ProC-1C-System zur In-situ-katalytischen/pyrolytischen Massenspektrometrie

Das ProC-1C-System zur In-situ-Katalyse und Pyrolyse-Massenspektrometrie nutzt die Technologie der optischen kombinierten weichen Ionisation und kann alle Bestandteile von licht- thermisch induzierten katalytischen, pyrolytischen und oxidativen Reaktionen (Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Ozon, Stickoxide, schwefelhaltige Verbindungen, chlorhaltige Verbindungen, Kohlenwasserstoffe, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe usw.) ionisieren, wobei nahezu keine Fragmente entstehen. Dadurch ist eine direkte Echtzeit-Online-Analyse der zu untersuchenden Substanzen ohne chromatographische Trennung möglich.

In der katalytischen Forschung ist das Verständnis der Reaktionsmechanismen von großer Bedeutung, doch die Untersuchung dieser Mechanismen ist in der Regel nicht einfach und erfordert die Kombination zahlreicher experimenteller Belege und Charakterisierungsmethoden. Bei der Untersuchung von katalytischen Reaktionen in der Gas-Feststoff-Phase werden als Katalysatorbewertungsanlagen vor allem Festbettkatalysereaktoren eingesetzt, deren Auslass an ein Gaschromatographiesystem angeschlossen ist, wodurch die Analyse der stabilen Reaktionsprodukte und damit die Bewertung der Katalysatorleistung ermöglicht wird. Die reine Untersuchung der Reaktionsprodukte reicht jedoch nicht aus, um ein umfassendes Verständnis des gesamten katalytischen Reaktionsprozesses zu erlangen, da viele wichtige Reaktionszwischenprodukte sehr instabil oder äußerst schwer nachzuweisen sind und diese Informationen bei der herkömmlichen Produktanalyse verloren gehen. Daher werden in der Katalyseforschung häufig Methoden wie Infrarot-, Ultraviolett- und Kernspinresonanzspektroskopie kombiniert, um die Veränderungen der Reaktionspartner während der katalytischen Reaktion zu untersuchen und so Aufschluss über die an der Katalysatoroberfläche ablaufenden Reaktionen zu gewinnen. Für reaktive Zwischenprodukte in der Gasphase ist die In-situ-Massenspektrometrie derzeit eine der aussagekräftigsten Nachweismethoden.

Anwendung der In-situ-katalytischen Massenspektrometrie im Bereich der Gas-Feststoff-Katalyse

In den letzten Jahren hat die Anwendung der photoionisierenden Massenspektrometrie im Bereich der Katalyse wesentlich zum Verständnis der Mechanismen einiger Schlüsselreaktionen beigetragen. Mithilfe eines Niederdruck-Katalysereaktors in Kombination mit der photoionisierenden Massenspektrometrie konnten Zwischenprodukte der Reaktion zur Herstellung von Olefinen aus Synthesegas nachgewiesen werden. Dabei wurde bestätigt, dass Aceton ein entscheidendes Zwischenprodukt bei der Synthese von Olefinen mit niedriger Kohlenstoffzahl ist: CO und H₂ werden zunächst an der Oberfläche des Metalloxids aktiviert und bilden CH₂-haltige Verbindungen, aus denen anschließend Aceton entsteht. das Aceton dringt durch Gasphasendiffusion in die Poren des SAPO-Zeoliths ein und wird an sauren Stellen in Alken mit niedriger Kohlenstoffzahl umgewandelt. Dieses Verständnis des Reaktionsmechanismus hat die Entwicklung von Katalysatoren vorangetrieben und ermöglicht eine Produktselektivität, die weit über die Grenzen der herkömmlichen Fischer-Tropsch-Synthese hinausgeht (Abb. 1).

Abb. 1. Photoionisations-Massenspektrometrie-Analyse der Reaktion zur Herstellung von Olefinen aus Synthesegas

Bei der Methan-Oxidations-Kopplungsreaktion ermöglicht die Kombination eines Niederdruckreaktors mit der Photoionisations-Massenspektrometrie die in-situ-Erfassung und Detektion reaktiver Zwischenprodukte wie Methylradikale, Peroxymethylradikale und Formaldehyd (Abb. 2), was zur Aufklärung des Reaktionsmechanismus in der Gasphase beiträgt.

Abb. 2. Photoionisations-Massenspektrometrie-Analyse der gekoppelten Methanoxidationsreaktion

Bei der Reaktion zur Herstellung von Olefinen aus Methanol ermöglicht die oben beschriebene Methode den direkten Nachweis des reaktiven Zwischenprodukts Formaldehyd und liefert Einblicke in die dynamischen Veränderungen von Formaldehyd und anderen Produkten von der Induktionsphase bis zur Inaktivierungsphase (Abb. 3).

Abb. 3. Einfang und dynamische Veränderung von Formaldehyd

Leistungsdaten

• Temperaturregelbereich: 25–1400 °C

• Druckregelbereich: 1 Torr bis 0,5 MPa

• Massenspektrometrie-Messbereich: 1–500 amu

• Empfindlichkeit: 10 ppb

• Massenspektrometrie-Auflösung: >3500@(m/z=92)

• Programm zur automatischen Datenerfassung und -analyse

Zusatzausstattung

• Pyrolysereaktor bei Atmosphärendruck (Reaktionstemperatur: Raumtemperatur bis 1200 °C; Vakuum: Atmosphärendruck; Material: Korund/Quarz)

• Nieder-/Hochdruck-Pyrolysereaktor (Betriebstemperatur: Raumtemperatur bis 1400 °C; Vakuum: 10⁻¹ Pa – 0,5 MPa; Material: Korund/Quarz)

