Reaktif Gözenekli Malzemelerin Saflaştırılması Süperkritik Azot İşleme
Summary
Azot, küçük bir molekül boyutuna yakın sıvı süperkritik rejimde yüksek yoğunluk, ve kimyasal eylemsizlik için ekstraksiyon ve kurutma işlemleri için etkili bir süper kritik bir sıvıdır. Bu reaktif, gözenekli malzemelerin saflaştırma tedavisi için bir süperkritik kurutma azot protokol mevcut.
Abstract
Supercritical fluid extraction and drying methods are well established in numerous applications for the synthesis and processing of porous materials. Herein, nitrogen is presented as a novel supercritical drying fluid for specialized applications such as in the processing of reactive porous materials, where carbon dioxide and other fluids are not appropriate due to their higher chemical reactivity. Nitrogen exhibits similar physical properties in the near-critical region of its phase diagram as compared to carbon dioxide: a widely tunable density up to ~1 g ml-1, modest critical pressure (3.4 MPa), and small molecular diameter of ~3.6 Å. The key to achieving a high solvation power of nitrogen is to apply a processing temperature in the range of 80-150 K, where the density of nitrogen is an order of magnitude higher than at similar pressures near ambient temperature. The detailed solvation properties of nitrogen, and especially its selectivity, across a wide range of common target species of extraction still require further investigation. Herein we describe a protocol for the supercritical nitrogen processing of porous magnesium borohydride.
Introduction
Kurutma Süperkritik akışkan madde ekstraksiyon (SFE) ve (ScD) yöntemleri de, özellikle gıda ve petrol endüstrisinde, amaca uygun geniş bir uygulama aralığında tesis, aynı zamanda, kimyasal sentez, analiz ve malzemelerin işlenmesi. 1-6 ile kurutma işleminin kullanılması olan ya da kritik noktalarda üzerinde koşullarında çıkarma medya genellikle hızlı, daha temiz ve daha verimli geleneksel (sıvı) tekniklerinden daha ve son derece çalışma koşulları hafif ayarlanmasıyla sıvının solvasyon gücüne göre ayarlanabilir olma avantajına sahiptir . 3,7 Basit ScD yöntemi üç temel aşamadan oluşmaktadır. İlk adım olarak sıvı içinde uygun bir şekilde seçilmiş ScD sıvıya hedef kirlilik bileşimi içeren başlangıç katı (ya da belki de sıvı) malzeme teşhir edilmektedir yüksek yoğunluklu yüksek (ve belki de seçici tekabül (veya yakın sıvı süperkritik) faz hedef türe göre 7) bir çözücü gücü. To ikinci aşama ısıtma ve akışkan ve çözünmüş hedef türlerin ayrılması neden olabilecek bir faz sınırını geçemiyor, böylece kapalı bir kapta seçilen ScD sıvının kritik noktası üzerinde sistemi sıkıştırarak. Son adım, yavaş bir faz sınır ya da yol boyunca herhangi bir zararlı yüzey gerilimi etkiler karşılaşmadan daha kaçmak için, hedef türleri içeren sıvı bir eriyik sağlar, kritik sıcaklığın üstünde bir sıcaklıkta vakum ScD sıvının basıncını azaltmaktadır.
