Infrared spectroscopy quantification of functional carbon groups in kerogens and coals: A calibration procedure

International audience The determination of the abundances of the CH x , C=O and aromatic groups in chondritic Insoluble Organic Matter (IOM) and coals by Infrared (IR) spectroscopy is a challenging issue due to insufficient knowledge on the absorption cross-sections and their sensitivity to the mol...

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Bibliographic Details
Published in:Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy
Main Authors: Phan, Van T.H., Quirico, Eric, Beck, Pierre, Le Brech, Yann, Jovanovic, Lora, Le Guillou, Corentin, Bernard, Sylvain, Bonal, Lydie, Carrasco, Nathalie, Gautier, Thomas, Raya, Jesus
Other Authors: Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG), Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG ), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB Université de Savoie Université de Chambéry )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB Université de Savoie Université de Chambéry )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA), Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Lorraine (UL), PLANETO - LATMOS, Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS), Sorbonne Université (SU)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS), Unité Matériaux et Transformations - UMR 8207 (UMET), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Centrale Lille Institut (CLIL), Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC), Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de recherche pour le développement IRD : UR206-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Chimie de Strasbourg, Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
Format: Article in Journal/Newspaper
Language:English
Published: HAL CCSD 2021
Subjects:
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topic Infrared spectroscopy
Nuclear magnetic resonance (NMR)
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Coals
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[CHIM.ORGA]Chemical Sciences/Organic chemistry
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Phan, Van T.H.
Quirico, Eric
Beck, Pierre
Le Brech, Yann
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Kerogens
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Chondrites
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[CHIM.ORGA]Chemical Sciences/Organic chemistry
description International audience The determination of the abundances of the CH x , C=O and aromatic groups in chondritic Insoluble Organic Matter (IOM) and coals by Infrared (IR) spectroscopy is a challenging issue due to insufficient knowledge on the absorption cross-sections and their sensitivity to the molecular environment. Here, we report a calibration approach based on a 13 C synthetic model material whose composition was unambiguously determined by Direct-Pulse/Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance (DP/MAS NMR). Ratios of the cross-sections of the CH x , C=O and aromatic groups have been determined, and the method has been applied to IOM samples extracted from four chondrites as Orgueil (CI), Murchison (CM), Tagish Lake (C2-ungrouped) and EET 92042 (CR), and to a series of coals. The estimate of the aliphatic to aromatic carbon ratio (n CHx/ n Aro ) in IOM samples from Orgueil, Murchison and Tagish Lake chondrites is in good agreement with Single-Pulse/NMR estimates earlier published, and is lower by a factor of 1.3 in the case of the CR chondrite EET 92042 (but the error bars overlap). In contrast, the aliphatic to carbonyl ratio (n CHx /n C=O ) is overestimated for the four chondrites. These discrepancies are likely due to the control of the absorption cross-section of the C=O and C=C bonds by the local molecular environment. Regarding coals, the use of published NMR analyses has brought to light that the integrated cross-section ratio A CHx /A Aro varies with the vitrinite reflectance over an order of magnitude. Here as well, the local oxygen speciation plays a critical control in AAro, which decreases with increasing the vitrinite reflectance. We provide an analytical law that links A CHx /A Aro and vitrinite reflectance, which will allow the determination of n CHx /n Aro for any coal sample, provided its vitrinite reflectance is known.
