Обработка сверхкритической азота для очистки реактивных пористых материалов

Общая цель следующего эксперимента заключается в очистке магниевой норы, гидрида, пористого сложного гидрида и материала для хранения водорода высокой плотности с использованием сверхкритического азота. Это достигается путем предварительного замачивания образца магниевого буррогидрида в сжатом жидком азоте в ближайшей критической области фазовой диаграммы при температуре минус 163 градуса Цельсия и 20 бар, где его высокая плотность жидкости свидетельствует о высокой способности растворителя по отношению к целевым примесям, таким как Dior и концевые бутиловые соединения. На втором этапе жидкий азот нагревается и сжимается в плотной сверхкритической области фазовой диаграммы при температуре минус 123 градуса Цельсия и примерно 100 бар.

Затем сверхкритический азот и любые растворенные вещества могут быть извлечены из образца путем медленного снижения давления до вакуума до минус 123 градусов Цельсия, тем самым обходя фазовый переход из жидкости в газ, где эффекты поверхностного натяжения могут привести к плохому извлечению целевых веществ. Результаты показывают, что после итерационных сверхкритических осушений азотом газ разлагается. Продукты гидрода магния состоят только из водорода, основанного на температурном программном разложении в сочетании с инфракрасной спектроскопией.

В центре нашей исследовательской деятельности находится материаловедение, связанное с хранением возобновляемой энергии. С самого начала наших новаторских исследований сложных гидридов в качестве материалов для хранения водорода синтез соединений боргидридов был сложной задачей. Чистые соединения трудно производить, но они необходимы для научных исследований.

Методики очистки могут помочь ответить на ключевые вопросы в области хранения твердотельного водорода, например, какую роль играют примеси в реакциях разложения сложных гидратов. Ответ на этот вопрос остается сложным и предметом споров даже сегодня. Идея реализации этой стратегии была вдохновлена работой коллег из хопина, которые в 2009 году сообщили об эффективном использовании сверхкритического углекислого газа для активации металлических органических каркасов.

Здесь мы используем азот аналогичным образом для пористых сложных гидридов, используя сверхкритическую область его фазовой диаграммы с высокой плотностью при температурах значительно ниже EBR. Основное преимущество сверхкритической обработки азотом по сравнению с существующими методами, такими как сверхкритическая сушка углекислым газом, заключается в том, что азот имеет отношение к сильно восстанавливающим соединениям, таким как отчуждающие вещества и богидриды, в то же время проявляя многие преимущества идеального сверхкритического растворителя. Все четыре.

Именно этот метод показал свою эффективность при обработке пористого гидрида магниевого отверстия. Он также может применяться к другим материалам, где реакционная способность углекислого газа не позволяет его использовать В качестве сушильного или экстракционного агента низкие температуры и умеренное давление делают его почти универсальным применением. Используйте базовую сверхкритическую сушильную аппаратуру, состоящую из дозирующего коллектора подачи газа, вакуумной системы, датчиков температуры и давления, а также среды для пробы, соединенных газовой трубкой высокого давления, загрузите от 0,1 до 0,5 грамма боргидрида магния в держатель образца во внутренней атмосфере, такой как перчаточный ящик Аргонна, при температуре окружающей среды.

Закройте держатель образца фильтрующей прокладкой, а затем закройте клапан. Сняв держатель с образца из перчаточного ящика, прикрепите его к аппарату, затем откройте дозирующий коллектор для вакуума через V-2 и откачайте. После открытия V три и вакуумирования установите на аппарат азот через V 1 и откачайте через V два.

Эвакуируйтесь и очистите несколько раз. Затем откройте V 4 и вакуумируйте образец при комнатной температуре на срок до 24 часов. Чтобы достичь минимального давления в системе, установите ванну для образцов вокруг держателя образца, подняв ванну в положение на ножничном подъемнике.

После этого установите нагреватель на желаемую будущую температуру жидкости минус 163 градуса Цельсия и продолжайте вакуумировать аппарат до тех пор, пока температура не уравновесится. Для азотной сверхкритической сушки обработки борогидрида магния выберите температуру жидкости минус 163 градуса Цельсия, соответствующую промежуточной плотности 0,6 грамма на миллилитр. Затем закройте систему для вакуума, медленно закрыв V две дроссельные заслонки, медленно позволив давлению увеличиться в жидкой области фазированной диаграммы выше 20 бар. После балансировки системы при давлении 20 бар и температуре минус 163 градуса Цельсия дайте образцу впитаться в жидкий азот на четыре часа.

Установите обогреватель на минус 123 градуса по Цельсию с наклоном меньше или равным двум градусам в минуту. Дайте давлению увеличиться не выше максимального номинального давления аппарата после того, как система уравновесится при максимальном номинальном давлении и минус 123 градусах Цельсия. На этом этапе дайте образцу впитаться в сверхкритический азот на один час или более.

Закройте V один, а затем осторожно разгрузите систему до вакуума, дросселируя V два, позволяя давлению снижаться как можно медленнее. Снимите ванну с образцом и полностью откройте V-2, чтобы полностью откачать образец, уравновесив его при комнатной температуре и высоком вакууме после обработки. Закройте клапаны V три и V четыре и снимите держатель образца с аппарата.

Переместите держатель образца в инертную среду для работы, например в бардачок, наполненный аргонной. Наконец, извлеките образец из держателя для образцов и храните в герметичном контейнере при температуре окружающей среды. Описанная здесь методика сверхкритической азотной сушки оказалась успешной для очистки пористого борогидрида магния.

Целевыми видами экстракции были бурение D и неспецифическая концевая бутиловая примесь, которые были снижены до незначительных количеств после итерированных обработок сверхкритической азотной сушкой, как показала инфракрасная спектроскопия газообразных веществ, образовавшихся при разложении, после трех обработок не осталось обнаруженных примесей. После того, как для конкретного применения был определен набор успешных условий протокола, этот метод может быть масштабирован для очистки больших количеств синтезированного материала. Основное ограничение заключается в том, что образец должен иметь достаточный тепловой контакт с ванной и, следовательно, иметь соответствующим образом спроектированную среду для образца.

При подготовке подходящего аппарата для этой процедуры, самым важным фактором является низкотемпературная ванна. Поскольку эта процедура не требует исключительно низких температур, мы выбрали простую конструкцию, включающую в себя типичный настольный нагреватель, погруженный в утечку азота в качестве охлаждающей жидкости. На полученном образце могут быть выполнены такие аналитические методы, как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, инфракрасная спектроскопия или рамановская спектроскопия.

Без нежелательного влияния остаточных примесей образец можно легко обработать непосредственно перед определением характеристик. Методы сверхкритической экстракции уже используются в самых разных областях. От декофеинизации кофейных зерен до передовых методов каталитического осаждения в пористые носители с использованием азота в качестве экстрагирующего агента, мы просто расширяем применимость этих методов на материалы, которые являются реактивными по отношению к другим более распространенным сверхкритическим растворителям.

Разработка новых методов позволяет ученым ответить на вопросы, связанные с новыми материалами. Для применения в водородной энергетике сверхкритическая обработка азота может привести к появлению нового поколения сложных гидроэлектростанций, которые станут на шаг ближе к использованию в качестве мобильных материалов для хранения водорода в ландшафте устойчивой энергетики будущего.