Multiple scale investigation of molecular diffusion inside functionalized porous hosts using a combination of magnetic resonance methods

文献情報

出版日 2015-05-13
DOI 10.1039/C5CP01369K
インパクトファクター 3.676
著者

Martin Wessig, Martin Spitzbarth, Malte Drescher, Rainer Winter, Sebastian Polarz


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要旨

Mass transport of molecular compounds through porous solids is a decisive step in numerous, important applications like chromatography or heterogeneous catalysis. It is a multi-scale, hierarchical phenomenon: macrodiffusion (>μm) is influenced, in addition to parameters like grain boundaries and particle packing, by meso-scale (>10 nm, <μm) factors like particle size and the connectivity of pores. More importantly, meso-scale diffusion and macro-scale diffusion are first and foremost determined directly by processes on the molecular scale (<10 nm), which depend on numerous factors like pore-size, interactions of the host with the solid surfaces and with the solvent. Due to the high complexity of the latter and the fact that current analytical techniques enable only limited insights into solvent-filled pores with sufficient spatial and temporal resolution, the knowledge about the molecular origins of diffusive processes in porous materials is still restricted. The main focus of the current paper is on the development of continuous wave (CW) electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy into a tool shedding some new light on molecular diffusion inside mesoporous silica materials differing systematically in pore size and surface functionalities. The advantages of CW-EPR are that its spatial resolution fits ideally to the size of mesopores (2–10 nm), it is fast enough for spotting molecular processes, and any conventional solvent and the porous matrix are EPR silent. Diffusion coefficients have been calculated considering spin exchange occurring from the diffusive collision of radicals, and are compared to complementary analytical techniques like MAS PFG NMR (sensitive for meso-scale) and EPR-imaging (sensitive to macroscale diffusion). Our results show that the choice of surface bound functional groups influences diffusion much stronger than pore-size. There are indications that this is not only due to different guest–surface interactions but also due to an altered mobility within the solvent under confinement.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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