Seyitömer ve Kalibre Gaz Akışının Karbon Yüzey Radikal Doğa keşfetmek

Özet

Karbon yüzeylerde mevcut stabil radikaller bir Heisenberg dönüş alışverişi yoluyla paramanyetik oksijen ile etkileşim. Bu etkileşim, önemli ölçüde karbon sistemi üzerinde bir diyamanyetik gazı akan STP koşullar altında indirgenebilir. Bu yazıda, bu radikallerin doğasını karakterize etmek için basit bir yöntem tarif etmektedir.

Özet

Karbon radikallerin yapısı ve istikrar üzerinde oksidasyon etkilerine ilişkin ilk Elektron Paramanyetik Rezonans (EPR) çalışmaları 1980'li yılların başlarına kadar uzanmaktadır iken bu erken gazetelerin odak öncelikle (son derece sert koşullarda yapılara değişiklikleri karakterize pH veya sıcaklık ) ^1-3. Ayrıca paramanyetik moleküler oksijen son derece EPR sinyali ^4-6 genişletmekte kararlı radikalleri ile Heisenberg sıkma değişimi etkileşim geçirdiği bilinmektedir. Son zamanlarda, mevcut kararlı bir radikal yapının belli bir kısmı ile moleküler oksijen Bu etkileşimin tersine çevrilebilir STP ⁷ de karbon örnekler üzerinden diamanyetik akan gaz ile kolayca etkilenebilir ilginç sonuçlar bildirilmiştir. He, _CO2 ve _N2 akışları benzer bir etki olarak, bu etkileşimlerin gözenek sisteminin yüzey alanı meydana gelir.

Bu el yazması deneysel t vurgulamaktadırechniques, iş-up ve karbon yapılarında mevcut kararlı bir radikal hatanın etkileyen doğru analizi. Bu geniş toplum bu etkileşimlerin daha da geliştirilmesi ve anlayış yönünde yardımcı olacağı ümit edilmektedir.

Giriş

C / H / O atomu (% ağırlık) oranları değişen Elyaf mevcut farklı ve Elektron paramanyetik rezonans (EPR) ile saptanabilen kararlı radikallerinden konsantrasyonları ^8. Bu radikaller makromoleküllerin yapısına bağlıdır ve son derece bunların aromatik doğası etkilenmektedir. Kömür radikallerin EPR spektrumu geniş tek rezonansı ile karakterize edilir. Bu gibi durumlarda, sadece g-değeri, çizgi genişliği ve sıkma konsantrasyonu elde edilebilir. EPR spektrumları g değerleri bir kök C-merkezli veya oksijen merkezli olup olmadığını belirlemek için kullanılabilir. Elektron Zeeman etkileşim için temel denklem h Planck sabiti, v deneyde uygulanan sabit mw frekans olduğunu g-değeri, tanımlar, B ₀ rezonans manyetik alan ve β _e Bohr magneton olduğunu. Serbest elektronlar için g-değeri 2,00232 olduğunu. V2,00232 gelen g-değeri ariations yörüngesel açısal çiftlenmemiş elektron ivme ve kimyasal çevre ile ilgili manyetik etkileşimi ile ilgilidir. Organik kökler, genellikle organik matris ^{3, 8-10} serbest radikal yere bağlıdır serbest elektron g, yakın g-değerlerine sahiptir. Karbon-merkezli radikaller, serbest elektron g-değeri 2,0023 yakın g-değerlerine sahiptir. Oksijen merkezli radikaller> 2,004 olan g-değerlerine sahip ise, bir komşu oksijen atomu ile karbon-merkezli radikaller, 2,003-2,004 aralığında daha yüksek g-değerlerine sahiptir. 2,0034-2,0039 of g değeri sadece karbon-merkezli radikaller ^11-15 bu artmıştır g değerleri ile sonuçlanan bir at oksijen heteroatomu karbon-merkezli radikaller için karakteristiktir. Takım genişliği spin-latis işlemi ile yönetilir. Bu nedenle, komşu radikaller arasında veya bir azalma ile bir radikal ve paramanyetik oksijen sonuçları arasında bir etkileşimeğirme latis zaman ve dolayısıyla çizgi genişliği ^4-6 bir artış.

