挑戰性。因此，研發在真實的反應溫度/壓力和充分攪拌反應體系原位監測技術、揭示scCO2體系中微觀動態過程的本質或作用機制，已成為研究者夢寐以求的願望。 研製一套在較寬壓力/溫度範圍和攪拌條件下，線上監測真實scCO2實驗條件下相行為和化學反應微觀動態過程的高壓原位紅外光譜監測裝置，建立相應的高壓原位紅外光譜監測方法。主要研究內容包括設計與研製原位紅外樣品池和中紅外ATR感測器，集成與融合各功能模組或子系統，探究分子間相互作用，線上監測體系中的聚合、催化等化學反應過程，定量測定轉化率、研究反應動力學及反應機理等。 (1) 高壓/超臨界原位紅外光譜監測系統：設計構建了一套在 -20～200 ℃、0.1～40 MPa和充分攪拌等條件下能穩定運行的原位紅外光譜監測系統，迄今為止報導的同類或相似的儀器，其耐壓極限最高、綜合性能最好。 (2) 溶解過程及相行為監測：通過可視視窗可以原位監測不同反應物/單體在scCO2介質中溶解性能和相行為演變過程，定性描述分散質的溶解性能。 (3) 溶劑化及分子間相互作用：發現文獻未曾報導過的振動吸收光譜隨壓力的衍變，特別是分散質分子中官能團振動吸收光譜的藍移規律。提出了分子間相互作用合力及轉變壓力PT概念，闡明了TFEMA及PHFPO在scCO2中由於分子間相互作用動態誘導的溶劑化作用機制。 (4) 聚合過程跟蹤及動力學研究（定量、近紅外）：獲得了TFEMA在scCO2中的自由基聚合動力學方程和聚合活化能，從而證明了單體參與鏈引發過程，並與所提出的scCO2體系中引發劑分解的“去籠效應”相互印證。 (5) 反應進程跟蹤及中間體捕捉（水解及催化、中紅外）：跟蹤醯氟基團（F-C=O）水解進程和檸檬醛加氫反應，提出了醯氟水解機制和Fe(III)對Pt/MWCNT催化檸檬醛選擇性加氫反應機理。 該儀器的建成使得高壓/超臨界體系相關反應的描述由巨觀變為微觀/分子成為現實，極大地提升了該領域的理論研究水平和擴大了其套用範圍。