(TPR) الإختزال المبرمج بالحرارة
الإمتزاز الكيميائي
الإمتزاز (الإدمصاص) الكيميائي هو ظاهرة سطحية تحدث عندما يحدث تفاعل كيميائي بين المادة الممتزة (غاز أو بخار) والسطح المكشوف لمادة صلبة. تسفر هذه العملية عن تكوين رابطة(آصرة) قوية من خلال تبادل الإلكترونات والروابط التكافؤية، مما ينتج عنه نوع كيميائي مميز على السطح.
على عكس الامتزاز الفيزيائي، فإن الامتصاص الكيميائي يتميز بخصوصية عالية، حيث يتضمن تفكك جزيئات الغاز أو البخار الممتز إلى ذرات أو جذور أو أيونات ترتبط كيميائيًا بمواقع امتصاص محددة على السطح.
تتميز هذه التفاعلات عادةً بطاقة ربط عالية، وهي غير قابلة للعكس تحت الظروف القياسية. يلعب الامتزاز الكيميائي دورًا حيويًا في توصيف الحفازات، حيث يوفر رؤى رئيسية حول خصائص مثل درجة حرارة الاختزال التي يصبح عندها المعادن نشطة كيميائيًا، وكمية المعدن السطحي أو الأنواع النشطة المتاحة للتفاعل، وقوة المواقع النشطة المحددة، وأداء المادة بعد الخضوع لدورات الاختزال أو الأكسدة.
مقدمة:
الإختزال المبرمج لدرجة الحرارة (TPR) هو عملية توصيف المواد تستخدم عادة في دراسات الحفازات لفحص الكيمياء السطحية للمعادن وأكاسيد المعادن تحت ظروف حرارية متغيرة. يتم تشتيت أكسيد المعدن مثل النيكل (NiO) على سطح واختباره في نظام يعرف بالمفاعل ذو السرير الثابت. ثم يُجبر خليط غازي مخفض مثل الهيدروجين (H2)على التدفق عبر الحفاز تحت ظروف حرارية تزداد تدريجيًا. هذا التسخين الخطي يسمح بربط سرعة الإختزال بالحرارة. يقوم جهاز كاشف شديد الحساسية باستمرار بتحليل الفروقات الكيميائية في التركيز الجوي عند المخرج، مما ينتج صورة دقيقة لأقصى سرعة أو قمة للتخفيض للحافز. تُستخدم TPR التى تُنشأ باستخدام هذه الطريقة في التأكد من إمكان استخدام أكسید المعادن كمادة حافزة تجارية أو صناعیه.
مبدأ العمل:
تقنية TPR تُستخدم لدراسة اختزال المواد عند تسخينها في وجود غازات مختزلة مثل الهيدروجين. تشمل الخطوات:
الامتزاز: تُمتص الغازات المختزلة على سطح المادة.
التسخين: يتم تسخين العينة، مما يؤدي إلى اختزال المكونات المُمتصَّة.
القياس: يُقاس تدفق الغاز الناتج عن عملية الاختزال، مما يوفر معلومات حول درجة حرارة الاختزال ونشاط المواد.
يستخدم TPR لدراسة قابلية اختزال العينة، مثل الحفازات المدعومة بأكاسيد المعادن، والزيوليت، وحفازات الهيدروكراكر، على الرغم من أنه يمكن دراسة اختزال العديد من المركبات المختلفة. تتضمن العملية التحليلية عادةً تسخين عينة في تدفق من الغاز المختزل، وعادة ما يكون الهيدروجين متوازنًا مع غاز خامل. يتم قياس استخدام الهيدروجين الناتج عن اختزال العينة باستخدام جهاز TCD، وبالتالي يتم تحديد نطاق درجات الحرارة للاختزال. علاوة على ذلك، نظرًا لأن جهاز TCD يتم معايرته بدقة، يمكن حساب حجم الهيدروجين المستهلك.
فوائد القياس
قياس إختزال المواد عند التسخين
تقييم كفاءة الاختزال
تقييم المحفزات في تفاعلات الاختزال
منحني تدفق الغاز المختزل
تفسير النتائج:
تحديد كفاءة الاختزال: يساعد في تقييم قدرة المواد على إجراء التفاعلات الاختزالية.
تحليل سلوك المواد: يُظهر كيف تتفاعل المواد مع الغازات المختزلة تحت ظروف تسخين مختلفة.
تحديد درجات حرارة الاختزال: يُمكن تحديد درجات الحرارة التي تحدث عندها عمليات الاختزال.
الإختبارات التحليلية المبرمجة حراريًا هي تحليلات كيميائية تستخدم لدراسة الامتصاص، والأكسدة، والاختزال كدالة لدرجة الحرارة. تقليديًا، تم تطبيق هذه التقنيات التحليلية في مجالات التحفيز، حيث تكون دراسة التفاعلات السطحية مع درجة الحرارة أساسية لتطوير أنظمة عالية الكفاءة وتجديدها. كما أن التحليلات المبرمجة حراريًا مفيدة أيضًا للأنظمة الأخرى حيث تحدث التفاعلات السطحية خلال استخدامها، على سبيل المثال في دراسة ظروف إعادة تنشيط الممتزات وأنظمة الفلترة.
يمكن للباحثين تحسين تصميم المواد وتطوير تطبيقات مبتكرة في مجالات مختلفة مثل الحفز، الطاقة، والبيئة. توفر هذه التقنيات رؤى عميقة حول سلوك المواد تحت ظروف مختلفة، مما يُساعد في دفع حدود المعرفة والتكنولوجيا إلى الأمام.