一种带有温度调节功能的X射线掠入射原位表征装置的制作方法

一种带有温度调节功能的x射线掠入射原位表征装置
技术领域
1.本实用新型涉及材料合成
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性能一体化原位表征技术领域，具体涉及一种带有温度调节功能的x射线掠入射原位表征装置。


背景技术：

2.在带有高温的多相催化反应体系中，如大型工业催化中，催化剂的原位表征具有十分重要的意义。尽管使用原位和操作研究对催化剂进行了许多研究，包括使用组合技术的研究，但是由于大多数技术表征了大部分催化剂，因此在文献中关于反应条件下催化剂的表面组成的知识非常有限。然而，表面组成的变化与解释发生在催化剂表面的催化事件最相关。更加重要的是要注意，材料的平均体积结构并不代表表面组成，正如karim等人最近的一项研究所证明的那样。关于铁的尺寸依赖的氧化还原行为，表明在氧化过程中铁以层状生长，形成fe(0)/feo/fe3o4/fe2o3核
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壳结构。通常不考虑催化剂在反应条件下的动态表面变化(例如，表面偏析过程)。假设主要是基于平均本体结构进行的，该结构导致对活性相，活性位点，促进剂的作用或失活机理的误导性结论，从而阻碍了催化剂的进一步优化和开发。例如，尽管对高温水煤气变换(htwgs)铁基催化剂进行了深入研究，但活性位点的性质和htwgs反应机理(氧化还原与缔合反应)仍在不断争论中。尚未解决的问题和矛盾的结果涉及氧化铬与氧化铁的相互作用(围绕氧化铁相，磁铁矿形成富cr的壳，以及cr
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与磁铁矿的强相互作用)作为稳定氧化铁抵抗烧结的一种方法。
3.目前，针对多相催化体系中催化剂的表面结构研究，更多的是采用非原位的表征手段进行测试，但这种非原位表面测试对于催化剂这一亚稳态/非平衡态的结构研究而言，不仅无法有效的表征出中间的真实反应环境，更为严重的是还容易得出不真实的实验数据从而误导研究人员的研究思路。为了研究催化剂真正的活性位点的结构变化，目前通常的做法就是利用原位红外光谱技术，因为原位红外光谱技术是研究表面吸附物质的一项关键技术，对揭示反应中间体尤为重要。然而，它没有提供关于催化剂表面的氧化还原性质的特性。控制催化剂的催化活性，选择性和稳定性，特别是对于氧化还原反应而言，最重要的因素之一是表面的氧化还原性质(氧化态以及反应过程中氧化态之间的相互作用)。如公开号为cn207730645u的专利公开一种可控温电化学原位拉曼红外联用光谱池，但红外光谱受限于本身的分子结构震动特性，只能够实现催化剂表面小分子的结构变化研究，而对催化剂本身的活性位点研究，特别是电子学研究无法实现有效突破。
4.相比于目前现有的原位红外光谱技术，掠入射的x射线光谱技术，如散射、衍射和吸收等光谱技术，因为不仅能够获取催化剂表面的结构变化，同时还能够提供催化剂的电子结构等变化信息而变得更加有意义。因此，如何设计一款具备掠入射x射线光谱技术的原位表征装置将对多相催化体系中催化剂真正的活性位点研究以及催化活性的根本来源提供巨大的帮助。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种原位高温电学掠入射x射线光谱装置。
6.本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题：
7.本实用新型提供一种带有温度调节功能的x射线掠入射原位表征装置，包括x射线窗口、样品台、加热件、连接架和装置腔体，所述x射线窗口呈圆柱状，所述装置腔体的一端设有第一开口，所述x射线窗口盖合在装置腔体的第一开口端；
8.所述连接架的一端位于装置腔体内、与装置腔体的一端连接，所述连接架的另一端位于x射线窗口内，所述样品台位于连接架的另一端，所述加热件位于样品台下方。
9.工作原理：将粉末样品放置在样品台上，然后将x射线窗口盖合在装置腔体的第一开口端，然后装在x射线衍射仪上即可。
10.有益效果：本实用新型中的带有温度调节功能的x射线掠入射原位表征装置通过圆柱状的x射线窗口，得益于柱面的几何形状，x射线入射角度完全能够与柱面的曲面呈垂直状态，x射线穿透窗口的有效距离最小，从而保证x射线的低角度、高角度等全方面角度的实现，完成掠入射等复杂条件下xrd数据采集工作，同时，圆柱状结构本身的空间容纳度大，对于内部样品台也可实现各种形状的兼容，可以帮助样品在高温下反应，而窗口仍然保持一定稳定温度的条件，保证了高温条件下多相催化反应体系的正常进行。为研究人员研究不同反应过程中的催化剂活性位点提供了巨大的帮助。
