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Diffuse Reflectance IR and UV-vis Spectroscopy

Modern Methods in Heterogeneous CatalysisFriederike Jentoft

December 10, 2004

ACFHI

ACACFHI

Prueba
Nota adhesiva
ESPECTROCOPIA IR Y UV-VIS DE REFLECTANCIA DIFUSA
Prueba
Nota adhesiva
METODOS MODERNOS EN CATALISIS HETEROGENEA

© 2004 F.C. Jentoft, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

Outline

I. Background

1. UV-vis, NIR and IR spectroscopy

2. Transmission

3. Specular & Diffuse Reflectance4. Mie and Rayleigh Scattering Theories5. Kubelka-Munk Theory

II. Experimental & Examples1. White Standards2. Integrating Spheres3. Mirror Optics4. Fiber Optics

Prueba
Nota adhesiva
I.ANTECEDENTES 1. ESPECTROSCOPIA UV-VIS,INFRAROJO CERCANO E INFRAROJO 2.TRANSMISION 3.REFLECTANCIA ESPECULAR Y DIFUSA 4.TEORIAS DE MIE Y RAYLEIGH 5.TEORIA DE KUBELKA-MUNK
Prueba
Nota adhesiva
II.. EXPERIMENTACION Y EJEMPLOS 1. ESTANDARES 2. ESFERAS DE INTEGRACION 3.ESPEJOS OPTICOS 4. FIBRAS OPTICAS

© 2004 F.C. Jentoft, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

UV- vis- NIR – MIR

v electronic transitions, vibrations (rotations)

v Diffuse reflectance UV-vis spectroscopy (DR-UV-vis spectroscopy or DRS)

v Diffuse reflectance Fourier-transform infrared spectroscopy (DRIFTS)

Prueba
Nota adhesiva
TRANSICIONES ELECTRONICAS(ROTACIONES)
Prueba
Nota adhesiva
ESPECTROSCOPIA UV-VIS REFELCTANCIA DIFUSA(DRS)
Prueba
Nota adhesiva
ESPECTROSCOPIA INFRAROJA POR TRANSFORMADA DE FOURIER(DRIFTS)

© 2004 F.C. Jentoft, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

Interaction of Light with Sample

v how to extract absorbing properties from transmitted light?v how to deal with reflection and scattering?

incident light

reflection at phase boundaries

transmitted light

scattered light

absorption of light

Prueba
Nota adhesiva
INTERACCION DE LA LUZ CON LA MUESTRA
Prueba
Nota adhesiva
LUZ DISPERSADA
Prueba
Nota adhesiva
LUZ TRANSMITIDA
Prueba
Nota adhesiva
LUZ INCIDENTE
Prueba
Nota adhesiva
REFLEXION EN LIMITES DE FASE
Prueba
Nota adhesiva
ABSORCION DE LUZ
Prueba
Nota adhesiva
cómo extraer propiedades de absorción de la luz transmitida ??
Prueba
Nota adhesiva
cómo tratar con la reflexión y la dispersión ?

© 2004 F.C. Jentoft, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

How to Deal with Reflection (1)

v fraction of reflected light can be eliminated through reference measurement with same materials (cuvette+ solvent)

incident light

reflection at phase boundaries

transmitted light

Prueba
Nota adhesiva
como lidiar o tratar con la reflexion
Prueba
Nota adhesiva
fracción de luz reflejada puede ser eliminado a través de referencias medición con los mismos materiales ( cubeta + disolvente)
Prueba
Nota adhesiva

© 2004 F.C. Jentoft, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

How to Deal with Reflection (2)

v fraction of reflected light can be eliminated through variation of sample thickness: number of phase boundaries remains the same

incident light

reflection at phase boundaries

transmitted light

Prueba
Nota adhesiva
COMO TRATAR CON LA REFLEXION
Prueba
Nota adhesiva
LA fracción de luz reflejada puede ser eliminado a través de la variación de espesor de la muestra

