Nuclear Spin Relaxation, Conversion and Polarization of Molecular

Recent NMR experiments have measured the conversion rate of hydrogen molecules .... assumes that no chemical bonding occurs during the collisions in t...
1 downloads 0 Views 1MB Size
Subscriber access provided by Bethel University

C: Surfaces, Interfaces, Porous Materials, and Catalysis

Nuclear Spin Relaxation, Conversion and Polarization of Molecular Hydrogen in Paramagnetic Solvents Ernest Ilisca J. Phys. Chem. C, Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b01312 • Publication Date (Web): 06 Jun 2019 Downloaded from http://pubs.acs.org on June 7, 2019

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

Nuclear Spin Relaxation, Conversion and Polarization of Molecular Hydrogen in  Paramagnetic Solvents 

  Ernest Ilisca*  Matériaux et Phénomènes Quantiques, Université Paris 7 Denis Diderot and CNRS UMR  7162, 75205  PARIS Cedex 13, France      Abstract  Recent NMR experiments have measured the conversion rate of hydrogen molecules dissolved in  paramagnetic  organic  solvents.  The  registrated  proton  signals  display  negative  peaks  during  an  initial  period. The present interpretation describes a polarization effect : the transient behaviour of the nuclear  spins directed on the average along the magnetic electronic spins. It relies on a non‐equilibrium ortho  drift and gives access to numerous parameters functions of the sample magnetic concentration. The most  important ones are related to the negative transient nuclear magnetization : its building, maximum and  life‐time. Important ratios are deduced : conversion versus relaxation characteristic times and collision  versus sticking time intervals. The contact interaction is found stronger than the long range and fluctuating  dipolar one for magnetically concentrated samples during the short sticking of the colliding partners, but  weaker for  diluted ones. Some information on the viscosity of the organic solvent is drawn out from the  observed conversion delay.          (*) [email protected] 

1   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 2 of 30

How effective are radio‐frequency magnetic pulses in measuring the irreversible transformation of one  variety of hydrogen into another (ortho ↔ para) ?   The  following  study  is  devoted  to  the  interpretation  of  original  series  of  NMR  measurements  of  non‐ equilibrium H2 magnetizations in catalytic liquids, in which H2 molecules were diluted1. These experiments  measured different kind of nuclear spin relaxations in paramagnetic solutions of organic solvents. Those that  thermalize  the  spin  orientations  but  conserve  the  spin  momentum  magnitude  (the  classical  spin  lattice  relaxation) and those changing that momentum (the molecular conversion). The most important observation  was that at the onset, upon insertion of the sample in the magnetic field of the spectrometer, the o‐H2 proton  NMR registered signal appeared immediately as a negative peak. In the following the competition between  the  spin  relaxation  and  the  ortho  drift  is  shown  to  be  at  the  origin  of  a  transient  nuclear  polarization.  It  illustrates  how  the  relaxation  and  conversion  processes  are  correlated  in  the  context  of  non  equilibrium  mixtures of hydrogen molecules diluted in paramagnetic solutions of viscous solvents.     1.

Hydrogen Conversion and NMR Measurements 

The hydrogen molecules are themselves quantum mixtures of different singlet and triplet nuclear spin  manifolds, that might be considered as spin isomer varieties. Any sample of molecular hydrogen contains a  mixture of ortho (o) and para (p) states that are characterized by different nuclear spin momenta (resp. I=1  and 0). These spin manifolds are associated to different rotational states (resp. odd and even), because of  the fermion character of the protons. Consequently, the nuclear spin isomer energies differ by an order of  magnitude of “far infra‐red frequencies”. The strong forbidding of the o‐p spontaneous transition and the  weakness  of  the  induced  ones  allow  to  conserve  non‐equilibrium  H2  mixtures  during  long  times.  The  hydrogen conversion process is an irreversible relaxation of a hydrogen mixture, enriched in one isomer,  towards its equilibrium concentration. The time scales for the hydrogen system to relax, vary from the age  of  the  universe  for  isolated  molecules  to  years  for  diluted  gases,  weeks  or  days  for  solid  H2  at  low  temperature, days or hours for H2 diluted in insulating or semi‐conductor cages, hours or minutes in contact  with diamagnetic species, minutes or shorter when interacting with efficient magnetic catalysts.  The book of A. Farkas2 published in 1935, still an actual reference, formalized the distinction between  the  two  families  of  conversion  mechanisms,  namely  the  chemical  and  the  physical  ones.  The  chemical  conversion operates by a temporary molecular dissociation, followed by a subsequent recombination along  2   

