Esplorare la natura radicale di una superficie Carbonio Electron risonanza paramagnetica e calibrato di flusso del gas

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di caratterizzare la natura dei radicali stabili sulla superficie dei substrati solidi di carbonio e l'effetto dell'ossidazione su tali radicali. Ciò si ottiene preparando campioni di carbonio essiccato a 95 gradi Celsius in un forno a vuoto. Come seconda fase, un flusso di gas diamagnetico viene fatto lampeggiare attraverso i campioni e la natura dei radicali di carbonio viene rilevata mediante spettroscopia EPR, che caratterizza la natura e la velocità di formazione dei radicali di carbonio in un ambiente inerte.

Successivamente l'aria o l'ossigeno vengono fatti fluire attraverso il campione di carbonio per seguire la scomparsa dei radicali di carbonio in un ambiente ossidante. I risultati mostrano che i substrati di carbonio sono influenzati in modo diverso dal trattamento di ossidazione, a seconda dei loro compositi e della scarsa densità basata sulle misure B-E-T-F-T-I-R ed EPR. Le implicazioni di questa tecnica si estendono alle risorse energetiche solide come il carbone.

Perché questi processi di ossidazione hanno importanti implicazioni per il corretto stoccaggio e utilizzo. Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sui gruppi funzionali di superficie su superfici solide, può essere applicato anche ad altri sistemi come zeolite, meso, post materiali e monostrati. Abbiamo avuto questa idea per la prima volta quando abbiamo scoperto che vari campioni di cranio sono caratterizzati da diverse nature radicali.

Prima di iniziare questa procedura, preparare i campioni di carbonio per le misure EPR riscaldando i campioni in fiale di vetro aperte in un ambiente inerte all'interno di un forno a vuoto. Quindi riempire ogni fiala con un campione di carbone e tappare ogni fiala con un setto di gomma e un tappo di alluminio per rimuovere tutte le tracce di ossigeno. Collegare la fiala a un sistema di vuoto e sigillare tutte le valvole.

Accendere la pompa del vuoto. Dopo aver aperto la valvola del vuoto, attendere che i monitor mostrino un vuoto di circa 0,1 millibar. Assicurati che la perdita sia minima chiudendo la valvola del vuoto e contando fino a 30.

Aprire la valvola del campione per rimuovere l'atmosfera nella fiala. Una volta che la pressione ritorna al valore di pressione iniziale determinato nel passaggio precedente, ripetere la prova di tenuta. Dopo aver raggiunto il vuoto e aver spurgato efficacemente le fiale dall'atmosfera rimanente, chiudere la valvola del vuoto.

Quindi aprire immediatamente la valvola del gas inerte e lasciare che la pressione raggiungesse 0,5 atmosfere. Successivamente, chiudere la valvola del gas inerte e aprire la valvola del vuoto per rimuovere il gas. Dopo che il sistema è stato spurgato, chiudere la valvola del vuoto e aprire immediatamente la valvola del gas, consentendo alla pressione di raggiungere 0,5 atmosfere.

Una volta che il sistema è stato spurgato una seconda volta, aprire la valvola del gas e lasciare che la pressione raggiunga un'atmosfera. Dopo aver chiuso la valvola del gas e la valvola del campione, rimuovere la fiala tirando delicatamente verso il basso e rimuovendo l'ago. Quindi, aprire la valvola del vuoto per spurgare il gas dal sistema del vuoto.

Aprire la valvola di campionamento per consentire l'ingresso dell'aria nel sistema e contemporaneamente spegnere la pompa del vuoto per evitare il riflusso dell'olio. A questo punto, ruotare delicatamente l'estremità aperta di una provetta EPR appena risciacquata nella fiala contenente il campione di carbonio. Premere e ruotare il tubo EPR.

Quindi picchiettare delicatamente fino a quando il campione non si è disperso uniformemente sul fondo. Una volta che la provetta contiene una quantità sufficiente di campione, sigillare la punta utilizzando circa 0,5-un centimetro di mastice di gomma al teflon. Per configurare il sistema di flusso, inserire il tubo di quarzo nel risonatore EPR, assicurandosi che la sezione del tubo EPR riempita con il carbone riempia l'intera cavità del risonatore.

