Artículo de método

Procesamiento de nitrógeno supercrítico para la purificación de reactivos Materiales porosos

DOI:

10.3791/52817

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15 de mayo de 2015

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1Hydrogen and Energy Laboratory, Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology

En este artículo

Resumen

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El nitrógeno es un fluido supercrítico eficaz para procesos de extracción o de secado debido a su pequeño tamaño molecular, de alta densidad en el régimen supercrítico-cerca de líquido, e inercia química. Se presenta un protocolo de secado de nitrógeno supercrítico para el tratamiento de purificación de materiales reactivos, porosos.

Resumen

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Los métodos de extracción y secado de fluidos supercríticos están bien establecidos en numerosas aplicaciones para la síntesis y el procesamiento de materiales porosos. Aquí, el nitrógeno se presenta como un nuevo fluido de secado supercrítico para aplicaciones especializadas, como en el procesamiento de materiales porosos reactivos, donde el dióxido de carbono y otros fluidos no son apropiados debido a su mayor reactividad química. El nitrógeno exhibe propiedades físicas similares en la región casi crítica de su diagrama de fase en comparación con el dióxido de carbono: una densidad ampliamente ajustable de hasta ~ 1 g ml-1, presión crítica modesta (3,4 MPa) y un diámetro molecular pequeño de ~ 3,6 Å. La clave para lograr un alto poder de solvatación del nitrógeno es aplicar una temperatura de procesamiento en el rango de 80-150 K, donde la densidad del nitrógeno es un orden de magnitud más alta que a presiones similares cerca de la temperatura ambiente. Las propiedades detalladas de solvatación del nitrógeno, y especialmente su selectividad, en una amplia gama de especies objetivo comunes de extracción aún requieren más investigación. En este trabajo describimos un protocolo para el procesamiento de nitrógeno supercrítico de borohidruro de magnesio poroso.

Introducción

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Extracción con fluidos supercríticos (SFE) y el secado de los métodos (SCD) están bien establecidos en una amplia gama de aplicaciones prácticas, especialmente en las industrias de alimentos y del petróleo, sino también en la síntesis química, análisis y procesamiento de materiales. 1-6 El uso de secado o medios de extracción en condiciones por encima de sus puntos críticos es a menudo más rápido, más limpio y más eficiente que (líquido) técnicas tradicionales, y tiene la ventaja añadida de ser altamente ajustable con respecto a la potencia de solvatación del fluido por ligero ajuste de las condiciones de funcionamiento . 3,7 Un método ScD simple comprende tres pasos básicos. El primer paso está exponiendo el material sólido (o quizás líquido) de partida que contiene el compuesto de impureza objetivo a un fluido ScD elegido apropiadamente en su líquido (o casi líquido supercrítico) de fase, donde su alta densidad corresponde a una alta (y quizás selectiva 7) poder disolvente con respecto a las especies objetivo. Tél segundo paso se está calentando y comprimiendo el sistema por encima del punto crítico del fluido ScD elegido en un recipiente cerrado de manera que el fluido y sus especies objetivo disueltos no pasan un límite de fase que podría resultar en la separación. El paso final está reduciendo lentamente la presión del fluido ScD a vacío a una temperatura por encima de la temperatura crítica, lo que permite la solución de fluido que contiene las especies objetivo para escapar, de nuevo sin encontrar un límite de fase ni de cualesquiera efectos perjudiciales de tensión superficial a lo largo del camino.

El material de partida se deja agotado de las especies objetivo y puede ser sometido a tratamientos iterados si es necesario. En los casos de extracción de fluido supercrítico, las especies de soluto objetivo es el producto deseado, y se recoge a partir de solución para su uso posterior. 8,9 En otros casos, el material de partida secado o purificado es el producto deseado, y las impurezas extraídas se descartan. Este último escenario, denominado en este documentocomo el enfoque ScD, fue descubierto a ser una estrategia eficaz para el tratamiento previo de alta superficie, materiales microporosos tales como armazones organometálicos (MOF), donde los métodos tradicionales de tratamiento térmico al vacío son en muchos casos no es suficiente en la limpieza de los poros de todos los invitados no deseados, o resultar en el colapso de los poros. dióxido de carbono 10 ScD procesamiento (cscd) es ahora un proceso de post-sintética de rutina para MOF, 11 que conduce al aumento de las superficies de nitrógeno accesible sobre los materiales no tratados de hasta 1000% 12 y otras mejoras, como por ejemplo en la actividad catalítica. 13 Otras aplicaciones de fluidos supercríticos son notables como un medio ampliamente sintonizable para las reacciones químicas, 14-16 de cromatografía de fluidos supercríticos (SCFC) 6,17,18 y síntesis de aerogeles y materiales compuestos avanzados. 19- 22

