היכרות עם הטבע הרדיקלי של משטח פחמן על ידי אלקטרונים פאראמגנטיים תהודה ומכוילת גז Flow

Summary

רדיקלים יציבים שנמצאים במצעי פחמן אינטראקציה עם חמצן פאראמגנטיים באמצעות חילופי ספין הייזנברג. אינטראקציה זו יכולה להיות מופחתת באופן משמעותי בתנאי STP ידי זורם גז diamagnetic על מערכת פחמן. כתב יד זה מתאר שיטה פשוטה כדי לאפיין את טיבו של רדיקלים אלה.

Abstract

בעוד אלקטרונים פאראמגנטיים תהודה המחקרים הראשונים (EPR) לגבי ההשפעות של חמצון על המבנה והיציבות של רדיקלים פחם התאריך חזרה 1980s מוקדם המוקד של העיתונים המוקדמים הללו אפיין את השינויים במבנים בעיקר בתנאים קשים ביותר (pH או טמפרטורה ) ^1-3. הוא גם ידוע שחמצן מולקולרי פאראמגנטיים עובר אינטראקציה הייזנברג ספין חילופי עם רדיקלים יציבים שמאוד מרחיבה את EPR אות ^4-6. לאחרונה, דיווחו על תוצאות מעניינות שבו אינטראקציה זו של חמצן מולקולרי עם חלק מסוים של המבנה הקיצוני היציב הקיים יכולה להיות מושפעת פשוט הפיכה בזרימת גז diamagnetic באמצעות דגימות פחמן ^ב7 STP. כתזרימי שלו, CO _2, ו-N ₂ היו השפעה דומה האינטראקציות הללו מתרחשים בשטח הפנים של מערכת macropore.

כתב יד זה מדגיש לא ניסיוניechniques, עבודה, וניתוח כלפי המשפיע על האופי הקיצוני היציב הקיים במבני פחמן. הוא קיווה שזה יעזור להמשך פיתוח והבנה של אינטראקציות אלה בקהילה בכללותה.

Introduction

מצעים של משתנה יחסים (% WT) של אטומי C / H / O מסוגים שונים בהווה ובריכוזים של רדיקלים יציבים שניתנים לאיתור באמצעות אלקטרונים פאראמגנטיים תהודה (EPR) ^8. רדיקלים אלו תלויים במבנה של מקרומולקולות ומושפעות מאוד על ידי הטבע הריחני שלהם. ספקטרום EPR של רדיקלים פחם מתאפיין בתהודה רחבה אחת. במקרים כאלה, ניתן להשיג g-הערך בלבד, רוחב הקו וריכוז הספין. G-הערכים של EPR ספקטרום יכולים לשמש כדי לקבוע אם קיצוני הוא במרכז פחמן או חמצן מרוכז. המשוואה הבסיסית לאינטראקציה זימן האלקטרון מגדיר את ה-G-הערך, כאשר h הוא הקבוע, v פלאנק הוא תדר MW המתמיד מיושם בניסוי, B ₀ הוא השדה מגנטי התהודה _ודואר β הוא מגנטון בוהר. לאלקטרונים חופשיים g-הערך הוא 2.00232. Variations בg-הערך מ2.00232 קשורים לאינטראקציות מגנטיות מעורבים המומנטום מסלולית הזוויתי של האלקטרון מזווג והסביבה הכימית שלה. יש רדיקלים אורגניים בדרך כלל g-ערכים קרובים לגרם אלקטרונים חופשיים, אשר תלוי במיקום של רדיקלים חופשיים במטריצה ​​האורגנית ^{3, 8-10.} יש רדיקלים מרוכזים פחם g-ערכים שקרובים לאלקטרוני g-הערך בחינם 2.0023. יש רדיקלים מרוכזים פחמן עם אטום חמצן צמוד g-ערכים גבוהים יותר בטווח של 2.003-2.004, בעוד שרדיקלים מרכז G-ערכים שהם> 2.004. G-הערך של 2.0034-2.0039 אופייני לרדיקלים מרוכזים פחם בheteroatom חמצן סמוך כי תוצאות עלו g-ערכים על פני זו של רדיקלים טהורים המרוכז בפחמן ^11-15. קו הרוחב נשלטת על ידי תהליך ההרפיה ספין הסריג. לכן, אינטראקציה בין רדיקלים סמוכים או בין תוצאות חמצן רדיקליות ופאראמגנטיים בירידהבזמן הרגיעה סריג ספין, ולכן, עלייה ^ב4-6 קו רוחב.

