Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Отображает карусель из трех слайдов одновременно.Используйте кнопки «Предыдущий» и «Далее» для перемещения по трем слайдам одновременно или используйте кнопки ползунка в конце для перемещения по трем слайдам одновременно.
Существование металлов, испускаемых микроволновым излучением, является спорным, поскольку металлы легко воспламеняются.Но что интересно, исследователи обнаружили, что явление дугового разряда открывает многообещающий путь для синтеза наноматериалов путем расщепления молекул.В этом исследовании разрабатывается одноэтапный, но доступный синтетический метод, который сочетает в себе микроволновое нагревание и электрическую дугу для преобразования сырого пальмового масла в магнитный наноуглерод (МНК), который можно рассматривать как новую альтернативу производству пальмового масла.Он предполагает синтез среды с постоянно намотанной проволокой из нержавеющей стали (диэлектрическая среда) и ферроценом (катализатор) в частично инертных условиях.Этот метод успешно продемонстрирован при нагреве в диапазоне температур от 190,9 до 472,0°С с различным временем синтеза (10-20 мин).В свежеприготовленных МНК наблюдались сферы со средним размером 20,38–31,04 нм, мезопористой структурой (SBET: 14,83–151,95 м2/г) и высоким содержанием связанного углерода (52,79–71,24 мас.%), а также D и G. полосы (ID/г) 0,98–0,99.В пользу присутствия соединений FeO в ферроцене свидетельствует появление новых пиков в ИК-Фурье-спектре (522,29–588,48 см–1).Магнитометры показывают высокое насыщение намагниченности (22,32–26,84 эме/г) в ферромагнитных материалах.Использование МНК при очистке сточных вод было продемонстрировано путем оценки их адсорбционной способности с помощью теста на адсорбцию метиленового синего (МБ) в различных концентрациях от 5 до 20 частей на миллион.МНК, полученные во время синтеза (20 мин), показали наибольшую эффективность адсорбции (10,36 мг/г) по сравнению с другими, а скорость удаления красителя МБ составила 87,79%.Таким образом, значения Ленгмюра не являются оптимистичными по сравнению со значениями Фрейндлиха: R2 составляет около 0,80, 0,98 и 0,99 для МНК, синтезированных через 10 минут (MNC10), 15 минут (MNC15) и 20 минут (MNC20) соответственно.Следовательно, адсорбционная система находится в гетерогенном состоянии.Таким образом, микроволновая дуговая обработка предлагает многообещающий метод преобразования CPO в MNC, который может удалить вредные красители.
Микроволновое излучение может нагревать самые внутренние части материалов за счет молекулярного взаимодействия электромагнитных полей.Этот микроволновый отклик уникален тем, что он обеспечивает быстрый и равномерный тепловой отклик.Таким образом, можно ускорить процесс нагрева и усилить химические реакции2.В то же время, благодаря более короткому времени реакции, микроволновая реакция может в конечном итоге давать продукты высокой чистоты и высокого выхода3,4.Благодаря своим удивительным свойствам микроволновое излучение способствует интересным микроволновым синтезам, которые используются во многих исследованиях, включая химические реакции и синтез наноматериалов5,6.В процессе нагрева решающую роль играют диэлектрические свойства акцептора внутри среды, поскольку они создают в среде горячее пятно, что приводит к образованию наноуглеродов с различной морфологией и свойствами.Исследование Омориекомвана и др.Производство полых углеродных нановолокон из ядер пальмы с использованием активированного угля и азота8.Кроме того, Фу и Хамид определили возможность использования катализатора для производства активированного угля из волокон масличной пальмы в микроволновой печи 350 W9.Следовательно, аналогичный подход можно использовать для переработки сырого пальмового масла в ТНК путем введения подходящих поглотителей.
Интересное явление наблюдалось между микроволновым излучением и металлами с острыми краями, точками или субмикроскопическими неровностями10.На присутствие этих двух объектов будет влиять электрическая дуга или искра (обычно называемая дуговым разрядом)11,12.Дуга будет способствовать образованию более локализованных горячих точек и влиять на реакцию, тем самым улучшая химический состав окружающей среды13.Это особое и интересное явление привлекло различные исследования, такие как удаление загрязнений14,15, крекинг смолы из биомассы16, микроволновый пиролиз17,18 и синтез материалов19,20,21.
В последнее время наноуглероды, такие как углеродные нанотрубки, углеродные наносферы и модифицированный восстановленный оксид графена, привлекли внимание благодаря своим свойствам.Эти наноуглероды обладают огромным потенциалом для применения в самых разных областях: от производства электроэнергии до очистки или обеззараживания воды23.Кроме того, требуются отличные свойства углерода, но в то же время хорошие магнитные свойства.Это очень полезно для многофункциональных применений, включая высокую адсорбцию ионов металлов и красителей при очистке сточных вод, магнитных модификаторов в биотопливе и даже высокоэффективных микроволновых поглотителей24,25,26,27,28.В то же время у этих углей есть еще одно преимущество, в том числе увеличение площади поверхности активного центра образца.
