Traitement de l'azote supercritique pour la purification de réactifs matériaux poreux

L’objectif général de l’expérience suivante est de purifier un terrier de magnésium, un hydrure, un hydrure poreux et complexe, et un matériau de stockage d’hydrogène à haute densité à l’aide d’azote supercritique. Ceci est réalisé en trempant d’abord un échantillon d’hydrure de magnésium dans de l’azote liquide comprimé dans la région presque critique du diagramme de phase à moins 163 degrés Celsius et 20 bars où sa densité de fluide élevée est indicative d’un pouvoir solvant élevé envers les impuretés cibles, telles que Dior et les espèces butyles finales. Dans un deuxième temps, l’azote liquide est chauffé et comprimé dans la région supercritique dense du diagramme de phase à moins 123 degrés Celsius et environ 100 bars.

Ensuite, l’azote supercritique et toute espèce dissoute peuvent être extraits de l’échantillon en réduisant lentement la pression sous vide à moins 123 degrés Celsius, contournant ainsi la transition de phase liquide-gaz où les effets de tension superficielle peuvent conduire à une mauvaise extraction de l’espèce cible. Les résultats montrent qu’après des traitements itératifs de séchage à l’azote supercritique, le gaz se décompose. Les produits de l’hydrure de terrier de magnésium sont uniquement constitués d’hydrogène basé sur la décomposition programmée en température couplée à la spectroscopie infrarouge.

Nos activités de recherche se concentrent sur la science des matériaux liée au stockage des énergies renouvelables. Depuis le début de nos recherches pionnières sur les hydrures complexes en tant que matériaux de stockage de l’hydrogène, la synthèse des composés borohydrures a été un défi. Les composés purs sont difficiles à produire, mais essentiels pour les recherches scientifiques.

Les méthodologies de purification peuvent aider à répondre à des questions clés dans le domaine du stockage de l’hydrogène à l’état solide, telles que le rôle des impuretés dans les réactions de décomposition des hydrates complexes. La réponse reste compliquée et controversée encore aujourd’hui. L’idée de poursuivre cette stratégie a été inspirée par les travaux de collègues d’Hopin qui ont rapporté l’utilisation efficace du dioxyde de carbone supercritique dans l’activation des cadres organiques métalliques en 2009.

Ici, nous utilisons l’azote de manière similaire pour les hydrures complexes poreux en exploitant la région supercritique à haute densité de son diagramme de phase à des températures bien inférieures aux températures EBR. Le principal avantage du traitement de l’azote supercritique par rapport aux méthodes existantes telles que le séchage supercritique au dioxyde de carbone est que l’azote tend vers des composés fortement réducteurs, tels que les aliénates et les hydrures de bo, tout en présentant de nombreux avantages d’un solvant supercritique idéal. Tous les quatre.

Cette méthode particulière s’est avérée efficace dans le traitement de l’hydrure d’alésage de magnésium poreux. Il peut également être appliqué à d’autres matériaux où la réactivité du dioxyde de carbone interdit son utilisation En tant qu’agent de séchage ou d’extraction, les températures froides et les pressions modestes requises le rendent presque universellement applicable. Utilisez un appareil de séchage supercritique de base composé d’un collecteur de dosage d’alimentation en gaz, d’un système de vide, de capteurs de température et de pression et de l’environnement de l’échantillon, tous reliés par un tube de gaz à haute pression, chargez 0,1 à 0,5 gramme d’hydrure de bore de magnésium dans le porte-échantillon sous une atmosphère intérieure telle qu’une boîte à gants Argonne à température ambiante.

Fermez le porte-échantillon à l’aide d’un joint de filtre, puis fermez la vanne. Après avoir retiré le porte-échantillon de la boîte à gants, fixez-le ensuite à l’appareil, ouvrez le collecteur de dosage pour aspirer via V deux et évacuez. Après avoir ouvert V trois et évacué, perchoir l’appareil avec de l’azote par V un et évacuer par V deux.

Évacuez et purgez plusieurs fois. Ouvrez ensuite V four et évacuez l’échantillon à température ambiante jusqu’à 24 heures. Pour atteindre la pression minimale du système, installez le bain d’échantillon autour du porte-échantillon en soulevant le bain en position sur une plate-forme élévatrice à ciseaux.

