전자 상자성 공명 및 교정 가스 흐름에 의해 탄소 표면의 급진적 자연 탐험

다음 실험의 전반적인 목표는 고체 탄소 기질 표면의 안정적인 라디칼의 성질과 이러한 라디칼에 미치는 산화의 영향을 규명하는 것입니다. 이는 진공 오븐에서 95 °C로 건조된 탄소 시료를 준비함으로써 수행됩니다. 두 번째 단계로, 반자성 가스 흐름을 시료에 빠르게 통과시키며, 불활성 환경에서 탄소 라디칼의 성질과 생성 속도를 규명하는 EPR 분광법을 통해 탄소 라디칼의 성질을 검출합니다.

다음으로, 산화 환경에서 탄소 라디칼의 소멸 과정을 추적하기 위해 탄소 시료에 공기 또는 산소를 흘려줍니다. B-E-T-F-T-I-R 및 EPR 측정 결과, 탄소 기질은 그 구성 성분과 낮은 밀도에 따라 산화 처리의 영향을 서로 다르게 받는 것으로 나타났습니다. 이 기술의 활용 범위는 석탄과 같은 고체 에너지 자원까지 확장될 수 있습니다.

이러한 산화 과정은 적절한 보관 및 활용에 중요한 영향을 미치기 때문입니다. 이 방법은 고체 표면의 표면 작용기에 대한 통찰을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 제올라이트, 메조포러스 재료 및 단분자층과 같은 다른 시스템에도 적용될 수 있습니다. 저희는 다양한 두개골 샘플이 서로 다른 라디칼 특성을 가지고 있다는 것을 발견했을 때 처음으로 이 아이디어를 떠올렸습니다.

본 절차를 시작하기 전에, 진공 오븐 내 불활성 환경에서 개방형 유리 바이알에 담긴 시료를 가열하여 EPR 측정을 위한 탄소 시료를 준비하십시오. 그 다음, 각 바이알에 석탄 시료를 채우고 고무 격막과 알루미늄 캡으로 각 시료 바이알을 밀봉하여 모든 산소 흔적을 제거하십시오. 바이알을 진공 시스템에 연결하고 모든 밸브를 잠그십시오.

진공 펌프를 켭니다. 진공 밸브를 연 후, 모니터에 진공도가 약 0.1 millibar로 표시될 때까지 기다립니다. 진공 밸브를 닫고 30초 동안 세어 보며 누출이 최소한인지 확인합니다.

샘플 밸브를 열어 바이알 내부의 공기를 제거합니다. 압력이 이전 단계에서 결정된 초기 압력 값으로 돌아오면 누출 테스트를 반복합니다. 진공 상태를 달성하고 바이알에 남아 있는 공기를 효과적으로 퍼지한 후, 진공 밸브를 닫습니다.

그런 다음 즉시 불활성 가스 밸브를 열어 압력이 0.5 atmospheres에 도달하게 합니다. 이어서 불활성 가스 밸브를 닫고 진공 밸브를 열어 가스를 제거합니다. 시스템 퍼지가 완료되면 진공 밸브를 닫고 즉시 가스 밸브를 열어 압력이 0.5 atmospheres에 도달하게 합니다.

시스템을 두 번째로 퍼지한 후, 가스 밸브를 열어 압력이 1기압에 도달하게 합니다. 가스 밸브와 샘플 밸브를 닫은 다음, 바이알을 부드럽게 아래로 당겨 바늘을 제거하고 꺼냅니다. 이어서, 진공 밸브를 열어 진공 시스템 내의 가스를 퍼지합니다.

샘플 밸브를 열어 시스템 내로 공기가 유입되게 함과 동시에, 오일의 역류를 방지하기 위해 진공 펌프의 전원을 끕니다. 이때, 새로 세척한 EPR 튜브의 열린 끝부분을 탄소 샘플이 들어 있는 바이알 쪽으로 조심스럽게 향하게 합니다. EPR 튜브를 누르며 돌려 고정합니다.

그런 다음 샘플이 바닥에 균일하게 분산될 때까지 가볍게 두드립니다. 튜브에 충분한 양의 샘플이 담기면, 약 0.5~1cm의 고무 테플론 퍼티를 사용하여 팁을 밀봉합니다. 유량 시스템을 설정하려면 석영 튜브를 EPR 공진기에 삽입하고, 석탄이 채워진 EPR 튜브 부분이 공진기 공동 전체를 채우도록 합니다.

