金铠仪器 核磁共振超极化 129Xe 发生装置

氙气（Xe）是一种惰性单原子气体，不易与其它物质发生化学反应。129Xe核自旋量子数为1/2，天然丰度为26.4%，抛开弛豫时间讲，129Xe NMR核的检测灵敏度是13C 核的31.8倍，因此它比13C 核更容易观测。

129Xe NMR是材料研究中比较有效和灵敏的表征方法，能有效的提供孔结构信息、不同孔结构的差异、客体粒子的分布、吸附相的分布和积炭的位置以及吸附分子在表面的扩散过程等。超极化129Xe NMR比普通方法检测灵敏度提高约104-105倍，极大地提高检测灵敏度，缩短了检测时间，尤其对少量样品的检测、低比表面积材料的孔结构表征和非平衡过程的观测非常有效。

仪器介绍

核磁共振超极化129Xe 发生装置是采用激光和金属铷激发及光抽送技术的装置。通过光学抽运以及极化的电子自旋与核自旋之间的自旋交换来制备激光极化的惰性气体。采用的方法是激光极化碱金属自旋交换，它能够在较大的温度、压力和磁场强度范围内获得高的核自旋极化的氙。金属铷原子的电子能级在外磁场作用下发生裂分，在激光作用下，电子从低能态跃迁到高能态产生极化态的铷原子（Rb），这种激光极化的铷原子与氙原子的极化转移可极提高氙核磁共振的检测灵敏度。

应用举例

利用超极化129Xe 探针对ZSM-5 结构的多孔材料中的孔结构变化进行研究。

研究体系为不同制备和处理方法得到的ZSM-5结构的分子筛，该分子筛体系为3个H-ZSM-5（MFI 结构）对比样品，样品1为原粉H-ZSM-5样品；样品2为样品1的基础上添加40%的粘结剂；样品3为样品1直接挤压成型为2~3毫米直径的颗粒状。3 个被测试样经420°C 真空脱水20 小时，真空度维持在10-4Pa 水平。进行超极化129Xe核磁共振测试，测试温度在-80°C 至35°C。129Xe 共振频率为110MHz，脉冲程序为单脉冲程序。

H-ZSM-5是石化工业常用的微孔催化剂材料，其孔道性质是影响工业过程的至关重要的因素之一。常用的孔径分析仪器如物理吸附仪能够给出材料的比表面积和孔分布信息，但是对于孔道的微小差异却无能为力了。而氙气原子由于其核外电子云极易受到周围环境的影响，对孔道大小的变化尤其敏感。

图1为上述3个样品的超极化129Xe NMR 谱图，从图中可以发现273K 下，样品1#，其化学位移为~109ppm；样品3#其化学位移为~104ppm，且谱峰略有展宽；样品2#在104~109ppm范围内出现了带有肩峰的双峰结构，不同的处理条件出现了明显的差异。

图2 给出了样品2#在-30°C 到35°C 范围内的谱峰，明显看出其具有双峰结构。从谱峰的化学位移分析，这两个峰均为微孔结构，而氧化铝通常不会出现微孔结构，意味着该两种孔道均来自H-ZSM-5 的微孔，而我们知道该分子筛只有单一的微孔，而出现两个峰意味着有两种不同孔道出现，且两种孔道是分离的。在-80°C 到35°C 范围内对3 个样品进行研究发现，样品1#和样品3#在所有温度范围内均表现为一个单一的峰，意味着其孔道结构均是单一的，但是它们之间的孔道体现出了差异。

技术参数

工作压力：0.1-0.4MPa

气体流路：氙气混合气、氦气、氮气等

气体质量流量器：0-500SCCM，0-100SCCM

极化池可控温度：室温-200℃

磁场范围：0-100G

激光器功率：0-120W（根据用户需求）

计算机控制（任选）

部分发表文章

1.Structural investigation of interlayer-expanded zeolite by hyperpolarized 129Xe and 1H NMR spectroscopy

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Microporous and Mesoporous Materials, 288(2019) 109555

2.Insights into the Site-Selective Adsorption of Methanol and Water in Mordenite Zeolite by 129Xe NMR Spectroscopy

Ke Gong, Feng Jiao, Yuxiang Chen, Xianchun Liu, Xiulian Pan, Xiuwen Han, Xinhe Bao, Guangjin Hou*

Journal of Physical Chemistry C, 123(2019) 17368-17374

3.Mapping the dynamics of methanol and xenon co- adsorption in SWNTs by in situ continuous- flow hyperpolarized 129Xe NMR+

Shutao Xu*, Xin Liu, Cheng Sun, Anmin Zheng, Weiping Zhang, Xiuwei Han, Xianchuan Liu, Xinhe Bao*

Physical Chemistry Chemical Physics, 21(2020)(6)3287-3293

4.The Role of Water in Adsorption and Diffusion of Methane within Nanoporous Silica Investigated by Hyperpolarized 129Xe and 1H PFG NMR Spectroscopy

Yuanli Hu, Mingrun Li, Guangjin Hou, Shutao Xu, Ke Gong, Xianchun Liu, Xiuwen Han, Xiulian Pan*, Xinhe Bao*

Nano Research, 11(2018)(1)360-369

5.Hyperpolarized 129Xe NMR Spectroscopy Investigation of Metal Cation-Exchanged FAU Zeolites

Shutao Xu, Weiping Zhang*, Xiuwen Han, Xinhe Bao*

Chinese Journal of Catalysis, 30(2009)(9)945-950

6.Direct Observation of the Mesopores in ZSM-5 Zeolites with Hierarchical Porous Structures by Laser-hyperpolarized 129Xe NMR

Yong Liu, Weiping Zhang*, Zhicheng Liu, Shutao Xu, Yangdong Wang, Zaiku Xie, Xiuwen Han, Xinhe Bao*

Journal of Physical Chemistry C, 112(2008)(39)15375-15381

7.Probing the Porosity of co-crystallized MCM-49/ZSM-35 Zeolites by Hyperpolarized 129Xe NMR

Yong Liu, Weiping Zhang*, Sujuan Xie, Longya Xu, Xiuwen Han, Xinhe Bao*

Journal of Physical Chemistry B, 112(2008)(4)1226-1231