Başlangıç malzemesi, hedef türlerin tüketilmiş bırakılır ve gerekirse tekrarlanır muamelelere tabi tutulabilir. Süper kritik akışkan ekstraksiyonu durumlarda, hedef çözünen türleri istenen ürün ve diğer durumlarda, daha sonraki kullanım için solüsyondan. 8,9 toplanır, kurutulur ya da saflaştırılmış başlangıç materyali, arzu edilen ürün ve ekstre yabancı maddeler göz ardı edilir. Bu ikinci senaryoda, burada atıftaScD yaklaşım olarak, yüksek yüzey alanlı, örneğin vakum altında geleneksel bir ısı ile tedavi yöntemleri bir çok durumda gözenekler temizleme yeterli değildir, metal-organik bir çerçeve (MOFs) gibi mikro-gözenekli malzemelerin ön işlemesi için etkili bir strateji olabilir keşfedilmiştir tüm istenmeyen misafirler, veya gözenek çöküşü ile sonuçlanır. 10 Karbondioksit ScD (CSCD) işlem şimdiye kadar 1.000% işlenmemiş malzemeler üzerinde azot erişilebilir yüzey alanlarının artışına neden Mofs, 11 rutin post-sentetik bir süreçtir 12 ve Böyle katalitik aktivite gibi diğer gelişmeler. 13 Diğer önemli süper kritik akışkan uygulamaları kimyasal reaksiyonlar için yaygın olarak ayarlanabilir ortamı gibidir, 14-16 süperkritik akışkan kromatografisi (SCFC) 6,17,18 ve aerojel ve ileri kompozit malzemelerin sentezi. 19- 22
Uygulamaları kurutulması için, bir ScD sıvısı iki kritere göre değerlendirilecek olan: a) yakınlık onunkritik nokta (kolaylık ve enerji maliyetlerini veya işlem karmaşıklığını azaltmak için) şartlarını çevre hedef türlere göre ve b) çözme gücünü. Karbon dioksit (CO2), bu, toksik olmayan yanıcı olmayan ve ucuz olduğu pek çok uygulamada uygun bir ScD sıvı olduğu kanıtlanmıştır, ve yakın-sıvı içinde yaygın organik hedef türün bir dizi doğru yüksek çözme gücü sergiler için ayarlanmış olabilir . 1-3,7-9 Diğer sık süperkritik çözücüler (ya da ko-çözücüler) (<10 MPa basınç ve 273-323 K sıcaklıkta) durumunda su (kendi ortam ve süper kritik durum arasındaki çözücü özellikleri dikkate değer bir dizi yayılan içerir Polar (protik ve aprotik) polar olmayan kadar, ve ortam koşullarında nispeten yakınında kritik noktasına sahip spektruma kapsayan 23), aseton, etilen, metanol, etanol, ve etan,.
Karbondioksit kullanılan ana kadar en yaygın ScD sıvısının gereğidir. Kurulan CSCD yöntemlerde, reaktiviteBaşlangıç malzemesi bir engelleyici faktör değildir CO 2 kritik nokta yakınında sıcaklıklarda ancak çok zayıf reaktif olduğundan. Bununla birlikte, ısıtma altında (belki de kasıtlı uygun) dengesizlik ilave olarak, su ya da CO2 varlığında güçlü reaktivite gibi sözde kompleks hidridler (örn alanates ve borohidritler) kullanım içinde bulunan özel zorluklar gibi malzemelerin bazı sınıfları . 24-26 Dahası, Nano yapılı ve / veya gözenekli çeşitleri 31-33 nedenle de büyük uluslararası yüksek yoğunluklu hidrojen depolama bileşikleri, 27-30 gibi malzemelerde ilgi ve vardır. Böyle reaktif, kararsız ve Nanoyapılı malzemelerin etkili arınma için, ScD yöntemleri dar boşlukların içine penetrasyon için uygun küçük bir molekül çapa sahip ve aynı zamanda doğru bir yüksek çözme gücüne sahip olan. 34 A ScD sıvısı kullanılmalıdır umut vaat eden bir strateji vardır Hedef yabancı maddeler, WHIle başlangıç malzemesinin kendisine karşı reaktif kalmıştır. Burada, örneğin, ekstre etme ve kurutma, özellikle uygulama için etkili bir sıvı olarak süper kritik azot kullanımı (N2) sunulmuştur. Belirli bir süperkritik kurutma azot (nscd) metodolojisi hedef tür diboran ve n-butil bileşiği (benzeyen fakat N -butan spesifik olarak tanımlanabilir) her iki dahil γ-faz magnezyum borohidrid saflaştırılması için aşağıda tarif edilmiştir. Aşağıdaki protokol kolayca diğer süperkritik azot kurutma prosesi veya ekstraksiyon prosesinin genel uzatılması için modifiye edilebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Belki nispeten düşük kritik sıcaklık (126 K) nedeniyle, N2 tarihsel etkili ScD çözücü olarak göz ardı edilmiştir. Daha önceki raporlarda da, 3,17,42,43 sadece dışında (nedeniyle faz diyagramı bu bölgede düşük sıvı yoğunluğu veya sadece mütevazı çözme gücünü sergileyen ortam, yukarıda sıcaklıklar işleme bağlamında ima edilmiştir Son derece yüksek basınçlar 43) de. bir süper kritik çözücü olarak N2 pratik yarar gerçekleştirmede ö…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma işbirlikçi proje BOR4STORE (Hibe Anlaşması No 303428) ve altyapı programının H2FC (Hibe Anlaşması No FP7-284522) kapsamında Avrupa Yakıt Hücreleri ve Hydruogen Ortak Taahhüt tarafından desteklenmiştir.