© 2004 F.C. Jentoft, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

Scattering

v scattering is negligible in molecular disperse media (solutions)

v scattering is considerable for colloids and solids when the wavelength is in the order of magnitude of the particle size

Wavenumber WavelengthMid-IR (MIR) 3300 to 250 cm-1 3 to (25-40) µmNear-IR (NIR) 12500 to 3300 cm-1 (700-1000) to 3000 nmUV-vis 50000 to 12500 cm-1 200 to 800 nm

v scattering is reduced through embedding of the particles in media with similar refractive index: KBr wafer (clear!) technique, immersion in Nujol

Prueba
Nota adhesiva
DISPERSION
Prueba
Nota adhesiva
LA DISPERSION ES DESPRECIABLE EN MEDIOS DEDISPERSION MOLECULAR(SOLUCIONES)
Prueba
Nota adhesiva
LA DISPERSION ES CONSIDERABLE EN COLOIDES Y SOLIDOS CUANDO LA LONGITUD DE ONDA ESTA EN EL ORDEN DE MAGNITUD DEL TAMAÑO DE PARTICULA
Prueba
Nota adhesiva
la dispersión se reduce a través de la incrustación de las partículas en medios con similar índice de refracción: TECNICA DE pastilla de KBr , l inmersión en Nujol

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Transmittance

if we manage to eliminate reflection:1 = α + τ

in this case, the absorption properties of the sample can be calculated from the transmitted light

I0 I

0II

Sample

if luminescence and scattering are negligible:1 = α + τ + ρ

α absorptance, absorption factor, Absorptionsgradτ(T) transmittance, transmission factor, Transmissionsgradρ reflectance, reflection factor, Reflexionsgrad

Prueba
Nota adhesiva
TRANSMITANCIA
Prueba
Nota adhesiva
si la luminiscencia y la dispersión son insignificantes:
Prueba
Nota adhesiva
Absortancia, factor de absorción, Absorptionsgrad Transmitancia, factor de transmisión, Transmissionsgrad Reflectancia, factor de reflexión, Reflexionsgrad
Prueba
Nota adhesiva
si logramos eliminar la reflexion ::
Prueba
Nota adhesiva
EN ESTE CASO LAS PROPIEDADES DE ABSORCION DE LA MUESTRA PUEDE SAE CALCULADA DE LA LUZ TRANSMITIDA

© 2004 F.C. Jentoft, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

Transmitted Light and Sample Absorption Properties

separation of variables and integration

sample thickness: l ∫∫ −=lI

I

dlcI

dI

00

κ

decrease of I in an infinitesimally thin layer

lcII

κ−=0

ln

dlcIdI κ−=

I0 I0II

c: molar concentration of absorbing species [mol/m-3]κ: the molar napierian extinction coefficient [m2/mol]

Prueba
Nota adhesiva
Prueba
Nota adhesiva
disminución de I en una capa delgada infinitesimalmente
Prueba
Nota adhesiva
COEFICIENTE DE EXTINCION NAPERIANO MOLAR
Prueba
Nota adhesiva
ESPESOR DE LA MUESTRA

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Transmitted Light and Sample Absorption Properties

ατ κ −=== − 10

lceII

)1ln( ακ −−=== lcBAe

)1log(10 αε −−== lcA

extinction E (means absorbed + scattered light)absorbance A (A10 or Ae)

optical density O.D.

all these quantities are DIMENSIONLESS !!!!

Lambert-Beer Law

standard spectroscopy software uses A10!

napierian absorbanceNapier-Absorbanz

(decadic) absorbancedekadische Absorbanz

Prueba
Nota adhesiva
LEY DE LAMBERT.BEER
Prueba
Nota adhesiva
ABSORBANCIA NAPIERIANA
Prueba
Nota adhesiva
LUZ TRANSMITIDA Y PROPIEDADES DE ABSORCION DE LA MUESTRA
Prueba
Nota adhesiva
SIGNIFICA LUZ ABSORBIDA Y DISPERSADA

