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西安科技大学研究生考试试卷学号______________研究生姓名______________班级______________考试科目______________考试日期______________课程学时______________开（闭）卷______________题号分数阅卷人12345678910总分注意事项1、考生必须遵守考场纪律2、答题必须写清楚题号3、字迹要清楚，保持卷面整洁4、试题随试卷一起交回（试题写在黑板上时，答题时应抄写题目）现代分析测试技术在煤热解催化剂制备中的应用摘要：现代分析测试技术在化工生产的研究中占据着重要的地位，本文主要讨论X射线荧光分析（XRF）、X射线衍射分析（XRD）、扫描电子显微镜(SEM)在制备煤热解催化剂中的应用。关键词：XRF、XRD、SEM、煤热解催化剂、应用Abstract:themodernanalysisdeterminationtechniqueinthestudyofchemicalproductionoccupiestheimportantposition,thisarticlefocusesontheapplicationofX-rayfluorescenceanalysis(XRF),X-raydiffractionanalysis(XRD)andscanningelectronmicroscope(SEM)inthepreparationofthecoalpyrolysiscatalyst.Keywords:XRF,XRD,SEM,thecoalpyrolysiscatalyst,application1、引言现代分析测试技术是化学、物理等多种学科交叉发展、前沿性应用以及合而为一的综合性科学研究手段，主要研究物质组成、状态和结构，也是其它学科获取相关化学信息的科学研究手段与途径，因此想要获得准确有效的实验数据就必须能够正确的运用各种分析测试手段，对化工类学生更是如此。本次论文主要对煤热解催化剂制备过程中用到的分析测试技术手段进行论述。在煤热解催化剂制备中用到的分析测试手段主要有X射线荧光分析、X射线衍射分析、扫描电子显微镜等。2、组成及工作原理2.1X射线荧光分析的组成及工作原理X射线荧光分析仪主要由激发、色散（波长和能量色散）、探测、记录和测量以及数据处理等部分组成。由X射线管发射出来的原级X射线经过滤光片投射到样品上,样品随即产生荧光X射线,并和原级X射线在样品上的散射线一起,通过光阑、吸收器(可对任何波长的X射线按整数比限制进入初级准直器的X射线量）和初级准直器（索勒狭缝），然后以平行光束投射到分析晶体上。入射的荧光X射线在分析晶体上按布喇格定律衍射，衍射线和晶体的散射线一起，通过次级准直器（索勒狭缝）进入探测器，在探测器中进行光电转换，所产生的电脉冲经过放大器和脉冲幅度分析器后，即可供测量和进行数据处理用。对于不同波长的标识X射线，通过测角器以1:2的速度转动分析晶体和探测器，即可在不同的布喇格角位置上测得不同波长的X射线而作元素的定性分析。X射线荧光分析法用于物质成分分析,具有若干独特的优点。首先，与原级X射线发射光谱法比,不存在连续X射线光谱，以散射线为主构成的本底强度小,谱峰与本底的对比度和分析灵敏度显著提高，操作简便，适合于多种类型的固态和液态物质的测定，并易于实现分析过程的自动化。样品在激发过程中不受破坏，强度测量的再现性好，以及便于进行无损分析等。其次，与原子发射光谱法相比,除轻元素外，特征（标识）X射线光谱基本上不受化学键的影响，定量分析中的基体吸收和增强效应较易校正或克服，谱线简单，互相干扰比较少，且易校正或排除。X射线荧光分析法可用于冶金、地质、化工、机械、石油、建材等工业部门，以及物理、化学、生物、地学、环境科学、考古学等。还可用于测定涂层和金属薄膜的厚度和组成以及动态分析等。2.2X射线衍射仪的组成及原理X射线衍射主要由X射线源、样品及样品位置取向的调整机构系统、X射线衍射信号检测系统和衍射图像处理系统组成。