Kryostat s pasivním chlazením cryoTune
Řada kryostatů cryoTune pro přesné udržování nízkých teplot otevírá nové obzory pro měření sorpce plynů. Umožňuje téměř všem objemovým sorpčním přístrojům, ať už se jedná o novější nebo starší modely, dodržovat ISO 9277 pro měření specifického povrchu BET a doporučení IUPAC (2015) pro charakterizaci mikropórů. Obě publikace vysvětlují, že vzácné plyny, na rozdíl od molekuly dusíku, mají kulovou symetrii a nemají kvadrupólový moment. Adsorpce atomů vzácného plynu je tedy výsledkem čisté van-der-Waalsovy interakce. Vzácné plyny mají při adsorpci na povrch právě jednu orientaci na rozdíl od nesymetrických molekul, u kterých je plocha povrchu obsazená jednou molekulou závislá na povrchových vlastnostech adsorbentu.
3P Instruments – cryoTune od 3P Instruments GmbH & Co. KG na platformě Vimeo.
Řada cryoTune vyžaduje pro chlazení pouze kapalný dusík a několik wattů elektrické energie, pro udržování teplot v rozmezí 82-323 Kelvinů. S modelem cryoTune 87 lze například stanovit měrný povrch pomocí argonu či kryptonu při jejich teplotách varu (Ar 87 K, Kr 120 K) za účelem získání vědecky správných výsledků (u sorpce dusíku jsou výsledky až o 30 procent vyšší v závislosti na chemických skupinách na povrchu adsorbentu). CryoTune také umožňuje fyzisorpci různých jiných měřících plynů při jejich bodu varu nebo při jiných libovolných teplotách. Díky této jedinečné flexibilitě lze měřit izotermy čistého plynu metanu, etanu, propanu, n-butanu, kyslíku, oxidu uhličitého, SF6 a dalších. A termodynamické výpočty lze provádět při různých teplotách. Následující tabulka ukazuje různé adsorptivy, jejich teploty varu, hustotu kapalné adsorbované fáze ρkapaliny, kritický průměr atomu/molekuly, plocha povrchu obsazená jedním atomem/molekulou adsorbátu am, saturační tlak p0 a faktor neideálnosti skutečných plynů Fni.
| Adsorptiv | Bod varu T/K | ρkapaliny/ g.cm-3 | kritická velikost částice /nm. | am BET povrchu pro ρkapaliny *4/nm2 | p0/kPa | faktor ne-ideality adsorpce Fni *3 |
| Ar | 87 | 1,39 | 0,34 | 0,143 | 101 | 4,27·10-5 |
| Kr | 120 | 2,41 | 0,36 | 0,163 | 101 | 3,83·10-5 |
| Xe | 165 | 2,94 | 0,41 | 0,192 | 101 | 3,71·10-5 |
| SF6 | 209 | 1,91 | 0,67 | 0,276 | 101 | 3,87·10-5 |
| CH4 | 112 | 0,42 | 0,40 | 0,174 | 101 | 4,26·10-5 |
| Ethan | 184 | 0,54 | 0,44 | 0,223 | 101 | 3,86·10-5 |
| Propan | 231 | 0,58 | 0,49 | 0,275 | 101 | 3,93·10-5 |
| n-Butan | 273 | 0,60 | 0,49 | 0,322 | 101 | 4,05·10-5 |
| O2 | 90 | 1,14 | 0,28 | 0,141 | 101 | 4,09·10-5 |
| N2 | 77 | 0,81 | 0,30 | 0,162 | 101 | 5,21·10-5 |
| CO2 | 195*1 | 1,26 | 0,28 | 0.164*2 | 188*2 | 2,09·10-5 |
| Ethen | 196 | 0,58 | 0,39 | 0,203 | 101 | 3,71·10-5 |
| CO | 82 | 0,94 | 0,37 | 0,147 | 101 | 5,11·10-5 |
| NH3 | 240 | 0,70 | 0,29 | 0,128 | 101 | 4,17·10-5 |
| iso-Butan | 261 | 0,59 | 0,51 | 0,325 | 101 | 1,71·10-5 |
*1…teplota sublimace
*2…p0 a ρkapaliny podchlazené kapaliny
*3…střední hodnota z van der Waalsovy a Bethelotovy rovnice
*4…spočtené podle rovnice:
Modely kraostatů cryoTune
Kryostaty cryoTune dokáží temperovat právě jednu měřící celu a vkládají se do Dewarovy nádoby vašeho sorpčního analyzátoru. Pokud používáte sorpční analyzátor s více stanicemi, je možné připojit několik zařízení cryoTune pomocí ohebné hadice. Ačkoli cryoTune může fungovat samostatně bez počítače, je dodáván se softwarem, který dokáže zobrazit a zaznamenat teplotu v reálném čase. Řada cryoTune se skládá ze tří modelů, které lze zakoupit jednotlivě nebo jako balíček:
CryoTune 87 pokrývá teplotní rozsah 82-135 K, díky čemuž je cryoTune 87 standardní volbou pro stanovení měrného povrchu a distribuce velikosti mikropórů pomocí argonu při 87 K, jak je doporučeno v ISO 9277 [1] a IUPAC z roku 2015 [2].