Para el secado de las aplicaciones, un fluido ScD se eligen en base a dos criterios: a) la proximidad de supunto crítico a las condiciones ambientales (por comodidad y para reducir los costos de energía o la complejidad del proceso) y b) su poder de solvatación con respecto a las especies objetivo. El dióxido de carbono (CO 2) ha demostrado ser conveniente un fluido ScD en muchas aplicaciones, ya que no es tóxico, no inflamable, y barato, y puede ser sintonizado a exhibir un alto poder de solvatación hacia un número de especies comunes de destino orgánicos en su casi líquida estado (a presiones de <10 MPa y temperaturas de 273 a 323 K). 1-3,7-9 Otros disolventes supercríticos comunes (o co-disolventes) incluyen agua (que abarca una notable variedad de propiedades disolventes entre su ambiente y estado supercrítico 23), acetona, etileno, metanol, etanol, y etano, que abarca el espectro de polar (prótico y aprótico) a no polar, y que tiene puntos críticos relativamente cerca de las condiciones ambientales.

El dióxido de carbono es de lejos el fluido ScD más común utilizado. En los métodos cscd establecidos, la reactividaddel material de partida no es un factor inhibidor ya que el CO 2 es sólo muy débilmente reactiva a temperaturas cerca de su punto crítico. Sin embargo, ciertas clases de materiales, tales como los llamados hidruros complejos (por ejemplo, alanatos y borohidruros) presentan desafíos únicos en el manejo debido a su fuerte reactividad en presencia de agua o CO 2, además de su (tal vez adaptado intencionalmente) la inestabilidad bajo calentamiento 24-26. Por otra parte, existe un gran interés internacional en materias tales como compuestos de almacenamiento de hidrógeno de alta densidad, 27-30 y por lo tanto también en nanoestructurado y / o variedades porosas 31-33. Para la purificación eficaz de tales, y materiales nanoestructurados inestables reactivos, métodos de SCD son una estrategia prometedora. 34 A ScD fluido debe ser utilizado que tiene un pequeño diámetro molecular apropiado para la penetración en las cavidades estrechas y que también tiene un alto poder de solvatación hacia el impurezas objetivo, whiLe restante no reactivo hacia el material de partida en sí. En este documento, se presenta la utilización de nitrógeno supercrítico (N 2) como un fluido eficaz para tal extracción y aplicaciones especialmente de secado. Una metodología específica de secado de nitrógeno supercrítico (NSCD) se describe a continuación para la purificación de borohidruro de magnesio γ-fase en la que la especie objetivo incluyen tanto diborano y un compuesto de n-butilo (similar a pero no específicamente identificable como n butano). El siguiente protocolo se puede modificar fácilmente para la extensión global a otros procesos de secado de nitrógeno o extracción supercrítica.