Materials
| Compressed Nitrogen Gas | Messer Schweiz AG | 50 L bottle, purity > 99.999%, <3 ppmv H2O | |
| Liquid Nitrogen | Pan Gas AG | Bulk storage, on site | |
| Custom Supercritical Drying Apparatus | Empa | Swagelok (compression fitting and VCR) components | |
| Custom Cryogenic Furnace Bath | Empa | ||
| Custom Labview Interface | Empa |
References
- McHugh, M. A., Krukonis, V. J. . Supercritical Fluid Extraction. , (1986).
- Schneider, G. M. Physicochemical Principles of Extraction with Supercritical Gases. Angew. Chem. lnt. Ed. 17, 716-727 (1978).
- Williams, D. F. Extraction with Supercritical Gases. Chem. Eng. Sci. 36 (11), 1769-1788 (1981).
- Eckert, C. A., Knutson, B. I., Debenedetti, P. G. Supercritical fluids as solvents for chemical and materials processing. Nature. 383, 313-318 (1996).
- Cooper, A. I. Polymer synthesis and processing using supercritical carbon dioxide. J. Mater. Chem. 10, 207-234 (2000).
- Klesper, E., Corwin, A. H., Turner, D. A. High pressure gas chromatography above critical temperatures. J. Org. Chem. 27, 700-701 (1962).
- Tucker, S. C. Solvent Density Inhomogeneities in Supercritical Fluids. Chem. Rev. 99 (2), 391-418 (1999).
- Hubert, P., Vitzthum, O. G. Fluid Extraction of Hops, Spices, and Tobacco with Supercritical Gases. Angew. Chem. Int. Ed. 17 (10), 710-715 (1978).
- Zosel, K. Separation with Supercritical Gases: Practical Applications. Angew. Chem. Int. Ed. 17 (10), 702-709 (1978).
- Nelson, A. P., Farha, O. K., Mulfort, K. L., Hupp, J. T. Supercritical Processing as a Route to High Internal Surface Areas and Permanent Microporosity in Metal−Organic Framework Materials. J. Am. Chem. Soc. 131, 458-460 (2009).
- Liu, B., Wong-Foy, A. G., Matzger, A. J. Rapid and enhanced activation of microporous coordination polymers by flowing supercritical CO2. Chem. Commun. 49, 1419-1421 (2013).
- Cooper, A. I., Rosseinsky, M. J. Metal–organic frameworks: improving pore performance. Nat. Chem. 1, 26-27 (2009).
- Totten, R. K., et al. Enhanced Catalytic Activity through the Tuning of Micropore Environment and Supercritical CO2 Processing: Al(Porphyrin)-Based Porous Organic Polymers for the Degradation of a Nerve Agent Simulant. J. Am. Chem. Soc. 135, 11720-11723 (2013).
- Savage, P. E., Gopalan, S., Mizan, T. I., Martino, C. J., Brock, E. E. Reactions at supercritical conditions: Applications and fundamentals. AIChE J. 41 (7), 1723-1778 (1995).
- Baiker, A. Supercritical Fluids in Heterogeneous Catalysis. Chem. Rev. 99 (2), 453-474 (1999).
- Jessop, P. G., Ikariya, T., Noyori, R. Homogeneous Catalysis in Supercritical Fluids. Chem. Rev. 99 (2), 475-494 (1999).
- Giddings, J. C., Myers, M. N., McLaren, L., Keller, R. A. High Pressure Gas Chromatography Of Nonvolatile Species. Science. 162 (3849), 67-73 (1968).
- Gere, D. R. Supercritical Fluid Chromatography. Science. 222, 253-259 (1983).
- Kistler, S. S. Coherent Expanded Aerogels and Jellies. Nature. 127, 741-741 (1931).
- Biener, J., et al. Advanced carbon aerogels for energy applications. Energy Environ. Sci. 4, 656-667 (2011).
- Morère, J., et al. Deposition of Pd into mesoporous silica SBA-15 using supercritical carbon dioxide. J. Supercrit. Fluids. 56 (2), 213-222 (2011).
- Sathish, M., Mitani, S., Tomai, T., Honma, I. Supercritical fluid assisted synthesis of N-doped graphene nanosheets and their capacitance behavior in ionic liquid and aqueous electrolytes. J. Mater. Chem. A. 2, 4731-4738 (2014).
- Toews, K. L., Shroll, R. M., Wai, C. M., Smart, N. G. pH-Defining Equilibrium between Water and Supercritical CO2. Influence on SFE of Organics and Metal Chelates. Anal. Chem. 67 (22), 4040-4043 (1995).
