Exploring the Radical Nature einer Kohlenstoffoberfläche durch Elektronenspinresonanz und einem kalibrierten Gasdurchfluss

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, die Natur stabiler Radikale auf der Oberfläche von festen Kohlenstoffsubstraten und die Wirkung der Oxidation auf diese Radikale zu charakterisieren. Dies wird erreicht, indem getrocknete Kohlenstoffproben bei 95 Grad Celsius in einem Vakuumschrank vorbereitet werden. In einem zweiten Schritt wird eine diamagnetische Gasströmung durch die Proben geblitzt und die Art der Kohlenstoffradikale durch EPR-Spektroskopie nachgewiesen, die die Art und Geschwindigkeit der Bildung von Kohlenstoffradikalen in einer inerten Umgebung charakterisiert.

Anschließend wird Luft oder Sauerstoff durch die Kohlenstoffprobe geströmt, um das Verschwinden der Kohlenstoffradikale in einer oxidierenden Umgebung zu verfolgen. Die Ergebnisse zeigen, dass Kohlenstoffsubstrate durch die Oxidationsbehandlung unterschiedlich beeinflusst werden, abhängig von ihren Verbundwerkstoffen und der schlechten Dichte, basierend auf B-E-T-F-T-I-R- und EPR-Messungen. Die Auswirkungen dieser Technik erstrecken sich auch auf feste Energieressourcen wie Kohle.

Denn diese Oxidationsprozesse haben wichtige Auswirkungen auf die richtige Lagerung und Verwendung. Obwohl diese Methode Einblicke in funktionelle Oberflächengruppen auf festen Oberflächen geben kann, kann sie auch auf andere Systeme wie Zeolith, Meso, Postmaterialien und Monoschichten angewendet werden. Auf diese Idee kamen wir, als wir herausfanden, dass verschiedene Schädelproben durch unterschiedliche radikale Naturen gekennzeichnet sind.

Bevor Sie mit diesem Verfahren beginnen, bereiten Sie Kohlenstoffproben für EPR-Messungen vor, indem Sie die Proben in offenen Glasfläschchen unter einer inerten Umgebung in einem Vakuumschrank erhitzen. Füllen Sie dann jedes Fläschchen mit einer Kohleprobe und verschließen Sie jedes Probenfläschchen mit einem Gummiseptum und einer Aluminiumkappe, um alle Spuren von Sauerstoff zu entfernen. Schließen Sie das Fläschchen an ein Vakuumsystem an und dichten Sie alle Ventile ab.

Schalten Sie die Vakuumpumpe ein. Warten Sie nach dem Öffnen des Vakuumventils, bis die Monitore ein Vakuum von ca. 0,1 Millibar anzeigen. Stellen Sie sicher, dass die Leckage minimal ist, indem Sie das Vakuumventil schließen und bis 30 zählen.

Öffnen Sie das Probenventil, um die Atmosphäre im Fläschchen zu entfernen. Sobald der Druck wieder auf den im vorherigen Schritt ermittelten Ausgangsdruckwert zurückkehrt, wiederholen Sie die Dichtheitsprüfung. Nachdem Sie ein Vakuum erreicht und die Fläschchen effektiv von der verbleibenden Atmosphäre gespült haben, schließen Sie das Vakuumventil.

Öffnen Sie dann sofort das Inertgasventil und lassen Sie den Druck 0,5 Atmosphären erreichen. Schließen Sie anschließend das Inertgasventil und öffnen Sie das Unterdruckventil, um das Gas zu entfernen. Nachdem das System gespült wurde, schließen Sie das Vakuumventil und öffnen Sie sofort das Gasventil, so dass der Druck 0,5 Atmosphären erreicht.

Sobald das System ein zweites Mal gespült wurde, öffnen Sie das Gasventil und lassen Sie den Druck eine Atmosphäre erreichen. Entfernen Sie nach dem Schließen des Gasventils und des Probenventils das Fläschchen, indem Sie es vorsichtig nach unten ziehen und die Nadel entfernen. Öffnen Sie anschließend das Vakuumventil, um das Gas aus dem Vakuumsystem zu spülen.

Öffnen Sie das Probenahmeventil, um Luft in das System zu lassen, und schalten Sie gleichzeitig die Vakuumpumpe aus, um einen Rückfluss des Öls zu verhindern. Drehen Sie zu diesem Zeitpunkt das offene Ende eines frisch gespülten EPR-Röhrchens vorsichtig in das Fläschchen mit der Kohlenstoffprobe. Drücken und drehen Sie die EPR-Röhre.