ניסויי זרימה הפסיקו עם זיהוי EPR לאפשר התצפית של שינויים תלויי זמן באמפליטודה של אות EPR בערך שדה שונה במהלך האינטראקציה של שני שלבים על ידי רכישת זמן לטאטא (תצוגה קינטית). התוצאה של מדידה כזו היא שיעור קבוע ליצירת, הריקבון או המרה של מיני פאראמגנטיים. ההליך מקביל למקרה המבוסס היטב של זרימת פעולה הפסיקה עם זיהוי אופטי שבזמן תלות של הקליטה האופטית באורך גל שונה הוא ציין. ניסויי זרימה עצרו בדרך כלל מתנהלים במצב נוזלי כמו רדיקלים שאינם EPR זוהו במצב נוזלי בשל T זמן הרפיה קצר _1, כמו למשל הידרוקסיל (OH ×) או סופראוקסיד (O ₂ ^-) לא ניתן למדו ישירות על ידי הפסיק-EPR לזרום טכניקות. היא, לעומת זאת, possibl דואר ללמוד ספין adducts של רדיקלים אלה עם nitrones, מניב רדיקלים nitroxide מהסוג (ספין מלכודות), כפי שהם EPR-פעילים וניתן לנטר קינטיקה שלהם גם על ידי הזרימה EPR הפסיק ^16-18.

שיטת מדידה של שיעורים של תגובות כימיות תוך שימוש בטכניקות גזים מהיר זרימה עם זיהוי EPR גם בעבר הוקמה ^19-22. בעיקרו של הדבר, השיטה תלויה במדידה, על ידי EPR, של הריכוז מגיב כפונקציה של מרחק (ובכך במהירות קבועה, הזמן) על פני שמגיב כבר במגע עם גז תגובה בזרימה צינור. תנאים לפיהם הריכוז של גז התגובה הוא כ קבוע מועסקים בדרך כלל, כך שהריקבון שנמדד הוא ההזמנה ראשונה פסאודו.

בשנת העבודה הנוכחית, זרימת גז התקנה פשוטה יושמה וזרם בלתי פוסק של גז הוצג על פני השטח של מצע פחמן המוצק.

ntent "> בשיטה המפורטת בעבודה הנוכחית הצלחנו בהשגת תוצאות מעניינות שבו אינטראקציה זו של חמצן מולקולרי עם חלק מסוים של המבנה הקיצוני היציב הקיים יכולה להיות מושפעת פשוט הפיכה בזרימת גז diamagnetic באמצעות דגימות פחמן בSTP. כתוצאה משיטה זו הסרת גז פאראמגנטיים האינטראקציה חושפת משטח רדיקלי חדש עם ערך AG, שהוא קרוב יותר לזה של אלקטרונים חופשיים.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. הכנת דגימות פחמן

1. טוחנים את דגימות פחמן לגודל הרצוי שבריר (כאן, דגימות פחם היו קרקע לגודל חלק של בין 74-250 מ"מ).
2. במהלך תהליך טחינת המטחנה צריכה להתנהל בסביבה מוסדרת (AC מקורר 20 מעלות צלזיוס). בנוסף, טיהור קאמרי מטחנה עם זרימה של גז חנקן לפני הטחינה ממזערת חמצון בשלב זה.
3. העברת דגימות פחמן לסגר מכל ולהחליף את אווירת האוויר עם חנקן. שמור את הדגימות בחדר מוסדר טמפרטורה (AC מקורר 20 מעלות צלזיוס).
4. הכן את דגימות פחמן למדידות EPR על ידי חימום דגימות פחמן תחת סביבת אינרטי בתנור הוואקום. (על מנת להסיר את המים adsorbed במערכת.)
5. מניחים כל אחת מהדגימות בבקבוקון זכוכית פתוחה בתוך תנור הוואקום (איור 1 א).
6. סגור את דלת תנור הוואקום ולהחליף אווירה בwi הקאמריתחנקן או ארגון ה, ולאחר מכן חום ל60 º C.
7. להחזיק בתנאים אלה ל24 שעות.
8. כבה את התנור ולאפשר הטמפרטורה להגיע לטמפרטורת חדר. לאחר מכן, פתח את התנור ולהסיר את בקבוקוני המדגם.
9. פקק בקבוקוני מדגם עם septa גומי וכובע אלומיניום (איור 1).
10. השתמש במערכת ואקום (איור 1 ג) כדי להסיר את כל העקבות של חמצן.
11. חבר את הבקבוקון למערכת ולאטום שסתומי 1-5.
12. הדלק את מודד משאבת ואקום ולחץ.
13. פתוח סתום 1 ולחכות עד הצגים להראות ואקום של ~ 0.1 mbar.
14. ודא דליפה היא מינימאלית על ידי סגירת שסתום 1 ולספור עד 30. אם העלייה בלחץ היא לא יותר מ 3 mbar מהחותם של המערכת הוא מספיק.
15. פתוח שסתום 2 ולהסיר את האווירה בבקבוקון - לחכות עד שחוזר לחץ לערך לחץ הראשוני שנקבע בשלב 1.14 ושוב לבדוק דליפה.
16. אם בקבוקונים מרובים הם בייןg עשה באותו הזמן (שסתומים 2-4) ולאחר מכן חזור על שלב 1.15 לכל שסתום.
17. לאחר שהשיג ואקום וביעילות טיהור הבקבוקונים של האווירה נותרה, להחליף את האווירה עם גז רצוי.
18. סתום 1 ומייד פתוח שסתום 5 קרוב ולאפשר את הלחץ להגיע 0.5 כספומט.
19. שסתום 5 ופתוחים סתום לסגור 1 כדי להסיר את הגז, ולהמתין עד לחזרה לשסתום מתחיל ואקום (טיהור 1).
20. סתום 1 ומייד פתוח שסתום 5 קרוב ולאפשר את הלחץ להגיע 0.5 כספומט.
21. שסתום לסגור 5, פתוח שסתום 1 כדי להסיר את הגז ולהמתין עד לחזרה לשסתום מתחיל ואקום (טיהור 2).
22. לסגור שסתום 1 ומייד פתוח שסתום 5, ולאפשר את הלחץ להגיע 1.0 כספומט, אז סתום קרוב 5.
23. לסגור שסתום 2 ולהסיר את הבקבוקון על ידי משייכתו בעדינות כלפי מטה ומוציא את המחט.
24. לאחר הסרת הבקבוקון הפתוח שסתום 1 ולטהר את הגז ממערכת הוואקום.
25. לפני הכיבוי פתוח שסתום משאבת הוואקום2 כדי לאפשר לאוויר למערכת ובו זמנית לכבות את המשאבה (זה מונע זרימה חוזרת של השמן).