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Protocolo

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1. Aparato

  1. Use un aparato básico de secado supercrítico (SCD) compuesto de cuatro componentes primarios conectados por tubos de gas de alta presión: el suministro de gas, un sistema de vacío, sensores (temperatura y presión), y el medio ambiente de la muestra (que puede ser sumergido en un baño). Asegúrese de que la construcción es de válvulas de alta calidad de acero inoxidable, accesorios y tubería, una clasificación de la presión de al menos 10 MPa dentro del rango de temperatura entre 80 a 300 K.
    Nota: Un diagrama esquemático que se muestra en la Figura 1.
  2. Por nitrógeno ScD (nscd) tratamientos, asegúrese de que el suministro de gas es la pureza de investigación (> 99.999%) de gas nitrógeno equipado con un regulador de presión para el control de la presión de salida entre 0 a 10 MPa. Adjuntar una botella de 50 L (20 MPa) al aparato, y purgar el sistema con nitrógeno puro varias veces antes de su uso.
  3. Asegúrese de que el sistema de vacío es capaz de alcanzar presiones de vacío a <0,1 Pa y está conectado al aparato con unaválvula de aguja de control de bien. Preferiblemente, utilice una bomba de desbaste sin aceite y una bomba turbo molecular arrastre, colocado en serie.
  4. Utilice al menos dos sensores de presión para la medición precisa de la presión durante los tratamientos de SCD: un sensor de presión baja para la medición de vacío y un sensor de alta presión para lograr un rango de presión medible total entre 0,1-10 7 Pa.
  5. Utilice al menos dos sensores de temperatura de la exactitud mínima necesaria para llevar a cabo tratamientos típicos SCD: un sensor en contacto térmico con la muestra y un sensor dentro del colector de dosificación de gas primario para mediciones precisas entre 77 a 300 K (por ejemplo, termopares de tipo K) .
  6. Compruebe que el soporte de la muestra tiene un volumen interno apropiado para contener la cantidad de muestra necesaria para el tratamiento, y está construido de acero inoxidable.
    Atención: alargadas ayudas de diseño cilíndricos en contacto térmico con el baño.
  7. Asegúrese de que el accesorio que cierra el recipiente de la muestra es correspondIATE para altas presiones y el uso repetido (por ejemplo, Swagelok VCR). Conectar el volumen de recipiente de la muestra a una válvula para el aislamiento del ambiente exterior a través de una longitud apropiada de tubo (el tubo de inmersión) para la inmersión completa de el soporte de muestras en el baño.

Configuración experimental de adsorción de gases; Los diagramas muestran el soporte de muestras, el colector de dosificación, el sistema de bomba de vacío.
. Figura 1. El nitrógeno supercrítico de secado (NSCD) Aparato Una representación esquemática del aparato NSCD simplificado para uso en el laboratorio típico: (A) a temperatura ambiente y (B) después de la inmersión de la muestra en el baño. El suministro de gas para el proceso descrito en este trabajo es nitrógeno, pero este aparato general es generalizable a otros fluidos SCD con un punto crítico acostado dentro de un rango práctico de la temperatura y de presión, tal como CO 2. Los componentes están etiquetados para mantener la coherencia con la famie protocolo descrito en el presente documento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Preparación

  1. Cargar 0,2-0,5 g de muestra (γ-Mg (BH 4) 2, en forma de polvo, después de la síntesis química en húmedo y métodos de secado estándar) en el soporte de la muestra bajo condiciones apropiadas, típicamente en una atmósfera inerte tal como una caja de guantes de argón, a temperatura ambiente o por debajo. Cierre el soporte de la muestra (F2 montaje) con una junta del filtro y cierre la válvula (válvula V4). Transferir el soporte de la muestra al aparato y adjuntar (F1 apropiado).
  2. Abra el colector de dosificación para aspirar a través de V2 y evacuar. Abrir V3 y evacuar. Purgar el aparato con nitrógeno a través de V1 y evacuar a través de V2. Abrir V4 y evacuar la muestra a temperatura ambiente durante un máximo de 24 horas, para llegar a la presión mínima del sistema (<0.1 Pa).
  3. Instale el baño de la muestra (ver
  4. Ajuste el calentador para el futuro deseado de temperatura del líquido (T l, consulte el paso 3.1) de 110 K, y continuar a evacuar el aparato hasta que la temperatura se equilibra.

Diagrama de Dewar con nitrógeno líquido, tubo de inmersión, portamuestras, horno para experimentos criogénicos.
Figura 2. criogénico horno de baño de la muestra. Una representación esquemática (izquierda) y fotografía (a la derecha) de un entorno baño termal cryostatic apropiado para contener el soporte de muestra durante el procesamiento NSCD, permitiendo la medición y el control de la temperatura de la muestra entre 77 a 298 K. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. supercrítica Nitrógeno exposición

    Para el procesamiento NSCD de γ-Mg (BH 4) 2, (el tema de la manifestación en este protocolo) seleccionar una temperatura del líquido (T l) de 110 K. Esto corresponde a una densidad de disolvente líquido moderada (~ 0,6 g ml -1) ; Ajuste según sea necesario para la aplicación de este protocolo para otros procesos de tratamiento NSCD (véase la nota más abajo).
  1. Cerrar el sistema de vacío mediante el cierre de V2. Acelerador abierto V1 lentamente, permitiendo que la presión aumente en la región de líquido del diagrama de fases. Equilibrar el sistema a 2 MPa y T l.
  2. Remoje la muestra en N 2 líquido durante 4 horas.
  3. Ajuste el calentador a 150 K con un min -1 rampa ≤2 K. Permitir que la presión para aumentar no superior a la presión nominal máxima del aparato (esto P max debe ser ≥10 MPa); si es necesario, ventilar con cuidado el exceso de presión al vacío a través de V2. Equilibrar el sistema en P max y 150 K.
  4. Remoje la muestra en supercritical N 2 durante 1 hora.