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

statistical proportions, in accordance with the thermal conditions of the interacting systems. Differently the  physical conversion relies on magnetic catalysts able to create inhomogeneous magnetic fields on atomic  scale, that diphase the nuclear spin precession of the 2 protons, as first described by E.P. Wigner3.   The subject of “singlet and triplet relaxations” and their inter‐relations must also be replaced in a wider  context: conversion and relaxation rates were measured in fullerene cages and organic solvents by NMR4‐6,  studied by  infrared spectroscopies in Si and MOF cages7‐10, measured by electronic and optical devices for  H2  adsorbed  on  surfaces11,12  for  which  new  theoretical  developments  were  applied13‐15.  The  important  observation of the Canet’s group, that the o‐H2 proton NMR signal appeared immediately as a negative peak  was  explained  by  a  temporary  dissociation  of  the  para‐H2  molecules  during  their  collisions  with  the  paramagnetic impurities. Although their general description of that novel finding is convincing, their model  of transient chemisorption followed by a random desorption of o‐H2 created along thermal proportion is not  likely for several reasons described in the last section 3c.   The simple aim of that paper is to interpret the time‐evolutions  of the  nuclear magnetization, when  para‐hydrogen molecules are diluted in a paramagnetic liquid solution at room temperature. It relies on a  simple physical model where the hydrogen molecules and the magnetic impurities recurrently stick together  for a short time and separate, without never losing their individualities.  The second chapter displays the  theoretical calculation of the polarization building, its recurrence and extinction. It describes the two possible  time evolutions of the nuclear magnetization either directly towards a partial alignment along the magnetic  field  or  through  a  temporary  opposition.  An  ortho  drift  is  shown  responsible  of  the  irreversible  angular  momentum flow and the resulting nuclear polarization is demonstrated first in the ideal case of a permanent  contact of the colliding partners and thereafter delayed by the solvent. The third chapter interprets the NMR  measurements.  Several  parameters  are  estimated  by  comparing  the  experimental  and  theoretical  frameworks.  The  polarization  transfers  are  related  to  the  electron  and  nuclear  thermal  relaxations  and  discussed in terms of the magnetic concentrations, first by neglecting the contribution of the long range and  random  dipolar  magnetic  fields  and  then  by  taking  them  into  account.  The  description  of  the  solvent  influence  by  detailed  diffusion  models  is  not  undertaken,  nor  the  calculation  of  the  conversion  absolute  rates. At the contrary the information is extracted from the experimental measurements and the analysis  concentrates  on  relative  effects,  particularly  on  the  transient  magnetic  polarization.  Finally  a  few  experimental proposals are sketched.  3   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 4 of 30

 

 

Figure 1. The nuclear spin‐rotation energy levels of the  𝐈

𝐉 hydrogen system. 

The nuclear spin triplet (I=1) of a single ortho manifold (J=1) is surrounded by a pair of spin singlet (I=0)  para ones, of lower (J=0) and higher rotational energies (J=2) about 600 cm‐1 apart. The magnetic nuclear  spin splitting of the Ortho (I=1) manifold is represented amplified (although about 104‐105 smaller than  the o‐p ones). Ortho states are indexed by their magnetic quantum number mi=i. (The weak proportion  of  molecules  in  the  J=3  state  of  population  ≪ 0.09  is  neglected).  Blue  lines  represent  ortho‐para  transitions whereas green ones are the ortho‐thermal bath transitions! 

  4 

 

ACS Paragon Plus Environment

Page 5 of 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

2.

The Journal of Physical Chemistry

The Ortho Drift and the Nuclear Spin Polarization 

a. The physical conversion  The physical model relies on the integrity of the molecular electronic structure of the H2 molecule and  assumes  that  no  chemical  bonding  occurs  during  the  collisions  in  the  liquid  (neither  permanent  nor  temporary). Consequently the Pauli’s principle, applied to the electronic ground state, links the nuclear spin  and rotational states11. The catalyst action is a symmetry‐breaking paramagnetic interaction that introduces  an o‐p transition relaxing the hydrogen mixture towards its equilibrium concentration. The electro‐nuclear  spin systems interact through hyperfine contact and dipolar forces that transfer angular momenta between  the molecular rotational ones and the catalyst magnetic spins. The eigen‐energies of the Hydrogen nuclear  system {I –J} is represented in Figure 1. The sum of the two protons spin momenta builds the total nuclear  spin  momentum  of  the  H2  molecule: 𝐈  = 𝐈 + 𝐈   and   its  component  I is  quantized  in  the  direction  of  the  magnetic field. The two quantum numbers I= 0 and I=1 characterize the two different varieties para and  ortho. The non‐magnetic (I=0) para manifold is splitted in two different rotational components: J=0 and J=2,  about 600 cm‐1 apart. At room temperature, a para H2 mixture equilibrated at 300 K contains a proportion  of molecules of about half‐half in the rotational states J=0 and J=2 (respective populations at T= 300K: 𝑝 0.513  and  𝑝