© 2004 F.C. Jentoft, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000

0

10

20

30

40

50

161216

32

1625

2119

2040

1379

1257

2118

2036

1934

H4PVMo11O40

Cs2H2PVMo11O40

Cs3HPVMo11O40

Cs4PVMo11O40

Tran

smis

sion

(%)

Wellenzahl (cm-1)

Limitations of Transmission Spectroscopy

CaF2-Window-

Absorption

self-supporting wafers

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1100 1000 900 800 7000

20

40

60

Wavenumbers (cm-1)

1083

10731059

983960

896862 788

(NaCl) (KBr) (CsCl)

Tran

smis

sion

(%)

But…….Reaction with Material Used for Embedding

H4PVMo11O40

v reaction with diluent possible

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Limitations of Transmission Spectroscopy

v transmission can become very low! even in IR regime!

v catalysts are fine powders (high surface area)

v embedding (KBr) not desirable for in situ studies (heating, reaction)

5000 4000 3000 2000 10000.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07sulfated ZrO2 after activiton at 723 K

Tran

smitt

ance

Wavenumber / cm-1

Prueba
Nota adhesiva
Transmisión puede llegar a ser muy bajo! incluso en régimen IR!
Prueba
Nota adhesiva
catalizadores son polvos finos (gran área superficial)
Prueba
Nota adhesiva
Incrustación (KBr) no deseable para estudios in situ (calentamiento, reacción)

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Can We Use the Reflected Light?

v instead of measuring the transmitted light, we could measure thereflected light

v can we extract the absorption properties of our sample from the reflected light?

Detector

Prueba
Nota adhesiva
podemos usar la luz reflejada ???
Prueba
Nota adhesiva
En lugar de medir la luz transmitida, podríamos medir el luz reflejada
Prueba
Nota adhesiva
podemos extraer las propiedades de absorción de nuestra muestra de la luz reflejada?

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Specular & Diffuse Reflection

Reflection of radiant energy at boundary

surfacesmirror-type

(polished) surfacesmat (dull, scattering)

surfaces

mirror-type reflectionmirror reflectionsurface reflectionspecular reflectionreguläre Reflexion

gerichtete Reflexion

reflecting power called“reflectivity”

reflecting power called“reflectance”

multiple reflections at surfaces of small

particles

Prueba
Nota adhesiva
REFLEXION Especular y difusa
Prueba
Nota adhesiva
Reflexión de la energía radiante en s límiteS DE LA SUPERFICIE
Prueba
Nota adhesiva
SUPERFICIES TIPO ESPEJO(PULIDAS)
Prueba
Nota adhesiva
superficies mate(mate, dispersadas)
Prueba
Nota adhesiva
REFLEXION tipo espejo reflejo espejo reflexión de la superficie reflexión especular
Prueba
Nota adhesiva
Múltiples reflexiones en las superficies de partículas pequeñas
Prueba
Nota adhesiva
potencia de reflexión llamado "Reflectancia"
Prueba
Nota adhesiva
potencia de reflexión llamado "reflectividad

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Specular Reflection (Non-Absorbing Media)

v fraction of reflected light increases with α

v β depends on α and ratio of the refractive indices (Snell law)

incident beam reflected beam

refracted beam

n0

n1

n1>n0

α

β

surface SIDE VIEW

Prueba
Nota adhesiva
Reflexión especular ( Medios NO ABSORBENTES)
Prueba
Nota adhesiva
HAZ INCIDENTE
Prueba
Nota adhesiva
HAZ REFLEJADO
Prueba
Nota adhesiva
HAZ REFLACTADO
Prueba
Nota adhesiva
fracción de la luz reflejada se incrementa con la absortancia (SIMBOLO ALFA )
Prueba
Nota adhesiva
SIMBOLO BETA depende de una y la relación de los índices de refracción (ley de Snell)

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Specular Reflection: Angular Distribution

v the intensity of the specularly reflected light is largest at an azimuth of 180°

incident beam reflected beam

surfaceTOP VIEW

azimuth180°

azimuth<180°

Prueba
Nota adhesiva
la intensidad de la luz reflejada especularmente es más grande en un azimut de 180 °
Prueba
Nota adhesiva
superficie VISTA SUPERIOR
Prueba
Nota adhesiva
Reflexión Especular: Distribución angular

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Diffuse Reflection & Macroscopic Surface Properties

v randomly oriented crystals in a powder: light diffusely reflected

v flattening of the surface or pressing of a pellet can cause orientation of the crystals, which are “elementary mirrors”

v causes “glossy peaks” if angle of observation corresponds to angle of incidence

v solution: roughen surface with (sand)paper or press between rough paper, or use different observation angle!