EPR algılama ile tıkalı akım deneyler zaman tarama satın alma (kinetik ekran) ile iki fazın etkileşim sırasında ayrı bir alan değeri bir EPR sinyalin amplitüdünün zamana bağlı değişimlerin gözlem izin verir. Bu tür bir ölçüm sonucu oluşumu, çürüme ya da para-manyetik bir türünün dönüştürülmesi için bir oran sabitidir. Prosedür ayrı bir dalga boyunda optik absorpsiyon bir zaman-bağımlılığı görülmektedir ki, optik algılama ile durduruldu akışı operasyon köklü durum benzer. EPR-durduruldu doğrudan incelenebilir edilemez ^- (O _2), örneğin hidroksil (x OH) ya da süperoksit Tipik olarak durdurulur akış deneyleri, kısa olması nedeniyle gevşeme süresi, T ₁ sıvı halde tespit EPR olmayan radikaller olarak sıvı halde yürütülmektedir teknikleri akış. Bu possibl Bununla birlikte, Bu EPR-etkindir ve kinetik akışı durduruldu EPR ^16-18 ile de izlenebilir gibi, nitroksit tipi radikaller (spin-trans) verecek şekilde nitronların bu radikallerin spin-adüktleri incelemek için e.

EPR algılama hızlı akışlı gaz teknikleri kullanılarak kimyasal reaksiyonlar oranlarının ölçüm yöntemi, aynı zamanda, daha önce ^19-22 kurulmuştur. Aslında, bu yöntem mesafenin bir fonksiyonu olarak bir reaktifin konsantrasyonunun, EPR ile, ölçüm bağlıdır (ve bu nedenle sabit bir hız, zaman at) reaktif akışında bir reaktif gaz ile temas halinde olan, üzerinde tüp. Ölçülen çürüme sözde birinci dereceden, böylece reaktif gaz yoğunluğu yaklaşık olarak sabit olduğu, burada koşullar genellikle kullanılır.

Mevcut çalışma, basit bir gaz akışı ayar uygulanmıştır ve gaz sabit bir akış katı karbon alt-tabakanın yüzeyine tanıtıldı.

ntent "> mevcut çalışma detaylı olarak yöntem ile, mevcut kararlı bir radikal yapının belli bir kısmı ile moleküler oksijen Bu etkileşimin geri çevrilebilir STP'de karbon örnekler üzerinden diamanyetik akan gaz ile kolayca etkilenebilir ilgi çekici sonuçlar elde başardı. Bu yöntemin bir sonucu olarak, para-manyetik etkileşim gazın çıkarılması bir serbest elektron daha yakındır ag değer ile yeni bir radikal yüzey açığa çıkarır.

