Explorando la naturaleza radical de una superficie de carbono por resonancia paramagnética de electrones y un flujo de gas de calibrado

El objetivo general del siguiente experimento es caracterizar la naturaleza de los radicales estables en la superficie de sustratos sólidos de carbono y el efecto de la oxidación sobre esos radicales. Esto se logra preparando muestras de carbono seco a 95 grados centígrados en un horno de vacío. Como segundo paso, se proyecta un flujo de gas diamagnético a través de las muestras y la naturaleza de los radicales de carbono se detecta mediante espectroscopía EPR, que caracteriza la naturaleza y la tasa de formación de radicales de carbono en un entorno inerte.

A continuación, el aire o el oxígeno fluyen a través de la muestra de carbono para seguir la desaparición de los radicales de carbono en un entorno oxidante. Los resultados muestran que los sustratos de carbono se ven afectados de manera diferente por el tratamiento de oxidación, dependiendo de sus compuestos y la baja densidad basada en las mediciones B-E-T-F-T-I-R y EPR. Las implicaciones de esta técnica se extienden hacia los recursos energéticos sólidos como el carbón.

Porque estos procesos de oxidación tienen implicaciones importantes para el almacenamiento y la utilización adecuados. Aunque este método puede proporcionar información sobre los grupos funcionales de la superficie en superficies sólidas, también se puede aplicar a otros sistemas como zeolita, meso, materiales de poste y monocapas. La primera vez que tuvimos esta idea fue cuando descubrimos que varias muestras de cráneo se caracterizan por diferentes naturalezas radicales.

Antes de comenzar este procedimiento, prepare las muestras de carbono para las mediciones de EPR calentando las muestras en viales de vidrio abiertos bajo un ambiente inerte dentro de un horno de vacío. A continuación, llene cada vial con una muestra de carbón y tapone cada vial de muestra con un tabique de goma y una tapa de aluminio para eliminar todos los rastros de oxígeno. Conecte el vial a un sistema de vacío y selle todas las válvulas.

Encienda la bomba de vacío. Después de abrir la válvula de vacío, espere hasta que los monitores muestren un vacío de aproximadamente 0,1 milibares. Asegúrese de que la fuga sea mínima cerrando la válvula de vacío y contando hasta 30.

Abra la válvula de muestra para eliminar la atmósfera del vial. Una vez que la presión vuelva al valor de presión inicial determinado en el paso anterior, repita la prueba de fugas. Después de lograr un vacío y purgar eficazmente los viales de la atmósfera restante, cierre la válvula de vacío.

A continuación, abra inmediatamente la válvula de gas inerte y deje que la presión alcance las 0,5 atmósferas. Después de esto, cierre la válvula de gas inerte y abra la válvula de vacío para eliminar el gas. Una vez purgado el sistema, cierre la válvula de vacío e inmediatamente abra la válvula de gas, permitiendo que la presión alcance las 0,5 atmósferas.

Una vez que el sistema se haya purgado por segunda vez, abra la válvula de gas y permita que la presión alcance una atmósfera. Después de cerrar la válvula de gas y la válvula de muestra, retire el vial tirando suavemente hacia abajo y retirando la aguja. A continuación, abra la válvula de vacío para purgar el gas del sistema de vacío.

Abra la válvula de muestra para permitir que el aire ingrese al sistema y, al mismo tiempo, apague la bomba de vacío para evitar un reflujo del aceite. En este punto, gire suavemente el extremo abierto de un tubo de EPR recién enjuagado en el vial que contiene la muestra de carbono. Presione y gire el tubo EPR.

A continuación, golpee suavemente hasta que la muestra se haya dispersado uniformemente en la parte inferior. Una vez que el tubo contenga una cantidad suficiente de muestra, selle la punta con aproximadamente 0,5 a un centímetro de masilla de caucho y teflón. Para configurar el sistema de flujo, inserte el tubo de cuarzo en el resonador EPR, asegurándose de que la sección del tubo EPR llena con el carbón llene toda la cavidad del resonador.

Configure un tanque con el flujo de gas deseado, asegurándose de que haya dos válvulas de operación para controlar el flujo. Después de esto, conecte el tubo de goma al tanque y asegúrese de que el tubo llegue a la punta del tubo de cuarzo EPR con suficiente tracción para no ejercer presión sobre el tubo de cuarzo. Conecte un controlador de flujo a la tubería de goma para monitorear el flujo de gas.

Después de conectar una aguja de calibre pequeño al tubo de goma, inserte la aguja a través de la masilla de teflón de goma hasta que esté a unos tres o cuatro centímetros por encima de la muestra, para no afectar el campo magnético. A continuación, haz un agujero en la masilla de goma para liberar el gas de salida. Después de encender el espectrómetro EPR, abra el panel de sintonización de microondas.

Localice la inmersión a una potencia de 33 decibelios y utilice el ajuste automático para obtener las mejores condiciones de ajuste. Una vez que la potencia de microondas se haya establecido en dos milivatios, abra el experimento 2D en función del campo magnético y el tiempo. A continuación, establezca los parámetros apropiados del experimento.

A continuación, inicie el ciclo de medición y encienda el flujo de gas. Una vez que la muestra haya alcanzado el equilibrio y no haya más cambios en la forma de la línea EPR, detenga el flujo de gas, exponga la muestra al aire y continúe con las mediciones. Hasta que se obtengan 50 espectros o hasta que se alcance el equilibrio. Uno.

Al realizar los experimentos EPR en varias muestras de carbón, se observó una segunda especie con un valor G de alrededor de 2,0028. Este valor G es cercano al valor de un electrón libre y consistente con radicales centrados en carbono ático no sustituidos. Sin embargo, la concentración total de espín para cada muestra se mantuvo constante dentro de más o menos 10%El error experimental que se muestra aquí son escaneos de cero segundos y 1900 segundos después de que la muestra de carbón se expuso al dióxido de carbono.

El espectro EPR a 1900 segundos se caracteriza por dos especies. La primera a un valor G de 2,004 con un ancho de línea de cinco 5G, y una segunda especie, que es mucho más estrecha a un valor G de 2,0028 con un ancho de línea de 2,0 G.It se encontró que la tasa de formación de esta segunda especie es de aproximadamente 500 segundos. Curiosamente, el grado de formación de esta segunda especie después de la estabilización es similar para todas las muestras de carbón y se evaluó entre un 4 y un 5% en relación con la concentración inicial del espín.

El resto de los espines corresponden a radicales centrados en el carbono o a un radical centrado en el carbono con un átomo de oxígeno. Los diferentes valores G de las especies radicales dominantes en cada muestra dependen de la naturaleza del carbón. Dado que la cinética de formación de esta segunda especie para cada muestra de carbón es diferente, debe estar relacionada con el área de poros de la muestra y/o los grupos funcionales de la superficie.

Con el fin de caracterizar mejor estos grupos funcionales, se requieren otras técnicas como BET y RMN para complementar los datos de EPR. Al intentar este procedimiento, es importante recordar secar las muestras frías de manera efectiva. Este paso es crucial para permitir la creación de una línea de base en la que no se reabsorban moléculas de agua en los sustratos de llamada.

Siguiendo estos procedimientos, se pueden realizar otros métodos como el análisis elemental NMR BT y FT IR para responder a preguntas adicionales como cuál es la naturaleza del grupo funcional, la porosidad de las muestras y las composiciones. Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de cómo realizar la caracterización simple de la superficie sólida con radicales bajo tratamiento de oxigenación.