发布时间：2025-12-12 热度：5

红外光谱技术作为材料科学、化学工程和能源领域的重要分析工具，通过分子振动能级跃迁产生的特征吸收峰，揭示物质组成与结构信息。随着技术演进，傅里叶变换红外光谱（FTIR）与原位红外光谱（In Situ IR）逐渐形成互补关系，前者侧重静态分析，后者聚焦动态过程。

一、技术原理：从静态测量到动态追踪

傅里叶红外光谱仪基于迈克尔逊干涉仪原理，通过分束器将光源分为两束光，经动镜移动产生光程差后复合形成干涉图，再经傅里叶变换将时域信号转换为频域光谱。该技术通过多路传输特性同时采集全波段信息，具有高分辨率（0.005-0.1 cm⁻¹）、高信噪比和快速扫描能力（可达100次/秒），适用于静态样品的定性定量分析。

原位红外光谱技术则在此基础上升维，通过集成原位反应池、温控系统及气体流量控制装置，在化学反应、相变过程或环境变化中实时监测物质光谱变化。例如，在催化反应中，原位红外可捕捉催化剂表面吸附物种的动态演变，揭示反应中间体的形成与转化路径，其核心优势在于“过程可视化”。

二、应用场景：从实验室到工业现场

傅里叶红外光谱的典型应用场景包括：

材料表征：分析聚合物结晶度、无机化合物晶型结构及生物分子构象；

质量控制：检测食品添加剂、药品杂质及环境污染物；

应急检测：便携式设备可快速鉴定危险化学品泄漏成分。

原位红外光谱则深度渗透至动态过程研究领域：

催化机制探索：实时监测多相催化反应中表面活性位点的变化，如CO氧化反应中金属氧化物载体电子转移过程；

能源材料开发：追踪锂离子电池充放电过程中电极表面固态电解质界面（SEI）层的演化；

环境化学研究：分析光催化降解气相有机物时中间产物的生成与消耗规律。

三、实验条件：从离线分析到原位模拟

傅里叶红外光谱对样品制备要求严格：固体需压片或研磨至200目以下，液体需涂布于盐晶片表面，气体则需注入专用气体池。实验环境通常为室温至90℃，且需避免水蒸气和二氧化碳干扰。

原位红外光谱的实验设计更趋复杂：

反应池设计：采用哈氏合金材质的漫反射池，可耐受800℃高温与3 MPa压力，配备石英窗口引入外部光源；

气氛控制：通过质量流量计精确调控反应气体比例，如模拟工业催化条件下的CO₂/H₂混合气氛围；

动态监测：结合升温程序（如1℃/min）与红外扫描，实时记录官能团强度变化，例如煤自燃过程中羟基（-OH）与羰基（C=O）的消长规律。

四、数据维度：从结构解析到过程重构

傅里叶红外光谱数据呈现为静态光谱图，通过特征峰位置（波数）与强度（透过率/吸光度）实现化合物鉴定。例如，羧酸基团在1710-1680 cm⁻¹的强吸收峰可用于区分脂肪族与芳香族羧酸。

原位红外光谱数据则构成动态演化曲线，通过时间-强度二维图谱揭示反应路径。以甲醇氧化制甲醛反应为例，原位红外可捕捉到甲氧基（-OCH₃）在2830 cm⁻¹和甲醛（HCHO）在1720 cm⁻¹的特征峰强度随温度变化的趋势，进而推导出反应级数与活化能。此外，结合主成分分析（PCA）等多元统计方法，可从海量原位数据中提取关键反应特征，构建反应机理模型。

傅里叶红外光谱与原位红外光谱的差异化发展，本质上是“静态结构解析”与“动态过程追踪”的互补。随着原位技术向高温（>1000℃）、高压（>10 MPa）及极端环境（如强腐蚀性体系）延伸，其与同步辐射X射线衍射、质谱联用技术的融合，正在催生“多模态原位表征”新范式。

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