Przetwarzanie azotu w stanie nadkrytycznym do oczyszczania reaktywnych materiałów porowatych

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest oczyszczenie nory magnezowej, wodorku, porowatego, złożonego wodorku i materiału do magazynowania wodoru o wysokiej gęstości przy użyciu azotu w stanie nadkrytycznym. Osiąga się to poprzez uprzednie namoczenie próbki wodorku magnezu w sprężonym ciekłym azocie w obszarze zbliżonym do krytycznego wykresu fazowego w temperaturze minus 163 stopni Celsjusza i 20 barach, gdzie jego wysoka gęstość płynu wskazuje na wysoką moc rozpuszczalnika w stosunku do docelowych zanieczyszczeń, takich jak Dior i formy butylu końcowego. W drugim etapie ciekły azot jest podgrzewany i sprężany do gęstego obszaru nadkrytycznego wykresu fazowego w temperaturze minus 123 stopni Celsjusza i około 100 barów.

Następnie azot w stanie nadkrytycznym i wszelkie rozpuszczone związki można wyekstrahować z próbki, powoli zmniejszając ciśnienie do próżni do minus 123 stopni Celsjusza, omijając w ten sposób przemianę fazową cieczy w gaz, w której efekty napięcia powierzchniowego mogą prowadzić do słabej ekstrakcji docelowych gatunków. Wyniki pokazują, że po iteracyjnym suszeniu azotem w stanie nadkrytycznym gaz ulega rozkładowi. Produkty wodorku magnezu składają się wyłącznie z wodoru opartego na rozkładzie zaprogramowanym temperaturowo w połączeniu ze spektroskopią w podczerwieni.

Przedmiotem naszej działalności badawczej jest materiałoznawstwo związane z magazynowaniem energii odnawialnej. Od początku naszych pionierskich badań nad wodorkami złożonymi jako materiałami magazynującymi wodór, synteza związków borowodorkowych była wyzwaniem. Czyste związki są trudne do wyprodukowania, ale niezbędne do badań naukowych.

Metodologie oczyszczania mogą pomóc w znalezieniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie magazynowania wodoru w stanie stałym, takie jak rola zanieczyszczeń w reakcjach rozkładu złożonych hydratów. Odpowiedź na to pytanie pozostaje skomplikowana i do dziś jest przedmiotem sporów. Pomysł na realizację tej strategii został zainspirowany pracami kolegów z Hopin, którzy w 2009 roku poinformowali o skutecznym wykorzystaniu nadkrytycznego dwutlenku węgla w aktywacji struktur metaloorganicznych.

W tym przypadku używamy azotu w podobny sposób dla porowatych wodorków złożonych, wykorzystując nadkrytyczny obszar o wysokiej gęstości na diagramie fazowym przy temperaturach znacznie niższych niż EBR. Główną zaletą przetwarzania azotu w stanie nadkrytycznym w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak suszenie nadkrytycznym dwutlenkiem węgla, jest to, że azot jest w kierunku związków silnie redukujących, takich jak alienaty i wodorki bo, a jednocześnie wykazuje wiele zalet idealnego rozpuszczalnika nadkrytycznego. Wszystkie cztery.

Ta konkretna metoda okazała się skuteczna w leczeniu porowatego wodorku magnezu. Może być również stosowany do innych materiałów, w których reaktywność dwutlenku węgla uniemożliwia jego stosowanie Jako środka suszącego lub ekstrakcyjnego, niskie temperatury i wymagane niewielkie ciśnienie sprawiają, że ma prawie uniwersalne zastosowanie. Użyć podstawowego aparatu do suszenia w stanie nadkrytycznym składającego się z kolektora dozującego gaz, układu próżniowego, czujników temperatury i ciśnienia oraz środowiska próbki, połączonych przewodami gazowymi pod wysokim ciśnieniem, wlewając od 0,1 do 0,5 grama wodorku magnezu do uchwytu próbki w atmosferze obojętnej, takiej jak komora rękawicowa Argonne, w temperaturze otoczenia.

Zamknij uchwyt próbki uszczelką filtra, a następnie zamknij zawór. Po wyjęciu uchwytu na próbkę ze schowka na rękawiczki, przymocować go do aparatury, a następnie otworzyć kolektor dozujący w celu odciśnięcia za pomocą V two i opróżnić. Po otwarciu V trzy i opróżnieniu, umieścić aparat z azotem przez V jeden i ewakuować się przez V dwa.

Ewakuuj się i oczyść kilka razy. Następnie otworzyć V four i opróżnić próbkę w temperaturze pokojowej na okres do 24 godzin. Aby osiągnąć minimalne ciśnienie w systemie, zainstaluj wannę na próbkę wokół uchwytu na próbkę, podnosząc wannę na miejsce na podnośniku nożycowym.

