Exploration de la Radical Nature d'une surface de carbone par résonance paramagnétique électronique et un flux de gaz calibrée

L’objectif général de l’expérience suivante est de caractériser la nature des radicaux stables à la surface des substrats de carbone solide et l’effet de l’oxydation sur ces radicaux. Ceci est réalisé en préparant des échantillons de carbone séché à 95 degrés Celsius dans un four sous vide. Dans un deuxième temps, un flux de gaz diamagnétique est projeté à travers les échantillons et la nature des radicaux de carbone est détectée par spectroscopie EPR, qui caractérise la nature et le taux de formation des radicaux de carbone dans un environnement inerte.

Ensuite, de l’air ou de l’oxygène circule à travers l’échantillon de carbone afin de suivre la disparition des radicaux carbonés dans un environnement oxydant. Les résultats montrent que les substrats de carbone sont affectés différemment par le traitement d’oxydation, en fonction de leurs composites et de leur faible densité sur la base des mesures B-E-T-F-T-I-R et EPR. Les implications de cette technique s’étendent aux ressources énergétiques solides telles que le charbon.

Parce que ces processus d’oxydation ont des implications importantes pour le stockage et l’utilisation appropriés. Bien que cette méthode puisse donner un aperçu des groupes fonctionnels de surface sur les surfaces solides, elle peut également être appliquée à d’autres systèmes tels que la zéolithe, le méso, les matériaux de poteau et les monocouches. Nous avons eu cette idée pour la première fois lorsque nous avons découvert que divers échantillons de crâne sont caractérisés par différentes natures radicales.

Avant de commencer cette procédure, préparez des échantillons de carbone pour les mesures EPR en chauffant les échantillons dans des flacons en verre ouverts sous un environnement inerte à l’intérieur d’un four à vide. Remplissez ensuite chaque flacon avec un échantillon de charbon et bouchez chaque flacon d’échantillon avec un septum en caoutchouc et un capuchon en aluminium pour éliminer toute trace d’oxygène. Connectez le flacon à un système de vide et scellez toutes les vannes.

Allumez la pompe à vide. Après avoir ouvert la soupape de vide, attendez que les moniteurs affichent un vide d’environ 0,1 millibar. Assurez-vous que les fuites sont minimes en fermant la soupape de dépression et en comptant jusqu’à 30.

Ouvrez la vanne d’échantillonnage pour évacuer l’atmosphère dans le flacon. Une fois que la pression revient à la valeur de pression initiale déterminée à l’étape précédente, répétez le test d’étanchéité. Après avoir obtenu un vide et purgé efficacement les flacons de l’atmosphère restante, fermez la soupape de vide.

Ensuite, ouvrez immédiatement la vanne de gaz inerte et laissez la pression atteindre 0,5 atmosphère. Ensuite, fermez la vanne de gaz inerte et ouvrez la vanne de vide pour éliminer le gaz. Une fois le système purgé, fermez la soupape de dépression et ouvrez immédiatement la soupape de gaz, permettant à la pression d’atteindre 0,5 atmosphère.

Une fois que le système a été purgé une deuxième fois, ouvrez la vanne de gaz et laissez la pression atteindre une atmosphère. Après avoir fermé la vanne de gaz et la vanne d’échantillonnage, retirez le flacon en tirant doucement vers le bas et en retirant l’aiguille. Ensuite, ouvrez la soupape de vide pour purger le gaz du système de vide.

Ouvrez la vanne d’échantillonnage pour permettre à l’air d’entrer dans le système et éteignez simultanément la pompe à vide pour éviter un reflux de l’huile. À ce stade, tournez doucement l’extrémité ouverte d’un tube EPR fraîchement rincé dans le flacon contenant l’échantillon de carbone. Appuyez et tournez le tube EPR.

Tapotez ensuite doucement jusqu’à ce que l’échantillon se disperse uniformément au fond. Une fois que le tube contient une quantité suffisante d’échantillon, scellez la pointe à l’aide d’environ 0,5 à un centimètre de mastic téflon de caoutchouc. Pour mettre en place le système d’écoulement, insérez le tube de quartz dans le résonateur EPR, en vous assurant que la section du tube EPR remplie de charbon remplit toute la cavité du résonateur.