Prueba
Nota adhesiva
Reflexión difusa y Propiedades macroscopicas de superficie
Prueba
Nota adhesiva
Cristales orientados al azar en un polvo: la luz reflejada DIFUSAMENTE
Prueba
Nota adhesiva
Aplanamiento de la superficie o prensado de una pastilla puede causar la orientación de los cristales, que son "espejos elementales"
Prueba
Nota adhesiva
PROVOCA "picos brillantes" si el ángulo de observación corresponde al ángulo de incidencia
Prueba
Nota adhesiva
Solución: Raspe la superficie con (arena) papel O PRESIONE ENTRE el papel áspero, o utilice diferentes ángulos de observación!

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Light Reflection from Powders: Why is the Distribution Isotropic?

particle diameter d > λ

v light partially reflected on elementary mirrors (crystal facets) inclined statistically at all possible angles to the macroscopic surface

v light penetrates into sample, undergoes numerous reflections, refractions and diffraction and emerges finally diffusely at the surface

particle diameter d ≤ λ

v scattering occurs

v Mie’s theory for single scattering says distribution is not isotropic

v multiple scattering should produce isotropic distribution

Prueba
Nota adhesiva
Reflexion de luz a partir de polvos: ¿Por qué es la distribución isotrópica?
Prueba
Nota adhesiva
luz parcialmente reflejada en los espejos elementales (facetas cristal) inclinado estadísticamente en todos los ángulos posibles de la superficie macroscópica
Prueba
Nota adhesiva
la luz penetra en la muestra, se somete a numerosas reflexiones, refracciones y de difracción y emerge finalmente de forma difusa en el superficie
Prueba
Nota adhesiva
se produce la dispersión
Prueba
Nota adhesiva
La teoría de Mie para una sola dispersión dice distribución es no isotrópica
Prueba
Nota adhesiva
dispersión múltiple debe producir distribución isotrópica

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The Rayleigh Scattering Theory

v according to Rayleigh (Gans, Born)

v electromagnetic wave induces vibrating dipole in molecule (i.e. d << λ), electrons assumed to be in phase, molecular antenna

v dipole emits electromagnetic waves in all directions, i.e. the primary wave is being scattered

40

∝scatI

Prueba
Nota adhesiva
TEORIA DE DIFUSION DE RAYLEIGH
Prueba
Nota adhesiva
SEGUN RAYLEIGH
Prueba
Nota adhesiva
onda electromagnética induce VIBRACION dipolo en la molécula (es decir d << L), los electrones asume que están en fase.
Prueba
Nota adhesiva
dipolo emite ondas electromagnéticas en todas las direcciones, es decir, la primaria la onda se está dispersando .

© 2004 F.C. Jentoft, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

The Mie Scattering Theory

v according to the Mie formula, there is no principle distinction between reflection, refraction, and diffraction on one hand and scattering on the other hand

v rigorous theory for single scattering of a planar wave at spherical particles, both dielectric and absorbing, of any size

v in the limit of infinite diameter, the Mie theory approaches a scattering distribution as can be obtained from the law of geometrical optics by dealing separately with reflection, refraction, and diffraction

Prueba
Nota adhesiva
teoria de dispersion de MIE
Prueba
Nota adhesiva
rigurosa teoría de dispersión simple de una onda plana a esférica partículas, tanto dieléctricos y absorbentes, de cualquier tamaño
Prueba
Nota adhesiva
En el límite de diámetro infinito, la teoría de Mie se acerca a un la dispersión de la distribución como puede ser obtenido a partir de la ley de la óptica geométrica por tratar por separado con la reflexión, refracción, difracción y
Prueba
Nota adhesiva
De acuerdo con la fórmula de Mie, no hay principio de distincion entre la reflexión, la refracción y la difracción por un lado dispersión en el otro lado

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Typical Catalyst Particles

v need theory that treats light transfer in an absorbing and scattering medium

v want to extract absorption properties!