Protokol

1.. Karbon Hazırlanıyor

1. İstenen fraksiyon boyutu (burada, kömür örnekler 74-250 mm arasında bir kısmını boyutuna öğütülmüştür) karbon örnekleri öğütün.
2. Değirmeni düzenli bir ortamda yapılmalıdır taşlama işlemi sırasında (AC 20 ° C'ye kadar soğutuldu.) Buna ek olarak, önceki öğütme için bir azot gazı akımı ile taşlama odasını temizleme, bu aşamada oksidasyonu en aza indirir.
3. Kutuları kapatılabilen ve azot ile hava atmosferi yerine karbon örnekleri aktarın. Bir ısı ayarlı bir odada örnekleri Ol (AC 20 ° C'ye kadar soğutuldu.)
4. Vakumlu fırın içinde bir atıl ortamda karbon numunelerin ısıtılmasıyla EPR ölçümleri için karbon örnekleri hazırlayın. (Sistemde adsorbe edilen su çıkarmak için,.)
5. Vakumlu fırın içinde bir açık cam şişe (Şekil 1A) 'de örneğin her biri koyun.
6. Vakumlu fırın kapağını kapatın ve odası wi atmosfer yerineth azot ya da argon, daha sonra ısı 60 ° C'ye kadar
7. 24 saat boyunca bu koşullar tutun.
8. Fırını kapatın ve sıcaklık, oda sıcaklığına ulaşmasına izin verir. Ardından, fırın açma ve örnek şişeler çıkarın.
9. Kauçuk septa ve bir alüminyum kapak (Şekil 1 B) ile örnek şişeler tıpa yerleştirilmiştir.
10. Oksijen tüm izlerini çıkarmak için bir vakum sistemi (Şekil 1C) kullanınız.
11. Sisteme şişeyi bağlayın ve vanalar 1-5 mühür.
12. Vakum pompası ve basınç göstergeleri açın.
13. Monitörler 0,1 mbar ~ bir vakum göstermek kadar açık valf 1 ve bekleyin.
14. Emin sızıntı valfi 1 kapatılması ve 30 sayarak az olduğundan emin olun. Basınçtaki artış sistemin mühür yeterli olandan daha fazla 3 mbar değilse.
15. Açık valf 2 ve flakon atmosferi kaldırmak - basınç adımda 1.14 belirlenen başlangıç ​​basıncı değerine döner ve tekrar sızıntı test kadar bekleyin.
16. Birden küçük şişeler bein iseg aynı zamanda (vanalar 2-4) yapılan sonra her vana için adımı 1.15 tekrarlayın.
17. Bir boşluk sağlanması ve etkin bir şekilde geri kalan atmosferin şişeleri Temizleme işleminden sonra, arzu edilen bir gaz ile atmosfer değiştirin.
18. Valf 1 ve hemen açık vana 5 kapatın ve basıncı 0,5 atm ulaşmanızı sağlar.
19. Yakın valfi 5 ve açık vana 1 gaz çıkarmak, ve başlangıç ​​vakum valfi (purge 1) dönene kadar bekleyin.
20. Valf 1 ve hemen açık vana 5 kapatın ve basıncı 0,5 atm ulaşmanızı sağlar.
21. Kapat valf 5, başlangıç ​​vakum vanası (tasfiye 2) dönene kadar gazını çıkartmak ve beklemek açık valf 1.
22. Yakın valf 1 ve hemen açık vana 5 ve basınç 1.0 atm, sonra da kapat valfi 5 ulaşmanızı sağlar.
23. Yakın valf 2 ve hafifçe aşağıya doğru çekerek ve iğne kaldırarak şişeyi çıkarın.
24. Flakon açık valf 1 çıkarılması ve sonra vakum sisteminden atık gaz.
25. Vakum pompası açık vanasını kapatmak önce2 sistemine hava girmesine ve aynı anda (bu yağın geri akışını engeller) pompayı kapatmak için.

2.. Yükleme EPR 3 mm Quartz Tüpler

1. Etanol ve _N2 ile kuru ile EPR tüp durulayın.
2. İstenen kömür numuneden alüminyum sızdırmazlık çıkarın.
3. Yavaşça karbon numune ile dolu bir şişe içine EPR tübün açık ucu açın.
4. Örnek eşit altındaki dağılana kadar EPR tüp bastırın ve çevirin, sonra yavaşça dokunun.
5. En azından 1.5 sm bir uzunluğa kadar bu şekilde tüp doldurun.
6. Macun, yaklaşık 0.5-1.0 cm uzunluğuna (Şekil 2A) arasında lastik Teflon macunu tüpünün ucu mühür.

3.. Akış Sistemi Kurma

1. Kömür dolu EPR tüp bölümü, tüm rezonatör boşluğu dolduruyor emin olun, EPR rezonatör içine kuvars tüp yerleştirin.
2. Burada bildirilen EPR ölçümleri koşul vardıoda sıcaklığında 292-297 K. ile ucted
3. İstenen akış gaz ile bir tankı kurmak (N _2, CO _2, O) Emin 2 operasyon vanalar akışı (Şekil 2B) kontrol etmek için vardır olun.
4. Tanka bir lastik boru bağlayın. Kuvars tüp üzerinde yük koymak için değil şekilde uzunluğu yeterli çekme EPR kuvars tüpün ucu ulaşır emin olun.
5. Gaz akışını izlemek için lastik boru için bir akış kontrolörü bağlayın.
6. Küçük bir iğne kullanarak kauçuk teflon macun ile tüp yerleştirin.
7. Manyetik alan (Şekil 2C) etkiler olarak değil bu yüzden yeterince uzakta numuneden yakın örnek (yaklaşık 3-4 cm kömür yüzeyinden) yakınlığı ama gelene kadar iğne takın.
8. (SADECE ayar sonra akış açın) akıp bırakın.
9. Çıkış gazı bırakmak için lastik macun bir delik Poke.

