Wyznaczanie powierzchni i objętości porów struktur metaloorganicznych

Nasza grupa koncentruje się na syntezie i charakterystyce materiałów porowatych do zastosowań takich jak zbieranie wody, oczyszczanie powietrza i wychwytywanie dwutlenku węgla. To, co nas naprawdę interesuje, to zrozumienie, w jaki sposób wielkość, objętość, łączność i skład chemiczny porów wpływają na wydajność adsorpcji. A następnie wykorzystujemy te spostrzeżenia do informowania o naszej pracy nad projektowaniem materiałów.

Dlatego niezbędne są solidne techniki charakteryzacji. Charakterystyka jest istotnym aspektem wszelkich badań nad materiałami porowatymi. Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego, techniki adsorpcji gazów i techniki analizy termicznej należą do najlepszych metod charakteryzacji.

Można je również wykorzystać do badania stabilności strukturalnej, która jest kluczową cechą każdego materiału używanego do zastosowań w świecie rzeczywistym. Powierzchnia i objętość porów to dwie najważniejsze właściwości materiałów porowatych. Właściwości te można mierzyć za pomocą dostępnych na rynku przyrządów, które działają w oparciu o sprawdzone metody i oprogramowanie.

Azot jako adsorbat jest niedrogi, łatwo dostępny i bezpieczny. Pomiary są szybkie i wiarygodne. Rozpocząć od zmierzenia masy pustej probówki na próbkę.

Następnie załaduj od 30 do 50 miligramów struktury metaloorganicznej lub MOF UiO-66 do probówki z próbką i zmierz masę probówki załadowanej próbką. Następnie przymocuj probówkę z próbką do systemu przygotowania próbki, zabezpieczając uszczelkę za pomocą pierścienia uszczelniającego o średnicy 0,5 cala. Umieść rurkę w płaszczu grzewczym.

Ustaw regulator temperatury na wyznaczoną temperaturę aktywacji 120 stopni Celsjusza. Następnie otwórz zawór łączący układ z próżnią i poczekaj, aż ciśnienie się ustabilizuje, zanim opuścisz próbkę na wyznaczony czas aktywacji wynoszący 24 godziny. Następnie zdejmij rurkę z płaszcza grzewczego i pozwól próbce ostygnąć do temperatury pokojowej.

Napełnić probówkę z próbką azotem i usunąć ją z układu przygotowawczego. Na koniec zmierz masę probówki z próbką wraz z aktywowaną próbką. Korzystając z wyświetlonego równania, oblicz masę aktywowanej próbki.

Zacznij od utworzenia przykładowego pliku w oprogramowaniu przyrządu do adsorpcji. W tym celu otwórz oprogramowanie urządzenia, kliknij przycisk Plik, a następnie kliknij przycisk Nowa próbka. Na karcie Opis próbki wprowadź nazwę próbki, masę próbki i gęstość próbki.

Aby ustawić parametry analizy, otwórz zakładkę Warunki analizy i wybierz gaz adsorpcyjny i azot oraz Warunki analizy jako metodę BET. Następnie kliknij przycisk Wolna przestrzeń i wprowadź, czy wolna przestrzeń ma być mierzona przez przyrząd, wprowadzana przez użytkownika, czy obliczana. Wybierz, czy azot Dewara zostanie obniżony podczas pomiaru i czy system wykona test odgazowania próbki.

Następnie wybierz P0 i wprowadź, czy będzie mierzony przez probówkę P0, wprowadzany przez użytkownika, czy obliczany. Wprowadź wartość P0, jeśli ma to zastosowanie. Wybierz T, wprowadź temperaturę analizy 77 kelwinów i kliknij OK.In następnym kroku wybierz opcję Zasypka i określ, czy próbka będzie wypełniana przed i po analizie.

W przypadku wybrania jednej z tych opcji należy wybrać tożsamość gazu zasypowego jako azot i kliknąć OK.In sekcji Zbieranie izotermy, wybierz opcję Ciśnienia docelowe, a następnie kliknij opcję Ciśnienia. Następnie wprowadź wartości ciśnienia izotermy od P przez P0 z zakresu od zera do jednego w odstępach 0,005 i kliknij przycisk OK. Następnie kliknij Opcje i wprowadź względną tolerancję ciśnienia 5% przed kliknięciem OK. Na koniec otwórz kartę Opcje raportu i wybierz wykresy analizy danych, które mają być raportowane. Kliknij przycisk Zapisz jako, nazwij plik i wybierz folder docelowy.

Zacznij od skonfigurowania przyrządu do pomiaru adsorpcji. W tym celu należy najpierw wsunąć probówki z próbkami do tulei izotermicznych i przymocować probówki do przyrządu adsorpcyjnego, jednocześnie zabezpieczając uszczelkę za pomocą pierścieni uszczelniających o przekroju okrągłym. Następnie napełnij dewara ciekłym azotem, stosując odpowiednie środki bezpieczeństwa i używając odpowiednich środków ochrony osobistej.

Umieść dewara na windzie poniżej próbki. Jeśli używasz rurki P0, przymocuj ją i upewnij się, że jest skonfigurowana tak, aby znajdowała się w dewarze po podniesieniu windy. Następnie zamknij drzwi tarczy.

Aby uruchomić eksperyment w oprogramowaniu urządzenia, kliknij nazwę urządzenia, a następnie Analiza próbki. Kliknij przycisk Przeglądaj i wybierz przykładowy plik. Upewnij się, że numer analizy jest zgodny z numerem portu, do którego załadowana jest próbka, a następnie kliknij przycisk Uruchom.

W celu pomiaru adsorpcji należy wstrzykiwać azot do probówki z próbką, aż do osiągnięcia pierwszego ciśnienia docelowego w zakresie tolerancji ciśnienia. Pozostawić próbkę na wyznaczony czas równowagi, aż ciśnienie się ustabilizuje. W celu pomiaru desorpcji należy otworzyć zawór podciśnieniowy w celu desorpcji azotu, aż do osiągnięcia pierwszego ciśnienia docelowego w zakresie tolerancji ciśnienia, i pozostawić próbkę na wyznaczony czas równowagi, aż ciśnienie się ustabilizuje.

Przystąp do przeprowadzenia analizy danych po zebraniu wszystkich punktów danych do eksperymentu adsorpcji azotu. W oprogramowaniu przyrządu do adsorpcji wybierz Plik, a następnie Eksportuj i wybierz plik eksperymentu. Wprowadź miejsce docelowe pliku i zapisz plik jako arkusz kalkulacyjny.

Kliknij przycisk OK. Następnie, postępując zgodnie z wyświetlonym równaniem BET, użyj danych izotermy, aby utworzyć wykres BET z odpowiednimi osiami x i y. Rozważ zakres liniowy kolana dla danej izotermy. Korzystanie z dostępnych narzędzi do automatycznego wykrywania zakresu liniowego dla materiałów metaloorganicznych lub MOF.

Upewnij się, że zakres liniowy spełnia kryteria Rouquerol. Następnie użyj wartości nachylenia wykresu BET w punkcie przecięcia z osią y, aby obliczyć stałą BET i nośność monowarstwy. Korzystając z wyświetlonego równania, oblicz całkowitą powierzchnię za pomocą pojemności monowarstwy i właściwości adsorbatu.

Dla UiO-66 uzyskano typową izotermę azotu typu I, która wskazywała na mikroporowatą strukturę i tworzenie monowarstwy azotu. Kluczowe wartości uzyskane z analizy BET wskazywały, że do analizy wybrano akceptowalny obszar liniowy.