氙氣（Xe）是一種惰性單原子氣體，不易與其它物質發(fā)生化學反應。¹²⁹Xe核自旋量子數(shù)為1/2，天然豐度為26.4%，拋開弛豫時間講，¹²⁹Xe NMR核的檢測靈敏度是¹³C 核的31.8倍，因此它比¹³C 核更容易觀測。

¹²⁹Xe NMR是材料研究中比較有效和靈敏的表征方法，能有效的提供孔結構信息、不同孔結構的差異、客體粒子的分布、吸附相的分布和積炭的位置以及吸附分子在表面的擴散過程等。超極化¹²⁹Xe NMR比普通方法檢測靈敏度提高約10⁴-10⁵倍，極大地提高檢測靈敏度，縮短了檢測時間，尤其對少量樣品的檢測、低比表面積材料的孔結構表征和非平衡過程的觀測非常有效。

儀器介紹

核磁共振超極化¹²⁹Xe 發(fā)生裝置是采用激光和金屬銣激發(fā)及光抽送技術的裝置。通過光學抽運以及極化的電子自旋與核自旋之間的自旋交換來制備激光極化的惰性氣體。采用的方法是激光極化堿金屬自旋交換，它能夠在較大的溫度、壓力和磁場強度范圍內獲得高的核自旋極化的氙。金屬銣原子的電子能級在外磁場作用下發(fā)生裂分，在激光作用下，電子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)產生極化態(tài)的銣原子（Rb），這種激光極化的銣原子與氙原子的極化轉移可極提高氙核磁共振的檢測靈敏度。

應用舉例

利用超極化¹²⁹Xe 探針對ZSM-5 結構的多孔材料中的孔結構變化進行研究。

研究體系為不同制備和處理方法得到的ZSM-5結構的分子篩，該分子篩體系為3個H-ZSM-5（MFI 結構）對比樣品，樣品1為原粉H-ZSM-5樣品；樣品2為樣品1的基礎上添加40%的粘結劑；樣品3為樣品1直接擠壓成型為2~3毫米直徑的顆粒狀。3 個被測試樣經420°C 真空脫水20 小時，真空度維持在10^-4Pa 水平。進行超極化¹²⁹Xe核磁共振測試，測試溫度在-80°C 至35°C。¹²⁹Xe 共振頻率為110MHz，脈沖程序為單脈沖程序。

H-ZSM-5是石化工業(yè)常用的微孔催化劑材料，其孔道性質是影響工業(yè)過程的至關重要的因素之一。常用的孔徑分析儀器如物理吸附儀能夠給出材料的比表面積和孔分布信息，但是對于孔道的微小差異卻無能為力了。而氙氣原子由于其核外電子云極易受到周圍環(huán)境的影響，對孔道大小的變化尤其敏感。

圖1為上述3個樣品的超極化¹²⁹Xe NMR 譜圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)273K 下，樣品1#，其化學位移為~109ppm；樣品3#其化學位移為~104ppm，且譜峰略有展寬；樣品2#在104~109ppm范圍內出現(xiàn)了帶有肩峰的雙峰結構，不同的處理條件出現(xiàn)了明顯的差異。

圖2 給出了樣品2#在-30°C 到35°C 范圍內的譜峰，明顯看出其具有雙峰結構。從譜峰的化學位移分析，這兩個峰均為微孔結構，而氧化鋁通常不會出現(xiàn)微孔結構，意味著該兩種孔道均來自H-ZSM-5 的微孔，而我們知道該分子篩只有單一的微孔，而出現(xiàn)兩個峰意味著有兩種不同孔道出現(xiàn)，且兩種孔道是分離的。在-80°C 到35°C 范圍內對3 個樣品進行研究發(fā)現(xiàn)，樣品1#和樣品3#在所有溫度范圍內均表現(xiàn)為一個單一的峰，意味著其孔道結構均是單一的，但是它們之間的孔道體現(xiàn)出了差異。

技術參數(shù)

工作壓力：0.1-0.4MPa

氣體流路：氙氣混合氣、氦氣、氮氣等

氣體質量流量器：0-500SCCM，0-100SCCM

極化池可控溫度：室溫-200℃

磁場范圍：0-100G

激光器功率：0-120W（根據用戶需求）

計算機控制（任選）

部分發(fā)表文章

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

Zhenchao Zhao, Xin Li, Shihan Li, Shutao Xu*, Xinhe Bao, Yilmaz Bilge,Parvulescu Andrei-Nicolae, Müller Ulrich,Weiping Zhang*

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