Studerer argongas fanget i todimensionel række små bure

Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory havde netop afsluttet et eksperiment med en todimensionel (2D) struktur, de syntetiserede til katalyseforskning, da, til deres overraskelse, de opdagede, at atomer af argongas var blevet fanget inde i strukturens nanoserede porer. Argon og andre ædelgasser har tidligere været fanget i tredimensionelle (3D) porøse materialer, men immobilisering af dem på overflader var kun opnået ved enten at afkøle gasserne til meget lave temperaturer for at kondensere dem, eller ved at accelerere gasioner for at implantere dem direkte i materialer.

"Vi er det første hold, der fanger en ædelgas i en 2D porøs struktur ved stuetemperatur, "sagde Anibal Boscoboinik, en materialeforsker ved Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science User Facility, hvor en del af forskningen blev udført.

Denne præstation, rapporteret i et papir, der blev offentliggjort i dag i Naturkommunikation , vil gøre det muligt for forskere at bruge traditionelle overfladevidenskabelige værktøjer-såsom røntgenfotoelektron og infrarød refleksionsabsorptionsspektroskopi-til at udføre detaljerede undersøgelser af enkeltgasatomer i indespærring. Den viden, der er opnået ved sådan forskning, kunne informere designet, udvælgelse, og forbedring af adsorberende materialer og membraner til opsamling af gasser såsom radioaktivt krypton og xenon genereret af atomkraftværker.

Forskerteamet fra Brookhaven Lab, Stony Brook University, og National University of San Luis i Argentina syntetiserede 2D aluminosilicat (sammensat af aluminium, silicium, og oxygen) film oven på en rutheniummetaloverflade. Forskerne skabte dette 2D -model katalysatormateriale for at studere de kemiske processer, der sker i den industrielt anvendte 3D -katalysator (kaldet en zeolit), som har en burlignende struktur med åbne porer og kanaler på størrelse med små molekyler. Fordi den katalytisk aktive overflade er lukket inde i disse hulrum, det er svært at undersøge med traditionelle overfladevidenskabelige værktøjer. Det 2D -analoge materiale har den samme kemiske sammensætning og det aktive sted som den 3D -porøse zeolit, men dets aktive sted er eksponeret på en flad overflade, som er lettere at få adgang til med sådanne værktøjer.

For at bekræfte, at argonatomerne var fanget i disse "nanokager, "forskerne udsatte 2D-materialet for argongas og målte den kinetiske energi og antallet af elektroner, der blev skubbet ud fra overfladen efter at have ramt det med en røntgenstråle. De udførte disse undersøgelser ved den tidligere National Synchrotron Light Source I (NSLS-I) og dens efterfølgerfacilitet, NSLS-II (begge DOE Office of Science User Facilities på Brookhaven), med et instrument udviklet og drevet af CFN. Fordi kerneelektroners bindingsenergier er unikke for hvert kemisk element, de resulterende spektre afslører tilstedeværelse og koncentration af elementer på overfladen. I et separat eksperiment udført på CFN, de græssede en stråle af infrarødt lys over overfladen, mens de introducerede argongas. Når atomer absorberer lys med en bestemt bølgelængde, de undergår ændringer i deres vibrationsbevægelser, der er specifikke for elementets molekylære struktur og kemiske bindinger.

For at få en bedre forståelse af, hvordan selve rammen bidrager til bur, forskerne undersøgte fangstmekanismen med silikatfilm, som ligner strukturen til aluminosilicaterne, men ikke indeholder aluminium. I dette tilfælde, de opdagede, at ikke alt argon bliver fanget i burene - en lille mængde går til grænsefladen mellem rammen og rutheniumoverfladen. Denne grænseflade er for komprimeret i aluminosilikatfilmene til, at argon kan presses ind.

Efter at have studeret adsorption, forskerne undersøgte den omvendte desorptionsproces ved trinvis at øge temperaturen, indtil argonatomer frigives fuldstændigt fra overfladen ved 350 grader Fahrenheit. De bekræftede deres eksperimentelle spektre med teoretiske beregninger af mængden af ​​energi forbundet med argon, der kom ind og ud af burene.

I et andet infrarødt spektroskopiforsøg udført i Brookhaven's Chemistry Division, de undersøgte, hvordan tilstedeværelsen af ​​argon i burene påvirker passage af kulilte -molekyler gennem rammen. De fandt ud af, at argon begrænser antallet af molekyler, der adsorberes på rutheniumoverfladen.

"Ud over at fange små atomer, burene kunne bruges som molekylsigter til filtrering af kulilte og andre små molekyler, såsom hydrogen og ilt, "sagde første forfatter Jian-Qiang Zhong, en CFN -forsker.

Selvom deres hovedmål fremover vil være at fortsætte med at undersøge zeolitkatalytiske processer på 2D -materialet, forskerne er interesserede i at lære virkningen af ​​forskellige porestørrelser på materialernes evne til at fange og filtrere gasmolekyler.

"Når vi søger at forstå materialet bedre, interessante og uventede fund bliver ved med at dukke op, "sagde Boscoboinik." Evnen til at bruge overfladevidenskabelige metoder til at forstå, hvordan et enkelt gasatom opfører sig, når det er begrænset i et meget lille rum, åbner op for mange interessante spørgsmål, som forskere kan besvare. "