Verkenning van de Radical Nature van een Carbon Surface van elektronen paramagnetische resonantie en een gekalibreerd Gas Flow

Het algemene doel van het volgende experiment is om de aard van stabiele radicalen op het oppervlak van vaste koolstofsubstraten en het effect van oxidatie op deze radicalen te karakteriseren. Dit wordt bereikt door gedroogde koolstofmonsters voor te bereiden bij 95 °C in een vacuümoven. Als tweede stap wordt een diamagnetische gasstroom door de monsters geleid en wordt de aard van de koolstofradicalen gedetecteerd via EPR-spectroscopie, waarmee de aard en de vormingssnelheid van koolstofradicalen in een inerte omgeving worden gekarakteriseerd.

Vervolgens wordt lucht of zuurstof door het koolstofmonster geleid om de verdwijning van koolstofradicalen in een oxiderende omgeving te volgen. De resultaten tonen aan dat koolstofsubstraten op verschillende wijze worden beïnvloed door de oxidatiebehandeling, afhankelijk van hun samenstelling en porositeit op basis van B-E-T-F-T-I-R en EPR-metingen. De implicaties van deze techniek strekken zich uit tot vaste energieressources zoals steenkool.

Omdat deze oxidatieprocessen belangrijke implicaties hebben voor de juiste opslag en het gebruik. Hoewel deze methode inzicht kan geven in oppervlaktefunctionele groepen op vaste oppervlakken, kan deze ook worden toegepast op andere systemen, zoals zeoliet, meso- en post-materialen en monolagen. We kregen dit idee voor het eerst toen we ontdekten dat verschillende schedelmonsters worden gekenmerkt door verschillende radicalen。

Bereid vóór aanvang van deze procedure de koolstofmonsters voor op EPR-metingen door de monsters in open glazen vials te verhitten onder een inerte atmosfeer in een vacuümoven. Vul vervolgens elke vial met een steenkoolmonster en sluit elke monster-vial af met een rubberen septum en een aluminium dop om alle sporen van zuurstof te verwijderen. Sluit de vial aan op een vacuümsysteem en sluit alle afsluiters.

Zet de vacuümpomp aan. Nadat de vacuümklep is geopend, wacht u tot de monitors een vacuüm van ongeveer 0,1 millibar aangeven. Controleer of lekverlies minimaal is door de vacuümklep te sluiten en tot 30 te tellen.

Open het monsterventiel om de atmosfeer in het vial te verwijderen. Zodra de druk terugkeert naar de initiële drukwaarde die in de vorige stap is bepaald, wordt de lektest herhaald. Nadat er een vacuüm is bereikt en de vials effectief zijn gezuiverd van de resterende atmosfeer, wordt het vacuümventiel gesloten.

Open vervolgens onmiddellijk het inerte gaskraantje en laat de druk stijgen tot 0,5 atmosferen. Sluit daarna het inerte gaskraantje en open het vacuümventiel om het gas te verwijderen. Nadat het systeem is gespoeld, sluit u het vacuümventiel en opent u onmiddellijk het gaskraantje, waarbij de druk weer tot 0,5 atmosferen wordt gebracht.

Zodra het systeem voor een tweede keer is gespoeld, opent u het gasventiel en laat u de druk stijgen tot één atmosfeer. Nadat u het gasventiel en het monsterventiel heeft gesloten, verwijdert u het vials door deze voorzichtig naar beneden te trekken en de naald te verwijderen. Open vervolgens het vacuümventiel om het gas uit het vacuümsysteem te spoelen.

Open het monsterventiel om lucht in het systeem toe te laten en schakel gelijktijdig de vacuümpomp uit om een terugstroom van de olie te voorkomen. Draai op dit punt het open uiteinde van een vers gespoelde EPR-buis voorzichtig in het vial met het koolstofmonster. Druk de EPR-buis aan en draai deze vast.

Tik vervolgens voorzichtig tot het monster gelijkmatig op de bodem is verspreid. Zodra de buis een voldoende hoeveelheid monster bevat, wordt de punt afgedicht met ongeveer 0,5 tot één centimeter rubberen Teflon-kit. Om het flowsysteem in te stellen, wordt de kwartsbuis in de EPR-resonator geplaatst, waarbij erop wordt gelet dat het gedeelte van de EPR-buis dat gevuld is met de kool de gehele resonatorholte vult.

