استكشاف الطبيعة الراديكالي من سطح الكربون الكترون ممغطس الرنين وتدفق الغاز معايرة

الهدف العام من التجربة التالية هو توصيف طبيعة الجذور الحرة المستقرة على سطح ركائز الكربون الصلبة وتأثير الأكسدة على تلك الجذور. ويتم تحقيق ذلك من خلال تحضير عينات كربون مجففة عند 95 درجة مئوية في فرن تفريغ. وكخطوة ثانية، يتم تمرير تدفق سريع لغاز ديا مغناطيسي عبر العينات، ثم يتم الكشف عن طبيعة جذور الكربون باستخدام مطيافية EPR، والتي تصف طبيعة ومعدل تكوين جذور الكربون في بيئة خاملة.

بعد ذلك، يتم تمرير الهواء أو الأكسجين عبر عينة الكربون لمتابعة اختفاء جذور الكربون في بيئة مؤكسدة. وتظهر النتائج أن الركائز الكربونية تتأثر بشكل مختلف بمعالجة الأكسدة، اعتمادًا على تركيباتها وكثافتها المنخفضة بناءً على قياسات B-E-T-F-T-I-R وEPR. وتمتد تطبيقات هذه التقنية لتشمل موارد الطاقة الصلبة مثل الفحم.

نظراً لأن عمليات الأكسدة هذه لها تداعيات هامة على التخزين والاستخدام السليمين. ورغم أن هذه الطريقة يمكن أن توفر رؤية حول المجموعات الوظيفية السطحية على الأسطح الصلبة، إلا أنه يمكن تطبيقها أيضاً على أنظمة أخرى مثل الزيوليت والمواد المسامية المتوسطة (meso) والمواد اللاحقة والطبقات الأحادية. وقد خطرت لنا هذه الفكرة لأول مرة عندما وجدنا أن عينات الجمجمة المختلفة تتميز بطبيعة جذور مختلفة.

قبل البدء بهذا الإجراء، يتم تحضير عينات الكربون لقياسات EPR عن طريق تسخين العينات في قوارير زجاجية مفتوحة تحت بيئة خاملة داخل فرن تفريغ. بعد ذلك، تُملأ كل قارورة بعينة من الفحم، وتُسد كل قارورة عينة بسدادة مطاطية وغطاء من الألومنيوم لإزالة جميع آثار الأكسجين. تُوصل القارورة بنظام تفريغ وتُغلق جميع الصمامات.

قم بتشغيل مضخة التفريغ. بعد فتح صمام التفريغ، انتظر حتى تظهر الشاشات ضغط تفريغ يبلغ حوالي 0.1 millibar. تأكد من أن التسريب في حده الأدنى عن طريق إغلاق صمام التفريغ والعد حتى 30.

افتح صمام العينة لإزالة الغلاف الجوي الموجود في القارورة. وبمجرد عودة الضغط إلى قيمة الضغط الأولية المحددة في الخطوة السابقة، كرر اختبار التسريب. بعد تحقيق حالة الفراغ وتفريغ القوارير بفعالية من الغلاف الجوي المتبقي، أغلق صمام الفراغ.

بعد ذلك، افتح صمام الغاز الخامل فوراً واترك الضغط ليصل إلى 0.5 atmospheres. تلي ذلك خطوة إغلاق صمام الغاز الخامل وفتح صمام التفريغ لإزالة الغاز. وبعد تطهير النظام، أغلق صمام التفريغ وافتح صمام الغاز فوراً، مع السماح للضغط بالوصول إلى 0.5 atmospheres.

بمجرد تطهير النظام للمرة الثانية، افتح صمام الغاز واترك الضغط ليصل إلى ضغط جوي واحد. بعد إغلاق صمام الغاز وصمام العينة، قم بإزالة القارورة عن طريق سحبها بلطف إلى الأسفل وإخراج الإبرة. بعد ذلك، افتح صمام التفريغ لتفريغ الغاز من نظام التفريغ.

افتح صمام العينة للسماح بدخول الهواء إلى النظام، وأوقف تشغيل مضخة التفريغ في الوقت ذاته لمنع التدفق العكسي للزيت. عند هذه النقطة، وجه الطرف المفتوح لأنبوب EPR مغسول حديثاً بلطف نحو القارورة التي تحتوي على عينة الكربون. ثم اضغط على أنبوب EPR وأدره.

بعد ذلك، قم بالنقر برفق حتى يتوزع sample بالتساوي في القاع. وبمجرد أن يحتوي الأنبوب على كمية كافية من sample، قم بسد الطرف باستخدام حوالي 0.5 إلى 1 سم من معجون التفلون المطاطي. ولإعداد نظام التدفق، أدخل أنبوب الكوارتز في رنان EPR، مع التأكد من أن جزء أنبوب EPR المملوء بالفحم يملأ تجويف الرنان بالكامل.