원하는 유동 가스가 담긴 탱크를 준비하고, 유량을 조절할 수 있도록 두 개의 조작 밸브가 설치되어 있는지 확인하십시오. 그 다음 탱크에 고무 튜브를 연결하고, 쿼츠 튜브에 무리가 가지 않도록 충분한 여유를 두어 튜브가 EPR 쿼츠 튜브의 끝부분까지 닿게 하십시오. 가스 유량을 모니터링하기 위해 고무 튜브에 유량 제어기를 연결하십시오.

고무 튜빙에 가는 바늘을 부착한 후, 자기장에 영향을 주지 않도록 시료 위로 약 3~4 cm 높이가 될 때까지 바늘을 고무 Teflon 퍼티에 삽입합니다. 그런 다음 고무 퍼티에 구멍을 뚫어 유출 가스를 배출시킵니다. EPR 분광계를 켠 후, 마이크로파 튜닝 패널을 엽니다.

33 dB 출력에서 딥(dip)을 찾고 Auto-Tune을 사용하여 최적의 튜닝 조건을 얻습니다. 마이크로파 출력을 2 mW로 설정한 후, 자기장과 시간의 함수로 2D 실험을 엽니다. 그런 다음 실험의 적절한 파라미터를 설정합니다.

다음으로, 측정 사이클을 시작하고 가스 흐름을 켭니다. 샘플이 평형 상태에 도달하고 EPR 라인 모양에 더 이상 변화가 없으면, 가스 흐름을 중단하고 샘플을 공기에 노출시킨 후 측정을 계속합니다. 50개의 스펙트럼을 얻거나 평형 상태에 도달할 때까지 진행합니다. 하나.

다양한 석탄 시료에 대해 EPR 실험을 수행했을 때, G 값이 약 2.0028인 두 번째 종이 관찰되었습니다. 이 G 값은 자유 전자의 값과 가깝고, 치환되지 않은 sp² 탄소 중심 라디칼과 일치합니다. 그러나 각 시료의 총 스핀 농도는 ±10% 이내로 일정하게 유지되었습니다. 여기에 표시된 실험 오차는 석탄 시료를 이산화탄소에 노출시킨 후 0초와 1900초 시점에서 스캔한 결과입니다.

1900초에서의 EPR 스펙트럼은 두 가지 종으로 특징지어집니다. 첫 번째는 G 값이 2.004이고 선폭이 5G인 종이며, 두 번째 종은 G 값이 2.0028이고 선폭이 2.0G로 훨씬 더 좁습니다. 이 두 번째 종의 형성 속도는 약 500초인 것으로 나타났습니다. 흥미롭게도, 안정화 이후 이 두 번째 종의 형성 정도는 모든 석탄 시료에서 유사했으며, 초기 스핀 농도 대비 4~5%로 평가되었습니다.

나머지 스핀은 탄소 중심 라디칼 또는 산소 원자가 포함된 탄소 중심 라디칼에 해당합니다. 각 시료에서 지배적인 라디칼 종의 서로 다른 G 값은 석탄의 성질에 따라 달라집니다. 각 석탄 시료에 대해 이 두 번째 종이 형성되는 속도론이 서로 다르기 때문에, 이는 시료의 기공 면적 또는 표면 작용기와 관련이 있을 것입니다.

이러한 작용기들을 더 잘 특성화하기 위해서는 EPR 데이터를 보완하기 위한 BET 및 NMR과 같은 다른 기술들이 필요합니다. 이 절차를 수행할 때, 냉각된 시료를 효과적으로 건조시키는 것이 중요함을 기억해야 합니다. 이 단계는 기판에 물 분자가 재흡착되지 않는 기선(baseline)을 생성하기 위해 매우 중요합니다.

이러한 절차 후에 원소 분석, NMR, BT 및 FT IR과 같은 다른 방법들을 수행하여 작용기의 성질, 시료의 다공성 및 조성과 같은 추가적인 질문에 대한 답을 얻을 수 있습니다. 이 영상을 시청한 후에는 산소화 처리를 통한 라디칼 상태의 고체 표면에 대한 간단한 특성 분석을 수행하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.