原位漫反射傅立叶变换红外光谱（简称原位DRIFTS） ，是一种强大的材料分析技术，融合了漫反射技术、红外光谱技术以及原位分析技术。简单来说，它能够在样品处于实际反应条件下，对其进行红外光谱分析，从而获取丰富的化学信息。
在传统的红外光谱分析中，往往需要将样品从反应体系中取出，这可能会导致样品的状态发生改变，从而无法准确反映其在实际反应中的情况。而原位 DRIFTS 则巧妙地解决了这个问题，该技术允许在反应进行的同时，实时监测样品表面的化学变化 。
通过对催化剂上现场反应吸附态的跟踪表征，原位DRIFTS可以获得大量有价值的表面反应信息，进而对反应机理进行剖析，已在催化表征中日益受到重视。
原位DRIFTS的工作原理
（DOI: 10.1039/d2ra00224h）
（一）红外光谱的基础
红外光谱的产生源于分子的振动和转动。当分子吸收了与振动或转动能级差相匹配的光子能量后，分子将从较低的能量状态跃迁到较高的能量状态。不同分子或同一分子的不同振动模式对应特定的红外波长吸收，每种分子的红外吸收特征也是独一无二的。
通过分析红外光谱，可以推断分子的结构、化学键的信息以及分子间的相互作用 。例如，在有机化合物中，C-H 键、O-H 键、C=O键等不同化学键在红外光谱中都有其特定的吸收频率范围。当得到一个未知化合物的红外光谱时，就可以通过与已知化学键的特征吸收频率进行比对，从而确定该化合物中可能存在的化学键，进而推测其分子结构 。
（二）漫反射的作用
漫反射技术的加入，使得原位DRIFTS能够直接对固体粉末样品进行测定。当红外光束照射到样品表面时，入射光束会以多种方式与颗粒物发生相互作用。一是光在样品表面发生镜反射且不穿过样品颗粒，称之为反射光；二是光进入样品颗粒内部，在样品颗粒之间辗转反射逐渐减弱，或者穿过一个或多个样品颗粒并随后再折回散射，最终从样品表面各个方向射出来，组成漫反射光。
漫反射光与样品内分子发生相互作用，具有吸收-衰减的特性，负载样品的结构和组成信息，可以用于光谱分析。而漫反射装置就是要尽可能的把这些漫反射光收集起来送入检测器，得到较好的光谱信号。
利用漫反射附件测试红外光谱不需要对样品进行特别处理，有些粉末状样品可以直接测试，不能直接测试的固体样品可以和漫反射介质（如KBr）混合研磨，将固体样品均匀地分散在漫反射介质中测试。这一过程无需复杂的样品制备步骤，避免了因样品处理而可能引入的误差，同时也不会改变样品的原始形态，最大程度地保留了样品的真实信息。
（三）原位技术的帮助
原位技术是原位DRIFTS的核心。在传统的分析方法中，往往需要将样品从反应体系中取出，然后再进行分析。但这个过程可能会导致样品的状态发生改变，比如一些在反应条件下存在的中间体可能会因为脱离反应环境而迅速分解，从而无法被检测到。而原位DRIFTS则允许在反应进行的同时，实时监测样品表面的化学变化 ，从而捕捉到反应过程中的动态信息，如反应中间体的形成、变化以及消失的过程，从而深入了解反应的机理。
（一）样品处理简单
原位DRIFTS在样品处理方面展现出极大的便利性。传统的一些分析技术，往往需要对样品进行复杂的预处理，比如压片等操作。而原位DRIFTS则无需这些繁琐步骤，它能够直接对固体粉末样品进行测量。这种简单的样品处理方式，不仅节省了时间和精力，更重要的是避免了因样品处理过程而可能引入的误差，最大程度地保证了样品的原始状态和信息不被破坏，让我们得到的数据更加真实可靠。
（二）反应条件灵活
在实际的科研和工业应用中，反应往往在各种不同的条件下进行。原位DRIFTS的强大之处就在于，它可以在各种温度、压力和气氛下对样品进行原位分析。无论是高温环境下的催化反应，还是高压条件下的材料合成，又或是在特定气氛中的化学反应，原位DRIFTS都能应对自如。这种灵活性使得研究人员能够在接近实际反应的条件下进行分析，从而获得更具实际意义和应用价值的研究成果 。
（三）实时监测反应
在化学反应中，反应中间体的存在往往非常短暂，而原位DRIFTS能够实时追踪反应的整个过程，捕捉到这些转瞬即逝的反应中间体。通过原位DRIFTS可以清楚地看到反应物是如何一步步转化为产物的，反应过程中发生了哪些变化，以及反应速率是如何变化的 。
ACS||钛基Co-Mn氧化物催化剂上deNOx过程的机理研究：结构-活性关系及原位DRIFTs分析
在这里，作者利用原位漫反射红外傅里叶变换光谱（in situ DRIFTS）技术在论文中用于研究催化剂表面反应中间体和瞬态反应过程，为揭示选择性催化还原（SCR）反应机制提供了关键信息。
NH3和NOx脱附的原位DRIFTS光谱图
图A（Mn/TiO2上NH3脱附）：可以看出在Mn/TiO2催化剂表面吸附NH3后，1606和1190cm−1处出现宽峰，归属于与Lewis酸位点配位的NH3的不对称和对称弯曲振动。随着温度升高，这些峰强度稳定下降，400°C时完全消失，表明吸附在催化剂上的NH3主要以配位NH3形式存在，且这种氨稳定性强，可参与SCR反应。
