Kritischer Stickstoff Verarbeitung für die Reinigung von Reactive Porous Materials

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist die Reinigung von Magnesiumbau, Hydrid, einem porösen, komplexen Hydrid und Wasserstoffspeichermaterial mit hoher Dichte unter Verwendung von überkritischem Stickstoff. Dies wird erreicht, indem zunächst eine Probe von Magnesium-Burrohydrid in komprimiertem flüssigem Stickstoff im nahezu kritischen Bereich des Phasendiagramms bei minus 163 Grad Celsius und 20 bar eingeweicht wird, wo seine hohe Flüssigkeitsdichte auf eine hohe Lösungsmittelkraft gegenüber Zielverunreinigungen wie Dior und Endbutylspezies hinweist. In einem zweiten Schritt wird der flüssige Stickstoff erhitzt und bei minus 123 Grad Celsius und etwa 100 bar in den dichten überkritischen Bereich des Phasendiagramms verdichtet.

Als nächstes können der überkritische Stickstoff und alle gelösten Spezies aus der Probe extrahiert werden, indem der Druck auf das Vakuum langsam auf minus 123 Grad Celsius reduziert wird, wodurch der Phasenübergang von Flüssigkeit zu Gas umgangen wird, bei dem Oberflächenspannungseffekte zu einer schlechten Extraktion der Zielspezies führen können. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Gas nach iterativen überkritischen Stickstofftrocknungsbehandlungen zersetzt. Produkte des Magnesium-Bauhydrids bestehen nur aus Wasserstoff, der auf temperaturprogrammierter Zerlegung in Verbindung mit Infrarotspektroskopie basiert.

Im Mittelpunkt unserer Forschungsaktivitäten stehen die Materialwissenschaften im Zusammenhang mit der Speicherung erneuerbarer Energien. Seit Beginn unserer bahnbrechenden Forschung an komplexen Hydriden als Wasserstoffspeichermaterialien ist die Synthese von Borhydridverbindungen eine Herausforderung. Reine Verbindungen sind schwer herzustellen, aber für wissenschaftliche Untersuchungen unerlässlich.

Reinigungsmethoden können helfen, Schlüsselfragen im Bereich der Festkörper-Wasserstoffspeicherung zu beantworten, z. B. welche Rolle Verunreinigungen bei den Zersetzungsreaktionen komplexer Hydrate spielen. Die Antwort ist nach wie vor kompliziert und bis heute umstritten. Die Idee, diese Strategie zu verfolgen, wurde durch die Arbeit von Hopin-Kollegen inspiriert, die 2009 über den effektiven Einsatz von überkritischem Kohlendioxid bei der Aktivierung metallorganischer Gerüste berichteten.

Hier verwenden wir Stickstoff auf ähnliche Weise für poröse komplexe Hydride, indem wir den überkritischen Bereich seines Phasendiagramms mit hoher Dichte bei Temperaturen ausnutzen, die viel niedriger als die EBR-Temperaturen sind. Der Hauptvorteil der überkritischen Stickstoffaufbereitung gegenüber bestehenden Methoden wie der überkritischen Kohlendioxidtrocknung besteht darin, dass Stickstoff in Richtung stark reduzierender Verbindungen wie Alienate und Bohydride eingesetzt wird, während er immer noch viele Vorteile eines idealen überkritischen Lösungsmittels aufweist. Alle vier.

Diese spezielle Methode hat sich bei der Behandlung von porösem Magnesiumborhydrid als wirksam erwiesen. Es kann auch auf andere Materialien angewendet werden, bei denen die Reaktivität von Kohlendioxid seine Verwendung als Trocknungs- oder Extraktionsmittel verbietet, ist es aufgrund der erforderlichen kalten Temperaturen und geringen Drücke nahezu universell einsetzbar. Verwenden Sie eine grundlegende superkritische Trocknungsvorrichtung, die aus einem Gasversorgungs-Dosierverteiler, einem Vakuumsystem, Temperatur- und Drucksensoren und der Probenumgebung besteht, die alle durch Hochdruckgasschläuche verbunden sind, und laden 0,1 bis 0,5 Gramm Magnesiumborrowhydrid in den Probenhalter unter einer Einfühlungsatmosphäre, wie z. B. einer Argonnen-Handschuhbox bei Umgebungstemperatur.

Verschließen Sie den Probenhalter mit einer Filterdichtung und schließen Sie dann das Ventil. Nachdem Sie den Probenhalter aus dem Handschuhfach genommen haben, befestigen Sie ihn anschließend an der Apparatur, öffnen Sie den Dosierverteiler zum Vakuumieren über V zwei und evakuieren Sie. Nach dem Öffnen von V drei und dem Evakuieren des Geräts wird das Gerät über V eins mit Stickstoff versorgt und über V zwei evakuiert.