Następnie ustaw grzejnik na żądaną przyszłą temperaturę cieczy minus 163 stopnie Celsjusza i kontynuuj opróżnianie urządzenia, aż temperatura się zrównoważy W przypadku suszenia wodorku boro magnezu w stanie nadkrytycznym należy wybrać temperaturę cieczy minus 163 stopnie Celsjusza, co odpowiada gęstości pośredniej 0,6 grama na mililitr. Następnie zamknij układ w celu podciśnienia, zamykając V dwie przepustnice, otwierając V jeden powoli, pozwalając na wzrost ciśnienia w obszarze cieczy na schemacie fazowym powyżej 20 barów. Po zrównoważeniu układu przy ciśnieniu 20 barów i temperaturze minus 163 stopni Celsjusza, pozostawić próbkę do namoczenia w ciekłym azocie przez cztery godziny.

Ustaw grzejnik na minus 123 stopnie Celsjusza z rampą mniejszą lub równą dwóm stopniom na minutę. Nie pozwól, aby ciśnienie wzrosło wyżej niż maksymalne ciśnienie znamionowe aparatu po wyrównaniu układu przy maksymalnym ciśnieniu znamionowym i minus 123 stopnie Celsjusza. W tym momencie pozostawić próbkę do namoczenia w azocie w stanie nadkrytycznym przez godzinę lub dłużej.

Zamknij V jeden, a następnie ostrożnie rozbij system, aby odkurzyć, dławiąc V dwa, pozwalając ciśnieniu spadać tak wolno, jak to możliwe. Wyjąć kąpiel z próbką i całkowicie otworzyć V dwa, aby całkowicie opróżnić próbkę, równoważąc się w temperaturze pokojowej i wysokiej próżni po poddaniu działaniu substancji. Zamknąć zawory V trzy i V cztery i wyjąć uchwyt próbki z aparatu.

Przenieść uchwyt próbki do obojętnego środowiska do obsługi, takiego jak komora rękawicowa wypełniona argonną. Na koniec wyjąć próbkę z uchwytu na próbkę i przechowywać w szczelnie zamkniętym pojemniku w temperaturze otoczenia. Opisana w niniejszym dokumencie metodologia suszenia azotem w stanie nadkrytycznym okazała się skuteczna w oczyszczaniu porowatego wodorku borowodorku magnezu.

Docelowymi gatunkami ekstrakcji były odwierty D i niespecyficzne zanieczyszczenie butylem końcowym, które zostały zredukowane do znikomych ilości po wielokrotnych zabiegach suszeniem azotem w stanie nadkrytycznym, co wykazało za pomocą spektroskopii w podczerwieni związków gazowych wydzielających się podczas rozkładu po trzech zabiegach, nie pozostały żadne wykryte zanieczyszczenia. Po ustaleniu zestawu pomyślnych warunków protokołu dla określonego zastosowania, technika ta może być skalowana w celu oczyszczenia dużych ilości zsyntetyzowanego materiału. Głównym ograniczeniem jest to, że próbka powinna mieć odpowiedni kontakt termiczny z kąpielą, a tym samym odpowiednio zaprojektowane środowisko próbki.

Przygotowując odpowiednią aparaturę do tego zabiegu, najważniejszą kwestią jest kąpiel w niskiej temperaturze. Ponieważ procedura ta nie wymaga wyjątkowo niskich temperatur, zdecydowaliśmy się na prostą konstrukcję obejmującą typową nagrzewnicę stołową, zanurzoną w wyciekającym azocie jako płynie chłodzącym Zgodnie z tą procedurą. Metody analityczne, takie jak rentgenowska spektroskopia fotoelektronów, spektroskopia w podczerwieni lub spektroskopia Ramana, mogą być wykonywane na otrzymanej próbce.

Bez niepożądanego wpływu zanieczyszczeń resztkowych, próbka może być łatwo przetworzona bezpośrednio przed charakteryzacją. Techniki ekstrakcji superkrytycznej są już wykorzystywane w różnych zastosowaniach. Od dekofeinizacji ziaren kawy po zaawansowane metody osadzania katalizatora w porowatych podłożach przy użyciu azotu jako środka ekstrahującego, po prostu rozszerzamy zastosowanie tych technik na materiały, które są reaktywne z innymi, bardziej powszechnymi rozpuszczalnikami nadkrytycznymi.

Rozwój nowych technik pozwala naukowcom odpowiadać na pytania związane z pojawiającymi się materiałami. W przypadku zastosowań związanych z energią wodorową, przetwarzanie azotu w stanie nadkrytycznym może przybliżyć złożone elektrownie wodne nowej generacji do służenia jako mobilne materiały do magazynowania wodoru w zrównoważonym krajobrazie energetycznym przyszłości.