High Temperature Dehydration Studies Using UV-Vis-NIR Diffuse Reflectance Spectroscopy

Význam tématu

Difuzní reflektanční spektroskopie v oblasti UV-Vis-NIR poskytuje citlivý a kvantitativní přístup ke sledování termických transformací pevných vzorků, jako je dehydratace hydrátních solí a minerálů. Studium dehydratace při vysokých teplotách odhaluje změny ve struktuře a chemickém složení, což je nezbytné pro materiálový výzkum, heterogenní katalýzu, průmyslovou analytiku i kontrolu kvality ve farmaceutickém a chemickém průmyslu.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo demonstrovat schopnosti spektrofotometru Agilent Cary 5000 UV-Vis-NIR s příslušenstvím Praying Mantis pro sledování dehydratace křemíku (SiO2) a hexahydrátu síranu nikelnatého (NiSO4·6H2O) při teplotách až 300 °C. Byly zaznamenány spektra při různých teplotách a po návratu vzorku na pokojovou teplotu, aby se ověřila reverzibilita vodních vazeb.

Použitá metodika a instrumentace

Spektroskopická měření probíhala v režimu difuzní reflexe (DRS) s přehledem následujícího vybavení:

• Spektrofotometr Agilent Cary 5000 UV-Vis-NIR (175–3300 nm) s vysokou fotometrickou přesností.
• Příslušenství Praying Mantis DRA (Harrick Scientific) s vysokoteplotní reakcní komorou (HVC) umožňující kontrolu teploty (RT–300 °C) a atmosféry.
• Chladicí kapalina cirkulovaná vodním lázním Agilent PCB-1500 pro tepelné odizolování a ochranu těsnění.
• Teplotní regulátor Watlow EZ-Zone (ATK-024-3) s termočlánkem pro přesné udržení požadované teploty.
• Referenční materiál: práškový PTFE pro baseline korekci.

Vzorky byly v práškové formě umístěny v malém kelímku komory HVC. Po stabilizaci teploty (min. 4 min) byla pořízena spektra v rozsahu 250–2500 nm, interval 2 nm, čas signálu 0,2 s.

Hlavní výsledky a diskuse

SiO2: Při zahřívání vzorku z 25 °C na 300 °C zanikl absorpční pás kolem 1890 nm, který je přiřazen vodním molekulám vázaným na povrch SiO2. Po ochlazení vzorku zpět na pokojovou teplotu se tento pás znovu objevil, což potvrzuje reverzibilní dehydrataci.

NiSO4·6H2O: Při zahřívání do 150 °C došlo ke ztrátě pásu při 490 nm (zelená oblast) a vzniku nového maxima při 570 nm (žlutá oblast), což odpovídá přeměně modrozeleného hydrátního soli na žlutý anhydrát NiSO4. Změna barvy a posun absorpce potvrdily dehydrataci a vytvoření anhydrátu.

Přínosy a praktické využití metody

• Měření malých objemů prášků s vysokou reprodukovatelností spekter.
• Schopnost pracovat při řízených vysokých teplotách až 300 °C s minimální přípravou vzorku.
• Kvantitativní detekce změn vodného obsahu na povrchu materiálů.
• Aplikace v materiálovém výzkumu, diagnostice katalyzátorů a sledování stability farmaceutických surovin.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření využití difuzní reflektance v kombinaci s UV-Vis-NIR spektroskopií pro studium:

• Dehydratace a rehydratace dalších anorganických hydrátů a komplexů.
• Reakcí v řízené plynové atmosféře a pod vakuem.
• Kinetických studí s časovým rozlišením při rychlých termoanalytických přechodech.
• Integrované analýzy s termogravimetrií (TG) či hmotnostní spektrometrií (MS).

Závěr

Studie prokázala, že Agilent Cary 5000 UV-Vis-NIR s příslušenstvím Praying Mantis a vysokoteplotní reakcní komorou je efektivním nástrojem pro sledování termálně indukovaných změn v pevných práškových vzorcích. Reprodukční výsledky potvrzují spolehlivost metody při analýze dehydratace SiO2 i hexahydrátu NiSO4·6H2O, včetně vizuálně pozorovaných barevných přechodů.

Reference

1. Weckhuysen B. M., Schoonheydt R. A. Recent Progress in Diffuse Reflectance Spectroscopy of Supported Metal Oxide Catalysts. Catalysis Today 2019, 49(4), 441–451.
2. Weckhuysen B. M. et al. Synthesis, Spectroscopy, and Catalysis of [Cr(acac)3] Complexes Grafted onto MCM-41 materials: Formation of Polyethylene Nanofibers within Mesoporous Crystalline Aluminosilicates. Chem. Eur. J. 2020, 6(16), 2960–2970.