图B（Co(3)−Mn/TiO2上NH3脱附）：与图A类似，Co(3)−Mn/TiO2催化剂上也出现1606和1190cm−1的峰，同样归属于配位NH3。其峰强度变化趋势与Mn/TiO2一致，进一步证明NH3在该催化剂上的吸附形式和参与反应的方式。
图C（Mn/TiO2上NOx脱附）：在30°C时，Mn/TiO2表面出现1480cm−1的明显谱带，归属于线性亚硝酸盐的ν3伸缩振动。随着温度升高，1614、1578 和1315cm−1的谱带逐渐形成，分别对应气态NO2的不对称伸缩振动、双齿硝酸盐的分裂ν3振动和单齿亚硝酸盐的ν3 伸缩振动，表明不同NOx物种在不同温度下形成。
图D（Co(3)−Mn/TiO2上NOx脱附）：在30°C时，Co(3)−Mn/TiO2表面已检测到四种NOx物种的谱带，而Mn/TiO2在30°C时仅检测到线性亚硝酸盐相关谱带。这表明Co(3)−Mn/TiO2表面化学吸附的活化能显著低于纯Mn/TiO2，使得低温下能形成更多NOx物种，促进SCR反应。
Mn/TiO2催化剂上NO+O2与预吸附NH3瞬态反应的原位DRIFT光谱图
图A（150°C 反应）：NH3预吸附后出现1606 和1190cm−1的配位NH3谱带。通入NO+O2后，配位NH3仅少量消耗，表明150°C时SCR反应未发生。
图B（270°C 反应）：通入NO+O2后，配位NH3的特征峰在10分钟内急剧下降直至完全消失，证实Mn/TiO2在 270°C时具有良好的催化活性，与催化活性评价结果相符。
Co(3)−Mn/TiO2催化剂上NO+O2与预吸附NH3瞬态反应的原位DRIFT光谱
图A（150°C 反应）：NH3预吸附后形成1606 和1190cm−1的配位NH3谱带。通入NO+O2后，这些谱带强度下降，表明吸附的NH3能与NO+O2反应。
图B（270°C 反应）：当反应温度升至270°C，配位NH3的特征峰在5分钟内消失，说明NH3与NO+O2在此温度下反应迅速，体现了Co(3)−Mn/TiO2优异的SCR活性。同时，通入NO+O2后出现1604、1579、1498和1311cm−1的谱带，分别对应气态NO2、双齿硝酸盐、线性亚硝酸盐和单齿亚硝酸盐，表明这些物种参与了SCR反应。
Mn/TiO2催化剂上NH3与预吸附NO+O2瞬态反应的原位DRIFT光谱
图A（150°C反应）：NO+O2预吸附后形成1604、1578、1498 和1311cm−1的NOx物种谱带，通入NH3后出现配位NH3谱带。150°C时，除气态NO2的谱带被配位NH3覆盖外，双齿硝酸盐、线性亚硝酸盐和单齿亚硝酸盐的谱带保持稳定，表明这三种NOx物种在150°C时不与NH3反应。
图B（270°C反应）：270°C时，不同NOx物种的谱带随时间下降，表明吸附的NOx物种被氨消耗，参与SCR反应。
图C（270°C时NOx物种消耗情况）：记录270°C时不同NOx物种归一化谱带强度随时间的变化，结果显示Mn/TiO2上NOx物种的反应活性顺序为双齿硝酸盐>气态NO2>线性亚硝酸盐>单齿亚硝酸盐，表明高温下快速SCR反应仍发生，但NO2不是唯一的反应物种。
Co(3)−Mn/TiO2催化剂上NH3与预吸附NO+O2瞬态反应的原位DRIFT光谱
图A（150°C反应）：NO+O2吸附形成四种NOx物种谱带，通入NH3后，仅气态NO2的谱带开始下降，配位NH3的特征峰未出现，证实NO2和NH3参与快速SCR反应，体现了催化剂良好的低温催化性能。
图B（270°C反应）：270°C时，所有NOx物种迅速减少，表明它们都参与了SCR反应，进一步证明了这些物种的优异的NOx活性。NOx完全消耗后，配位NH3的谱带出现。
图C（270°C时NOx物种消耗情况）：记录270°C时不同NOx物种归一化谱带强度随时间的变化，发现气态NO2、双齿硝酸盐和线性亚硝酸盐消耗很快，单齿亚硝酸盐稍慢。与Mn/TiO2相比，Co(3)−Mn/TiO2中气态NO2、双齿硝酸盐和单齿亚硝酸盐的反应活性显著提高，表明Co和Mn的相互作用增加了这些NOx物种与NH3的反应速率。
原位DRIFTS作为一种强大的分析技术，以其独特的原位分析能力、对反应中间体的捕捉以及在各种复杂条件下的适应性，在材料科学和催化领域展现出了巨大的优势。
随着科学技术的不断发展，原位DRIFTS的应用前景也十分广阔，未来，它有望在更多的领域中发挥重要作用，为解决更多的科学问题和实际应用难题提供有力的支持。
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