Elaborazione azoto supercritica per la purificazione di reattivi materiali porosi

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di purificare la tana di magnesio, l'idruro, un idruro poroso e complesso e il materiale di stoccaggio dell'idrogeno ad alta densità utilizzando azoto supercritico. Ciò si ottiene immergendo prima un campione di idruro di burro di magnesio in azoto liquido compresso nella regione quasi critica del diagramma di fase a meno 163 gradi Celsius e 20 bar, dove la sua elevata densità del fluido è indicativa di un alto potere solvente verso le impurità bersaglio, come Dior e le specie di butile finale. In una seconda fase, l'azoto liquido viene riscaldato e compresso nella regione supercritica densa del diagramma di fase a meno 123 gradi Celsius e circa 100 bar.

Successivamente, l'azoto supercritico e le eventuali specie disciolte possono essere estratte dal campione riducendo lentamente la pressione al vuoto a meno 123 gradi Celsius, eludendo così la transizione di fase da liquido a gassoso dove gli effetti della tensione superficiale possono portare a una scarsa estrazione delle specie bersaglio. I risultati mostrano che dopo trattamenti iterativi di essiccazione con azoto supercritico, il gas si decompone. I prodotti dell'idruro di tana di magnesio sono costituiti solo da idrogeno basato sulla decomposizione programmata a temperatura accoppiata con spettroscopia a infrarossi.

Il focus delle nostre attività di ricerca è la scienza dei materiali connessa allo stoccaggio di energia rinnovabile. Fin dall'inizio della nostra ricerca pionieristica sugli idruri complessi come materiali di stoccaggio dell'idrogeno, la sintesi di composti boroidruro è stata una sfida. I composti puri sono difficili da produrre, ma essenziali per le indagini scientifiche.

Le metodologie di purificazione possono aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dello stoccaggio dell'idrogeno allo stato solido, come ad esempio il ruolo svolto dalle impurità nelle reazioni di decomposizione di idrati complessi. La risposta rimane complicata e oggetto di discussione ancora oggi. L'idea di perseguire questa strategia è stata ispirata dal lavoro dei colleghi hopin che nel 2009 hanno riportato l'uso efficace dell'anidride carbonica supercritica nell'attivazione di strutture metalliche organiche.

Qui usiamo l'azoto in modo simile per gli idruri complessi porosi, sfruttando la regione supercritica ad alta densità del suo diagramma di fase a temperature molto più basse dell'EBR. Il vantaggio principale del trattamento con azoto supercritico rispetto ai metodi esistenti come l'essiccazione supercritica con anidride carbonica è che l'azoto è orientato verso composti fortemente riducenti, come alienanti e idruri bo, pur mostrando molti vantaggi di un solvente supercritico ideale. Tutti e quattro.

Questo particolare metodo ha dimostrato di essere efficace nel trattamento dell'idruro poroso di magnesio. Può essere applicato anche ad altri materiali in cui la reattività dell'anidride carbonica ne vieta l'uso Come agente essiccante o di estrazione, le basse temperature e le modeste pressioni richieste lo rendono quasi universalmente applicabile. Utilizzare un apparato di essiccazione supercritico di base composto da un collettore di dosaggio dell'alimentazione del gas, un sistema di vuoto, sensori di temperatura e pressione e l'ambiente del campione, il tutto collegato da un tubo del gas ad alta pressione, caricare da 0,1 a 0,5 grammi di idruro di magnesio nel supporto del campione in un'atmosfera iner come una scatola a guanti Argonne a temperatura ambiente.

Chiudere il portacampioni con una guarnizione del filtro, quindi chiudere la valvola. Dopo aver rimosso il portacampioni dalla scatola a guanti, fissarlo all'apparecchiatura, aprire il collettore di dosaggio per sottomettere a vuoto tramite V 2 ed evacuare. Dopo aver aperto V tre ed evacuato, appollaiare l'apparecchio con azoto tramite V uno ed evacuare tramite V due.

Evacuare e spurgare un paio di volte. Quindi aprire V four ed evacuare il campione a temperatura ambiente per un massimo di 24 ore. Per raggiungere la pressione minima del sistema, installare il bagno del campione attorno al portacampione sollevando il bagno in posizione su un sollevatore a forbice.