Stel een tank met het gewenste stroomgas in, waarbij u ervoor zorgt dat er twee bedieningskranen aanwezig zijn om de stroom te regelen. Sluit vervolgens rubberen slang aan op de tank en zorg ervoor dat de slang de punt van de EPR-kwartsbuis bereikt met voldoende speling om geen spanning op de kwartsbuis uit te oefenen. Sluit een debietregelaar aan op de rubberen slang om de gasstroom te monitoren.

Bevestig een naald met een klein kaliber aan de rubberen slang en steek de naald door de rubberen Teflon-kit tot deze ongeveer drie tot vier centimeter boven het monster staat, om het magnetische veld niet te beïnvloeden. Maak vervolgens een gaatje in de rubberen kit om het uitstroomgas te laten ontsnappen. Open na het inschakelen van de EPR-spectrometer het paneel voor de microwave-afstemming.

Lokaliseer de dip bij 33 decibel vermogen en gebruik Auto-Tune om de optimale afstemcondities te verkrijgen. Zodra het microgolfvermogen is ingesteld op 2 mW, opent u het 2D-experiment als functie van het magnetisch veld en de tijd. Stel vervolgens de juiste parameters van het experiment in.

Start vervolgens de meetcyclus en zet de gasstroom aan. Zodra het monster het evenwicht heeft bereikt en er geen verdere verandering in de EPR-lijnbreedte meer optreedt, wordt de gasstroom gestopt, wordt het monster aan de lucht blootgesteld en wordt er doorgegaan met de metingen. Dit gaat door totdat er 50 spectra zijn verkregen of totdat het evenwicht is bereikt.Een.

Bij het uitvoeren van de EPR-experimenten op verschillende steenkoolmonsters werd een tweede soort waargenomen bij een G-waarde van ongeveer 2,0028. Deze G-waarde ligt dicht bij de waarde van een vrij elektron en is consistent met niet-gesubstitueerde alifatische koolstofgecentreerde radicalen. De totale spinconcentratie voor elk monster bleef echter constant binnen plus of minus 10%. De hier getoonde experimentele fouten zijn scans van nul seconden en 1900 seconden nadat het steenkoolmonster werd blootgesteld aan koolstofdioxide.

Het EPR-spectrum bij 1900 seconden wordt gekenmerkt door twee species. De eerste heeft een G-waarde van 2,004 met een lijnbreedte van 5G, en een tweede species, die veel smaller is, met een G-waarde van 2,0028 en een lijnbreedte van 2,0 G. Er werd vastgesteld dat de vormingssnelheid van deze tweede species ongeveer 500 seconden bedraagt. Opvallend genoeg is de mate van vorming van deze tweede species na stabilisatie vergelijkbaar voor alle steenkoolmonsters en werd deze geschat op 4 tot 5% ten opzichte van de initiële spinconcentratie.

De overige spins komen overeen met ofwel koolstofgecentreerde radicalen of een koolstofgecentreerd radicaal met een zuurstofatoom. De verschillende G-waarden van de dominante radicaalsoorten in elk monster zijn afhankelijk van de aard van de steenkool. Aangezien de vormingskinetiek van deze tweede soort voor elk steenkoolmonster verschilt, zou dit gerelateerd moeten zijn aan het porieoppervlak en/of de functionele oppervlaktegroepen van het monster.

Om deze functionele groepen beter te karakteriseren, zijn andere technieken zoals BET en NMR vereist ter aanvulling op de EPR-gegevens. Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om eraan te denken de koude monsters effectief te drogen. Deze stap is cruciaal om de creatie van een basislijn mogelijk te maken waarbij geen watermoleculen worden geabsorbeerd op de betreffende substraten.

Na het volgen van deze procedures kunnen andere methoden, zoals elementanalyse, NMR, BT en FT IR, worden uitgevoerd om aanvullende vragen te beantwoorden, zoals de aard van de functionele groep, de porositeit van de monsters en de samenstellingen. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u de eenvoudige karakterisering van een vast oppervlak met radicalen onder oxygenatiebehandeling uitvoert.