Superkritisk Nitrogen Behandling til rensning af reaktive porøse materialer

Superkritisk ekstraktion (SFE) og tørring (SCD) metoder er veletableret i en lang række praktiske anvendelser, især i fødevare- og olieindustrien, men også i kemisk syntese, analyse og materialeforarbejdning. ^1-6 Anvendelse af tørring eller ekstraktion medier ved betingelser over deres kritiske punkter er ofte hurtigere, renere og mere effektive end traditionelle (flydende) teknikker, og har den yderligere fordel at være stærkt, variabelt i forhold til solvatiseringen effekt af fluidet ved mindre justering af driftsbetingelserne . ^3,7 En simpel ScD metoden består af tre grundlæggende trin. Det første trin er at udsætte det faste stof (eller måske væske) udgangsmateriale, som indeholder mål-urenhedsforbindelse til en hensigtsmæssigt valgt ScD væske i flydende (eller næsten flydende superkritisk) fase, hvor dens høj densitet svarer til en høj (og måske selektiv ⁷⁾ power opløsningsmiddel med hensyn til målarterne. Than andet trin er opvarmning og komprimering af systemet over den valgte ScD væske kritiske punkt i en lukket beholder, så væsken og dens opløste målarter ikke kan passere en fase grænse, som kan resultere i separation. Det sidste trin er langsomt at reducere trykket af ScD fluid til vakuum ved en temperatur over den kritiske temperatur, således at væsken indeholdende målarterne at undslippe, igen uden at støde en fasegrænse eller eventuelle skadelige overfladespænding effekter undervejs.

Udgangsmaterialet efterlades tømt af målarterne og kan udsættes for itererede behandlinger, hvis det er nødvendigt. I tilfælde af superkritisk fluid ekstraktion, mål-opløste arter er det ønskede produkt, og opsamles fra opløsning til yderligere anvendelse. ^8,9 I andre tilfælde, det tørrede eller oprenset udgangsmateriale er det ønskede produkt, og de ​​ekstraherede urenheder kasseres. Denne sidstnævnte situation omtalt herisom SCD fremgangsmåde blev opdaget at være en effektiv strategi til forbehandling af højt overfladeareal, mikroporøse materialer, såsom metal-organiske rammer (MOF), hvor traditionelle varme-behandlingsmetoder under vakuum som i mange tilfælde i clearing porerne ikke er tilstrækkelig af alle uønskede gæster, eller resultere i pore sammenbrud. ¹⁰ Kuldioxid ScD (CScD) behandlingen er nu en rutinemæssig post-syntetisk proces til MOFs, ^11, der fører til stigninger i kvælstof-tilgængelige arealer end ubehandlede materialer på op til 1.000% ¹² og andre forbedringer, såsom i katalytisk aktivitet. ¹³ Andre bemærkelsesværdige superkritiske fluide anvendelser er som et bredt afstemmelige medium for kemiske reaktioner, ^14-16 superkritisk fluid kromatografi (SCFC) ^6,17,18 og syntese af aerogeler og avancerede kompositmaterialer. ^{19- 22}

Til tørring af applikationer, er en ScD væske udvalgte, baseret på to kriterier: a) den nærhed af sinkritiske punkt til omgivende betingelser (for nemheds skyld og for at reducere energiomkostningerne eller proces kompleksitet) og b) sin solvatisering magt med hensyn til målarterne. Kuldioxid (CO ₂₎ har vist sig at være en bekvem ScD væske i mange applikationer, da det er ugiftigt, ikke-brændbar, og billige, og kan indstilles til at udvise en høj solvatisering effekt mod en række almindelige organiske målarter i sin nær-væske tilstand (ved tryk på <10 MPa og temperaturer på 273-323 K). ^1-3,7-9 Andre almindelige superkritiske opløsningsmidler (eller co-solventer) omfatter vand (der spænder over en bemærkelsesværdig vifte af opløsningsmiddel egenskaber mellem dens omgivende og superkritisk tilstand ^23), acetone, ethylen, methanol, ethanol og ethan, der dækker spektret fra polær (protisk og aprot) til ikke-polær, og som har kritiske punkter forholdsvis nær til omgivelsesbetingelser.

Kuldioxid er langt den mest almindelige ScD væske anvendes. I etablerede CScD metoder, reaktivitetenaf udgangsmaterialet er ikke en hæmmende faktor, da _CO2 er kun meget svagt reaktive ved temperaturer nær dets kritiske punkt. Dog kan visse klasser af materialer, såsom de såkaldte komplekse hydrider (f.eks alanates og borhydrider) nuværende unikke udfordringer i håndtering på grund af deres stærke reaktivitet i nærvær af vand eller _CO2 foruden deres (måske bevidst skræddersyet) ustabilitet under opvarmning . ^24-26 Desuden er der stor international interesse for sådanne materialer som high-density brint lagring forbindelser, ^27-30 og dermed også i nanostruktureret og / eller porøse sorter ^31-33. For effektiv rensning af sådanne reaktive, ustabile og nanostrukturerede materialer, ScD metoder er en lovende strategi. ³⁴ A ScD skal bru- som har en lille molekyldiameter passende for indtrængning i smalle hulrum, og som også har en høj solvatisering effekt mod target urenheder, while resterende ikke-reaktive mod udgangsmaterialet selv. Heri er anvendelsen af overkritisk nitrogen _(N2) som en effektiv væske til en sådan ekstraktion og især tørring blev indgivet. En specifik superkritisk nitrogen tørring (nscd) metodik er beskrevet nedenfor til oprensning af γ-fase magnesium borhydrid hvor målarterne omfatter både diboran og en n-butyl forbindelse (svarende til, men ikke specifikt identificeres som n-butan). Følgende protokol kan let ændres til generel udvidelse til andre superkritiske kvælstof tørring eller ekstraktionsprocesser.