当X射线沿某方向入射某一晶体的时候，晶体中每个原子的核外电子产生的相干波彼此发生干涉。当每两个相邻波源在某一方向的光程差等于波长λ的整数倍时，它们的波峰与波峰将互相叠加而得到最大限度的加强，这种波的加强叫做衍射，相应的方向叫做衍射方向，在衍射方向前进的波叫做衍射波。光程差为0的衍射叫零级衍射，光程差为λ的衍射叫一级衍射，光程差为nλ的衍射叫n级衍射。n不同，衍射方向的也不同。由于常用的X射线波长约在2.5A～0.5A之间，与晶体中的原子间距(1A)数量级相同，因此可以用晶体作为X射线的衍射光栅，这就使得用X射线衍射进行晶体结构分析成为可能。X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点，所以X射线衍射技术在冶金、石油、岩石矿物、科研、航空航天、材料生产等领域被广泛应用。2.3扫描电子显微镜的组成及原理扫描电镜的基本结构可分为六大部分，电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、真空系统和电源及控制系统。扫描电镜利用细聚电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产生各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大且连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效工具。扫描电镜所需的加速电压比透射电镜要低得多，一般约在1-30kV，实验时可根据被分析样品的性质适当地选择，最常用的加速电压约在20kV左右。扫描电镜的图像放大倍数在一定范围内(几十倍到几十万倍)可以实现连续调整。放大倍数等于荧光屏上显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。扫描电镜的电子光学系统与透射电镜有所不同，其作用仅仅是为了提供扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。扫描电镜最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。3、煤热解催化剂制备中测试方法的应用煤的热解是将煤在惰性气氛下加热，制取半焦、煤气、焦油等产品。与气化或液化过程相比，煤热解具有工艺过程简单，加工条件温和，投资少，生产成本低等优势。鉴于煤热解的各种优势，其对于催化剂的要求也越来越高，本文就上述三种测试技术在煤热解催化剂制备中的应用进行介绍。3.1X射线荧光分析在煤热解催化剂制备中的应用制备煤热解催化剂要制备用于作为催化剂载体的焦炭，将煤样粉碎和筛选为直径为0.4-1.0mm。将煤样放在空气干燥器里在110°C下干燥2h。将准备好的煤放入固定床反应器中置于氮气环境下在800°C下热解3h，用于制备作为催化剂载体的焦炭。用X射线荧光分析煤和焦炭的灰分组成进行定量分析和定性分析。在定量分析中，经过定标器的信号脉冲（分析线强度），可以直接输入电子计算机，进行联机处理而读取分析元素的含量,也可从定标器上读取分析线的强度,然后进行脱机处理。在定性分析中，经过脉冲幅度分析器的信号，可以直接输入计数率计，通过记录器笔录下来，进行定性或半定量分析。在作近似定量分析时，也可以通过数据处理机进行。下图为某煤和焦炭的灰分组成的分析图。从上图中能清楚的看到样品中各个元素的含量值，可用于物质成分分析、常规分析和某些特殊分析。分析范围包括原子序数Z≥3（锂）的所有元素，常规分析一般用于Z≥9（氟）的元素。分析灵敏度随仪器条件、分析对象和待测元素而异，新型仪器的检出限一般可达10-5～10-6克／克；在比较有利的条件下，对许多元素也可以测到10-7～10-9克/克（或10-7～10-9克／厘米3）,而采用质子激发的方法，其灵敏度更高，检出限有时可达10-12克／克（对Z＞15的元素）。至于常量元素的测定，X射线荧光分析法的迅速和准确,是许多其他仪器分析方法难与相比的。