В последние годы исследования магнитных наноуглеродных материалов находятся на подъеме.Как правило, эти магнитные наноуглероды представляют собой многофункциональные материалы, содержащие наноразмерные магнитные материалы, которые могут вызывать реакцию внешних катализаторов, таких как внешние электростатические или переменные магнитные поля29.Благодаря своим магнитным свойствам магнитные наноуглероды можно комбинировать с широким спектром активных ингредиентов и сложными структурами для иммобилизации30.Между тем, магнитные наноуглероды (МНК) демонстрируют превосходную эффективность при адсорбции загрязняющих веществ из водных растворов.Кроме того, высокая удельная поверхность и поры, образующиеся в МНК, могут увеличить адсорбционную способность31.Магнитные сепараторы могут отделять МНК от высокореактивных растворов, превращая их в жизнеспособный и управляемый сорбент32.
Несколько исследователей продемонстрировали, что высококачественные наноуглероды можно производить с использованием сырого пальмового масла33,34.Пальмовое масло, научно известное как Elais Guneensis, считается одним из важных пищевых масел, объем производства которого в 2021 году составит около 76,55 миллионов тонн35. Сырое пальмовое масло или CPO содержит сбалансированное соотношение ненасыщенных жирных кислот (НЖК) и насыщенных жирных кислот. (Валютное управление Сингапура).Большинство углеводородов в CPO представляют собой триглицериды, глицерид, состоящий из трех компонентов ацетата триглицерида и одного глицеринового компонента36.Эти углеводороды можно обобщить из-за огромного содержания углерода, что делает их потенциальными «зелеными» прекурсорами для производства наноуглеродов37.По данным литературы, УНТ37,38,39,40, углеродные наносферы33,41 и графен34,42,43 обычно синтезируют с использованием сырого пальмового или пищевого масла.Эти наноуглероды имеют большой потенциал в самых разных областях применения: от производства электроэнергии до очистки или обеззараживания воды.
Термический синтез, такой как CVD38 или пиролиз33, стал подходящим методом разложения пальмового масла.К сожалению, высокие температуры в процессе увеличивают стоимость производства.Производство предпочтительного материала 44 требует длительных и утомительных процедур и методов очистки.Однако необходимость физического разделения и крекинга неоспорима из-за хорошей стабильности сырого пальмового масла при высоких температурах45.Таким образом, для преобразования сырого пальмового масла в углеродсодержащие материалы по-прежнему необходимы более высокие температуры.Жидкостную дугу можно рассматривать как лучший потенциальный и новый метод синтеза магнитного наноуглерода 46 .Этот подход обеспечивает прямую энергию для предшественников и растворов в высоковозбужденных состояниях.Дуговой разряд может привести к разрыву углеродных связей в сыром пальмовом масле.Однако используемое расстояние между электродами, возможно, должно соответствовать строгим требованиям, что будет ограничивать промышленные масштабы, поэтому эффективный метод все еще необходимо разработать.
Насколько нам известно, исследования дугового разряда с использованием микроволн как метода синтеза наноуглеродов ограничены.В то же время использование сырого пальмового масла в качестве прекурсора до конца не изучено.Таким образом, данное исследование направлено на изучение возможности производства магнитных наноуглеродов из сырых предшественников пальмового масла с использованием электрической дуги в микроволновой печи.Обилие пальмового масла должно найти отражение в новых продуктах и приложениях.Этот новый подход к переработке пальмового масла может помочь стимулировать экономический сектор и стать еще одним источником дохода для производителей пальмового масла, особенно это затронет плантации пальмового масла мелких фермеров.Согласно исследованию мелких землевладельцев Африки, проведенному Айомпе и др., мелкие землевладельцы зарабатывают больше денег только в том случае, если они сами обрабатывают гроздья свежих фруктов и продают сырое пальмовое масло, а не продают его посредникам, что является дорогостоящей и утомительной работой47.В то же время рост закрытия заводов из-за COVID-19 повлиял на продукцию, изготавливаемую на основе пальмового масла.Интересно, что, поскольку большинство домохозяйств имеют доступ к микроволновым печам, а метод, предложенный в этом исследовании, можно считать осуществимым и доступным, производство ТНК можно рассматривать как альтернативу небольшим плантациям пальмового масла.Между тем, в более широком масштабе компании могут инвестировать в крупные реакторы для производства крупных ТНК.