قم بتجهيز خزان يحتوي على الغاز التدفق المطلوب، مع التأكد من وجود صمامي تشغيل للتحكم في التدفق. بعد ذلك، قم بتوصيل أنابيب مطاطية بالخزان وتأكد من وصول الأنابيب إلى طرف أنبوب الكوارتز الخاص بجهاز EPR مع ترك مسافة كافية بحيث لا يتم الضغط على أنبوب الكوارتز. قم بتوصيل متحكم في التدفق بالأنابيب المطاطية لمراقبة تدفق الغاز.

بعد تركيب إبرة ذات قياس صغير في الأنبوب المطاطي، أدخل الإبرة عبر معجون التيفلون المطاطي حتى تصبح على ارتفاع يتراوح بين ثلاثة إلى أربعة سنتيمترات فوق العينة، وذلك لتجنب التأثير على المجال المغناطيسي. ثم اصنع ثقباً في المعجون المطاطي لتصريف الغاز الخارج. وبعد تشغيل مطياف EPR، افتح لوحة ضبط الميكروويف.

حدد موقع الانخفاض عند قدرة 33 ديسيبل واستخدم ميزة الضبط التلقائي (Auto-Tune) للحصول على أفضل ظروف الضبط. بمجرد ضبط قدرة الميكروويف على 2 milliwatts، افتح تجربة ثنائية الأبعاد (2D) كدالة في المجال المغناطيسي والزمن. ثم قم بضبط المعلمات المناسبة للتجربة.

بعد ذلك، ابدأ دورة القياس وقم بتشغيل تدفق الغاز. وبمجرد وصول العينة إلى حالة التوازن، وعدم حدوث أي تغيير إضافي في شكل خط EPR، أوقف تدفق الغاز، وعرّض العينة للهواء وتابع القياسات. استمر في ذلك حتى يتم الحصول على 50 طيفاً أو حتى يتم الوصول إلى حالة التوازن. واحد.

عند إجراء تجارب EPR على عينات مختلفة من الفحم، لوحظ وجود نوع ثانٍ عند قيمة G تبلغ حوالي 2.0028. وهذه القيمة لـ G قريبة من قيمة الإلكترون الحر وتتسق مع الجذور الحرة المتمركزة حول الكربون غير المستبدل. ومع ذلك، ظل إجمالي تركيز الغزل لكل عينة ثابتاً في حدود زائد أو ناقص 10%. وتظهر الأخطاء التجريبية هنا عند مسحات صفر ثانية و1900 ثانية بعد تعريض عينة الفحم لثاني أكسيد الكربون.

يتميز طيف EPR عند 1900 ثانية بوجود نوعين. الأول عند قيمة G تبلغ 2.004 مع عرض خط قدره 5G، والنوع الثاني يكون أضيق بكثير عند قيمة G تبلغ 2.0028 مع عرض خط قدره 2.0 G. وقد وُجد أن معدل تكوين هذا النوع الثاني يبلغ حوالي 500 ثانية. ومن المثير للاهتمام أن مدى تكوين هذا النوع الثاني بعد الاستقرار كان متشابهاً لجميع عينات الفحم، وقُدّر بنسبة 4 إلى 5% بالنسبة لتركيز الغزل الأولي.

تتوافق بقية الدوارات إما مع جذور مركزها الكربون أو جذر مركزه الكربون مع ذرة أكسجين. وتعتمد قيم G المختلفة لأنواع الجذور السائدة في كل عينة على طبيعة الفحم. وبما أن حركية تكوين هذا النوع الثاني لكل عينة فحم مختلفة، فينبغي أن يكون ذلك مرتبطاً بمساحة مسام العينة و/أو المجموعات الوظيفية السطحية.

من أجل توصيف هذه المجموعات الوظيفية بشكل أفضل، يلزم استخدام تقنيات أخرى مثل BET وNMR لاستكمال بيانات EPR. وأثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم تذكر تجفيف العينات الباردة بشكل فعال؛ حيث تعد هذه الخطوة حاسمة لتمكين إنشاء خط أساس لا يتم فيه إعادة امتصاص جزيئات الماء على ركائز الاستدعاء.

بعد اتباع هذه الإجراءات، يمكن إجراء طرق أخرى مثل التحليل العنصري والرنين المغناطيسي النووي (NMR) وتشتت الضوء (BT) والأشعة تحت الحمراء بتحويل فوريه (FT IR) من أجل الإجابة على أسئلة إضافية مثل طبيعة المجموعة الوظيفية، ومسامية العينات، والتركيبات. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية إجراء التوصيف البسيط للسطح الصلب مع جذور تحت معاملة الأكسجة.