- Barbaras, G., Barbaras, G. D., Finholt, A. E., Schlesinger, H. I. Cause Of Explosions Occasionally Observed During Evaporation Of Solutions Of Aluminum Hydride And Related Compounds. J. Am. Chem. Soc. 70, 877 (1948).
- Burr, J. G., Brown, W. G., Heller, H. E. The Reduction of Carbon Dioxide to Formic Acid. J. Am. Chem. Soc. 72 (6), 2560-2562 (1950).
- Hugelshofer, C. L., et al. Gas−Solid Reaction of Carbon Dioxide with Alanates. J. Phys. Chem. C. 118, 15940-15945 (2014).
- Orimo, S. I., Nakamori, Y., Eliseo, J. R., Züttel, A., Jensen, C. M. Complex Hydrides for Hydrogen Storage. Chem. Rev. 107 (10), 4111-4132 (2007).
- Gross, K. J., Thomas, G. J., Jensen, C. M. Catalyzed alanates for hydrogen storage. J. Alloys Compd. 330-332, 683-690 (2002).
- Li, H. W., Yan, Y., Orimo, S. I., Züttel, A., Jensen, C. M. Recent Progress in Metal Borohydrides for Hydrogen Storage. Energies. 4 (1), 185-214 (2011).
- Frankcombe, T. J. Proposed Mechanisms for the Catalytic Activity of Ti in NaAlH4. Chem. Rev. 112, 2164 (2012).
- Vajo, J. J., Olson, G. L. Hydrogen storage in destabilized chemical systems. Scr. Mater. 56, 829 (2007).
- Zhang, Y., et al. LiBH4 nanoparticles supported by disordered mesoporous carbon: Hydrogen storage performances and destabilization mechanisms. Int. J. Hyd. Energ. 32 (16), 3976-3980 (2007).
- Christian, M. L., Aguey-Zinsou, K. F. Core–Shell Strategy Leading to High Reversible Hydrogen Storage Capacity for NaBH4. ACS Nano. 6 (9), 7739-7751 (2012).
- Stadie, N. P., et al. Supercritical N2 Processing as a Route to the Clean Dehydrogenation of Porous Mg(BH4)2. J. Am. Chem. Soc. 136 (23), 8181-8184 (2014).
- Borgschulte, A., et al. Impurity Gas Analysis of the Decomposition of Complex Hydrides. J. Phys. Chem. C. 115, 17220-17226 (2011).
- Filinchuk, Y., et al. Porous and Dense Magnesium Borohydride Frameworks: Synthesis, Stability, and Reversible Absorption of Guest Species. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 11162-11166 (2011).
- Li, H. W., et al. Dehydriding and rehydriding processes of well-crystallized Mg(BH4)2 accompanying with formation of intermediate compounds. Acta Mater. 56 (6), 1342-1347 (2008).
- Schüth, F., Bogdanovic, B., Felderhoff, M. Light metal hydrides and complex hydrides for hydrogen storage. Chem. Comm. , 2249-2258 (2004).
- Vitillo, J. G., Groppo, E., Bardají, E. G., Baricco, M., Bordiga, S. Fast carbon dioxide recycling by reaction with γ-Mg(BH4)2. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 22482-22486 (2014).
- Paskevicius, M., et al. In-Situ X-ray Diffraction Study of γ-Mg(BH4)2 Decomposition. J. Phys. Chem. C. 116, 15321-15240 (2012).
- Lemmon, E. W., Huber, M. L., McLinden, M. O. NIST standard reference database 23: reference fluid thermodynamic and transport properties. Standard Reference Data Program. , (2008).
- Moquin, P. H. L., Temelli, F. J. Kinetic modeling of hydrolysis of canola oil in supercritical media. J. Supercrit. Fluid. 45, 94-101 (2008).
- Myers, M. N., Giddings, J. C. Ultra-High-Pressure Gas Chromatography in Micro Columns to 2000 Atmospheres. Sep. Sci. 1 (6), 761-776 (1966).
- McLeary, E. E., Jansen, J. C., Kapteijn, F. Zeolite based films, membranes and membrane reactors: Progress and prospects. Microporous Mesoporous Mater. 90, 198-220 (2006).
- Richter, B., Ravnsbæk, D. B., Tumanov, N., Filinchuk, Y., Jensen, T. R. Manganese borohydride; synthesis and characterization. Dalton Trans. , (2015).
- Liang, S., Tilotta, D. C. Extraction of petroleum hydrocarbons from soil using supercritical argon. Anal. Chem. 70 (3), 616-622 (1998).