ZrO2

ca. 20 µm

scanning electron microscopy image

Prueba
Nota adhesiva
Necesita la teoría que aborde la transferencia de luz en un medio absorbente y con dispersión
Prueba
Nota adhesiva
Desee extraer propiedades de absorción!

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The Schuster-Kubelka-Munk Theory

Assumptions

v incident light diffuse

v isotropic distribution (Lambert cosine law valid) , i.e. no regular reflection

v particles randomly distributed

v particles much smaller than thickness of layer

sk

RRRF =

−=

∞∞ 2

)1()(2

2 constants are needed to describe the reflectance:absorption coefficient kscattering coefficient s

Kubelka-Munk functionremission function

Prueba
Nota adhesiva
supuestos::
Prueba
Nota adhesiva
luz incidente difusa
Prueba
Nota adhesiva
DISTRIBUCION ISOTROPICA ( LEY DE COSENO DE LAMBERT VALIDA ) , ES DECIR SIN REFLEXION REGULAR
Prueba
Nota adhesiva
PARTICULAS DISTRIBUIDAS AL AZAR
Prueba
Nota adhesiva
PARTICULAS MUCHO MAS PEQUEÑAS QUE EL ESPESOR DE PELICULA
Prueba
Nota adhesiva
DOS CONSTANTES SON NECESARIAS PARA DESCRIBIR LA REFLECTANCIA ::
Prueba
Nota adhesiva
COEFICIENTE DE ABSORCION
Prueba
Nota adhesiva
COEFICIENTE DE DISPERSION

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Kubelka-Munk Function

v mostly we measure R’∞, i.e. not the absolute reflectance R∞but the reflectance relative to a standard

v depends on wavelength F(R’∞)λ

v corresponds to extinction in transmission spectroscopy

v in case of a dilute species is proportional to the concentration of the species (similar to the Lambert-Beer law):

scRF ε

∝′∞ )(

Prueba
Nota adhesiva
Sobre todo medimos R ', es decir, no la absoluta reflectancia R pero la reflectancia con respecto a un estándar
Prueba
Nota adhesiva
depende de la longitud de onda F (R ') l
Prueba
Nota adhesiva
corresponde a la extinción en la espectroscopia de transmisión
Prueba
Nota adhesiva
En caso de una especie diluida es proporcional a la concentración de la especies (similar a la ley de Lambert-Beer):

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Deviations from & Limitations of the Kubelka-Munk Theory

incident radiation

v should be diffuse and not directed, however, it is assumed that after a few scattering events the distribution is isotropic

v directed incident radiation can be a problem on very rough surfaces: shadowing effects

any regular reflection

v will cause deviation

low reflectance values

v applicability of Kubelka-Munk theory questionable

v smallest error between 0.2 < R∞ < 0.6

Prueba
Nota adhesiva
Las desviaciones de y Limitaciones de la teoria de Kubelka-Munk
Prueba
Nota adhesiva
radiación incidente debe ser difusa y no dirigida, sin embargo, se supone que después de una serie de eventos de dispersión de la distribución es isotrópica
Prueba
Nota adhesiva
radiación incidente dirigido puede ser un problema en superficies muy rugosas: efectos de sombra
Prueba
Nota adhesiva
Cualquier reflexión regular causara desviación
Prueba
Nota adhesiva
bajos valores de reflectancia aplicabilidad de la teoría de Kubelka-Munk cuestionable mínimo error entre 0,2 <R <0.6

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Transmission vs. Reflection Spectroscopy

