Measurement of transition metals in soda-lime-silicate glasses by using electron spin resonance (ESR) spectroscopy

Abstract

Electron spin resonance (ESR) spectroscopy does not appear to have found a wide use when compared with other structural analysis methods, especially spectroscopy techniques, utilized in the glass industry. The method, however, provides a good means for supporting the structural information obtained from other spectroscopic methods. Because of its ability to detect and differentiate the paramagnetic ions at low concentrations, ESR spectroscopy is commonly used as a quantitative and qualitative analysis method for evaluating transition metals. This study showed the behavior and interaction of paramagnetic 3d transition metal ions using ESR spectroscopy for the soda-lime-silicate based glasses. For this reason, it revealed the existence of paramagnetic (Fe3+, Cr3+, Mn2+ and Cu2+) transition metal ions in soda-lime-silicate glass and their spectral trends studied at addition levels up to 2.0% mol. Additionally, ESR spectra of Fe3+-Cr3+, Fe3+-Mn2+ and Fe3+-Cu2+ added soda-lime-silicate glass samples were studied to show the effects of the different transition metals on Fe3+ containing glasses. The final point of study is that the approach to quantify the ESR spectra with the concentration of paramagnetic metal ions in glass. In this way, this study gives structural information about the used glass and so lightens the locations of used metal ions.

Elektron spin rezonans (ESR) spektroskopisi, cam endüstrisinde kullanılan diğer spektroskopik yapısal analiz metotları ile kıyaslandığında geniş alan bulamamıştır. Fakat bu metot diğer spektroskopik tekniklerden elde edilen yapısal bilgileri desteklemede iyi bir araçtır. Paramanyetik iyonları düşük konsantrasyonlarda bile saptayabilmesi ve araştırabilmesi sayesinde ESR spektroskopisi geçiş metallerini değerlendirmede kantitatif ve kalitatif analiz metodu olarak yaygınca kullanılmaktadır. Bu çalışma ESR spektroskopisinin paramanyetik 3d geçiş metal iyonlarının davranış ve etkileşimlerini soda kireç silika camlar için göstermiştir. Bu sebeple, soda kireç silika camların içinde paramanyetik (Fe+3, Cr+3, Mn+2 ve Cu+2) geçiş metal iyonlarının molce %2.0’ın altında katkılandığındaki spektral yönelimleri ortaya çıkartılmıştır. Buna ek olarak, farklı geçiş metallerinin Fe+3 içeren cam örneklere olan tesirlerini ve etkileşimlerini göstermek için Fe+3-Cr+3, Fe+3-Mn+2 ve Fe+3-Cu+2 eklenmiş soda kireç silika cam örneklerinin ESR spektrumları çalışılmıştır. Çalışmanın son noktası da, cam içerisindeki paramanyetik geçiş metali iyonlarının ESR spektrumlarına olan kantitatif yaklaşımdır. Bu sayede, çalışma kullanılan camın yapısal bilgisi hakkında bilgi vermiştir ve metal iyonlarının cam içerisindeki lokasyonlarını aydınlatmıştır.