Procesamiento de nitrógeno supercrítico para la purificación de reactivos Materiales porosos

El objetivo general del siguiente experimento es purificar madriguera de magnesio, hidruro, un hidruro complejo y poroso y material de almacenamiento de hidrógeno de alta densidad utilizando nitrógeno supercrítico. Esto se logra remojando primero una muestra de hidruro de burro de magnesio en nitrógeno líquido comprimido en la región casi crítica del diagrama de fases a menos 163 grados Celsius y 20 bar, donde su alta densidad de fluido es indicativa de un alto poder solvente hacia las impurezas objetivo, como Dior y las especies de butilo. Como segundo paso, el nitrógeno líquido se calienta y se comprime en la densa región supercrítica del diagrama de fase a menos 123 grados Celsius y aproximadamente 100 bar.

A continuación, el nitrógeno supercrítico y cualquier especie disuelta se pueden extraer de la muestra reduciendo lentamente la presión al vacío a menos 123 grados centígrados, evitando así la transición de fase líquida a gaseosa donde los efectos de la tensión superficial pueden conducir a una mala extracción de la especie objetivo. Los resultados muestran que después de tratamientos iterativos de secado con nitrógeno supercrítico, el gas se descompone. Los productos de hidruro de madriguera de magnesio solo consisten en hidrógeno basado en la descomposición programada a temperatura junto con espectroscopia infrarroja.

El enfoque de nuestras actividades de investigación es la ciencia de los materiales relacionada con el almacenamiento de energía renovable. Desde el comienzo de nuestra investigación pionera sobre hidruros complejos como materiales de almacenamiento de hidrógeno, la síntesis de compuestos de borohidruro ha sido un desafío. Los compuestos puros son difíciles de producir, pero esenciales para las investigaciones científicas.

metodologías de purificación pueden ayudar a responder preguntas clave en el campo del almacenamiento de hidrógeno en estado sólido, como qué papel desempeñan las impurezas en las reacciones de descomposición de los hidratos complejos. La respuesta sigue siendo complicada y tema de disputa incluso hoy en día. La idea de seguir esta estrategia se inspiró en el trabajo de los colegas de Hopin que informaron sobre el uso efectivo de dióxido de carbono supercrítico en la activación de estructuras orgánicas metálicas en 2009.

Aquí usamos nitrógeno de manera similar para hidruros complejos porosos explotando la región supercrítica de alta densidad de su diagrama de fase a temperaturas mucho más bajas que EBR. La principal ventaja del procesamiento de nitrógeno supercrítico sobre los métodos existentes, como el secado supercrítico por dióxido de carbono, es que el nitrógeno se dirige a los compuestos fuertemente reductores, como los alienatos y los hidruros de bo, al tiempo que exhibe muchas ventajas de un solvente supercrítico ideal. Los cuatro.

Este método en particular ha demostrado ser eficaz en el tratamiento del hidruro de magnesio poroso. También se puede aplicar a otros materiales donde la reactividad del dióxido de carbono prohíbe su uso como agente de secado o extracción, las bajas temperaturas y las presiones modestas requeridas lo hacen casi universalmente aplicable. Utilice un aparato de secado supercrítico básico compuesto por un colector de dosificación de suministro de gas, un sistema de vacío, sensores de temperatura y presión, y el entorno de la muestra, todo conectado por un tubo de gas de alta presión que carga de 0,1 a 0,5 gramos de hidruro de magnesio en el portamuestras bajo una atmósfera interior como una guantera Argonne a temperatura ambiente.

Cierre el portamuestras con una junta de filtro y luego cierre la válvula. Después de retirar el portamuestras de la guantera, conéctelo al aparato a continuación, abra el colector de dosificación para vacío a través de V dos y evacue. Después de abrir V tres y evacuar, coloque el aparato con nitrógeno a través de V uno y evacue a través de V dos.