Installez un réservoir avec le débit de gaz souhaité, en vous assurant qu’il y a deux vannes de fonctionnement afin de contrôler le débit. Ensuite, connectez le tube en caoutchouc au réservoir et assurez-vous que le tube atteint l’extrémité du tube de quartz EPR avec une traction suffisante pour ne pas exercer de pression sur le tube de quartz. Connectez un régulateur de débit au tube en caoutchouc pour surveiller le débit de gaz.

Après avoir fixé une aiguille de petit calibre au tube en caoutchouc, insérez l’aiguille dans le mastic en téflon en caoutchouc jusqu’à ce qu’elle soit à environ trois à quatre centimètres au-dessus de l’échantillon, afin de ne pas affecter le champ magnétique. Ensuite, percez un trou dans le mastic en caoutchouc pour libérer le gaz d’écoulement. Après avoir allumé le spectromètre EPR, ouvrez le panneau de réglage des micro-ondes.

Localisez la baisse à 33 décibels et utilisez Auto-Tune pour obtenir les meilleures conditions de réglage. Une fois que la puissance micro-ondes a été réglée à deux milliwatts, ouvrez l’expérience 2D en fonction du champ magnétique et du temps. Définissez ensuite les paramètres appropriés de l’expérience.

Ensuite, démarrez le cycle de mesure et activez le débit de gaz. Une fois que l’échantillon a atteint l’équilibre et qu’il n’y a plus de changement dans la forme de la ligne EPR, arrêtez le flux de gaz, exposez l’échantillon à l’air et poursuivez les mesures. Jusqu’à ce que 50 spectres soient obtenus ou jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint. Un.

Lors de la réalisation des expériences EPR sur divers échantillons de charbon, une deuxième espèce à une valeur G d’environ 2,0028 a été observée. Cette valeur G est proche de la valeur d’un électron libre et compatible avec des radicaux atiques centrés sur le carbone non substitués. Cependant, la concentration totale de spin pour chaque échantillon est restée constante à plus ou moins 10 %.

Le spectre EPR à 1900 secondes est caractérisé par deux espèces. La première avec une valeur G de 2,004 avec une largeur de raie de cinq 5G, et une seconde espèce, qui est beaucoup plus étroite avec une valeur G de 2,0028 avec une largeur de raie de 2,0 G.It a été constaté que le taux de formation de cette deuxième espèce est d’environ 500 secondes. Il est intéressant de noter que l’étendue de la formation de cette deuxième espèce après stabilisation est similaire pour tous les échantillons de charbon et a été évaluée à 4 à 5 % par rapport à la concentration initiale de spin.

Le reste des spins correspond soit à des radicaux centrés sur le carbone, soit à un radical centré sur le carbone avec un atome d’oxygène. Les différentes valeurs G de l’espèce radicale dominante dans chaque échantillon dépendent de la nature du charbon. Étant donné que la cinétique de formation de cette deuxième espèce pour chaque échantillon de charbon est différente, elle doit être liée à la surface des pores de l’échantillon et/ou aux groupes fonctionnels de surface.

Afin de mieux caractériser ces groupes fonctionnels, d’autres techniques telles que le BET et la RMN sont nécessaires pour compléter les données EPR. Lors de cette procédure, il est important de ne pas oublier de sécher efficacement les échantillons froids. Cette étape est cruciale pour permettre la création d’une base de référence où aucune molécule d’eau n’est réabsorbée sur les substrats d’appel.

Suite à ces procédures, d’autres méthodes telles que l’analyse élémentaire RMN BT et FT IR peuvent être effectuées afin de répondre à des questions supplémentaires telles que la nature du groupe fonctionnel, la porosité des échantillons et les compositions. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de procéder à la caractérisation simple d’une surface solide avec un traitement de sous-oxygénation radicalaire.