Produktmerkmale

• Online-Überwachung von durch Licht, Wärme oder Strom induzierten katalytischen Gasphasenprodukten

• Erkennung instabiler Zwischenprodukte wie Radikale, Formaldehyd und Ketone (optional für Reaktoren)

• Schnelle Probenahme (im Sekundenbereich)

• Keine chromatographische Trennung erforderlich, keine polare Diskriminierung

• Durch Umschaltventile können mehrere Reaktionskanäle gleichzeitig überwacht werden (Ventile optional erhältlich)

• Spezialisierte Datenbank für Katalysator- und Pyrolyseprodukte

• Online-Überwachung von Produkten bei konstanter Temperatur und programmiertem Temperaturanstieg

• Kombinierbar mit Thermogravimetrie- und Infrarotspektrometern

Wichtigstes Zubehör (optional):

• Mehrkanal-Umschaltventil

• In-situ-Thermokatalysereaktor

• In-situ-Photokatalysereaktor

• Verbrennungsreaktor

• Durchflussreaktor

• JSR-Reaktor

• Gaschromatographie-, Infrarot- und Thermogravimetrie-Schnittstellen sowie Bediensoftware

Anwendungsszenarien

• Pyrolyse-/Verbrennungsreaktionen

• Licht-/thermokatalytique Reaktionen

• Niedertemperatur-Oxidationsreaktionen

• Backen/thermische Desorption

• Petrochemie/Kohleverarbeitung

• Feste Abfälle/Biomasse

• Lebensmittelverarbeitung

• Zigaretten

• Fermentation

• Umweltüberwachung

Anwendungsbeispiele

Nachweis von Zwischenprodukten der Methan-Oxidations-Kopplungsreaktion (OCM)

Ermöglicht die In-situ-Einfangung und den Nachweis reaktiver Zwischenprodukte wie Methylradikale, Peroxymethylradikale und Formaldehyd

Überwachung der Pyrolyseprodukte von Zigaretten

Es lassen sich Unterschiede in der Verteilung und Intensität der Pyrolyseprodukte bei verschiedenen Pyrolysetemperaturen beobachten (m/z = 162 entspricht Nikotin)

Überwachung der Produkte der katalytischen Pyrolyse von Polyethylen

Nach Zugabe des HZSM-5-Katalysators zu Polyethylen lässt sich eine deutliche Zunahme der Selektivität bei einigen Produkten der katalytischen Pyrolyse beobachten

Dynamische Überwachung der Produkte aus der Methanol-zu-Olefin-Herstellung (MTH)

Es lassen sich die Entstehungs- und Umwandlungsprozesse von Formaldehyd (Kohlenstoffablagerungs-Zwischenprodukt) und anderen Produkten auf verschiedenen Katalysatoren erfassen.

Überwachung der Produkte der Kohlepyrolyse

Die Bildung einer großen Menge an thermischen Kohlenwasserstoffprodukten kann online beobachtet werden

Untersuchung der MTH-Reaktion mittels Massenspektrometrie-Infrarot-Kopplung

Gleichzeitige Erfassung der Spektren von aus der Gasphase desorbierten und adsorbierten Produkten

Zusammenfassung der Anwendung

• In der wissenschaftlichen Forschung zur Gas-Feststoff-Katalyse steht der Reaktionsmechanismus seit jeher im Mittelpunkt des Interesses. Um diesen Mechanismus zu untersuchen, müssen verschiedene Charakterisierungsmethoden etabliert werden, um experimentelle Belege zu erhalten. Bei Gas-Feststoff-Katalyseprozessen entstehen zahlreiche adsorbierte und gasförmige Reaktionszwischenprodukte sowie sogar kurzlebige Radikale. Die in den letzten Jahren entwickelte in-situ-katalytische UV-Photoionisations-Massenspektrometrie ermöglicht es, mithilfe von Molekularstrahl-Probenahme und Photoionisationstechnik Informationen über Zwischenprodukte wie kurzlebige Radikale in der Gasphase zu gewinnen. Sie hat bei der Erforschung der Reaktionsmechanismen in Reaktionssystemen wie FTO, OCM und MTH eine wichtige Rolle gespielt; entsprechende Forschungsergebnisse wurden in Fachzeitschriften wie „Science“ veröffentlicht.

• ProC-1CIn-situ-katalytische/pyrolytischeMassenspektrometrie-Analysesystem liefert nicht nur innerhalb von Sekunden stabile Informationen über die Produkte der Gasphasenkatalyse, sondern ermöglicht auch die In-situ-Einfangung und Detektion reaktiver Zwischenprodukte wie Methylradikale, Peroxymethylradikale und Formaldehyd, was für die Erforschung der Reaktionsmechanismen bei Gas-Feststoff-Katalyse von großer Bedeutung ist. Dieses in-situ-katalytische UV-Photoionisations-Massenspektrometer verfügt über eine Massenauflösung von über 3500 und eine Empfindlichkeit von 10 ppb, was angemessene Parameter darstellt.

Das Unternehmen übernimmt auch Sonderanfertigungen und andere Produkte

Wir bieten außerdem einen maßgeschneiderten Service für die Fertigung von Spezialersatzteilen für Massenspektrometer an, darunter nicht standardisierte Flugzeit-Massenspektrometer sowie verschiedene katalytische und Hochdruck-Pyrolysereaktoren, Photoionisationsquellen, Ionisationskammern, JSR-Reaktoren, Molekularpumpen, MCP-Mikrokanalplatten und Datenerfassungskarten.