צינורות 2. EPR טוען קוורץ 3 מ"מ

1. יש לשטוף את צינור EPR עם אתנול ויבש עם N _2.
2. הסר את חותם האלומיניום ממדגם הפחם הרצוי.
3. בעדינות להפוך את הקצה הפתוח של צינור EPR לתוך הבקבוקון מלא במדגם פחמן.
4. לדכא ולהפוך את צינור EPR, אז לטפוח בעדינות עד למדגם מפוזר באופן שווה בתחתית.
5. מלא את הצינור בצורה זו עד אורך של לפחות 1.5 סנטימטר.
6. לאטום את קצה הצינור עם גומי טפלון מרק של כ 0.5-1.0 סנטימטר אורך של מרק (איור 2 א).

3. הגדרת מערכת הזרימה

1. הכנס את שפופרת קוורץ לתוך מהוד EPR, לוודא כי הסעיף של צינור EPR מלא בפחם הוא ממלא את כל חלל המהוד.
2. מדידות EPR דיווחו כאן היו מנצחucted בטמפרטורת חדר 292-297 ק
3. הגדר את מיכל עם זרימת הגז הרצוי (N _2, CO _2, הוא) לוודא שיש 2 שסתומים פעולה כדי לשלוט בזרימה (איור 2).
4. חבר צינור גומי למכל. ודא שהאורך מגיע לקצה צינור קוורץ EPR עם מספיק משיכה כדי לא לשים את הלחץ על צינור קוורץ.
5. חבר זרימת הבקר לצינור הגומי כדי לפקח על זרימת גז.
6. הכנס את הצינור דרך מרק טפלון גומי באמצעות מחט מד קטנה.
7. הכנס את המחט עד שהוא נמצא בסמיכות (כ 3-4 סנטימטר מעל פני השטח הפחם) לדוגמה, אבל מספיק רחוק מן המדגם כדי שלא ישפיע על השדה המגנטי (איור 2 ג).
8. השאר את הזרימה (להפעיל זרימה רק לאחר הכוונון).
9. נקוב חור במרק הגומי כדי לשחרר את גז יצוא.