4. EPR Ölçüm

1. EPR spektrometreden açınter.
2. Gaz akışı ile Dinle. , Mikrodalga ayar panelini açın 33.0 dB gücünde dip bulun ve en iyi ayar koşulları elde etmek için otomatik ayar kullanın ..
3. , 2.0 mW mikrodalga gücünü ayarlamak, bu gücün hiçbir doygunluk var.
4. Manyetik alan ve zamanın bir fonksiyonu olarak aç 2B deney.
5. Aşağıdaki gibi deney parametrelerini ayarlayın:
   Mikrodalga güç = 2.0 mW
   Genliği = 1.0 G
   Zaman sabiti = 60 milisaniye
   Sweep width = 100 G
   Gecikme = 120 sn
   = 1024 bir alan tarama tarama için nokta sayısı
   = 50, zamanın bir fonksiyonu olarak nokta sayısı
6. Ölçüm döngüsünü başlatın.
7. Gaz akışını açın.
8. Numune denge ulaştı ve bu parametreler de EPR hat şeklindeki başka bir değişiklik, aralarında 120 sn gecikme ile ölçülmüş yaklaşık 25 CW-EPR spektrası sonra orada sonra gaz akışını durdurur. Bir hava atmosfere örnek Açığa ve 50 s 'a kadar devam ölçümleripectra elde edilir, ya da, dengeye ulaşana kadar. Ayarlamak gerek gaz akışını durdurduktan sonra yine var. Ölçüm, her CW-EPR spektrumu arasındaki 120 sn gecikme ile, otomatik olarak devam ediyor.
9. Denge daha yavaş bir hızda ulaşılırsa, zamanın bir fonksiyonu olarak noktalarının sayısını artırmak.
10. Denge çok daha hızlı ulaşılması durumunda, her bir tarama arasındaki gecikme süresini azaltmak.

5. Veri Analizi

1. MATLAB ²³ uygulanan EasySpin araç kutusunu kullanarak her EPR alan süpürme spektrum benzetin. Her tür için g-değeri, çizgi genişliği, ve EPR spektrum katkı ölçüde aşağıdaki gibi program dosyasını yazarak takıldığı bir hesaba iki tür atın:
   net, clf, clc
   % Deneysel Dosyayı yükleyin
   expdata = load ('t0s.txt');
   % Türlerin birbirlerinden spin sistemini tanımlayın
   SysC.g = 2.004;
   SysC.lwpp 0,62 =;
   % Spec için deneme parametreleri tanımlayınler bir
   Exp.mwFreq = 9,85764; % Içinde GHz
   Exp.Range = [347 357]; MT olarak%
   = 1 Exp.Harmonic;
   Türler için% hesapla CW EPR spektrumu bir
   [Bx, specX] = biber (SysC, Exp);
   % Türlerin iki spin sistemini tanımlayın
   = 2,0028 SysC2.g;
   = 0.145 SysC2.lwpp;
   % Türler iki deneysel parametreleri tanımlayın
   Exp2.mwFreq = 9,85764;
   Exp2.Range = [347 357];
   = 1 Exp2.Harmonic;
   Türler için% hesapla CW EPR spektrumu iki
   [BX2, specX2] = biber (SysC2, exp2);
   x = 0:0.1:1;
   % Iki türün spektrumunu birleştirir.
   * specX2 spectot = 1.0 * specX 0,0;
   % Deneysel ve simüle spektrumları komplo.
   Bx * 10, spectot, expdata (: 1), expdata (: 2));

Sonuçlar

Akış diamanyetik gaza maruz kalma süresinin bir fonksiyonu olarak değişik kömür numuneleri üzerinde EPR deneyleri, ön oluşturma zaman gaz akışı sırasında g'de ikinci bir tür ~ 2,0028 ortaya çıktığı not edildi. Bu g-değer, serbest elektron değerine yakındır ve değiştirmemiş bir alifatik C-merkezli radikaller ile tutarlıdır. Bununla birlikte, her bir numune için toplam sıkma konsantrasyonu (% 10 ±) deneysel hata içinde sabit kalmıştır Şekil 3A, iki tarama sunar:. ...

Tartışmalar

Karbon malzemelerin yüzey oksidasyonu önemli endüstriyel ve akademik ilgi. Karbon alt-katman oksidasyon etkisi EPR analitik teknikler de dahil olmak üzere, geniş bir yelpazesi ile karakterize edilmiştir. Bu oksidasyona bir eğilim vardır kömür (bir enerji kaynağı olarak bu nedenle ana kullanım) ve karbon alt-tabaka ile moleküler oksijen etkileşimini inceleyen zaman numune hazırlama ve depolama son derece önemlidir.

Bizim örnekleri, enerji sektöründe kullanımı için tutan...

Malzemeler

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