还在靠产物猜机理？荆谱若科技PM-DEMS助力同位素示踪解锁催化反应的真实反应路径
同位素示踪结合荆谱若科技 PM-DEMS 多功能原位质谱仪，可以精准标记反应物分子，追踪原子迁移转化路径，直接捕捉反应中间体与产物，为反应机理提供直接实验证据，是催化反应中不可或缺的表征手段。
图1.同位素标记在大气污染物中的应用[1]
Environ.Sci.Technol.2026,60,15020-15032
催化反应面临产物溯源难题，普通表征手段很难区分从何反应生成。同位素示踪技术，就是破解这一类机理难题的有力武器。无论催化剂做何种改性调控，原子层面的迁移转化行为，都会直接体现在同位素标记产物的质谱信号上。
一、同位素示踪中的常用元素
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碳同位素标记（例如：13CO2）：通过 13CO2 / CO2 切换，利用质谱区分 12CO 与 13CO、12CO2 与13CO2 信号，定量区分不同碳源对最终产物的贡献，分辨反应物转化路径，明确碳的转化方向，广泛用于 CO2 还原、甲烷干重整等反应体系。
2. 氢同位素标记（例如：D2）：通过 H2 / D2或 H2O / D2O 切换，质谱检测 H2、HD、D2 信号，用来评价催化剂表面氢活化、氢溢出、氢迁移能力，广泛用于水分解、CO2 加氢、脱氢反应等反应体系。
3. 氧同位素标记（例如：18O2）：通过 H218O / H2O、18O2 / O2切换，质谱识别不同质荷比的氧信号，追踪氧原子迁移路径，区分晶格氧的参与度，适用于燃烧反应、催化氧化、水氧化、光催化氧化等反应体系。
4. 氮同位素标记（例如：15N2）：通过 15N2 / N2 切换，质谱分辨不同质量数含氮中间体与产物，追踪氮物种完整转化流向，区分不同氮源对目标产物的贡献，适用于氨合成、氨分解、NOx 催化转化等反应体系。
5. 硫同位素标记（例如：33S）:通过 32S / S 切换，标记含硫底物，质谱识别不同质荷比的含硫产物信号，追踪硫原子迁移转化路径，解析硫吸附-脱附、硫中毒规律。适用于硫化氢分解、SO2 还原、脱硫反应、耐硫催化、硫化物脱硫等反应体系。
工况或升温条件下引入同位素反应物，实时多通道采集多质荷比信号，使得温度、同位素信号、产物关联，区分不同温度区间的主导反应路径。
二、荆谱若科技PM-DEMS：同位素示踪必不可少的检测平台
将催化反应器与质谱联用的手段，可以在程序升温、稳态循环、脉冲反应条件下，毫秒级同步采集信号，直接关联反应工况与同位素产物信号。
荆谱若科技 PM-DEMS 多功能原位质谱仪可适配固定床反应器、原位拉曼 / 红外反应池、化学吸附仪、热重分析仪等多种装置；支持稳态反应、程序升温、H-D 交换、13C 同位素示踪等各类实验，实时捕捉反应全过程同位素动态变化，为催化机理研究提供关键实验证据。
三、客户案例（以热催化为例）
案例1：13CO2 示踪区分 CO 双来源
甲烷干重整
Sci.China.Chem.2026:1-11.
甲烷干重整反应中 CO 存在两条生成路径：CH4 直接裂解生成 CO 或 CO2 活化还原生成 CO，普通产物检测无法分辨碳来源。该工作采用 13CO2 同位素示踪实验，质谱同步记录 CH4、CO2、12CO、13CO 随时间演化曲线。 给出 CO2 还原路径的贡献占比，直观对比甲烷裂解与二氧化碳活化两条通路的强弱，为催化机制提供直接的实验依据。
案例2：H-D 交换解析表面氢迁移
水分解制氢
ACS Sustainable Chem. Eng. 2025,13,19065-19075.
催化剂表面氢吸附-迁移-脱附行为直接决定产氢性能。实验循环切换 H2O / D2O 进料，在线质谱连续监测 H2、D2 信号随循环的演变。图谱观察 D2 的上升与衰减过程，捕捉动态 H-D 交换行为，证实催化剂表面氢迁移能力，解析水分解过程氢传递内在机理。
案例3：程序升温-同位素同步追踪竞争反应
环烷烃脱氢
J.Am.Chem.Soc.2026,148:32620-32629.
程序升温条件下质谱同时采集 m/z=2(H2)、m/z=3(HD)、m/z=4(D2)，同时同步监测底物环己烷（m/z=84）、产物苯（m/z=78）信号。 随着温度不断升高，可以同步观察同位素氢物种、反应物、产物的消长变化，定位脱氢反应起始温度，区分表面 H-D 交换副反应和分子主脱氢反应的竞争关系，把温度条件、同位素信号、产物三者联系，还原升温过程完整反应演化。
同位素标记结合荆谱若科技 PM-DEMS 多功能原位质谱仪，能够跳出仅看最终产物的局限，直接追踪原子来源与路径，把机理推测转化为实测证据，为催化剂改性、反应机理解析提供强有力支撑。
其他客户案例：
电催化水分解
Nat. Commun. 2024, 15: 9774.
电催化水分解
Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202512848.
海水电解
Appl. Catal. B Environ. 356(2024)124259.
电催化硝酸根还原
Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64(18): e202502957.
电化学氢同位素分离
J. Am. Chem. Soc. 2026, 148(16): 16626-16635.
电化学氢同位素分离
PNAS. 2026, 123(9): e2533803123.
参考文献：
[1] Jiaqi Dong, Yulong Yan, Lin Peng, Xionghui Qiu, Junjie Li, Ke Yue, Yueyuan Niu, Xiaolin Duan, Shijie Yang, Yuhe Dong, Xin Lyu, Jing Wu, Zhen Li; Disentangling Nitrate Formation and Sources over East Asia and North America via Computational Quantum Chemistry-Guided Isotope Tracing Method. Environ. Sci. Technol. 2 June 2026; 60 (21): 15020–15032.
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