Evakuieren und einige Male reinigen. Öffnen Sie dann V four und evakuieren Sie die Probe bis zu 24 Stunden lang bei Raumtemperatur. Um den minimalen Druck des Systems zu erreichen, installieren Sie das Probenbad um den Probenhalter, indem Sie das Bad auf einer Scherenhebebühne in Position bringen.

Stellen Sie anschließend die Heizung auf die gewünschte zukünftige Flüssigkeitstemperatur von minus 163 Grad Celsius ein und fahren Sie mit der Evakuierung der Vorrichtung fort, bis sich die Temperatur ausgleicht. Für die überkritische Stickstofftrocknung von Magnesiumborhydrid ist eine Flüssigkeitstemperatur von minus 163 Grad Celsius zu wählen, was einer Zwischendichte von 0,6 Gramm pro Milliliter entspricht. Schließen Sie anschließend das System zum Vakuumieren, indem Sie V zwei Drosselklappen und V eins langsam öffnen, sodass der Druck in den Flüssigkeitsbereich des Phasendiagramms über 20 bar ansteigt. Nach dem Äquilibrieren des Systems bei 20 bar und minus 163 Grad Celsius lassen Sie die Probe vier Stunden lang in flüssigem Stickstoff einweichen.

Stellen Sie die Heizung auf minus 123 Grad Celsius mit einer Rampe von mindestens zwei Grad pro Minute ein. Der Druck darf nicht höher als der maximale Nenndruck des Geräts ansteigen, nachdem das System bei dem maximalen Nenndruck und minus 123 Grad Celsius ausgeglichen wurde. Lassen Sie die Probe zu diesem Zeitpunkt mindestens eine Stunde lang in überkritischem Stickstoff einweichen.

Schließen Sie V eins und knacken Sie das System vorsichtig auf Vakuum, indem Sie V zwei drosseln, damit der Druck so langsam wie möglich abnimmt. Entfernen Sie das Probenbad und öffnen Sie V zwei vollständig, um die Probe nach der Behandlung bei Raumtemperatur und Hochvakuum vollständig auszugleichen. Schließen Sie die Ventile V drei und V vier und entfernen Sie den Probenhalter aus dem Gerät.

Bringen Sie den Probenhalter zur Handhabung in eine inerte Umgebung, z. B. in ein mit Argonnen gefülltes Handschuhfach. Nehmen Sie abschließend die Probe aus dem Probenhalter und lagern Sie sie in einem verschlossenen Behälter bei Umgebungstemperatur. Die hierin beschriebene überkritische Stickstofftrocknungsmethode war erfolgreich für die Reinigung von porösem Magnesiumborhydrid.

Die Zielspezies der Extraktion waren D-Bohrung und eine unspezifische Endbutylverunreinigung, die nach iterierten Behandlungen mit überkritischer Stickstofftrocknung auf vernachlässigbare Mengen reduziert werden konnten. Die Infrarotspektroskopie der bei der Zersetzung entstandenen gasförmigen Spezies nach drei Behandlungen ergab keine nachgewiesenen Verunreinigungen. Sobald eine Reihe erfolgreicher Protokollbedingungen für eine bestimmte Anwendung festgelegt wurde, kann diese Technik hochskaliert werden, um große Mengen an synthetisiertem Material zu reinigen. Die Haupteinschränkung besteht darin, dass die Probe einen ausreichenden thermischen Kontakt mit dem Bad und damit eine entsprechend gestaltete Probenumgebung haben sollte.

Bei der Vorbereitung einer geeigneten Apparatur für dieses Verfahren ist das Niedertemperaturbad die wichtigste Überlegung. Da dieses Verfahren keine außergewöhnlich niedrigen Temperaturen erfordert, haben wir uns für eine einfache Konstruktion entschieden, bei der eine typische Fallheizung in Leckstickstoff als Kühlmittel getaucht wird. Analytische Methoden wie Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Infrarotspektroskopie oder Raman-Spektroskopie können an der resultierenden Probe durchgeführt werden.

Ohne den unerwünschten Einfluss von Restverunreinigungen kann die Probe unmittelbar vor der Charakterisierung problemlos verarbeitet werden. Superkritische Extraktionstechniken werden bereits in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Von der Entkoffeinierung von Kaffeebohnen bis hin zu fortschrittlichen Methoden zur Katalysatorabscheidung in porösen Trägern unter Verwendung von Stickstoff als Extraktionsmittel erweitern wir einfach die Anwendbarkeit dieser Techniken auf Materialien, die auf andere gebräuchlichere überkritische Lösungsmittel reagieren.

Die Entwicklung neuer Techniken ermöglicht es den Wissenschaftlern, Fragen zu beantworten, die für neu entstehende Materialien relevant sind. Für Wasserstoff-Energieanwendungen könnte die überkritische Stickstoffverarbeitung komplexe Wasserkraftwerke der nächsten Generation hervorbringen, was einen Schritt näher daran ist, als mobile Wasserstoffspeichermaterialien in der nachhaltigen Energielandschaft der Zukunft zu dienen.