Evacúe y purgue varias veces. A continuación, abra V cuatro y evacúe la muestra a temperatura ambiente durante un máximo de 24 horas. Para alcanzar la presión mínima del sistema, instale el baño de muestras alrededor del soporte de muestras elevando el baño a su posición en un elevador de tijera.

Después de esto, ajuste el calentador a la temperatura futura deseada del líquido de menos 163 grados Celsius y continúe evacuando el aparato hasta que la temperatura se equilibre Para el procesamiento de secado supercrítico de nitrógeno de hidruro de boro de magnesio, seleccione una temperatura del líquido de menos 163 grados Celsius, correspondiente a una densidad intermedia de 0,6 gramos por mililitro. A continuación, cierre el sistema al vacío cerrando V dos aceleradores abiertos V uno lentamente, permitiendo que la presión aumente en la región líquida del diagrama de fases por encima de 20 bar. Después de equilibrar el sistema a 20 bar y menos 163 grados Celsius, deje que la muestra se remoje en nitrógeno líquido durante cuatro horas.

Ajuste el calentador a menos 123 grados Celsius con una rampa de menos o igual a dos grados por minuto. Permita que la presión no aumente más que la presión nominal máxima del aparato después de equilibrar el sistema a la presión nominal máxima y menos 123 grados Celsius. Deje que la muestra se remoje en nitrógeno supercrítico durante una hora o más en este punto.

Cierre V uno y luego rompa con cuidado el sistema para aspirar estrangulando V dos, permitiendo que la presión disminuya lo más lentamente posible. Retire el baño de muestras y abra completamente V dos para evacuar completamente la muestra equilibrándola a temperatura ambiente y alto vacío después del tratamiento. Cierre las válvulas V tres y V cuatro y retire el portamuestras del aparato.

Transfiera el portamuestras a un entorno inerte para su manipulación, como una guantera llena de argonne. Finalmente, retire la muestra del portamuestras y guárdela en un recipiente sellado a temperatura ambiente. La metodología de secado de nitrógeno supercrítico descrita en este documento fue exitosa para la purificación de borohidruro de magnesio poroso.

Las especies objetivo de extracción fueron el orificio D y una impureza de butilo final inespecífica, que se redujeron a cantidades insignificantes después de tratamientos iterados con secado de nitrógeno supercrítico ha demostrado por espectroscopia infrarroja de las especies gaseosas evolucionadas durante la descomposición después de tres tratamientos, no quedaron impurezas detectadas. Una vez que se ha establecido un conjunto de condiciones de protocolo exitosas para una aplicación en particular, esta técnica se puede ampliar para purificar grandes cantidades de material sintetizado. La principal limitación es que la muestra debe tener un contacto térmico adecuado con el baño y, por lo tanto, un entorno de muestra adecuadamente diseñado.

Al preparar un aparato adecuado para este procedimiento, la consideración más importante es el baño a baja temperatura. Debido a que este procedimiento no exige temperaturas excepcionalmente bajas, optamos por un diseño simple que involucra un calentador de caída de banco típico, sumergido en nitrógeno de fuga como refrigerante siguiendo este procedimiento. En la muestra resultante se pueden realizar métodos analíticos como la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, la espectroscopia infrarroja o la espectroscopia Raman.

Sin la influencia no deseada de las impurezas residuales, la muestra puede procesarse fácilmente inmediatamente antes de la caracterización. Las técnicas de extracción supercríticas ya se utilizan en una gran variedad de aplicaciones. Desde la descafeinación de granos de café hasta métodos avanzados para la deposición de catalizadores en soportes porosos utilizando nitrógeno como agente de extracción, simplemente extendemos la aplicabilidad de estas técnicas a materiales que son reactivos a otros solventes supercríticos más comunes.

El desarrollo de nuevas técnicas permite a los científicos responder a preguntas relevantes para los materiales emergentes. Para las aplicaciones de energía de hidrógeno, el procesamiento de nitrógeno supercrítico puede acercar a las hidroeléctricas complejas de próxima generación, un paso más cerca de servir como materiales móviles de almacenamiento de hidrógeno en el panorama energético sostenible del futuro.