激光溅射Co团簇离子与甲醇的反应的实验

付 鹏，陈元奎

(池州学院 机械与电子工程系，安徽 池州247000)

团簇是一门新兴的科学技术，在现代的生产生活中有着很重要的作用。研究金属与有机分子的相互作用，可以了解金属离子在反应过程中的活性。因此金属与有机分子反应的理论与实验研究日益引起人们的关注。金属钴是一种常用的材料，它的物理性状，聚集形式和聚集体的尺寸能够影响其化学反应性能和选择反应性。甲醇是一种很重要的化工基础原料，是许多碳氢化合物的中间体。有关过渡金属、团簇、甲醇及其反应的理论与实验研究多见报道[1-4]。因此，研究钴与甲醇的反应具有很重要的意义。付鹏，唐晓闩等研究了钴离子与甲醇团簇的反应，并对的形成机理进行了解释[5]。Kaya等在离子探测室进行反应的激光溅射分子束技术对镍等离子体金属与甲醇团簇的反应进行了研究，对金属甲醇缔合物团簇的形成机理了进行解释[6-7]。但是，有关金属团簇离子与有机分子的团簇的反应研究并不多见，而研究这些过程有助于了解化学反应的选择性。本文利用激光溅射分子束方法，结合反射式飞行时间质谱，在低能量下对钴团簇离子与甲醇分子在气相中的反应进行了研究，得到了，等较为稳定的团簇离子，分析了产物离子随激光能量和激光延时的变化特点。

1 实验结果与讨论

1.1 Co+n团簇离子信号

图1 激光溅射钴得到的团簇离子

图2 Co团簇离子与甲醇团簇的反应质谱

图2是利用355nm激光溅射金属钴靶产生钴团簇离子，与随后到来的甲醇及甲醇团簇反应，产生的各种产物离子。在实验中我们发现产物离子主要包含钴团簇离子(n=3-6)，H+(CH3OH)n(n=6-9)，(CH3OH)(n=3-5)，(CH3OH)2(n=3-5)四个系列的团簇离子信号，其中信号最强。

实验中观察到的质子化团簇H+(CH3OH)n，是等离子体中的高温电子与甲醇团簇碰撞反应形成的[6-7]。

1.3 激光能量对产物离子的影响

图3 激光能量对产物的影响

图3是通过调节激光能量得到的，我们看到随着激光能量密度的增大，尺寸较小的团簇信号强度增强。随着激光能量的增大，反应过程中的离子具有较高的能量，离子的状态不稳定，离子之间的碰撞也会加剧，使团簇离子进一步分解，因此激光能量增加，团簇尺寸减小。

1.4 激光延时对产物离子的影响

图4 激光延时对产物的影响

图4通过调节激光延时，我们看到在脉冲分子束的中段产生的信号强度较大，在脉冲分子束的前端和后端产生的离子信号较弱。一般来说，分子束可分为前端、中端、后端。在分子束中端压力大，且分布均匀，利于团簇的形成。而在前端和后端，压力较小且分布不均，产生的团簇较少。

2 结论

3 实验过程

实验装置如图5所示，甲醇与惰性气体在样品池中充分混合后，经脉冲阀喷出，形成超声射流分子束。YAG激光经焦距为300mm的石英透镜聚焦在金属钴靶表面上产生等离子羽，与随后到来的超声分子束反应并被载气带入离子引出区，这时在离子引出极加一脉冲电压，将离子推入加速区加速后进入无场区飞行，随后经一组离子反射透镜反射，并被MCP接收转化为电压信号，通过示波器观察到质谱信号，再由计算机进行采集和数据处理。脉冲阀的开启宽度与染料激光束之间的延时由DG535四路脉冲发生器控制。实验采用的烧蚀激光波长为355nm，能量密度可调。实验中钴靶的纯度达到99.5%，甲醇分析纯。

图5 实验装置简图

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