Diagrama de fase del nitrógeno; tabla de presión vs. temperatura con isoplacas de densidad; N2 afirma.
Figura 3. Diagrama de Fase de nitrógeno. Un diagrama de fases detallada de nitrógeno, donde la densidad del fluido (mostrado en la escala de grises lineal) se calcula utilizando REFPROP (una ecuación Webb-Benedict-Rubin modificada de estado). 41 Varias líneas de densidad constante se muestran en púrpura. Los límites de fase sólida y líneas de transición de ebullición se muestran en rojo. Las líneas azules indican el límite de la región del diagrama de fase que es relevante para el secado o la extracción de procesamiento usando N 2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Nota: Para la aplicación de este protocolo a otros materiales, establecer un tratamiento schem NSCD apropiadae eligiendo las condiciones necesarias para la solvatación efectiva de la especie objetivo. Consulte el diagrama de fase de N 2, que se muestra en la Figura 3. Para lograr una densidad de fluido de alta en la fase líquida (por ejemplo, 0,8-1 g ml -1), seleccione un T l de 80 a 90 K. Para la densidad del líquido moderada (por ejemplo, 0,6 a 0,8 g ml -1), seleccione un T l de 90 a 115 K. Un ensayo y error puede ser necesario.

4. supercrítica nitrógeno de lanzamiento

  1. Romper con cuidado el sistema de vacío estrangulando V2, permitiendo que la presión para disminuir lo más lentamente posible. En repetidas ocasiones romper el sistema a mayores tasas, según sea necesario para lograr una disminución gradual de alto vacío (<0,1 Pa) en el lapso de tiempo aproximado de 12 a 24 horas de vacío.
  2. Retire la muestra y baño totalmente V2 abierta para evacuar completamente la muestra. Equilibrar a temperatura ambiente y alto vacío (<0,1 Pa).
  3. Desgasificar la muestra a temperatura ambiente y <0.1 Pa durante 1-24 horas, como desired.

5. Tratamiento del anuncio

  1. Cierre las válvulas V3 y V4, y retire el soporte de muestras del aparato (montaje F1).
  2. Transferir el soporte de la muestra a un ambiente inerte para la manipulación, tal como una caja de guantes de argón-llenado. Retire la muestra desde el soporte de muestra (ajuste F2) y guardar en un recipiente hermético a temperatura ambiente o por debajo.

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Resultados

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Borohidruros de metales alcalinos y alcalinotérreos son materiales de almacenamiento de hidrógeno potenciales, que ofrecen un gran contenido de hidrógeno gaseoso tras la descomposición. 27,29 Otros productos de descomposición tal como diborano haber a veces también se ha detectado en el gas desorbido, pero su origen no es a priori clara ; es posible que son productos de la descomposición de fase pura, pero también pueden ser impurezas o productos de reacciones de impurezas sobrante de síntesis química. 3...

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Discusión

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Tal vez debido a su relativamente baja temperatura crítica (126 K), N 2 ha históricamente sido pasado por alto como un disolvente eficaz ScD. En informes anteriores, 3,17,42,43 que sólo se ha aludido en el contexto de procesamiento de las temperaturas en o por encima de la ambiente, donde se exhibe sólo el poder de solvatación modesta debido a su densidad de fluido de baja en esta región de su diagrama de fases (excepto a muy altas presiones 43). El paso clave en la realización de la uti...

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este trabajo fue apoyado por las pilas de combustible de Europa y Hydruogen empresa común bajo BOR4STORE colaborativa de proyectos (Acuerdo de Subvención No. 303428) y el programa de infraestructura H2FC (Convenio de Donación No. FP7-284522).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Botella de gas nitrógeno comprimidoMesser Schweiz AG50 L, pureza > 99.999%, < 3 ppmv H2O Bandeja de
nitrógeno líquidoGas AGAlmacenamiento a granel, in situ
Aparato de secado supercrítico personalizadoEmpaSwagelok (accesorio de compresión y VCR) componentes
Baño de horno criogénico personalizadoEmpa
Interfaz Labview personalizadaEmpa

Referencias

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