Analysis of process water from hydrogen fuel cells using triple quadrupole inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS)

Význam tématu

Hydrogenové palivové články nabízejí bezemisní výrobu energie, kde jediným vedlejším produktem je voda. V průmyslových i dopravních aplikacích jsou klíčové kontrola stopových kovů a dalších nečistot ve vodě vznikající při provozu článků. Pro spolehlivou detekci na úrovni ng·L⁻¹ je nezbytně výkonné a selektivní analytické nástroje schopné potlačit řadu spektrálních interferencí.

Cíle a přehled studie

Cílem této studie bylo demonstrovat schopnost trojčtvercové ICP-MS (TQ ICP-MS) pro kvantifikaci 53 kovových i nekovových prvků v procesu vody z palivových článků. Důraz byl kladen zejména na eliminaci polyatomových a izobarických interferencí pro prvky jako fosfor, síra, stříbro, kadmium či fluor, jehož přímá měření jsou zvlášť náročná.

Použitá metodika a instrumentace

Pracovní přístroj: Thermo Scientific iCAP TQe ICP-MS s trojčtvercovou technologií.
Introductní systém: MicroMist nebulizér (400 μL·min⁻¹), chlazený (2,7 °C) křemenný cyklonický spray komora a křemenná torche.
Autosampler: iSC-65 s funkcí Step Ahead pro zkrácení doby analýzy.
Režimy měření:

• TQ-O₂ pro silně interferované prvky (včetně S, P, As, Se) – reakce analyzované ionty s O₂ umožňuje měření ve změněné hmotnostní dráze.
• He KED (kinetická energie discrimination) v jednom kvadrupólu pro ostatní matriční prvky.

Příprava vzorků: Ředění vnitřními standardy (1 % HNO₃, 0,5 % HCl), kalibrace a QC v rozsahu 0,01–100 µg·L⁻¹ (většina kovů) a 1–100 µg·L⁻¹ (větší koncentrace S, P).
Pro analýzu fluoridu: komplexace přidáním 30 mg·L⁻¹ Ba, vznik Ba¹⁹F⁺ detekovaný na m/z 157 v režimu TQ-O₂.

Hlavní výsledky a diskuse

• Všechny analyzované prvky vykázaly vynikající linearitu (R² > 0,999) a detekční limity v rozmezí pod ng·L⁻¹ až několika desítek ng·L⁻¹.
• TQ-O₂ režim umožnil plnou eliminaci interferencí ³¹P¹H⁺ na ³²S, ³⁴S a řady Ba- a Pt-způsobených interference na stříbře (¹⁰⁷Ag), kadmiu (¹¹¹Cd) i zlatě (¹⁹⁷Au).
• He KED režim dobře fungoval ve středním a vyšším hmotnostním rozsahu, ale nedostačoval pro S a P.
• Fluor detekován nepřímo jako BaF⁺ s detekčním limitem cca 30 µg·L⁻¹ a spike recovery 107 % ± 2 %.
• QC testy pro CCV a spike recovery (n=3) potvrdily spolehlivost metody (obvykle 90–107 % recovery, RSD < 3 %).

Přínosy a praktické využití metody

• Jedno stanoviště pro simultánní stanovení širokého spektra kovových i nekovových stopových prvků v procesní vodě palivových článků.
• Vysoká selektivita díky kombinaci trojčtvercové technologie s reaktivními plyny a KED, minimalizace falešně pozitivních signálů.
• Rychlá analýza (1,5–2,5 min. na vzorek) s automatizací pro vysokou propustnost v kontrolních laboratořích.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další rozšíření metodiky na sledování organofluorovaných kontaminantů pomocí LC-ICP-MS/MS.
• Integrace online vzorkovačů pro kontinuální monitorování kvality vody v palivových článcích.
• Vývoj ambientních a přenosných IMS-MS systémů pro polní nebo výrobení procesní kontrolu.

Závěr

Trojčtvercová ICP-MS přístrojová konfigurace iCAP TQe prokázala vynikající schopnost přesné a selektivní kvantifikace 53 stopových prvků, včetně problematického fluoru. Díky kombinaci TQ-O₂ a He KED režimů se podařilo potlačit řadu spektrálních interferencí a dosáhnout spolehlivých výsledků v procesu kontroly vody z vodíkových palivových článků.

Reference

• Laili, N.; Jamari, A.; et al. Novel non-target analysis of fluorine compounds using ICPMS/MS and HPLC-ICPMS/MS. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2017, 32, 942–950.