3.2X射线衍射分析在煤热解催化剂制备中的应用X射线衍射分析利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析。将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。X射线衍射法是目前测定晶体结构的重要手段，应用极其广泛。催化剂制备完成后使用X射线衍射法研究催化剂的特征，用铜作为射线源，在电压为40kV、电流为30mA、扫描速度为0.42°/s、入射角2θ为10°−90°的条件下分析。下图为某三种不同金属添加剂的催化剂的XRD图谱。在XRD图谱中某物相的某衍射峰的衍射强度与物相在样品中的百分含量成正比，故衍射峰的积分强度直接反映了物相在化合物中的百分含量。单个X射线衍射峰是由相互独立的、各自具有一定物理学意义的5个基本要素组成。衍射峰位置P是布拉格衍射角的图形表示，衍射峰的半高宽度是scherrer粒度大小的反映，衍射峰的形态是粒度大小和晶格位错的综合反映，衍射峰的强度是物相对X射线吸收强弱和在混合物中含量多少的反映，不对称性是样品、仪器几何条件和衍射角度、而网散射综合作用的结果。3.3扫描电子显微镜在煤热解催化剂制备中的应用扫描电镜配备能谱仪，主要能分析材料表面微区的成分，分析方式有定点定性分析、定点定量分析、元素的线分布、元素的面分布。场发射扫描电镜采用场致发射电子枪代替普通钨灯丝电子枪，可得到很高的二次电子像分辨率。采用场发射电子枪需要很高的真空度，在高真空度下由于电子束的散射更小，其分辨率进一步得到提高。同时，采用磁悬浮技术，噪音振动大为降低，灯丝寿命也有增加。场发射扫描电镜的特点是二次电子像分辨率很高，如果采用低加速电压技术，在TV状态下背散射电子（BSE）成像良好，对于未喷涂非导电样品也可得到高倍像。所以，场发射扫描电镜对半导体器件、精密陶瓷材料、氧化物材料等的发展起到很大作用。催化剂制备完成后可使用扫描电子显微镜的能量色散系统分析催化剂的表面形态和元素组成。下图为扫描电子显微镜观察得到的某三种催化剂的表面形态图。4、结论综上所述，当前X射线荧光分析、X射线衍射分析、扫描电子显微镜等测试手段正趋于较为完善阶段,并取得了举世瞩目的进展,在化工领域得到了广泛应用,为化学工业的发展提供了必不可少的支持。然而任何测试手段都不是完美无瑕的，例如对于X射线荧光分析，某些新发展起来的激发、色散和探测新技术还未能得到普遍的推广应用，仪器的自动化和计算机化水平尚待进一步提高。尤其突出的是,在快速分析方面,至今实验室的制样自动化水平仍然是很低的,还不能适应全自动X射线荧光分析仪连续运转的要求。而伴随着各种技术的不断进步，更先进的仪器正陆续研制成功并投放市场,例如随着现代技术的发展，其他一些扫描电子显微镜组合分析功能也相继出现：显微热台和冷台系统，主要用于观察和分析在加热和冷冻过程中微观结构上的变化；拉伸系统，主要用于观察和分析材料在受力过程中所发生的微观结构变化。扫描电子显微镜与其他设备组合而具有的新型分析功能为新材料、新工艺的探索和研究起到了重要作用。这对化学工业也将是一个全新的发展。据了解很多国家都在进一步投注于缩短仪器的分析时间，提高它的分析效率上，并逐步向自动化、智能化发展。那在不久的将来，伴随技术的提高，应用的扩展，对化学工业的生产效率势必有很大提高。5、参考文献[1]武汉大学.《分析化学.下册(第五版)》[2]程国昌.黄宗卿.现场X射线衍射电化学研究的新进展.重庆大学报。1992，15（1）：5-7[3]郭常霖.精确测定低对称晶系多晶材料点阵常数的射线衍射方法.无机材料学报.[4]林西生.应凤祥.郑乃萱.《X射线衍射分析技术及其地质应用》.石油工业出版社.[5]周健,王河锦.X射线衍射峰五基本要素的物理学意义与应用.矿物学报.第22卷第二期.2002年6月.[6]常颖.郑启泰.吕扬.粉末X射线衍射技术在药物研究中的应用.X射线衍射应用专题.36卷(2007年)6期[7]汪永斌.朱国才等.生物质还原磁化褐铁矿的实验研究.过程工程学报2009