TA ln−=RRRF

2)1()(

2−=

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00

1

2

3

4

5

6

Kubelka-Munk-function

Absorbance

Abs

orba

nce

/ Kub

elka

-Mun

k

Transmission / Reflectance

v for quantification and to be able to calculate difference spectra:calculate absorbance / Kubelka-Munk function

Prueba
Nota adhesiva
Espectroscopia de Reflexión vs Espectroscopia de Transmisión
Prueba
Nota adhesiva
para la cuantificación y para ser capaces de calcular los espectros de diferencia: calcular absorbancia / función Kubelka-Munk

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Transmission vs. Reflection Spectroscopy

200 400 600 8000.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

TC+A

TC+A

Tran

smitt

ance

or R

efle

ctan

ce

Wavelength / nm

TA ln−=RRRF

2)1()(

2−=

200 400 600 800

0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

higher reflectance

lower reflectance

Kub

elka

Mun

k un

its

Wavelength / nm200 400 600 800

0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

higher transmission

lower transmission

Abs

orba

nce

Wavelength / nm

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Spectroscopy in Transmission

reference „nothing“= void, empty cell, cuvette with solvent

Catalyst

LightSource Detector

spectrum: transmission of catalyst vs. transmission of reference

v in IR transmission is widely applied for solids

v in UV-vis transmission is rarely used for solids

Prueba
Nota adhesiva
referencia "nada" = Vacío, celda vacía, cubeta con disolvente
Prueba
Nota adhesiva
Espectroscopia de Transmisión
Prueba
Nota adhesiva
fuente de luz
Prueba
Nota adhesiva
espectro: la transmisión del catalizador frente a la transmisión de referencia
Prueba
Nota adhesiva
en IR transmisión se aplica extensamente para sólidos
Prueba
Nota adhesiva
En UV-vis transmisión se usa raramente para sólidos

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Reflectance Spectroscopy

reference„white standard“

Catalyst

LightSource

Detector

spectrum: reflectance of sample (catalyst) vs. reflectance of standard

v need element that collects diffusely reflected light

v need to avoid specularly reflected light

v need reference standard (white standard)

Prueba
Nota adhesiva
Espectroscopia de reflectancia
Prueba
Nota adhesiva
espectro: reflectancia de muestra (catalizador) vs reflectancia de estándar
Prueba
Nota adhesiva
necesitará elemento que recoge la luz reflejada difusamente
Prueba
Nota adhesiva
necesitan para evitar la luz reflejada especularmente
Prueba
Nota adhesiva
necesitan norma de referencia (estándar blanco)

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“White” Standards

v KBr: IR (43500-400 cm-1)

v BaSO4: UV-vis

v MgO: UV-vis

v Spectralon: UV-vis-NIR

Prueba
Nota adhesiva
normas o estandar ""blanco """

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White Standard MgO

v ages rapidly

Prueba
Nota adhesiva
envejece o se detreriora rapidamente

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White Standard BaSO4

0 500 1000 1500 2000 2500

40

50

60

70

80

90

100%

Ref

lect

ance

Wavelength / nm

v reflects well in range 335 – 1320 nm

v humid!

Prueba
Nota adhesiva
REFLEJA BIEN ENTRE 335 Y 1320 NM HUMEDO ¡¿

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White Standard Spectralon®

Spectralon® thermoplastic resin, excellent reflectance in UV-vis region

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„Gray“ Standards

0 500 1000 1500 2000 25000

20

40

60

80

100

"20%="20Sp vs. Sp.

"50%="50Sp vs. Sp.

Ref

lect

ance

%

Wavelength / nm

100%=Sp vs. Sp.