Данное исследование в основном охватывает процесс синтеза с использованием нержавеющей стали в качестве диэлектрической среды в течение различной продолжительности.Большинство общих исследований с использованием микроволн и наноуглеродов предполагают приемлемое время синтеза 30 минут и более33,34.Чтобы поддержать доступную и осуществимую практическую идею, это исследование было направлено на получение МНК со временем синтеза ниже среднего.В то же время исследование рисует картину уровня технологической готовности 3, поскольку теория доказана и реализована в лабораторном масштабе.Позднее полученные МНК были охарактеризованы по их физическим, химическим и магнитным свойствам.Затем использовали метиленовый синий для демонстрации адсорбционной способности полученных МНК.
Сырое пальмовое масло было получено на заводе Apas Balung Mill, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Тавау, и используется в качестве предшественника углерода для синтеза.В качестве диэлектрика в данном случае использовалась проволока из нержавеющей стали диаметром 0,90 мм.В качестве катализатора в работе был выбран ферроцен (чистота 99%), полученный от Sigma-Aldrich, США.Метиленовый синий (Бендосен, 100 г) далее использовали для экспериментов по адсорбции.
В этом исследовании бытовая микроволновая печь (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) была преобразована в микроволновый реактор.В верхней части микроволновой печи были сделаны три отверстия для входа и выхода газа и термопары.Зонды термопар были изолированы керамическими трубками и помещены в одинаковые условия для каждого эксперимента во избежание несчастных случаев.Тем временем для размещения образцов и трахеи использовался реактор из боросиликатного стекла с крышкой с тремя отверстиями.Принципиальную схему микроволнового реактора можно увидеть на дополнительном рисунке 1.
Используя сырое пальмовое масло в качестве предшественника углерода и ферроцен в качестве катализатора, были синтезированы магнитные наноуглероды.Около 5% по массе ферроценового катализатора получали методом суспензионного катализатора.Ферроцен смешивали с 20 мл сырого пальмового масла при 60 об/мин в течение 30 минут.Затем смесь перенесли в тигель из оксида алюминия, проволоку из нержавеющей стали длиной 30 см свернули в спираль и поместили вертикально внутри тигля.Поместите тигель из оксида алюминия в стеклянный реактор и надежно закрепите его внутри микроволновой печи герметичной стеклянной крышкой.Азот вдували в камеру за 5 минут до начала реакции для удаления нежелательного воздуха из камеры.Мощность СВЧ была увеличена до 800 Вт, поскольку это максимальная мощность СВЧ, позволяющая обеспечить хорошее зажигание дуги.Следовательно, это может способствовать созданию благоприятных условий для проведения синтетических реакций.В то же время это также широко используемый диапазон мощностей в ваттах для реакций микроволнового синтеза48,49.Во время реакции смесь нагревали в течение 10, 15 или 20 минут.После завершения реакции реактор и микроволновая печь естественным образом охлаждались до комнатной температуры.Конечный продукт в тигле из оксида алюминия представлял собой черный осадок со спиральными проволоками.
Черный осадок собирали и промывали несколько раз попеременно этанолом, изопропанолом (70%) и дистиллированной водой.После стирки и очистки изделие сушат в течение ночи при температуре 80°С в обычной печи для испарения нежелательных примесей.Затем продукт собирали для характеристики.Образцы, обозначенные MNC10, MNC15 и MNC20, использовали для синтеза магнитных наноуглеродов в течение 10, 15 и 20 минут.
Наблюдайте морфологию MNC с помощью сканирующего электронного микроскопа с полевой эмиссией или FESEM (модель Zeiss Auriga) при увеличении от 100 до 150 кХ.При этом элементный состав анализировали методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС).Анализ ЭДС проводился на рабочем расстоянии 2,8 мм и ускоряющем напряжении 1 кВ.Значения удельной поверхности и пор МНК измеряли методом Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ), включая изотерму адсорбции-десорбции N2 при 77 К. Анализ проводился с использованием модельного измерителя площади поверхности (MICROMERITIC ASAP 2020). .
Кристалличность и фазу магнитных наноуглеродов определяли методом порошковой рентгеновской дифракции или РФА (Burker D8 Advance) при λ = 0,154 нм.Дифрактограммы записывали в диапазоне 2θ = 5 и 85° при скорости сканирования 2°/мин.Кроме того, химическая структура МНК была исследована с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR).Анализ проводился с использованием Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 со скоростью сканирования от 4000 до 400 см-1.При изучении структурных особенностей магнитных наноуглеродов была проведена рамановская спектроскопия с использованием неодимового лазера (532 нм) в режиме U-RAMAN-спектроскопии с объективом 100X.
Вибрационный магнитометр или VSM (серия Lake Shore 7400) использовался для измерения магнитного насыщения оксида железа в МНК.Использовалось магнитное поле напряженностью около 8 кЭ и было получено 200 точек.