≅ 0.47   and  that  near  equality:  𝑝

≅𝑝



≅ 𝑝 𝑡 /2  remains  at  any  time  because  the 

thermal equilibrium is achieved much faster inside each variety than between the ortho and para varieties.  The sum of their populations 𝑜 𝑡  and 𝑝 𝑡 : “𝑜 𝑡   + 𝑝 𝑡   = 1” represents the conservation of the hydrogen  molecules. In most experiments the hydrogen is introduced in its para form1: p0=p(t=0)=1, and o0=o(t=0)=0.  The new ortho molecules are mainly formed in the J=1 state and the ortho‐para concentration of the sample  evolves slowly towards its equilibrium concentration at room temperature: (oe= ¾ ; pe= ¼). The observed  phenomenon sensibility over different initial states (p0, o0), in particular the mixture p0=o0 = 0.5, will also be  considered.   The ortho nuclear spin populations, denoted  𝑛  (I=1, i=0,  1), remain proportional to the global ortho  concentration: o(t) = ∑ 𝑛 , at any time t. These populations  𝑛 and the nuclear magnetization: m(t)= 𝑛  ‐  𝑛   (in  units  of  g μ   are  not  in  general  at  equilibrium.  When  they  reach  asymptotically  their  equilibrium: 𝑛 𝑜

𝑜

, (α  = g μ H/kT , the resulting magnetization: 𝑚 =  𝑛

𝑛

, is directed along the magnetic field. For a typical experiment the ortho magnetization starts at 

5   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

m(t=0)=0, and evolves towards a positive value :

Page 6 of 30

. However experiments have shown that it might cross 

over negative values!  The  electron  spins  (as  well  as  the  nuclear  ones)  are  submitted  to  a  magnetic  field  H.  These  Zeeman  interactions are represented by the Hamiltonian: HZ  gμ H. S ‐ g μ H. I . [μ  (resp. μ  are the Bohr (resp.  nuclear) magneton and g resp. g  the electron (resp. proton) Landé factors]. As well known, μ  and μ  are  of  opposite  signs  and  therefore  at  equilibrium  the  electron  and  proton  spins  have  opposite  average  directions. The amplification factor 𝛾 will denote the ratio of the electron and nuclear magnetic moments:  𝛾

 = 

. The electronic spin system {S} exchanges energy with the thermal reservoir and adjusts to the 

temperature of the liquid, in relaxation times much shorter than the nuclear ones. Thus on the average, the  electron spins are aligned in a direction opposite to the magnetic field. Each state 𝑆𝑚 has a population: 𝜋 𝜋 𝑆𝑚 ≅

, where  𝑆

2𝑆

1 and  = gμ H/kT , since at the experimental temperature gμ H ≪ kT. 

Consequently the electron spin axial component is given by: 2 ∑

𝜋

 

 in units of gμ .  

The nuclear magnetic system {I} is under the competing influence of the isotropic spin‐lattice relaxation  processes  of  rate  R  and  time  constant  :  T1=R‐1,  the  applied  magnetic  fields  (static  and  pulsed)  and  the  magnetic  fields  created  by  the  paramagnetic  impurities  through  the  hyperfine  interactions.  The  o‐p  transitions, and their probabilities: 𝒫  , are defined by the sums of the transitions between each ortho state  “i” and both para states J=0 and 2, as represented in the Figure 1. The o‐p corresponding probabilities: 𝒫  are  products of orbital elements (electron spatial extension and molecular rotation) with spin ones (electron and  proton):  𝒫

𝐾 Λ .  The  orbital  elements  𝐾   are  linear  form  of  products:  (i)  geometrical  form  factors 

(functions of the scatterings) (ii) rotational matrix elements (iii) spectral densities. Distinctly the hyperfine  electronuclear matrix elements Λ

 ∑

α

,

𝝅  are linear forms of the electronic spin populations: 𝝅 . 

