Kritischer Stickstoff Verarbeitung für die Reinigung von Reactive Porous Materials
Summary
Stickstoff ist ein wirksames kritischen Fluids für die Extraktion oder Trocknen aufgrund seiner kleinen Molekülgröße, hoher Dichte im nahen Flüssigkeitskritischen Bereich und chemische Inertheit. Wir stellen eine überkritischer Stickstoff Trocknungsprotokoll für die Reinigungsbehandlung von reaktiven, porösen Materialien.
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
Kritischen Fluidextraktion (SFE) und Trocknen (SCD) Verfahren sind in einer Vielzahl von praktischen Anwendungen gestellt werden, insbesondere in der Lebensmittel- und Erdölindustrie, aber auch in der chemischen Synthese, Analyse und Materialbearbeitung. 1-6 die Verwendung von Trocknungs oder Extraktionsmittel bei Bedingungen oberhalb ihrer kritischen Punkte oft schneller, sauberer und effizienter als herkömmliche (flüssig) Techniken und hat den zusätzlichen Vorteil, dass sie in Bezug auf die gut einstellbare Solvatisierungskraft des Fluids durch geringfügige Anpassung der Betriebsbedingungen, . 3,7 Eine einfache ScD Verfahren besteht aus drei grundlegenden Schritten. Der erste Schritt ist Aussetzen des Feststoffes (oder auch Flüssigkeit) Ausgangsmaterial, das das Zielverunreinigungsverbindung, die zu einem geeignet gewählten ScD Fluid in seiner flüssigen enthält (oder nahezu superkritischen flüssigen) Phase, in der hohen Dichte entspricht einer hohen (und vielleicht selektive 7) Lösungsvermögen in Bezug auf die Zielspezies. Ter zweite Schritt Erhitzen und Zusammendrücken des Systems über kritische Punkt der gewählten ScD Fluids in einem geschlossenen Behälter, so dass die Flüssigkeit und seiner gelösten Zielarten keine Phasengrenze, die in Trennung führen könnte passieren. Der letzte Schritt wird langsam den Druck des Fluids zu ScD Vakuum Reduzieren bei einer Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur, so dass der Fluidlösung, welche die Zielarten zu entgehen, wiederum ohne auf eine Phasengrenze oder nachteilige Wirkungen der Oberflächenspannung auf dem Weg.
Das Ausgangsmaterial wird links abgereicherten der Zielarten und kann iteriert Behandlungen unterzogen werden, falls erforderlich. In Fällen von überkritischen Fluidextraktion wird die Ziel gelösten Stoff das gewünschte Produkt und wird aus der Lösung für die weitere Verwendung. 8,9 gesammelt In anderen Fällen ist die getrocknete oder gereinigtem Ausgangsmaterial wird das gewünschte Produkt, und die extrahierten Verunreinigungen werden verworfen. Dieses letztere Szenario hierinals ScD Ansatz, entdeckt wurde, um eine wirksame Strategie für die Vorbehandlung von großer Oberfläche, mikroporöse Materialien, wie Metall-organische Gerüste (MOFs), wo traditionelle Wärmebehandlungsverfahren unter Vakuum in vielen Fällen bei der Klärung der Poren nicht ausreichend aller unerwünschten Gäste, oder führen zu Porenkollaps. 10 Kohlendioxid ScD (CSCD) Verarbeitung ist heute ein Routine post-Syntheseverfahren für MOFs, 11, die zu Erhöhungen der stickstoff zugänglichen Oberflächenbereiche gegenüber unbehandelten Materialien von bis zu 1000% 12 und andere Verbesserungen, wie zum Beispiel bei der katalytischen Aktivität. 13 Andere bemerkenswerte kritischen Fluid Anwendungen sind als breit abstimmbaren Medium für chemische Reaktionen, 14-16 kritischen Fluid-Chromatographie (SCFC) 6,17,18 und Synthese von Aerogelen und fortgeschrittenen Kompositmaterialien. 19- 22
Zum Trocknen von Anwendungen wird ein Fluid ScD Auserwählter nach zwei Kriterien: a) die Nähe seineskritischen Punkt auf Umgebungsbedingungen (der Einfachheit halber und um die Energiekosten oder die Prozesskomplexität zu reduzieren) und b) ihre Solvatation Leistung in Bezug auf die Zielarten. Kohlendioxid (CO 2), hat sich als praktisch ScD Fluid bei vielen Anwendungen, da es ungiftig, nicht brennbar, und billig ist, und kann abgestimmt werden, um eine hohe Solvatisierungskraft Richtung einer Reihe von gängigen organischen Zielspezies in seiner nahezu Flüssigkeit aufzuweisen Zustand (bei Drücken von <10 MPa und Temperaturen von 273 bis 323 K). 1-3,7-9 Andere häufige superkritischen Lösemitteln (oder Co-Lösungsmittel) sind Wasser (Spanning eine bemerkenswerte Reihe von Lösungsmitteleigenschaften zwischen seiner Umgebung und überkritischen Zustand 23), Aceton, Ethylenglycol, Methanol, Ethanol, und Ethan und deckt das Spektrum von polaren (protische und aprotische) unpolare und mit kritischen Punkten relativ nahe Umgebungsbedingungen.