Impostare un serbatoio con il flusso di gas desiderato, assicurandosi che ci siano due valvole di funzionamento per controllare il flusso. Successivamente, collegare il tubo di gomma al serbatoio e assicurarsi che il tubo raggiunga la punta del tubo di quarzo EPR con una trazione sufficiente per non mettere a dura prova il tubo di quarzo. Collegare un regolatore di flusso al tubo di gomma per monitorare il flusso di gas.

Dopo aver collegato un ago di piccolo calibro al tubo di gomma, inserire l'ago attraverso lo stucco di gomma Teflon fino a quando non si trova a circa tre o quattro centimetri sopra il campione, in modo da non influenzare il campo magnetico. Quindi praticare un foro nello stucco di gomma per rilasciare il gas di deflusso. Dopo aver acceso lo spettrometro EPR, aprire il pannello di sintonizzazione delle microonde.

Individua il calo a 33 decibel di potenza e usa l'Auto-Tune per ottenere le migliori condizioni di sintonizzazione. Una volta che la potenza delle microonde è stata impostata su due milliwatt, aprire l'esperimento 2D in funzione del campo magnetico e del tempo. Quindi imposta i parametri appropriati dell'esperimento.

Quindi, avviare il ciclo di misurazione e attivare il flusso di gas. Dopo che il campione ha raggiunto l'equilibrio e non vi sono ulteriori cambiamenti nella forma della linea EPR, interrompere il flusso di gas, esporre il campione all'aria e continuare con le misurazioni. Fino ad ottenere 50 spettri o fino al raggiungimento dell'equilibrio. Uno.

Durante l'esecuzione degli esperimenti EPR su vari campioni di carbone, è stata osservata una seconda specie con un valore G di circa 2,0028. Questo valore G è vicino al valore di un elettrone libero ed è coerente con i radicali centrati nel carbonio atico non sostituiti. Tuttavia, la concentrazione totale di spin per ciascun campione è rimasta costante entro più o meno il 10%L'errore sperimentale mostrato qui sono zero secondi e 1900 secondi di scansioni dopo che il campione di carbone è stato esposto all'anidride carbonica.

Lo spettro EPR a 1900 secondi è caratterizzato da due specie. La prima con un valore G di 2,004 con una larghezza della linea di cinque 5G, e una seconda specie, che è molto più stretta con un valore G di 2,0028 con una larghezza della linea di 2,0 G.It è stato riscontrato che il tasso di formazione di questa seconda specie è di circa 500 secondi. È interessante notare che l'entità della formazione di questa seconda specie dopo la stabilizzazione è simile per tutti i campioni di carbone ed è stata valutata dal 4 al 5% rispetto alla concentrazione iniziale di spin.

Il resto degli spin corrisponde a radicali centrati sul carbonio o a un radicale centrato sul carbonio con un atomo di ossigeno. I diversi valori G delle specie radicaliche dominanti in ciascun campione dipendono dalla natura del carbone. Poiché la cinetica di formazione di questa seconda specie per ogni campione di carbone è diversa, dovrebbe essere correlata all'area dei pori del campione e/o ai gruppi funzionali della superficie.

Al fine di caratterizzare meglio questi gruppi funzionali, sono necessarie altre tecniche come BET e NMR per integrare i dati EPR. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordarsi di asciugare efficacemente i campioni freddi. Questo passaggio è fondamentale per consentire la creazione di una linea di base in cui nessuna molecola d'acqua viene riassorbita sui substrati di richiamo.

Seguendo queste procedure, è possibile eseguire altri metodi come l'analisi elementare NMR BT e FT IR per rispondere a ulteriori domande come, qual è la natura del gruppo funzionale, la porosità dei campioni e le composizioni. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come condurre la semplice caratterizzazione di una superficie solida con radicale sotto trattamento di ossigenazione.