11.连接架主要用于样品台的支撑作用和温度冷却作用，样品台通过连接架与装置腔体连接，为加热的样品台提供一个温度过渡区间。
12.本实用新型中的装置不仅能够实现不同温度条件下多相催化体系的催化反应测试，还能够通过掠入射的x射线光谱方法学，诸如x射线散射、衍射以及吸收等多种光谱学方法来实现对催化剂表面结构的几何和电子学结构探测，最终了解催化剂在整个反应过程中的活性位点变化和活性来源，从更深层次揭示其催化反应机理。
13.优选地，所述装置腔体的一端设有第二开口，所述第二开口与第一开口相对设置，所述第二开口上设有面板。
14.优选地，所述面板与装置腔体可拆卸连接，所述连接架的一端与面板侧壁连接。
15.优选地，所述面板上设有与装置腔体连通的气体连接端。
16.有益效果：气体连接端连接外部的真空泵体和各类气瓶装置，用于装置腔体内部所需真空或其他各种气氛处理。
17.优选地，所述装置腔体的外侧壁设有水冷壳体，所述水冷壳体上设有水冷连接端。
18.有益效果：保证装置在高温使用条件下，装置腔体的安全操作温度，水冷连接端用于水冷壳体和水源的连接功能。
19.优选地，所述面板侧壁设有电学连接端，所述样品台下方设有温度传感器，所述温度传感器和加热件均通过线路与电学连接端连接。
20.有益效果：电学连接端用于加热件和温度传感器的连接功能，用于提供电源和准确控制温度。
21.优选地，所述带有温度调节功能的x射线掠入射原位表征装置还包括支撑单元，所述支撑单元包括支撑杆和底座，所述支撑杆的一端底座连接，所述支撑杆的另一端与装置
腔体外侧壁连接。
22.有益效果：支撑单元针对不同衍射仪的样品台架不同而匹配设计，以用于匹配样品台的零点位置控制。
23.优选地，所述x射线窗口通过窗口盖板安装在装置腔体上。
24.优选地，所述x射线窗口的一端外侧壁设有环形连接板，所述窗口盖板的中心开设通孔，所述窗口盖板上设置与环形连接板匹配的凹槽，所述x射线窗口穿过通孔，所述窗口盖板与装置腔体可拆卸连接。
25.优选地，所述装置腔体呈圆柱状，所述x射线窗口与装置腔体同轴设置。
26.本实用新型的工作原理：将粉末样品放置在样品台上，然后将x射线窗口盖合在装置腔体的第一开口端，然后装在x射线衍射仪上即可。
27.本实用新型的优点在于：本实用新型中的带有温度调节功能的x射线掠入射原位表征装置通过圆柱状的x射线窗口，得益于柱面的几何形状，x射线入射角度完全能够与柱面的曲面呈垂直状态，x射线穿透窗口的有效距离最小，从而保证x射线的低角度、高角度等全方面角度的实现，完成掠入射等复杂条件下xrd数据采集工作，同时，圆柱状结构本身的空间容纳度大，对于内部样品台也可实现各种形状的兼容，可以帮助样品在高温下反应，而窗口仍然保持一定稳定温度的条件，保证了高温条件下多相催化反应体系的正常进行。
28.连接架主要用于样品台的支撑作用和温度冷却作用，样品台通过连接架与装置腔体连接，为加热的样品台提供一个温度过渡区间。
附图说明
29.图1为本实用新型实施例中带有温度调节功能的x射线掠入射原位表征装置的结构示意图；
30.图2为本实用新型实施例中带有温度调节功能的x射线掠入射原位表征装置的侧视图；
31.图3为图2中a方向的截面结构示意图；
32.图中：x射线窗口111；环形连接板112；窗口盖板113；样品台114；加热炉115；温度传感器116；连接架117；装置腔体118；面板119；水冷连接端120；气体连接端121；电学连接端122；支撑杆123；底座124。
具体实施方式
33.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
34.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
35.需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一
个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
36.一种带有温度调节功能的x射线掠入射原位表征装置，如图1和图3所示，包括x射线窗口111、样品台114、加热件、连接架117、窗口盖板113和装置腔体118。
37.如图1所示，为保证x射线的低角度、高角度等全方面角度的实现，完成掠入射等复杂条件下xrd数据采集工作，本实施例中x射线窗口111呈圆柱状。x射线窗口111的材质为x射线穿透性高的材料，具体如高分子材料、金属铍等材质，保证x射线的穿透性，同时保证窗口结构的稳定性。窗口厚度的选择是保证x射线的穿透，通常为0.05