Successivamente, impostare il riscaldatore sulla temperatura futura del liquido desiderata di meno 163 gradi Celsius e continuare a evacuare l'apparecchio fino a quando la temperatura non si equilibra Per il processo di essiccazione supercritico con azoto dell'idruro di boro di magnesio, selezionare una temperatura del liquido di meno 163 gradi Celsius, corrispondente a una densità intermedia di 0.6 grammi per millilitro. Quindi, chiudere il sistema per l'aspirazione chiudendo le due V dell'acceleratore e una delle V aperte lentamente permettendo alla pressione di aumentare nella regione del liquido del diagramma di fase sopra i 20 bar. Dopo aver bilanciato il sistema a 20 bar e meno 163 gradi Celsius, lasciare il campione in ammollo in azoto liquido per quattro ore.

Impostare il riscaldatore a meno 123 gradi Celsius con una rampa inferiore o uguale a due gradi al minuto. Lasciare che la pressione aumenti non oltre la pressione nominale massima dell'apparecchio dopo aver bilanciato il sistema alla pressione nominale massima e a meno 123 gradi Celsius. A questo punto, lasciare il campione in ammollo in azoto supercritico per un'ora o più.

Chiudere V uno e quindi rompere con cura il sistema per l'aspirazione strozzando V due, consentendo alla pressione di diminuire il più lentamente possibile. Rimuovere il bagno del campione e aprire completamente V due per evacuare completamente il campione in equilibrio a temperatura ambiente e ad alto vuoto dopo il trattamento. Chiudere le valvole V tre e V quattro e rimuovere il portacampioni dall'apparecchio.

Trasferire il portacampioni in un ambiente inerte per la manipolazione, ad esempio una scatola a guanti riempita di argonne. Infine, rimuovere il campione dal portacampioni e conservarlo in un contenitore sigillato a temperatura ambiente. La metodologia di essiccazione con azoto supercritico qui descritta ha avuto successo per la purificazione dell'idruro di boro di magnesio poroso.

Le specie target dell'estrazione erano la perforazione D e un'impurità butilica finale non specifica, che sono state ridotte a quantità trascurabili dopo trattamenti iterati con essiccazione con azoto supercritico, ha dimostrato dalla spettroscopia infrarossa delle specie gassose evolute durante la decomposizione dopo tre trattamenti, non sono rimaste impurità rilevate. Una volta stabilita una serie di condizioni di protocollo di successo per una particolare applicazione, questa tecnica può essere scalata per purificare grandi quantità di materiale sintetizzato. Il limite principale è che il campione deve avere un adeguato contatto termico con il bagno e quindi un ambiente di campionamento adeguatamente progettato.

Quando si prepara un apparecchio appropriato per questa procedura, la considerazione più importante è il bagno a bassa temperatura. Poiché questa procedura non richiede temperature eccezionalmente basse, abbiamo optato per un design semplice che prevede un tipico riscaldatore a goccia da banco, immerso nell'azoto di perdita come refrigerante Seguendo questa procedura. Metodi analitici come la spettroscopia fotoelettronica a raggi X, la spettroscopia a infrarossi o la spettroscopia Raman possono essere eseguiti sul campione risultante.

Senza l'influenza indesiderata delle impurità residue, il campione può essere facilmente processato immediatamente prima della caratterizzazione. Le tecniche di estrazione super critiche sono già utilizzate in una vasta gamma di applicazioni. Dalla decaffeinizzazione dei chicchi di caffè ai metodi avanzati per la deposizione di catalizzatori in supporti porosi utilizzando l'azoto come agente di estrazione, estendiamo semplicemente l'applicabilità di queste tecniche a materiali che sono reattivi ad altri solventi supercritici più comuni.

Lo sviluppo di nuove tecniche consente agli scienziati di rispondere a domande relative ai materiali emergenti. Per le applicazioni energetiche a idrogeno, il trattamento dell'azoto supercritico potrebbe portare l'idroelettrico complesso di prossima generazione, un passo avanti verso la funzione di materiali mobili per lo stoccaggio dell'idrogeno nel panorama energetico sostenibile del futuro.