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The Collection Elements

v integrating spheres (UV-vis-NIR)

v fiber optics (UV-vis-NIR)

v mirror optics (IR and UV-vis-NIR)

Prueba
Nota adhesiva
ELEMENTOS DE COLECION
Prueba
Nota adhesiva
ESFERAS DE INTEGRACION
Prueba
Nota adhesiva
FIBRAS OPTICAS
Prueba
Nota adhesiva
ESPEJOS OPTICOS

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Integrating Spheres

v also called: photometer spheres, Ulbricht spheres

KK

MmPWP F

ffIIρ

ρρρ−

=1

120

F total internal surface of spherefm,,fM relative fractions of measuring surface and opening apertureρW absolute reflectance of wallρP absolute reflectance of sampleρK absolute reflectance of sphereS screen blocks regular reflection

PP

WPEM

K Ff

Ffff

ρρρ +

++

−= 1

Prueba
Nota adhesiva
También llamados: Esferas del fotómetro, esferas de Ulbricht

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Integrating Spheres: Coatings

v BaSO4: UV-vis

v MgO: UV-vis

v Spectralon: UV-vis-NIR

v Au: 800 nm to MIR

Prueba
Nota adhesiva
Esferas Integración: Revestimientos

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In Situ Cell & Integrating Sphere

v beam path equivalent for sample and reference beam

v spectrometer background correction can be used

v window (Suprasil or Infrasil): absorbs and reflects light

top view

Prueba
Nota adhesiva
Celda y esfera de integración
Prueba
Nota adhesiva
haz de trayectoria equivalente para la muestra y haz de referencia
Prueba
Nota adhesiva
Espectrómetro de corrección de fondo se puede utilizar
Prueba
Nota adhesiva
Ventana (SUPRASIL o Infrasil): absorbe y refleja la luz

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sulfated zircona, 378 K5 vol% n-butane

Catalyst Deactivation: in situ UV-vis Spectroscopy

300 400 500 600 700 8000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

difference

Ref

lect

ance

Wavelength / nm

after activation after reaction

v formation of additional bands during n-butane isomerization

v band at 310 nm, allylic cations? Analyzed using apparent absorption A=1-R

v spectroscopic and catalytic data can be correlated

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0 60 120 180 240 300 360

0

50

100

150

200

250

300 isobutane propane

Rat

e of

form

atio

n / µ

mol

g-1 h

-1Time on stream / min

Ban

d ar

ea a

t 310

nm

/ a.

u.

sulfated zirconia, 358 K5 vol% n-butane

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Mirror Optics

v can be placed into the normal sample chamber (in line with beam), no rearrangement necessary

v good in IR

v some disadvantages in UV-vis

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How to Avoid Specular Reflection (1)

v specular reflection is strongest in forward direction

v collect light in off-axis configuration

sample surface

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sample surface

90°

120°

© 2004 F.C. Jentoft, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

The Harrick Praying Mantis

v first ellipsoidal mirror focuses beam on sample

v second ellipsoidal mirror collects reflected light

v 20% of the diffusely reflected light is collected

alignment can be tested

v align with flat mirror (= only specular reflection): minimize throughput

v align with tilted mirror: maximize throughput

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Mirror Optics: Throughput in MIR Range

v throughput measured with tilted mirror

v mirror optics work well in the IR range….

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Mirror Optics: Throughput in UV-vis-NIR Range

v aluminum coating of mirrors absorbs light! Here: 7 mirrorsv spectra will be more noisy in region of low throughput

0 500 1000 1500 2000 25000

10

20

30

40

50

60

70

80

tilted mirror in sampling position

BC (100%): empty versus emptyCBM=90integration time NIR=0.24, UVvis=0.2 data points 1 per 1 nm (ca. 240 nm/min)slit 2 nm, gain (NIR) 1

8 June, 2004, Lambda 950, PERKIN ELMERAlignment Harrick Praying Mantis

% R

efle

ctan

ce

Wavelength / nm

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The Harrick Praying Mantis Reaction Chamber

v quartz windows (high pressure version available)

v up to 873 K (lot T version with Dewar available)

v powder bed rest on stainless steel grid: flow through bed

v low dead volume

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Mirror Optics: UV-vis-NIR Range with Quartz Dome and Spectralon

v very low light yield

v need spectrometer that works well under these conditions

0 500 1000 1500 2000 25000

10

20

30

40

50

60

70

80

tilted mirror in sampling position reaction chamber with spectralon and dome

BC (100%): empty versus emptyCBM=90integration time NIR=0.24, UVvis=0.2 data points 1 per 1 nm (ca. 240 nm/min)slit 2 nm, gain (NIR) 1