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1mm之间或小于0.05mm，以保证x射线能量在8kev位置下穿透能力还能达到50％以上。其中x射线窗口111的材质为现有技术。
38.装置腔体118呈圆柱状，外形可以设计的更为精巧，最小直径尺寸可以设置为20mm，容易满足各类商用x射线衍射仪的样品台114尺寸；设计结构紧凑，高温热量保持良好。本实施例中x射线窗口111与装置腔体118同轴设置。
39.如图1和图3所示，装置腔体118内部中空，装置腔体118的材料选择为金属材质，如轻质铝合金材质等，但不仅限于金属材质。装置腔体118的一端开设第一开口，第一开口上安装窗口盖板113，x射线窗口111通过窗口盖板113盖合在装置腔体118的第一开口上。x射线窗口111的一端外侧壁固定安装环形连接板112，窗口盖板113的中心开设通孔，窗口盖板113上设置与环形连接板112匹配的凹槽，x射线窗口111穿过通孔，窗口盖板113通过螺钉安装在装置腔体118上，其中螺钉可以为m3螺钉。
40.装置腔体118的另一端开设第二开口，面板119通过螺钉安装在第二开口上。连接架117的一端位于装置腔体118内，连接架117的一端与安装在第二开口上的面板119中心连接，其连接方式可以为焊接、粘接或螺纹连接，具体连接方式根据实际需要设置。连接架117的另一端位于x射线窗口111内。面板119的材质选择金属材质，如轻质铝合金材质，面板119用于集成整个装置内部的样品台114支撑功能、气体进出功能、电源控制功能。
41.连接架117的材质选择陶瓷材质，连接架117呈杆状，本实施例中连接架117的直径为3mm，但具体尺寸根据实际需要设置。样品台114固定安装在连接架117的一端，样品台114位于x射线窗口111内，样品台114与连接架117的安装方式为现有技术。
42.样品台114正下方安装加热件，用以对样品台114内的样品进行加热，样品台114用于放置待测样品，待测面积为φ10mm的圆形仓，材质选择对温度较为敏感、对x射线结晶不敏感的金属材质或陶瓷材质。加热件为加热炉115，样品台114下方还安装温度传感器116，加热炉115和温度传感器116的安装方式为现有技术。加热炉115和温度传感器116则用于对样品台114的温度调节和控制功能，加热炉115采用加热电阻丝的方式进行电加热，温度传感器116则可以选择普通热电偶和pt100温度传感器116。
43.装置腔体118的外侧壁设置水冷壳体(图未示)，水冷壳体上安装水冷连接端120。保证装置在高温使用条件下，装置腔体118的安全操作温度，水冷连接端120用于水冷壳体
和水源的连接功能。
44.面板119上固定安装与装置腔体118连通的气体连接端121，本实施例中气体连接端121的个数为两个，气体连接端121连接外部的真空泵体和各类气瓶装置，用于装置腔体118内部所需真空或其他各种气氛处理。
45.面板119侧壁安装电学连接端122，温度传感器116和加热炉115均通过电学线路(图未示)与电学连接端122连接，用于提供电源和准确控制温度。
46.为匹配不同的衍射仪样品台114架，以用于匹配样品台114的零点位置控制，带有温度调节功能的x射线掠入射原位表征装置还包括支撑单元，支撑单元包括支撑杆123和底座124，支撑杆123的一端底座124固定连接，支撑杆123的另一端与装置腔体118外侧壁固定连接。
47.本实施例的工作原理：将粉末样品放置在样品台114上，将x射线窗口111安装到装置腔体118上，然后装在x射线衍射仪上即可。
48.本实施例有益效果：该装置通过圆柱状x射线窗口111结构设计，不仅解决了x射线低角度入射的难点，同时也保证了内部结构的空间利用率，使得这类结构可以加入诸如温度之类的条件。此外，该原位装置不仅能够实现不同温度条件下多相催化体系的催化反应测试，其中温度调节范围为室温到500℃。同时，还能够通过掠入射的x射线光谱方法学，诸如x射线散射、衍射以及吸收等多种光谱学方法来实现对催化剂表面结构的几何和电子学结构探测，最终了解催化剂在整个反应过程中的活性位点变化和活性来源，从更深层次揭示其催化反应机理。
49.本实用新型中的装置不仅能够实现不同温度条件下多相催化体系的催化反应测试，还能够通过掠入射的x射线光谱方法学，诸如x射线散射、衍射以及吸收等多种光谱学方法来实现对催化剂表面结构的几何和电子学结构探测，最终了解催化剂在整个反应过程中的活性位点变化和活性来源，从更深层次揭示其催化反应机理。
50.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。