Explorando la naturaleza radical de una superficie de carbono por resonancia paramagnética de electrones y un flujo de gas de calibrado

Summary

Radicales estables que están presentes en los sustratos de carbono interactúan con el oxígeno paramagnético a través de un intercambio de espín Heisenberg. Esta interacción se puede reducir considerablemente en condiciones STP haciendo fluir un gas diamagnético sobre el sistema de carbono. Este manuscrito describe un método simple para caracterizar la naturaleza de los radicales.

Abstract

Mientras que los primeros Electrón Resonancia paramagnética (EPR) de estudios sobre los efectos de la oxidación de la estructura y la estabilidad de los radicales de carbono se remontan a la década de 1980 el foco de estos primeros trabajos caracteriza principalmente los cambios en las estructuras bajo condiciones extremadamente duras (pH o la temperatura ) ^1-3. También se sabe que el oxígeno molecular paramagnético se somete a una interacción de intercambio de espín de Heisenberg con los radicales estables que extremadamente amplía el EPR señal de ^4-6. Recientemente, se informó resultados interesantes donde esta interacción de oxígeno molecular con una cierta parte de la estructura de radical estable existente puede ser afectada de forma reversible simplemente haciendo fluir un gas diamagnético a través de las muestras de carbono a STP ^7. Como los flujos de Él, CO _2, y N ₂ tenían un efecto similar producirse estas interacciones en el área de superficie del sistema de macroporos.

Este manuscrito pone de relieve la t experimentalechniques, elaboración y análisis hacia afecte a la naturaleza radical estable existente en las estructuras de carbono. Se espera que ayude a un mayor desarrollo y comprensión de estas interacciones en la comunidad en general.

Introduction

Sustratos de diversa (% en peso) proporciones de átomos de C / H / S presentes diferentes tipos y concentraciones de radicales estables que son detectables a través de Resonancia Paramagnética Electrónica (RPE) ^8. Estos radicales dependen de la estructura de las macromoléculas y están muy influenciados por su naturaleza aromática. El espectro de EPR de radicales de carbón se caracteriza por una sola resonancia amplia. En tales casos, sólo el valor g, el ancho de línea y la concentración de giro se pueden obtener. Los valores g de EPR espectros se pueden utilizar para determinar si es un radical de carbono centrado o centrado en oxígeno. La ecuación básica para la interacción Zeeman electrónica define el valor g, donde h es la constante de Planck, v es la frecuencia MW constante aplicada en el experimento, B ₀ es el campo magnético de resonancia y β _e es la magnetón de Bohr. Para los electrones libres del g-valor es 2,00232. Variations en el g-valor de la 2.00232 están relacionados con las interacciones magnéticas que involucran el momento angular orbital del electrón no apareado y su entorno químico. Radicales orgánicos por lo general tienen valores g cerca de la g de electrones libres, que depende de la ubicación del radical libre en la matriz orgánica ^{3, 8-10.} Los radicales de carbono centrado tienen valores g que se acercan del electrón g libre de valores 2.0023. Los radicales de carbono centrado con un átomo de oxígeno adyacente tienen mayores valores g en el rango de 2,003 a 2,004, mientras que los radicales de oxígeno centrada tienen valores g que son> 2.004. El g-valor de 2,0034 a 2,0039 es característico para los radicales de carbono centrado en un heteroátomo de oxígeno cercano que resulta en mayores valores g más de la de los radicales de carbono puramente centrada en ^11-15. Línea de ancho se rige por el proceso de relajación espín-retículo. Por lo tanto, una interacción entre los radicales adyacentes o entre un radical y paramagnéticos resultados de oxígeno en una disminuciónen el tiempo de relajación espín de celosía, y por lo tanto, un aumento en el ancho de línea ^4-6.

Experimentos de flujo detenido con detección de EPR permiten la observación de los cambios dependientes del tiempo en la amplitud de una señal de EPR en un valor de campo distinto durante la interacción de dos fases por la adquisición de barrido de tiempo (cinética de visualización). El resultado de una medición de este tipo es una constante de velocidad para la formación, descomposición o conversión de una especie paramagnética. El procedimiento es análogo al caso bien establecido de la operación de flujo detenido con detección óptica en el que se observa una dependencia del tiempo de la absorción óptica a una longitud de onda distinta. Experimentos de flujo detenido Normalmente se llevan a cabo en un estado líquido como radicales que no están EPR detectados en estado líquido debido al tiempo de relajación corto T _1, como por ejemplo, hidroxilo (OH ×) o superóxido (O ₂ ^-) no puede ser estudiado directamente por detenido-EPR técnicas de flujo. Es, sin embargo, posibl e para estudiar los spin-aductos de estos radicales con nitronas, produciendo radicales de tipo nitróxido (spin-trampas), ya que son EPR-activa y su cinética pueden ser controlados también por el EPR flujo detenido ^16-18.

El método de medición de la velocidad de las reacciones químicas mediante el uso de flujo rápido técnicas gaseosos con detección EPR también ha sido previamente establecida ^19-22. En esencia, el método depende de la medición, por EPR, de la concentración de un reactivo como una función de la distancia (y por lo tanto a una velocidad constante, el tiempo) sobre el cual el reactivo ha estado en contacto con un gas reactivo en el flujo tubo. Condiciones en las que es aproximadamente constante la concentración del gas reactivo se emplean por lo general de manera que la desintegración medido es de pseudo primer orden.

En el presente trabajo, una configuración de flujo de gas sencillo fue implementado y un flujo constante de gas se introdujo a la superficie del sustrato de carbono sólido.

ntent "> Con el método detallado en el trabajo actual que tuvo éxito en la obtención de resultados interesantes donde esta interacción de oxígeno molecular con una cierta parte de la estructura de radical estable existente puede ser afectada de forma reversible simplemente haciendo fluir un gas diamagnético a través de las muestras de carbono a STP. Como resultado de este método, la eliminación del gas paramagnético interactuar descubre una nueva superficie radical con valor AG, que está más cerca a la de un electrón libre.

Protocol

1. Preparación de muestras de carbón Moler las muestras de carbón para el tamaño de la fracción deseada (en este caso, las muestras de carbón se molieron hasta un tamaño de fracción de entre 74 a 250 mm). Durante el proceso de molienda el molino debería celebrarse en un ambiente regulado (AC enfría a 20 ° C). Adicionalmente, la purga de la cámara de amoladora con un flujo de gas nitrógeno antes de la molienda reduce al mínimo la oxidación en esta etapa. Transferir las muestr…

Representative Results

Cuando preformar los experimentos de EPR en diversas muestras de carbón, como una función del tiempo de exposición a un gas diamagnético de flujo se observó que durante el flujo de gas, una segunda especie en g ~ 2,0028 aparecieron. Este g-valor es cercano al valor de un electrón libre y en consonancia con los radicales de carbono centrado alifáticos no sustituidos. Sin embargo, la concentración total de giro para cada muestra se mantuvo constante dentro de nuestro error experimental (± 10%) Figura 3A</…

Discussion

Oxidación de la superficie de materiales de carbono es de interés industrial y académico significativo. Los efectos de la oxidación del sustrato de carbono se han caracterizado con una amplia gama de técnicas analíticas, incluyendo EPR. Al investigar la interacción de oxígeno molecular con sustrato de carbono, como el carbón, que tiene una propensión a sufrir oxidación (de ahí su utilización principal como fuente de energía) la preparación y almacenamiento de las muestras son extremadamente importantes. <…

Materials

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