author2 Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG)
Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG )
Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB Université de Savoie Université de Chambéry )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB Université de Savoie Université de Chambéry )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA)
Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Lorraine (UL)
PLANETO - LATMOS
Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS)
Sorbonne Université (SU)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)
Unité Matériaux et Transformations - UMR 8207 (UMET)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Centrale Lille Institut (CLIL)
Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC)
Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de recherche pour le développement IRD : UR206-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut de Chimie de Strasbourg
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
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Quirico, Eric
Beck, Pierre
Le Brech, Yann
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Quirico, Eric Beck, Pierre Le Brech, Yann Jovanovic, Lora Le Guillou, Corentin Bernard, Sylvain Bonal, Lydie Carrasco, Nathalie Gautier, Thomas Raya, Jesus Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG) Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG ) Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB Université de Savoie Université de Chambéry )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB Université de Savoie Université de Chambéry )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA) Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP) Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Lorraine (UL) PLANETO - LATMOS Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS) Sorbonne Université (SU)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS) Unité Matériaux et Transformations - UMR 8207 (UMET) Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Centrale Lille Institut (CLIL) Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC) Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de recherche pour le développement IRD : UR206-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) Institut de Chimie de Strasbourg Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC) 2021-04 https://hal-insu.archives-ouvertes.fr/insu-03208201 https://hal-insu.archives-ouvertes.fr/insu-03208201/document https://hal-insu.archives-ouvertes.fr/insu-03208201/file/Phan-SpectrochimicaActa-2021-HAL.pdf https://doi.org/10.1016/j.saa.2021.119853 en eng HAL CCSD Elsevier info:eu-repo/semantics/altIdentifier/doi/10.1016/j.saa.2021.119853 insu-03208201 https://hal-insu.archives-ouvertes.fr/insu-03208201 https://hal-insu.archives-ouvertes.fr/insu-03208201/document https://hal-insu.archives-ouvertes.fr/insu-03208201/file/Phan-SpectrochimicaActa-2021-HAL.pdf doi:10.1016/j.saa.2021.119853 info:eu-repo/semantics/OpenAccess ISSN: 1386-1425 Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy [1994-.] https://hal-insu.archives-ouvertes.fr/insu-03208201 Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy [1994-.], Elsevier, 2021, 259 (October), pp.119853. ⟨10.1016/j.saa.2021.119853⟩ Infrared spectroscopy Nuclear magnetic resonance (NMR) Kerogens Coals Insoluble organic matter Chondrites Composition [CHIM.ORGA]Chemical Sciences/Organic chemistry info:eu-repo/semantics/article Journal articles 2021 ftccsdartic https://doi.org/10.1016/j.saa.2021.119853 2022-01-09T00:05:14Z International audience The determination of the abundances of the CH x , C=O and aromatic groups in chondritic Insoluble Organic Matter (IOM) and coals by Infrared (IR) spectroscopy is a challenging issue due to insufficient knowledge on the absorption cross-sections and their sensitivity to the molecular environment. Here, we report a calibration approach based on a 13 C synthetic model material whose composition was unambiguously determined by Direct-Pulse/Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance (DP/MAS NMR). Ratios of the cross-sections of the CH x , C=O and aromatic groups have been determined, and the method has been applied to IOM samples extracted from four chondrites as Orgueil (CI), Murchison (CM), Tagish Lake (C2-ungrouped) and EET 92042 (CR), and to a series of coals. The estimate of the aliphatic to aromatic carbon ratio (n CHx/ n Aro ) in IOM samples from Orgueil, Murchison and Tagish Lake chondrites is in good agreement with Single-Pulse/NMR estimates earlier published, and is lower by a factor of 1.3 in the case of the CR chondrite EET 92042 (but the error bars overlap). In contrast, the aliphatic to carbonyl ratio (n CHx /n C=O ) is overestimated for the four chondrites. These discrepancies are likely due to the control of the absorption cross-section of the C=O and C=C bonds by the local molecular environment. Regarding coals, the use of published NMR analyses has brought to light that the integrated cross-section ratio A CHx /A Aro varies with the vitrinite reflectance over an order of magnitude. Here as well, the local oxygen speciation plays a critical control in AAro, which decreases with increasing the vitrinite reflectance. We provide an analytical law that links A CHx /A Aro and vitrinite reflectance, which will allow the determination of n CHx /n Aro for any coal sample, provided its vitrinite reflectance is known. 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