Công nghệ quang phổ hấp thụ tại chỗ cung cấp bằng chứng trực tiếp về đường phản ứng, vị trí hoạt động và cơ chế động học bằng cách theo dõi thời gian thực các thay đổi đặc điểm quang phổ của chất phản ứng, chất trung gian và sản phẩm trong quá trình xúc tác phản ứng, trở thành một trong những công cụ cốt lõi của nghiên cứu cơ lý xúc tác.
1. Theo dõi phản ứng trung gian trong thời gian thực, tiết lộ đường phản ứng
Các phản ứng xúc tác thường liên quan đến việc tạo ra và chuyển đổi các chất trung gian nhiều bước, và các phân tích ngoại tuyến truyền thống gặp khó khăn trong việc nắm bắt các loài thoáng qua này. Phổ hấp thụ tại chỗ (như tia cực tím nhìn thấy được (UV-Vis), hồng ngoại (IR) hoặc phổ Raman) có thể phát hiện tại chỗ sự hấp thụ ánh sáng hoặc thay đổi tín hiệu rung của hệ thống phản ứng, xác định trực tiếp sự hiện diện của chất trung gian. Ví dụ, trong phản ứng giảm CO ₂ quang xúc tác, phổ UV-Vis tại chỗ có thể theo dõi các đỉnh hấp thụ đặc trưng của các chất trung gian quan trọng như COOH⁻và CO, kết hợp với tính toán lý thuyết hàm mật độ (DFT) để xác định rõ con đường chuyển đổi từng bước của phản ứng từ CO ₂ sang CO, tránh phân hủy chất trung gian hoặc tính toán sai do lấy mẫu ngoại tuyến.
2. Định vị vị trí hoạt động, tối ưu hóa thiết kế chất xúc tác
Công nghệ quang phổ tại chỗ có thể kết hợp với khả năng phân giải không gian, chẳng hạn như quang phổ hiển vi, để xác định vị trí hoạt động ở các khu vực khác nhau trên bề mặt chất xúc tác. Ví dụ, trong các chất xúc tác hạt nano kim loại, quang phổ Raman tăng cường bề mặt tại chỗ (SERS) cho thấy sự khác biệt về cường độ hấp phụ và chọn lọc sản phẩm của các chất phản ứng trên các bề mặt tinh thể cụ thể như Au {111}, dẫn đến điều chỉnh hình dạng chất xúc tác (chẳng hạn như tổng hợp các hạt nano của các bề mặt tinh thể tiếp xúc cụ thể) để tăng hoạt động. Ngoài ra, quang phổ hấp thụ tia X tại chỗ (XAS) phân tích sự thay đổi trạng thái hóa trị của kim loại, tiết lộ sự tiến hóa động của các vị trí hoạt động trong chu trình oxy hóa khử.
3. Định lượng động lực phản ứng, hướng dẫn tối ưu hóa quá trình
Bằng cách liên tục theo dõi sự thay đổi của tín hiệu phổ theo thời gian, các thông số động học như hằng số tốc độ phản ứng, tần số chuyển đổi và các thông số khác có thể thu được từ phổ hấp thụ tại chỗ. Ví dụ, trong một phản ứng xúc tác enzyme, quang phổ UV-Vis tại chỗ theo dõi mức tiêu thụ chất nền so với đường cong tạo sản phẩm, liên kết với phương trình Merriam để phù hợp với hằng số liên kết cơ chất enzyme (Km) với tốc độ phản ứng tối đa (Vmax), cung cấp cơ sở cho việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng như pH, nhiệt độ.
4. Kết hợp đa công nghệ, phá vỡ giới hạn của một phương pháp duy nhất
Phổ hấp thụ tại chỗ thường được kết hợp với phổ khối, sắc ký hoặc kỹ thuật điện hóa để thực hiện phân tích liên kết đa chiều "quang phổ - thành phần - hiệu suất". Ví dụ, trong quá trình giảm CO ₂ xúc tác điện, phổ hồng ngoại tại chỗ được kết hợp với sắc ký khí trực tuyến, cho phép giám sát đồng bộ việc tạo ra các chất trung gian phản ứng như * COOH ₂ với các sản phẩm khí như CO, H₂ để xây dựng một mô hình mạng phản ứng hoàn chỉnh.
Kết luận: Với thời gian thực, không phá hủy và độ nhạy cao, quang phổ hấp thụ tại chỗ trở thành "mắt" của nghiên cứu cơ chế xúc tác, thúc đẩy sự phát triển của thiết kế hợp lý chất xúc tác và điều chỉnh chính xác quá trình phản ứng, cung cấp hỗ trợ quan trọng cho những đột phá trong hóa học xanh và công nghệ chuyển đổi năng lượng.