双光梳光谱技术在NO2二聚中的研究与应用

作     者：汤璐璐 

作者单位：华东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李文雪;顾澄琳

授予年度：2023年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 070302[理学-分析化学] 0706[理学-大气科学] 0703[理学-化学] 

主      题：双光梳光谱技术 气体吸收光谱 NO2二聚反应 

摘      要：二氧化氮(NO)是主要空气污染物之一,严重危害人体健康以及生态系统。此外,NO作为一种高附加值的多功能试剂,在有机合成和化工生产中扮演重要角色,在火箭推进剂方面也具有重要应用。然而,由于自身二聚反应,NO总是与其二聚体四氧化二氮(NO)以平衡混合物的形式共存。因此,实现NO二聚反应的研究,不仅可以定性理解大气中氮氧化物的存在形式和二聚平衡系统,也有助于定量分析NO和NO平衡混合物,这对大气物质变迁研究、环境监测与治理以及工业生产具有重要意义。双光梳光谱技术作为一种先进的光谱测量方法,相比其他光谱测量方法具有宽带、高精度、系统简单的优势,已在温室气体监测、燃烧诊断、绝对距离测量等领域广泛应用。本文采用双光梳光谱技术实现了中红外波段不同温度下NO吸收光谱的测量,实现了不同温度下NO二聚反应中反应物和产物的浓度监测与分析,证明了双光梳光谱技术在平衡反应监测与测量分析方面的潜力。本论文的具体研究内容和创新点如下:1.研究并搭建中红外双光梳光谱系统。在周期极化铌酸锂晶体中,通过1030nm高功率掺镱光纤激光器对3374 nm窄线宽连续激光器的光调制过程实现了中红外光学频率梳的产生。基于同一台连续激光器产生的两台中红外光学频率梳研制了具有内禀互相干性的中红外双光梳系统,其具有梳齿可分辨能力,在1 s的采样时间内获得的射频梳齿线宽约为1 Hz,光谱分辨能力为108 MHz,光谱采样速度为600 Hz,光谱覆盖范围为3170-3540 nm。该系统可同时覆盖NO和NO的吸收带,为NO二聚监测提供了工具基础。2.开展了基于双光梳光谱技术的NO和NO的高精度吸收光谱测量研究。NO测量结果与高分辨透射分子光谱数据库(HITRAN)理论结果吻合良好,证明了双光梳光谱仪测量分子光谱的准确性。而目前常用的光谱数据库尚未收录NO的谱线参数,实验获得了不同温度下NO的吸收光谱并计算了吸收线强,为NO进一步测量分析提供了参考依据。3.开展了不同温度下NO二聚反应监测研究。利用具有宽带特性的中红外双光梳光谱系统,在296-423 K温度范围内,实现了NO二聚反应中单体NO及其二聚体NO分子浓度的同时在线监测与分析。在296-343 K温度范围内,分子测量浓度与理论浓度的残差标准差为1.37%,在此基础上分析了反应进行程度与温度的关系。当温度高于353 K时,发现NO二聚程度很低,平衡混合物中以NO为主要气体。