היכרות עם הטבע הרדיקלי של משטח פחמן על ידי אלקטרונים פאראמגנטיים תהודה ומכוילת גז Flow

המטרה הכללית של הניסוי הבא היא לאפיין את טיבם של רדיקלים יציבים על פני שטח של מצעי פחמן מוצקים ואת השפעת החמצון על רדיקלים אלו. מטרה זו מושגת על ידי הכנת דגימות פחמן מיובשות בטמפרטורה של 95 °C בתנור ואקום. כשלב שני, זרימה של גז דיאמגנטי מועברת במהירות דרך הדגימות, וטיבם של רדיקלי הפחמן מזוהה באמצעות ספקטרוסקופיית EPR, המאפיינת את טיבם ואת קצב היווצרותם של רדיקלי פחמן בסביבה אינרטית.

בשלב הבא, אוויר או חמצן מוזרמים דרך דגימת הפחמן על מנת לעקוב אחר היעלמותם של רדיקלי פחמן בסביבה מחמצנת. התוצאות מראות כי מצעי פחמן מושפעים באופן שונה מטיפול בחמצון, בהתאם להרכבם ולדחיפותם הנמוכה, על בסיס מדידות B-E-T-F-T-I-R ו-EPR. ההשלכות של טכניקה זו נרחבות למשאבי אנרגיה מוצקים כגון פחם.

מאחר שתהליכי חמצון אלו בעלי הש implies משמעויות חשובות לאחסון וניצול נכונים. למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנות לגבי קבוצות פונקציונליות על פני שטח של משטחים מוצקים, ניתן להחיל אותה גם על מערכות אחרות כגון זאולית, חומרים מזופוריים ושכבות מונו-מולקולריות. רעיון זה עלה אצלנו לראשונה כאשר גילינו שדגימות גולגולת שונות מאופיינות בטבעי רדיקלים שונים.

לפני תחילת הליך זה, הכין דגימות פחמן למדידות EPR על ידי חימום הדגימות בבקבוקוני זכוכית פתוחים בסביבה אינרטית בתוך תנור ואקום. לאחר מכן, מלא כל בקבוקיון בדגימת פחם וסגור כל בקבוקיון דגימה בעזרת ספטום גומי ומכסה אלומיניום כדי להסיר את כלe עקבות החמצן. חבר את הבקבוקיון למערכת ואקום ואטום את כל השסתומים.

הפעל את משאבת הוואקום. לאחר פתיחת שסתום הוואקום, המתן עד שהמדדים יראו ואקום של כ-0.1 millibar. ודא שהדליפה מינימלית על ידי סגירת שסתום הוואקום וספירה עד 30.

פתח את שסתום הדגימה כדי להוציא את האטמוספירה מהנבקת. ברגע שהלחץ חוזר לערך הלחץ ההתחלתי שנקבע בשלב הקודם, חזור על בדיקת הדליפה. לאחר השגת ואקום וניקוז יעיל של שאריות האטמוספירה מהנבקות, סגור את שסתום הוואקום.

לאחר מכן, פתח מיד את שסתום הגז האינרטי ואפשר ללחץ להגיע ל-0.5 atmospheres. בעקבות זאת, סגור את שסתום הגז האינרטי ופתח את שסתום הוואקום כדי להוציא את הגז. לאחר ניקוי המערכת, סגור את שסתום הוואקום ופתח מיד את שסתום הגז, כדי לאפשר ללחץ להגיע ל-0.5 atmospheres.

לאחר שהמערכת עברה ריקון שני, פתח את שסתום הגז ואפשר ללחץ להגיע לאטמוספירה אחת. לאחר סגירת שסתום הגז ושסתום הדגימה, הסר את הבקית על ידי משיכה עדינה כלפי מטה והוצאת המחט. לאחר מכן, פתח את שסתום הוואקום כדי לרוקן את הגז ממערכת הוואקום.

פתחו את שסתום הדגימה כדי לאפשר לאוויר להיכנס למערכת ובמקביל כבו את משאבת הוואקום כדי למנוע זרימה חוזרת של השמן. בשלב זה, הכניסו בעדינות את הקצה הפתוח של מבחנת EPR שנשטפה לאחרונה אל תוך הבקבוק המכיל את דגימת הפחמן. לחצו וסובבו את מבחנת ה-EPR.

לאחר מכן, הקישו בעדינות עד שהמדגם יתפזר באופן אחיד בתחתית. ברגע שהשפופרת מכילה כמות מספקת של מדגם, אטמו את הקצה באמצעות כ-0.5 עד סנטימטר אחד של שפכטל טפלון גומי. כדי להקים את מערכת הזרימה, הכניסו את שפופרת הקוורץ לתוך תהודר ה-EPR, תוך וידוא שחלק השפופרת המלא בפחם ממלא את כל חלל התהודר.