Their  coefficients  satisfy  two  main  properties  i α

,

~𝑠

𝑆 𝑆

1   and  thus  all  transition  rates  are 

proportional to the square of the electron magnetic moment and  ii  the time‐reversal invariance:  α α

,

,

 for all m and i. The physical meaning of that invariance appears clearly by introducing the sum and the 

difference of the transition probabilities 𝒫 :  𝒫 , 𝒫 𝒫 𝐘

 𝐾 . Λ ( 𝜋

(𝜎 = 0 and +)  𝒫

, 𝜎 = 0, 𝐾 𝑠 and  𝒫

𝒫

𝒫

and 𝒫

𝒫

𝒫 . These probabilities 

 distinguish the even/odd components under time reversal; the even ones  𝒫

𝒫

2 𝐾 𝑠, being independent of the magnetic field. At the 

6   

ACS Paragon Plus Environment

Page 7 of 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

contrary,  the  odd  magnetic  one  (𝜎  =  ‐):  𝒫

𝒫

𝒫

𝛼𝐾 𝑠  is  as  expected  proportional  to  the 

electron magnetization and the magnetic field amplitude through the ratio:  = gμ H/kT, (as well as to the  nuclear one: 𝛼 since  = 𝛾𝛼

𝛾

, with a ratio 𝛾 = 658). In the following it will be assumed that the 

contact and dipolar interactions are not correlated and add their influences. The contact interactions are  strong at short molecule‐catalyst distances (say smaller than 4 Å) and become completely negligible when  the partners are apart. The dipolar ones are also strong at short distances but their influence is weakened by  the molecular tumbling and their reorientation averages. At longer distances they involve more magnetic  impurities and build collective long range random magnetic fields.  b. The Master Equations  The master equations describe the time evolution of the ortho populations n t  under the combined  influence of the ortho relaxation processes and the o‐p conversion ones. The relaxation rate R = T

and 

the  conversion  probabilities  𝒫 (𝑖 ∈ 0, 1 )  are  the  essential  ingredients  of  the  detailed  balance  that  describes the irreversible flow of the ortho populations towards equilibrium with the liquid surroundings.  They differ greatly in magnitude : the conversion time op is observed to be much longer than the relaxation  time T of the ortho magnetization. The 3 independent ortho populations functions of time n t  are coupled  by the 3 linear differential equations :   = R ( 3n  + o) + 𝒫  =   R n – n

n   𝒫

–n

 

(1a)   

(1b) 

  The o‐p transition probabilities 𝒫 and the relaxation rate R will be considered as parameters measured by  the experiments. As concerns the variables, n t , it is more convenient to introduce the observables: the  total ortho population o(t) = ∑ n t ,  and the nuclear magnetization : m(t) = n

n . They evolve towards 

their equilibrium values 𝑜  and 𝑚 . By taking into account the much faster relaxation rate compared to the  conversion  one:  R   T1) during which the two forces: the conversion and  relaxation ones compete. When the hydrogen flow introduced in the solution has been prepared in its para  form,  the  initial  nuclear  magnetization  vanishes:  𝑚 =𝑚 1

𝑀

=  0,  since  the  nuclear  magnetization  is 

always proportional to the ortho population. It converges towards the positive value: 𝑚

, (𝑀 = 0) after 

a long duration (longer than op). The time evolution of the nuclear magnetization M(t) in that ideal case is  represented in Figure 2. The two opposite cases where Γ is larger or smaller than 1 must be distinguished. Γ   is denoted the polarization factor. It is the ratio of the two time scales 𝑇  and 𝜏  amplified by the  1, the magnetization m(t) increases towards its positive equilibrium 

magnetons ratio 𝛾. If it is weak: Γ

value, whereas if it is sufficiently strong: Γ > 1, m(t) decreases first towards a negative value corresponding  to a partial alignment along the electron spins and thus antiparallel to the applied magnetic field.    

  9 

 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 10 of 30

   

  Figure  2.    Ideal  Polarization  of  the  Hydrogen  Nuclear  Magnetization  and  its  deviation  from  equilibrium.   The two possible time evolutions of the nuclear ortho magnetization correspond to different values  of the polarization factor Γ. The right vertical axis represents the nuclear magnetization m(t), while  the left one corresponds to its relative deviation from equilibrium : M(t)=

. When the initial 

mixture is purely para and Γ > 1, the maximum of negative magnetization M1= Γ is reached after a  short time t1  slightly larger than the spin‐relaxation one T1. It survives a long time t2 slightly shorter  than  the  microscopic  conversion  one  𝜏 .  When  Γ     null proportion of ortho‐H2 population  𝑜

. For an initial non‐

0), the polarization condition becomes difficult to satisfy. For 

an  ortho‐para  mixture  equilibrated  at  77K  (𝑜

0.5)  the  polarization  condition  Γ  >  3  ( 

  > 𝜏 , since most of the partners are far apart. In the sticking regions the polarization factor 

is the previous one: Γ = Γ 

  whereas in the diffusive ones where the contact one is negligible, it is 

possible to define a polarization factor : Γ = ξ Γ that links the magnetization evolution to the conversion drift.  ξ is the ratio of the odd and even dipolar couplings: ξ

3𝐾

𝐾

2𝐾