8 June, 2004, Lambda 950, PERKIN ELMERAlignment Harrick Praying Mantis%

Ref

lect

ance

Wavelength / nm

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v an attenuator may be necessary in the reference beam

v artifacts from change of optical components (gratings, filters, detectors, lamps) may become visible

0 500 1000 1500 2000 25000123456789

10

tilted mirror in sampling position reaction chamber with spectralon and dome

% R

efle

ctan

ce

Wavelength / nm

Mirror Optics: UV-vis-NIR Range with Quartz Dome and Spectralon

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Example: Catalyst Activation

v UV-vis NIR gives information on valences and water content

0 600 1200 1800 24000

40

80

120

160

Temperature / °C 64 66 100 125 148 170 197 222 244 267 292 314 344 366 393 416 441 465 488 498 500 500

BC with different parameters!

BC (100%): spectralon + dome versus 10%TCBM=90integration time NIR=0.08, UVvis=0.08 data points 1 per 1 nm (ca. 570 nm/min)slit 2 nm, gain (NIR) 2

9 June, 2004, Lambda 950, PERKIN ELMERcat.: AH222, heating in N

2 from 50-500°C (5 K/min)

% R

efle

ctan

ce

Wavelength / nm

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Diffuse Reflectance IR (DRIFTS): Graseby Specac Selector Optics and Environmental Chamber

v ZnSe window (chemically resistant)

v up to 773 K

v no flow through be (rest in cup)

v large dead volume (est. 100 ml)

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Comparison Transmission - Diffuse Reflectance

5000 4000 3000 2000 10000.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Tran

smitt

ance

Wavenumber / cm -1

Ref

lect

ance

sulfated ZrO2 after activation at 723 K Transmission: self-supporting waferReflectance: powder bed

v spectra can have completely different appearance

v transmission decreases, reflectance increases with increasing wavenumber

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Comparison Transmission - Diffuse Reflectance

v vibrations of surface species may be more evident in DR spectra

5000 4000 3000 20003.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Abs

orba

nce

A Nap

ier

Wavenumber / cm -1

Kub

elka

-Mun

k Fu

nctio

n

sulfated ZrO2 after activation at 723 K

Transmission: self-supporting waferReflectance: powder bed

OH vibrations

SO vibrations

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n-Butane Isomerization over MnSZ: In Situ DRIFTS

v bands at 1600 and 1630 cm-1 increase

v also range of C=C stretching vibrations, but corresponding CH vibrations not ob served

v water bending vibration

1700 1650 1600 1550

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Kub

elka

-Mun

k un

its

Wavenumber / cm-1

16301600

Time on stream

1 kPa n-C4 323 K

0

10

20

30

40

50

0 10 20 30 40 50 600

50

100

150

200

250

Isob

utan

e fo

rmed

/ µm

ol g-1

h-1

Band area (1600+1630 cm-1) / cm-1

2% Mn-promoted sulfated zirconia, 323 K

sulfated zirconia, 358 K

v Rate of isomerization proportional to the amount of water formed (induction period)

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Fiber Optics

v light conducted through total reflectance

v 6 around 1 configuration: illumination through 6 (45°), signal through 1avoids collection of specularly reflected light

pictures: Hellma (http://www.hellma-worldwide.de) and CICP (http://www.cicp.com/home.html)

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Fiber Optics

v fibers need to be coupled into spectrometer beam bath

v problems: losses at couplers

picture: Hellma (http://www.hellma-worldwide.de)example shows transmission fiber

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Summary

© 2004 F.C. Jentoft, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

Literature

v W. WM. Wendlandt, H.G. Hecht, “Reflectance Spectroscopy”, Interscience Publishers/John Wiley 1966, FHI: 22 E 13

v G. Kortüm, “Reflectance Spectroscopy” / “Reflexionsspektroskopie” Springer 1969, FHI: missing