הכינו מיכל עם גז הזרימה הרצוי, וודאו שישנם שני שסתומי הפעלה לצורך בקרת הזרימה. לאחר מכן, חברו צינור גומי למיכל וודאו שהצינור מגיע לקצה צינור הקוורץ של ה-EPR עם מספיק רפיון כדי לא להפעיל לחץ על צינור הקוורץ. חברו בקר זרימה לצינור הגומי כדי לנטר את זרימת הגז.

לאחר חיבור מחט בעלת קוטר קטן לצינור הגומי, הכניסו את המחט דרך שפכטל הטפלון הגמיש עד שתהיה בגובה של כ-3 עד 4 סנטימטרים מעל הדגימה, כדי לא להשפיע על השדה המגנטי. לאחר מכן, צרו חור בשפכטל הגומי כדי לשחרר את הגז היוצא. לאחר הפעלת ספקטרומטר ה-EPR, פתחו את פנל כיוון המיקרוגל.

אתרו את השקע בעוצמה של 33 דציבל והשתמשו ב-Auto-Tune כדי להשיג את תנאי הכיוונון האופטימליים. לאחר הגדרת עוצמת המיקרוגל לשני מיליוואט, פתחו את הניסוי הדו-ממדי (2D) כפונקציה של השדה המגנטי והזמן. לאחר מכן, הגדירו את הפרמטרים המתאימים של הניסוי.

בשלב הבא, התחילו את מחזור המדידה והפעילו את זרימת הגז. לאחר שהדגימה הגיעה לשיווי משקל ולא חל שינוי נוסף בצורת קו ה-EPR, הפסיקו את זרימת הגז, חשפו את הדגימה לאוויר והמשיכו במדידות. המשיכו כך עד לקבלת 50 ספקטרום או עד להגעה לשיווי משקל. אחד.

בעת ביצוע ניסויי EPR על דגימות פחם שונות, נצפה מין שני בערך G של כ-2.0028. ערך G זה קרוב לערכו של אלקטרון חופשי ועולה בקנה אחד עם רדיקלים מרכזיים של פחם עם תחליפיים לא מומסים. עם זאת, ריכוז הספין הכולל עבור כל דגימה נשאר קבוע בטווח של פלוס או מינוס 10%. השגיאה הניסיונית המוצגת כאן היא לסריקות של אפס שניות ו-1900 שניות לאחר שדגימת הפחם נחשפה לפחמן דו-חמצני.

ספקטרום ה-EPR ב-1900 שניות מאופיין על ידי שני מינים. הראשון בערך G של 2.004 עם רוחב קו של 5G, ומין שני, צר הרבה יותר, בערך G של 2.0028 עם רוחב קו של 2.0 G. נמצא כי קצב ההיווצרות של מין שני זה הוא בערך 500 שניות. באופן מעניין, מידת ההיווצרות של מין שני זה לאחר התייצבות דומה עבור כל דגימות הפחם והוערכה כ-4 עד 5% ביחס לריכוז הספין הראשוני.

שאר הספינים תואמים לרדיקלים ממרכז פחמן או לרדיקל ממרכז פחמן עם אטום חמצן. ערכי ה-G השונים של מיני הרדיקלים הדומיננטיים בכל דגימה תלויים באופי הפחם. מכיוון שקינטיקת ההיווצרות של מין שני זה עבור כל דגימת פחם היא שונה, היא אמורה להיות קשורה לשטח הנקבוביות של הדגימה ו/או לקבוצות הפונקציונליות שעל פני השטח.

על מנת לאפיין טוב יותר קבוצות פונקציונליות אלו, נדרשות טכניקות נוספות כגון BET ו-NMR כהשלמה לנתוני ה-EPR. בעת ביצוע פרוצדורה זו, חשוב לזכור לייבש את הדגימות הקרות ביעילות. שלב זה הוא קריטי כדי לאפשר יצירת קו בסיס שבו לא נספגים מחדש מולקולות מים על התשתיות הקרות.

בעקבות נהלים אלו, ניתן לבצע שיטות אחרות כגון אנליזה אלמנטרית, NMR, BT ו-FT IR כדי לענות על שאלות נוספות, כגון מהו אופי הקבוצה הפונקציונלית, נקבוביות הדגימות והרכבן. לאחר צפייה בסרטון זה, צריכה להיות לכם הבנה טובה של אופן ביצוע האפיון הפשוט של פני שטח מוצקים עם רדיקל תחת טיפול חמצון.