FTIR Talk Letter Vol. 44

Význam tématu

Far-IR FTIR spektroskopie umožňuje přímou detekci slabých interakcí mezi ionty a mřížkou zeolitů v oblasti pod 400 cm−1 bez potřeby synchrotronového zdroje nebo drahých bolometrických detektorů. Infrared mikroskopy s T2SL a TEC MCT detektory nabízejí vyšší citlivost a linearitu pro analýzu mikroskopických oblastí. Znalost posunu pásů C=O ve střední IR je klíčová pro přesnou identifikaci karbonylových funkcí v organických sloučeninách.

Cíle a přehled studie / článku

• Uplatnit komerčně dostupný FTIR systém pro měření vibrací alkáli v zeolitech v oblasti far-IR.
• Porovnat spektroskopii pomocí tradičních detektorů a nových super mřížkových (T2SL) a termopeltierově chlazených MCT detektorů.
• Vysvětlit posuny pásů C=O na základě okolních struktur (induktivní a mesomerické efekty, vliv hmotnosti a úhlu).

Použitá metodika a instrumentace

• FTIR systém s mylarovým beam splitterem a PE-TGS detektorem; buňka s PE okny pro -100 až 400 °C měření.
• Monokrystalické a práškové zeolity typu FAU, CHA, MFI, BEA, MOR s různými kationty (Li+, Na+, …, Cs+).
• AIRsight/AIMsight infračervený mikroskop s T2SL detektorem (chladícím se dusíkem) a volitelným TEC MCT detektorem, respektive DLATGS detektorem.
• Kalibrace přenosu pomocí tenkých filmů PET (6–42 μm) pro ověření linearity detektorů.
• Střední IR analýza organických látek pro posun C=O pásem.

Hlavní výsledky a diskuse

• Detekce vibračních módů kationtů v zeolitu: frekvenční závislost ~1/√m potvrdila cizí iont jako bodový náboj v elektrostatickém poli mřížky.
• Struktura pórů (FAU vs. CHA vs. kanály MFI/BEA/MOR) ovlivňuje energii vibrací kationtů.
• In situ studium NH4+ a pyridiniových kationtů poukázalo na adsorpci/desorpci při teplotách 70–250 °C.
• Protonová mobilita a delokalizace nábojů ve vnitřní struktuře zeolitů vysvětlují jejich vynikající katalytické vlastnosti oproti pevným oxidům.
• T2SL detektor umožnil lineární odezvu až do absorbancí ~2,5, kde MCT docházelo k saturaci nad Abs~1,5.
• TEC MCT detektor nabízí citlivost S/N≈2 000:1 pro oblasti 25×25 μm bez kapalného dusíku; DLATGS pro větší čtverce 100×100 μm až do 400 cm−1.
• Posuny pásů C=O (1 650–1 795 cm−1) analyzovány z hlediska induktivních a mesomerických efektů, vlivu sousedních skupin a úhlu sp2 hybridizace.

Přínosy a praktické využití metody

• Far-IR FTIR bez synchrotronu nebo tekutého helia jako dostupný nástroj pro charakterizaci kationtů a molekulárních iontů v zeolitech.
• Vysoce citlivé detekční systémy pro IR mikroskopy umožňují analýzu mikroskopických defektů a tenkých vrstev polymerů.
• Detailní porozumění lokalizaci a síle vazeb C=O významné pro vývoj materiálů, kontroly kvality a katalýzy.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšířené využití far-IR spektroskopie pro in situ studie katalýzy, adsorpce a iontové výměny v reálných provozních podmínkách.
• Další optimalizace super mřížkových detektorů pro nižší teploty, rychlejší skenovací rychlosti a širší spektrální oblast.
• Integrace pokročilé analýzy posunů C=O pomocí kombinace teoretických výpočtových metod a 2D-FTIR technik.

Závěr

Studie prokázaly praktickou aplikovatelnost far-IR FTIR spektroskopie pro pozorování kationtů v zeolitech a význam celé spektrální oblasti pro detailní pochopení interakcí na povrchu pevných katalyzátorů. Nové detektory T2SL a TEC MCT rozšiřují možnosti analýzy mikroměřítka v IR mikroskopech. Systematické zkoumání posunů pásů C=O umožňuje přesnější charakterizaci organických materiálů.

Reference

• N. Nomura a kol., DEI Section, Institute of Science Tokyo; Junko Nomura, “Far-Infrared Fourier Transform Infrared Spectroscopy ...”
• Shinya Wakuda, “Infrared Microscope Detectors,” Shimadzu Spectroscopy Business Unit.
• Yoshiyuki Tange, “Notes on Infrared Spectral Analysis—Carbonyls (Part 1).”