正电子是电子的反粒子,正电子和正电子素o一Ps(一种由正 ... - 催化学报.PDF

研究催化剂内表面特性的新工具—— 正电子寿命谱* 戚盛勇 刘复汉 （复旦大学物理系，上海） 正电子是电子的反粒子，正电子和正电子素o-Ps一（种由正负电子对形成的束缚态原 子）可以用来探测物质的微观结构。近几年来，正电子素化学已成为正电子谱学 P（ositron AnnihilationSpectroscopy,PAS）的一个重要分支，并开始用于研究催化剂内表面 的特性。Jean等用PAS研究了石墨、树脂、硅胶等多孔材料的表面特性以及正电子与吸 附在分子筛内表面的NO2、SO2反应的速率常数1,（2）；Nakanishi等3（）测试了Linde型 X（, Y二类）分子筛在不同温度下的正电子寿命谱，发现它和B酸浓度有一定的联系。 PAS有下列几个特点： （1）能在实时条件下探测内表面的真实特性，一般在测试前 只要求 10-5torr数量级的预真空，就可以充分排除空气中的氧对正 电子寿命谱 的干 扰；（2）正电子技术对探测多孔材料的内表面性质比较敏感，因为正电子在很多多孔材料 的表面具有负的功函数，很容易扩散到它们的内表面；（3）正电子或正电子素在湮没时的 能量已和晶格振动的能量相平衡，即热化，所以它们对所探测的表面状态的扰动较少，从 而可以得到比较真实的表面信息；（4）与大型谱仪相比，设备相对比较简单。上述特点使 得PAS在催化剂内表面特性的研究中展现了良好的前景。 本文报导了利用PAS探测催化剂内表面的孔结构、比表面积以及活性中心相对浓 度等有关的实验结果。显示了在没有活性中心的材料中，表面湮没的o-Ps相对强度正比 于多孔材料的比表面积；在有活性中心的催化材料中，在表面湮没的o-Ps的寿命及相对 强度和材料表面的电场强度及活性中心的相对浓度有关。 我们用正电子技术测试了各种不同相结构的Al2O3及NaY,HY等分子筛在不同焙 烧温度下的PAS，用X射线衍射仪分析了Al2O3和分子筛的相结构，用红外光谱分析了 分子筛的成分，用BET测试仪测试了Al2O3的比表面积。 1．样品制备：白色粉末状NaY分子筛由上海试剂总厂提供，其 中一部分经 NH4Cl溶液多次交换得NH4Y粉末，再放入马福炉内经550 3小时煅烧得 HY粉末， 上述样品经X射线衍射和光谱分析，确认样品符合要求。然后压制成片状放入真空度为 5×10-5torr的样品室内，在不同焙烧温度下，保持5小时，最后降低至150测试。Al2O3· 3H2O粉末由上海分子筛厂提供，经蒸馏水反复冲洗去除杂质后烘干，并分别在150,410, 520,720,920,1100℃下煅烧4小时，得到不同相结构、不同比表面积的Al2O3粉末，压片 后在真空室内再经6小时150℃的脱水后测试。 2．正电子寿命测试：正电子寿命谱仪由美国Canberra公司和Ortec公司组件按 快快符合线路组装而成。仪器分辨率用60Co测定为0.34ns，每一谱的累计数为106，在测 1986年8月28日收到。 * 国家自然科学基金资助的项目 试期间环境温度变化为±0.5 ，峰位漂移小于0.03ns。测得的寿命谱用国际上通用 的 Positron-FitExtended程序在微机上按四成分解谱，经反卷积和多次迭代后，拟合度 x2都接近于1，解得它们的寿命值 τi和相对强度Ii(i=1,2,3,4)。 结果与讨论如下： 正电子进入多孔材料经热化后，可能直接与电子湮没，其寿命一般小于0.5ns，也可能 与介质中的电子形成p-Ps与o-Ps两种正电子素，然后湮没。p-Ps寿命为0.125ns,o-Ps寿 命依周围化学环境的不同可以在0.5-140ns的很大范围内发生变化。我们在测得 的 Al2O3四成分中其寿命较短的三个成分可以认为是由于正电子及p-Ps在Al2O3的体内 及表面的湮没和o-Ps在Al2O3体内的湮没，这是因为体内的电子密度较内表面高，β+和 Ps的寿命较短。而寿命最长的第四成分对应于o-Ps在电子密度较低的Al2O3内表面的 湮没，所以其 τ4,I值就反映了Al2O3内表面的特性。 实验测得的o-Ps在Al2O3中湮没的最长寿命成份τ4，I值随焙烧温度的变化列于表 1。为便于比较，在表 1中也列出了用BET测试的Al2O3比表面积及用X射线衍射测 得的Al2O3的相结构的变化。图1为o-Ps的相对强度I4随其比表面积的变化规律。