催化是现代化工应用的重要组成部分,对于国家经济的发展有重要贡献。催化包括均相、多相催化等过程,现代化工中的合成氨、甲醇制烯烃、费托合成等都是气固两相催化过程。多相催化中反应物通常要扩散到催化剂表面,发生化学吸附,并在表面活化继而发生化学反应,随后产物脱附并扩散。因此,对这些脱附产物,尤其是不稳定中间体和自由基的原位探测和表征,对于了解催化反应机理、指导催化剂设计至关重要。分子束质谱技术(SR-PIMS)可以将稳定、不稳定气相产物“冷冻”,并进行实时、在线质谱分析。结合同步辐射光电离的分子束质谱技术(SR-PIMS),还具有质谱碎片离子少,可以分辨同分异构体等特点,特别适合于气相复杂反应体系的研究。比如利用SR-PIMS技术原位探测到合成气催化转化(FTO)中乙烯酮等关键活泼中间产物,为揭示该催化反应新机理提供了关键证据之一;研究甲烷催化氧化偶联反应(OCM)时,在气相中原位探测到了甲基自由基的存在,证实了前人关于甲烷氧化活化脱氢过程中会产生甲基自由基这一猜测;研究甲醇制烃(MTH)过程中,利用SR-PIMS技术原位研究了活泼中间体甲醛在诱导期、稳定期和失活期的变化过程,明确了反应中甲醛的形成和演化机理。但是,上述实验所用原位催化探测装置都只是在低压及常压环境下进行中间体的探测,无法对实际工业催化过程中高压环境下的催化过程及反应产物进行原位实时在线探测分析。为解决以上问题,本论文设计开发出了结合同步辐射光电离质谱的原位催化高压反应器,并选择丝光沸石分子筛(HMOR)催化的二甲醚羰基化制备乙酸甲酯和经典的费托反应为催化实验体系,证实了该反应器在原位高压探测催化反应的方面的实用性。本论文主要分为三个章节进行论述:第一章介绍了质谱仪的组成以及国内外发展状况。同时介绍了同步辐射光电离质谱以及合肥光源燃烧实验线站的情况,进一步介绍了原位催化探测技术以及原位质谱技术在OCM、FTO和MTH等过程中的应用;第二章主要介绍该套原位催化高压器的结构设计和安全计算,设计上采用了气体动力学理论计算以及COMSOLMultiphysics软件仿真,并通过实验测量对仿真结果进行了验证,确保该反应器设计的合理性和准确性;第三章中在近工况不同压力下对二甲醚羰基化催化制备乙酸甲酯反应进行了原位质谱研究,这里选择0.1 MPa和1.0MPa两种不同压力,对其反应产物进行原位同步辐射光电离质谱探测,结果表明,高压下的反应产物与常压下的产物组成存在明显区别,反应产物的选择性与反应压力高度依赖,与前人文献相一致。其后,通过程序升温实验探究该体系不同温度下的中间产物和稳定产物的生成过程和反应路径。实验结果表明该反应过程的失活机理是由MTO过程中产生积炭导致,验证了前人提出的失活机理。低温阶段生成的乙酸甲酯在高温阶段会进一步转化乙烯酮,而甲醛的生成可能是由于乙烯酮或者二甲醚在更高温度的转化。通过一系列实验验证了该反应体系的催化剂失活机理以及丰富了高温部分的反应路径。第四章,以经典费托反应为高压催化实验体系,选择0.16MPa和1.3 MPa两种不同压力进行时间分辨实验,结果表明,高压有利于长链烃类的形成,与前人的费托机理一致,证实该反应器在高压催化体系的实用性。结论与展望部分对本论文工作进行总结,并且展望了未来需要进一步改进的地方。