CryoTune 195 je verze kryostatu pro měření izotermy v rozmezí 170-323 K. To umožňuje zejména měření CO2, ale také měření jiných adsorptiv, jako je ethan nebo propan, při jejich teplotě varu. Pro tato měření nepotřebujete aktivně chladicí termostat, chladicí směs se suchým ledem ani další Dewarovu nádobu s dvojitou stěnou. CryoTune 195 mimo jiné umožňuje měření CO2 za následujících podmínek:
- Adsorpce CO2 při 0 °C (273 K)
- Adsorpce CO2 při 195 K až do relativního tlaku ca. p/p0 = 0,5 – může být detekován celý objem mikropórů včetně rozsahu BET; to je výhodou oproti měření s dusíkem při 77 K, u kterého nemá distribuce ultramikropórů (do 0,7 nm) fyzikální význam.
- Měření izoterem při různých teplotách pro termodynamická vyhodnocení izosterického tepla adsorpce
CryoTune 120 doplňuje řadu kryostatů a umožňuje dlouhodobá měření zejména v okolí 120 K (teplota varu kryptonu), u teploty varu xenonu 165 K, nebo až po 230 K. Kombinace kryoTune 87 a 120 tak umožňuje použití tři vzácných plynů při jejich teplotě varu: Argon 87 K, Krypton 120 K a Xenon 165 K, stejně jako celá řada dalších možností měření s Ar, O2, metanem, ethanem nebo propanem.
Vlastnosti kryostatu cryoTune
- Teplotní rozsah 82-323 K
- Stabilita teploty ± 0,004 K
- jednoduše ovladatelný software pro sběr, zobrazení a archivování dat
- až tři příslušenství cryoTune mohou být řízena ze stejné aplikace přes jediný USB port
- cryoTune je univerzální kryogenní příslušenství, které lze používat s kterýmkoliv komerčním analyzátorem sorpce plynů, který umožňuje řízení teploty jiným zařízením.
Související produkty
cryoCooler je třístanicový kryostat vhodný pro ty uživatele, kteří potřebují měřit při nižších teplotách než je teplota kapalného dusíku.
3P Micro je až třístanicový mikroporézní analyzátor adsorpce plynů.
3P Sync je až čtyřstanicový mesoporézní fyzisorpční analyzátor.
Literatura
/1/ ISO 9277:2010: Determination of the specific surface area of solids by gas adsorption – BET method
/2/ IUPAC recommendation, Pure Appl. Chem. 87 (9-10), 1051-1069 (2015); pdf-Download
/3/ Kast, W.: Adsorption aus der Gasphase, Verlag Chemie, Weinheim, 1988
/4/ https://www.3p-instruments.com/physisorption-with-different-gases-using-nitrogen-cooling-cryotune/
/5/ https://www.3p-instruments.com/cryotune-for-bet-surfaces-with-argon-87-k-with-nitrogen-cooling/
/6/ Fröba et al., Partikelwelt 17, “Die Charakterisierung von porösen Hybrid- und Funktionsmaterialien im Rahmen der „Energieproblematik”” p. 17 ff. [jen německy]
/7/ D. Klank, PARTICLE WORLD 19, “Why do we measure surfaces and pores with argon and krypton gas adsorption much more often in future?” S. 26 – 29
/8/ D. Klank, C. Reichenbach, Chem. Ing. Tech., 2019, 91 (7), 934 – 935, https://doi.org/10.1002/cite.201970071 [jen německy]
/9/ D. Klank, C. Reichenbach, C. Lüttmann, Laborpraxis, August 2019, 30 – 32, https://www.laborpraxis.vogel.de/ist-die-bet-methode-zu-oberflaechlich-a-852355/ [jen německy]
/10/ C. Reichenbach, D. Klank, Chem. Ing. Tech. 2019, 91 (11), 1504–1505, https://doi.org/10.1002/cite.201971101 [jen německy]