Ensuite, réglez l’appareil de chauffage à la température future souhaitée du liquide de moins 163 degrés Celsius et continuez à évacuer l’appareil jusqu’à ce que la température s’équilibre. Pour le traitement du séchage supercritique à l’azote de l’hydrure de magnésium, sélectionnez une température de liquide de moins 163 degrés Celsius, correspondant à une densité intermédiaire de 0,6 gramme par millilitre. Ensuite, fermez le système pour qu’il aspire en fermant V deux accélérateurs ouvert V un lentement permettant à la pression d’augmenter dans la région liquide du schéma phasé au-dessus de 20 bars. Après avoir équilibré le système à 20 bars et moins 163 degrés Celsius, laissez l’échantillon tremper dans de l’azote liquide pendant quatre heures.

Réglez le chauffage à moins 123 degrés Celsius avec une rampe inférieure ou égale à deux degrés par minute. Ne pas laisser la pression augmenter au-delà de la pression nominale maximale de l’appareil après avoir équilibré le système à la pression nominale maximale et à moins 123 degrés Celsius. Laissez l’échantillon tremper dans l’azote supercritique pendant une heure ou plus à ce stade.

Fermez V un, puis craquez soigneusement le système pour aspirer en étranglant V deux, ce qui permet à la pression de diminuer aussi lentement que possible. Retirez le bain d’échantillon et ouvrez complètement V deux pour évacuer complètement l’échantillon en l’équilibrant à température ambiante et sous vide poussé après le traitement. Fermez les vannes V trois et V quatre et retirez le porte-échantillon de l’appareil.

Transférez le porte-échantillon dans un environnement inerte pour la manipulation, tel qu’une boîte à gants remplie d’argonne. Enfin, retirez l’échantillon du porte-échantillon et rangez-le dans un récipient hermétique à température ambiante. La méthode de séchage à l’azote supercritique décrite dans le présent document a été couronnée de succès pour la purification du borohydrure de magnésium poreux.

Les espèces cibles d’extraction étaient le forage D et une impureté butyle finale non spécifique, qui ont été réduites à des quantités négligeables après des traitements itérés avec séchage à l’azote supercritique a montré par spectroscopie infrarouge des espèces gazeuses évoluées lors de la décomposition après trois traitements, aucune impureté détectée ne subsistait. Une fois qu’un ensemble de conditions de protocole réussies a été établi pour une application particulière, cette technique peut être mise à l’échelle pour purifier de grandes quantités de matériel synthétisé. La principale limitation est que l’échantillon doit avoir un contact thermique adéquat avec le bain et donc un environnement d’échantillon conçu de manière appropriée.

Lors de la préparation d’un appareil approprié pour cette procédure, la considération la plus importante est le bain à basse température. Parce que cette procédure n’exige pas de températures exceptionnellement basses, nous avons opté pour une conception simple impliquant un réchauffeur de banc typique, immergé dans de l’azote de fuite comme liquide de refroidissement après cette procédure. Des méthodes analytiques telles que la spectroscopie photoélectronique à rayons X, la spectroscopie infrarouge ou la spectroscopie Raman peuvent être effectuées sur l’échantillon résultant.

Sans l’influence indésirable des impuretés résiduelles, l’échantillon peut facilement être traité immédiatement avant la caractérisation. Les techniques d’extraction supercritiques sont déjà utilisées dans une grande variété d’applications. De la décaféination des grains de café aux méthodes avancées de dépôt catalytique dans des supports poreux utilisant de l’azote comme agent d’extraction, nous étendons simplement l’applicabilité de ces techniques à des matériaux réactifs à d’autres solvants supercritiques plus courants.

Le développement de nouvelles techniques permet aux scientifiques de répondre à des questions pertinentes pour les matériaux émergents. Pour les applications de l’énergie hydrogène, le traitement de l’azote supercritique pourrait apporter des hydros complexes de nouvelle génération, un pas de plus vers la fourniture de matériaux de stockage d’hydrogène mobiles dans le paysage énergétique durable du futur.