Klopfen Sie dann vorsichtig ab, bis sich die Probe am Boden gleichmäßig verteilt hat. Sobald das Röhrchen eine ausreichende Menge an Probe enthält, versiegeln Sie die Spitze mit etwa 0,5 bis einem Zentimeter Teflon-Gummispachtel. Um das Strömungssystem einzurichten, führen Sie das Quarzrohr in den EPR-Resonator ein und achten Sie darauf, dass der mit der Kohle gefüllte Abschnitt des EPR-Rohrs den gesamten Resonatorhohlraum ausfüllt.

Stellen Sie einen Tank mit dem gewünschten Durchflussgas auf und stellen Sie sicher, dass zwei Betriebsventile vorhanden sind, um den Durchfluss zu steuern. Schließen Sie anschließend den Gummischlauch an den Tank an und stellen Sie sicher, dass der Schlauch die Spitze des EPR-Quarzrohrs mit genügend Zug erreicht, um das Quarzrohr nicht zu belasten. Schließen Sie einen Durchflussregler an den Gummischlauch an, um den Gasfluss zu überwachen.

Nachdem Sie eine kleine Nadel an den Gummischlauch befestigt haben, führen Sie die Nadel durch den Gummi-Teflon-Kitt ein, bis sie sich etwa drei bis vier Zentimeter über der Probe befindet, um das Magnetfeld nicht zu beeinflussen. Bohren Sie dann ein Loch in den Gummikitt, um das austretende Gas abzulassen. Öffnen Sie nach dem Einschalten des EPR-Spektrometers das Mikrowellenabstimmungsfeld.

Lokalisieren Sie den Einbruch bei 33 Dezibel Leistung und verwenden Sie Auto-Tune, um die besten Abstimmbedingungen zu erhalten. Nachdem die Mikrowellenleistung auf zwei Milliwatt eingestellt wurde, öffnen Sie das 2D-Experiment in Abhängigkeit von Magnetfeld und Zeit. Stellen Sie dann die entsprechenden Parameter des Experiments ein.

Starten Sie anschließend den Messzyklus und schalten Sie den Gasfluss ein. Nachdem die Probe das Gleichgewicht erreicht hat und sich die Form der EPR-Linie nicht mehr ändert, stoppen Sie den Gasfluss, setzen Sie die Probe Luft aus und fahren Sie mit den Messungen fort. Bis 50 Spektren erhalten werden oder bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Eins.

Bei der Durchführung der EPR-Experimente an verschiedenen Kohleproben wurde eine zweite Spezies mit einem G-Wert von etwa 2,0028 beobachtet. Dieser G-Wert liegt nahe am Wert eines freien Elektrons und stimmt mit unsu-substituierten atischen kohlenstoffzentrierten Radikalen überein. Die Gesamtspinkonzentration für jede Probe blieb jedoch konstant innerhalb von plus oder minus 10 %. Der hier gezeigte experimentelle Fehler sind Scans von null Sekunden und 1900 Sekunden, nachdem die Kohleprobe Kohlendioxid ausgesetzt wurde.

Das EPR-Spektrum bei 1900 Sekunden wird durch zwei Spezies charakterisiert. Bei der ersten bei einem G-Wert von 2,004 mit einer Linienbreite von fünf 5G und einer zweiten Spezies, die bei einem G-Wert von 2,0028 mit einer Linienbreite von 2,0 viel schmaler ist, wurde festgestellt G.It, dass die Entstehungsrate dieser zweiten Spezies etwa 500 Sekunden beträgt. Interessanterweise ist das Ausmaß der Bildung dieser zweiten Spezies nach der Stabilisierung für alle Kohleproben ähnlich und wurde mit vier bis 5 % bezogen auf die anfängliche Spinkonzentration bewertet.

Der Rest der Spins entspricht entweder kohlenstoffzentrierten Radikalen oder einem kohlenstoffzentrierten Radikal mit einem Sauerstoffatom. Die unterschiedlichen G-Werte der dominanten Radikalspezies in jeder Probe hängen von der Art der Kohle ab. Da die Kinetik der Bildung dieser zweiten Spezies für jede Kohleprobe unterschiedlich ist, sollte sie mit der Porenfläche der Probe und/oder den funktionellen Gruppen der Oberfläche in Beziehung gesetzt werden.

Um diese funktionellen Gruppen besser charakterisieren zu können, sind andere Techniken wie BET und NMR erforderlich, um die EPR-Daten zu ergänzen. Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, die kalten Proben effektiv zu trocknen. Dieser Schritt ist entscheidend, um die Schaffung einer Baseline zu ermöglichen, in der keine Wassermoleküle auf den Aufrufsubstraten resorbiert werden.

Im Anschluss an diese Verfahren können weitere Methoden wie die Elementaranalyse, NMR, BT und FT IR durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten, wie z.B. die Art der funktionellen Gruppe, die Porosität der Proben und die Zusammensetzung. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die einfache Charakterisierung von Mineraloberflächen mit Radikalen unter Oxygenierung durchführen können.