4. מדידת EPR

1. הפעל את spectrome EPRter.
2. מנגינה ללא זרימת גז. פתח את לוח כוונון מיקרוגל, אתר הטבילה ב33.0 כוח dB, ולהשתמש ברכב לכוון לקבלת תנאי הכוונון הטובים ביותר ..
3. הגדר את כוח המיקרוגל ל2.0 mW, בכוח זה אין רוויה.
4. ניסוי פתוח 2D, כפונקציה של שדה וזמן מגנטיים.
5. הגדר את הפרמטרים של הניסוי באופן הבא:
   כוח מיקרוגל = 2.0 mW
   משרעת אפנון = 1.0 G
   קבוע זמן = 60 msec
   רוחב טאטא = 100 G
   עיכוב = 120 שניות
   מספר נקודות לסריקה לטאטא שדה = 1024
   מספר נקודות כפונקציה של זמן = 50
6. התחל מחזור מדידה.
7. הפעל זרימת גז.
8. אחרי המדגם הגיע לשיווי משקל ואין כל שינוי נוסף בצורת קו EPR, בפרמטרים אלה לאחר כ 25 ספקטרום CW-EPR שנמדדו עם 120 עיכוב שניות ביניהם, להפסיק את זרימת הגז. לחשוף את המדגם לאווירת אוויר ולהמשיך במדידות עד 50 יםpectra מתקבלים, או עד שיגיע לשיווי המשקל. אין צורך לכוון שוב לאחר הפסקת זרימת הגז. המדידה נמשכת באופן אוטומטי, עם 120 עיכוב שניות בין כל ספקטרום CW-EPR.
9. אם הוא הגיע לשיווי משקל בקצב איטי יותר, להגדיל את מספר הנקודות כפונקציה של זמן.
10. אם הוא הגיע לשיווי משקל בקצב מהיר הרבה יותר, להקטין את זמן ההשהיה בין כל סריקה.

5. ניתוח נתונים

1. לדמות כל ספקטרום לטאטא שדה EPR באמצעות ארגז הכלים easyspin מיושמים על MATLAB ^23. קח את שני מינים בחשבון, שבו לכל מינים g-הערך, רוחב הקו, ואת מידת התרומה לספקטרום EPR מצויד על ידי כתיבת קובץ התכנית כדלקמן:
   ברור, CLF, CLC
   % טען קובץ ניסיוני
   expdata = עומס ('t0s.txt');
   % הגדר מערכת ספין של מין אחד
   SysC.g = 2.004;
   SysC.lwpp = 0.62;
   % הגדרת פרמטרים ניסוי עבור species אחד
   Exp.mwFreq = 9.85764; % בGHz
   Exp.Range = [347 357]; % בהר
   Exp.Harmonic = 1;
   ספקטרום CW EPR% מחשבון למין אחד
   [BX, specX] = פלפל (SysC, Exp);
   % הגדר מערכת ספין של מינים שני
   SysC2.g = 2.0028;
   SysC2.lwpp = 0.145;
   % הגדרת פרמטרים ניסיוניים למינים שני
   Exp2.mwFreq = 9.85764;
   Exp2.Range = [347 357];
   Exp2.Harmonic = 1;
   ספקטרום CW EPR% מחשבון למינים שני
   [Bx2, specX2] = פלפל (SysC2, Exp2);
   x = 0:0.1:1;
   % לשלב את הספקטרום של שני מינים.
   spectot = 1.0 * specX .0 * specX2;
   % זוממים ספקטרום הניסיוני ומדומה.
   Bx * 10, spectot, expdata (:, 1), expdata (:, 2));

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

כאשר preforming ניסויי EPR על דגימות פחם שונות, כפונקציה של זמן החשיפה לגז diamagnetic לזרום צוין כי במהלך זרימת הגז, מינים שני בגרם ~ 2.0028 הופיעו. g-ערך זה הוא קרוב לערך של אלקטרון חופשי ועולה בקנה אחד עם רדיקלים פחמן מרוכז אליפטי unsubstituted. עם זאת, ריכוז הספין הכולל עבור כל דגימה נשאר ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

חמצון פני השטח של חומרי פחמן הוא עניין תעשייתי ואקדמי משמעותי. ההשפעות של חמצון מצע פחמן מתאפיינות במגוון רחב של טכניקות אנליטיות כוללים EPR. כאשר חוקרים את האינטראקציה של חמצן מולקולרי עם מצע פחמן כגון פחם שבו יש נטייה לעבור חמצון (ומכאן הניצול כמשאב אנרגיה העיקרי של?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
EPR spectrometer	Bruker	Elexsys E500
EPR quartz tube	Wilmad-Lab Glass
Vacuum oven	Heraeus	VT6060
Balance	Denver Instrument	100A
High Vacuum Silicone Grease	VWR International	59344-055
Teflon putty
Laboratory (Rubber) Stoppers	Sigma-Aldrich	Z114111
Aluminum Crimp seals	Sigma-Aldrich	Z114146
Hand Crimper	Sigma-Aldrich	Z114243
Borosilicate vials	Sigma-Aldrich	Z11938
Rubber tubing
Aluminum hose clamps
Screwdriver
Custom made vacuum system
Glass storage cylinders
BD Regular Bevel Needles	BD	305122
Helium	Oxar Ltd
Argon	Oxar Ltd
CO2 99.99%	Maxima
N2 99.999%	Oxar Ltd
O2	Maxima
Air	Maxima