Processamento de nitrogênio supercrítico para a purificação de Reativos Porous Materials

O objetivo geral do experimento a seguir é purificar a toca de magnésio, o hidreto, um hidreto poroso e complexo e o material de armazenamento de hidrogênio de alta densidade usando nitrogênio supercrítico. Isso é obtido primeiro embebendo uma amostra de hidreto de burro de magnésio em nitrogênio líquido comprimido na região quase crítica do diagrama de fases a menos 163 graus Celsius e 20 bar, onde sua alta densidade de fluido é indicativa de um alto poder de solvente em direção a impurezas alvo, como Dior e espécies butílicas finais. Como segunda etapa, o nitrogênio líquido é aquecido e comprimido na densa região supercrítica do diagrama de fases a menos 123 graus Celsius e aproximadamente 100 bar.

Em seguida, o nitrogênio supercrítico e qualquer espécie dissolvida podem ser extraídos da amostra reduzindo lentamente a pressão para vácuo a menos 123 graus Celsius, contornando assim a transição da fase líquida para gasosa, onde os efeitos da tensão superficial podem levar à má extração das espécies-alvo. Os resultados mostram que, após tratamentos iterativos de secagem com nitrogênio supercrítico, o gás é decomposto. Os produtos de hidreto de escavação de magnésio consistem apenas em hidrogênio com base na decomposição programada por temperatura acoplada à espectroscopia de infravermelho.

O foco de nossas atividades de pesquisa é a ciência dos materiais ligada ao armazenamento de energia renovável. Desde o início de nossa pesquisa pioneira sobre hidretos complexos como materiais de armazenamento de hidrogênio, a síntese de compostos de borohidreto tem sido um desafio. Compostos puros são difíceis de produzir, mas essenciais para investigações científicas.

As metodologias de purificação podem ajudar a responder a questões-chave no campo do armazenamento de hidrogênio em estado sólido, como o papel que as impurezas desempenham nas reações de decomposição de hidratos complexos. A resposta continua complicada e o tema da disputa até hoje. A ideia de seguir essa estratégia foi inspirada no trabalho de colegas hopin que relataram o uso efetivo de dióxido de carbono supercrítico na ativação de estruturas orgânicas metálicas em 2009.

Aqui, usamos nitrogênio de maneira semelhante para hidretos complexos porosos, explorando a região supercrítica de alta densidade de seu diagrama de fase em temperaturas muito mais baixas do que EBR. A principal vantagem do processamento de nitrogênio supercrítico sobre os métodos existentes, como a secagem supercrítica de dióxido de carbono, é que o nitrogênio está em direção a compostos fortemente redutores, como alienados e hidretos bo, enquanto ainda exibe muitas vantagens de um solvente supercrítico ideal. Todos os quatro.

Este método específico demonstrou ser eficaz no tratamento de hidreto poroso de magnésio. Também pode ser aplicado a outros materiais onde a reatividade do dióxido de carbono proíbe seu uso Como agente de secagem ou extração, as temperaturas frias e as pressões modestas necessárias o tornam quase universalmente aplicável. Use um aparelho básico de secagem super crítico composto por um coletor de dosagem de suprimento de gás, um sistema de vácuo, sensores de temperatura e pressão e o ambiente da amostra, todos conectados por tubulação de gás de alta pressão, carregue 0,1 a 0,5 gramas de hidreto de magnésio no porta-amostras sob uma atmosfera iner, como um porta-luvas Argonne à temperatura ambiente.

Feche o porta-amostras com uma junta do filtro e, em seguida, feche a válvula. Depois de remover o porta-amostras do porta-luvas, encaixe-o no aparelho em seguida, abra o coletor de dosagem para aspirar via V dois e evacue. Depois de abrir V três e evacuar, empoleirar o aparelho com nitrogênio via V um e evacuar via V dois.

Evacue e purgue algumas vezes. Em seguida, abra V quatro e evacue a amostra à temperatura ambiente por até 24 horas. Para atingir a pressão mínima do sistema, instale o sample banho ao redor do sample suporte levantando o banho para a posição em um elevador de tesoura.

