Relaksometria NMR w niskim polu jako narzędzie do ilościowej charakterystyki oddziaływań woda–powierzchnia w mezoporowatej krzemionce MCM-41 i SBA-15

W pracy [1] Krzyżak i Habina przedstawiono szczegółową charakterystykę jąder wodoru (1H), będących składnikami cząsteczek wody, w porowatych strukturach mezoporowatych materiałów krzemionkowych MCM-41 i SBA-15 przy użyciu relaksometrii jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR) w niskim polu magnetycznym (0,05 T). Badania prowadzono w szerokim zakresie nasycenia próbek wodą, co umożliwiło analizę zależności właściwości relaksacyjnych od zawartości cieczy w porach. Oszacowano relaksacyjność powierzchniową obu materiałów, co pozwoliło na porównanie rozkładów rozmiarów porów uzyskanych z inwersji widm relaksacyjnych z tymi pochodzącymi z klasycznych pomiarów adsorpcji azotu (N₂), uzyskiwanych metodą BET.

Analiza relaksometryczna umożliwiła rozróżnienie sygnałów pochodzących od cząsteczek wody znajdujących się wewnątrz objętości porów od sygnałów generowanych przez wodę silnie związaną z powierzchnią mezoporowatej struktury (Rys. 1). Kluczowym parametrem okazał się stosunek czasów relaksacji T₁/T₂, który stanowi miarę intensywności oddziaływań molekularnych na granicy faz. Wykazano, że dla materiału SBA-15 wartość tego stosunku jest wyraźnie wyższa niż dla MCM-41, co świadczy o silniejszym oddziaływaniu wody z powierzchnią i/lub różnicach w strukturze wewnętrznej (Rys. 2). Ponadto, wykonano pomiary relaksometryczne na próbkach częściowo zwilżonych, co umożliwiło ilościową ocenę tempa hydroksylacji powierzchni porów i procesów modyfikujących właściwości hydrofilowe badanych materiałów.

Uzyskane wyniki stanowią ważny krok w kierunku opracowania niskopolowej, nieinwazyjnej metody ilościowej analizy rozmiarów porów i właściwości powierzchni mezoporowatych materiałów krzemionkowych na drodze spektroskopii NMR.

Rysunek 2. Mapy T1-T2 MCM-41 w różnych stanach nasycenia (f ¼ VH20/(Vinter +Vintra)). Czerwone linie wskazują T1/T2 = 1. Dla próbki o najniższej zawartości wody (4,8%) obserwuje się sygnał od grup hydroksylowych, o krótkim czasie relaksacji T2 i szerokim zakresie T1 (pik „c”); F) Stosunek T1/T2 dla MCM-41 w zależności od zawartości wody w próbkach.

Referencje

1. Krzyżak A, Habina I. Low field 1H NMR characterization of mesoporous silica MCM-41 and SBA-15 filled with different amount of water. Microporous and Mesoporous Materials 2016; 231:230–239.
   https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2016.05.032