Kohlendioxid ist bei weitem die am häufigsten verwendeten ScD Flüssigkeit. In etablierten CSCD Methoden, die Reaktivitätdes Ausgangsmaterials ist nicht hemmenden Faktor, da CO 2 nur sehr schwach bei Temperaturen in der Nähe des kritischen Punktes reaktiv. Jedoch können bestimmte Klassen von Materialien, wie beispielsweise sogenannte komplexe Hydride (beispielsweise Alanaten und Borhydriden) vorhanden einzigartige Herausforderungen bei der Handhabung aufgrund ihrer starken Reaktivität in Gegenwart von Wasser oder CO 2 zusätzlich zu ihrer (vielleicht absichtlich zugeschnitten) Instabilität unter Erhitzen . 24-26 Darüber hinaus gibt es große internationale Interesse an solchen Materialien wie High-Density-Wasserstoffspeicherverbindungen, 27-30 und damit auch in nanostrukturierten und / oder porösen Sorten 31-33. Für die wirksame Reinigung solcher reaktiven, instabil und nanostrukturierten Materialien sind ScD Verfahren eine vielversprechende Strategie. 34 A ScD Flüssigkeit verwendet werden, die eine geringe Moleküldurchmesser zum Eindringen in engen Hohlräumen geeigneten hat und die auch eine hohe Solvatisierung Leistung zur Ziel Verunreinigungen, while restlichen unreaktiv gegenüber dem Ausgangsmaterial selbst. Hierin wird die Verwendung von überkritischem Stickstoff (N 2) als eine effektive Fluid für solche Extraktion und besonders Trocknungsanwendungen wird präsentiert. Eine spezifische kritischer Stickstoff Trocknung (NSCD) Methodik wird nachstehend zur Reinigung von γ-Phasen Magnesiumborhydrid, deren Zielart umfassen sowohl Diboran und ein n-Butyl-Verbindung (ähnlich, jedoch nicht genau erkennbar n-Butan) beschrieben. Das folgende Protokoll kann leicht für die allgemeine Ausweitung auf andere überkritischer Stickstoff Trocknen oder Extraktionsverfahren geändert werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vielleicht aufgrund seiner relativ niedrigen kritischen Temperatur (126 K), N 2 wurde historisch als wirksame ScD Lösungsmittel sehen worden. In früheren Berichten 3,17,42,43 es nur im Zusammenhang mit den Verarbeitungstemperaturen bei oder über Umgebungstemperatur, wo es nur bescheidene Solvatisierungskraft zeigt aufgrund seiner geringen Dichte des Fluids in diesem Bereich seiner Phasendiagramm angedeutet ist (mit der Ausnahme bei extrem hohen Drücken 43). Der Schlüsselschritt bei …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Europäischen Brennstoffzellen und Hydruogen gemeinsamen Unternehmens unter Gemeinschaftsprojekt BOR4STORE (Grant Agreement No. 303428) und Infrastrukturprogramm H2FC (Grant Agreement Nr FP7-284522) unterstützt.
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 |
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