Em seguida, ajuste o aquecedor para a temperatura futura desejada do líquido de menos 163 graus Celsius e continue a evacuar o aparelho até que a temperatura se equilibre Para o processamento de secagem supercrítica de nitrogênio de broohidreto de magnésio, selecione uma temperatura do líquido de menos 163 graus Celsius, correspondendo a uma densidade intermediária de 0.6 gramas por mililitro. Em seguida, feche o sistema para aspirar fechando V dois aceleradores abertos V um lentamente, permitindo que a pressão aumente na região líquida do diagrama faseado acima de 20 bar. Depois de equilibrar o sistema a 20 bar e menos 163 graus Celsius, deixe a amostra de molho em nitrogênio líquido por quatro horas.

Defina o aquecedor para menos 123 graus Celsius com um ramp de menos ou igual a dois graus por minuto. Permitir que a pressão não aumente mais do que a pressão nominal máxima do aparelho depois de equilibrar o sistema à pressão nominal máxima e menos 123 graus Celsius. Deixe a amostra de molho em nitrogênio supercrítico por uma hora ou mais neste momento.

Feche V um e, em seguida, quebre cuidadosamente o sistema para aspirar estrangulando V dois, permitindo que a pressão diminua o mais lentamente possível. Remova o banho de amostra e abra totalmente o V dois para evacuar completamente a amostra equilibrando à temperatura ambiente e alto vácuo após o tratamento. Feche as válvulas V três e V quatro e remova o porta-amostras do aparelho.

Transfira o porta-amostras para um ambiente inerte para manuseio, como um porta-luvas cheio de argonne. Por fim, remova a amostra do porta-amostras e armazene-a em um recipiente fechado à temperatura ambiente. A metodologia de secagem de nitrogênio supercrítico descrita aqui foi bem-sucedida para a purificação de borohidreto de magnésio poroso.

As espécies-alvo de extração foram D perfurante e uma impureza butílica final inespecífica, que foram reduzidas a quantidades insignificantes após tratamentos iterados com secagem de nitrogênio supercrítico mostrou por espectroscopia de infravermelho das espécies gasosas desenvolvidas durante a decomposição após três tratamentos, não restando impurezas detectadas. Uma vez que um conjunto de condições de protocolo bem-sucedidas tenha sido estabelecido para uma aplicação específica, essa técnica pode ser ampliada para purificar grandes quantidades de material sintetizado. A principal limitação é que a amostra deve ter contato térmico adequado com o banho e, portanto, um ambiente de amostra adequadamente projetado.

Ao preparar um aparelho apropriado para este procedimento, a consideração mais importante é o banho de baixa temperatura. Como esse procedimento não exige temperaturas excepcionalmente baixas, optamos por um design simples envolvendo um aquecedor de bancada típico, imerso em nitrogênio de vazamento como refrigerante Seguindo este procedimento. Métodos analíticos como espectroscopia de elétrons fotográficos de raios-x, espectroscopia de infravermelho ou espectroscopia Raman podem ser realizados na amostra resultante.

Sem a influência indesejada de impurezas residuais, a amostra pode ser facilmente processada imediatamente antes da caracterização. Técnicas de extração supercríticas já são usadas em uma ampla variedade de aplicações. Da descafeinação de grãos de café a métodos avançados de deposição de catalisadores em suportes porosos usando nitrogênio como agente extrator, simplesmente estendemos a aplicabilidade dessas técnicas a materiais que são reativos a outros solventes supercríticos mais comuns.

O desenvolvimento de novas técnicas permite que os cientistas respondam a perguntas relevantes para materiais emergentes. Para aplicações de energia de hidrogênio, o processamento de nitrogênio supercrítico pode trazer hidrelétricas complexas de próxima geração, um passo mais perto de servir como materiais móveis de armazenamento de hidrogênio no cenário de energia sustentável do futuro.