При изучении потенциала МНК как адсорбентов в адсорбционных экспериментах использовали катионный краситель метиленовый синий (МБ).МНК (20 мг) добавляли к 20 мл водного раствора метиленового синего со стандартными концентрациями в диапазоне 5–20 мг/л50.На протяжении всего исследования pH раствора устанавливали на нейтральном уровне 7.Раствор механически перемешивали при 150 об/мин и 303,15 К на ротационном шейкере (Lab Companion: SI-300R).Затем МНК разделяются с помощью магнита.Используйте УФ-видимый спектрофотометр (Varian Cary 50 UV-Vis Spectrophotometer) для наблюдения за концентрацией раствора MB до и после эксперимента по адсорбции и обратитесь к стандартной кривой метиленового синего при максимальной длине волны 664 нм.Эксперимент повторяли три раза и получали среднее значение.Удаление МГ из раствора рассчитывали по общему уравнению для количества МЦ, адсорбированного при равновесии qe, и процента удаления.
Также были проведены эксперименты по изотерме адсорбции при перемешивании различных концентраций (5–20 мг/л) растворов МГ и 20 мг адсорбента при постоянной температуре 293,15 К.мг для всех МНК.
Железо и магнитный углерод широко изучались в течение последних нескольких десятилетий.Эти магнитные материалы на основе углерода привлекают все большее внимание благодаря своим превосходным электромагнитным свойствам, что приводит к различным потенциальным технологическим применениям, главным образом в электроприборах и очистке воды.В этом исследовании наноуглероды были синтезированы путем крекинга углеводородов в сыром пальмовом масле с использованием микроволнового разряда.Синтез проводили в разное время, от 10 до 20 мин, при фиксированном соотношении (5:1) прекурсора и катализатора, с использованием металлического токоприемника (витая нержавеющая сталь) и частично инертного (нежелательно воздух, продутый азотом при начало эксперимента).Образующиеся углеродистые отложения имеют форму черного твердого порошка, как показано на дополнительном рисунке 2a.Выходы осажденного углерода составляли примерно 5,57%, 8,21% и 11,67% при времени синтеза 10 минут, 15 минут и 20 минут соответственно.Этот сценарий предполагает, что более длительное время синтеза способствует более высоким выходам51 — низкие выходы, скорее всего, из-за короткого времени реакции и низкой активности катализатора.
Между тем, график зависимости температуры синтеза от времени для полученных наноуглеродов можно найти на дополнительном рисунке 2b.Самые высокие температуры, полученные для MNC10, MNC15 и MNC20, составили 190,9°C, 434,5°C и 472°C соответственно.Для каждой кривой можно увидеть крутой наклон, указывающий на постоянный рост температуры внутри реактора из-за тепла, выделяющегося во время дуги металла.Это можно увидеть на 0–2 мин, 0–5 мин и 0–8 мин для MNC10, MNC15 и MNC20 соответственно.Достигнув определенной точки, склон продолжает зависать до самой высокой температуры, и уклон становится умеренным.
Сканирующая электронная микроскопия полевой эмиссии (FESEM) использовалась для наблюдения топографии поверхности образцов МНК.Как показано на рис.1, магнитные наноуглероды имеют несколько иную морфологическую структуру в разное время синтеза.Изображения FESEM MNC10 на рис.1а,б показывают, что образование углеродных сфер состоит из переплетенных и связанных микро- и наносфер за счет высокого поверхностного натяжения.В то же время наличие сил Ван-дер-Ваальса приводит к агрегации углеродных сфер52.Увеличение времени синтеза привело к уменьшению размеров и увеличению числа сфер за счет более длительных реакций крекинга.На рис.1в видно, что MNC15 имеет практически идеальную сферическую форму.Однако агрегированные сферы все еще могут образовывать мезопоры, которые впоследствии могут стать хорошими местами для адсорбции метиленового синего.При большом увеличении в 15 000 раз на рис. 1г можно увидеть еще агломерированные углеродные сферы со средним размером 20,38 нм.
FESEM-изображения синтезированных наноуглеродов через 10 мин (а, б), 15 мин (в, г) и 20 мин (д-ж) при увеличении в 7000 и 15000 раз.
На рис.1e–g MNC20 демонстрирует развитие пор с небольшими сферами на поверхности магнитного углерода и восстанавливает морфологию магнитного активированного угля53.Поры разного диаметра и ширины хаотично расположены на поверхности магнитного углерода.Таким образом, это может объяснить, почему MNC20 показал большую площадь поверхности и объем пор, как показал анализ БЭТ, поскольку на его поверхности образовалось больше пор, чем в другие периоды синтеза.Микрофотографии, сделанные при большом увеличении в 15 000 раз, показали неоднородные размеры частиц и неправильную форму, как показано на рис. 1ж.Когда время роста было увеличено до 20 минут, образовалось больше агломерированных сфер.
Интересно, что в этом же районе были найдены и скрученные хлопья углерода.Диаметр сфер варьировался от 5,18 до 96,36 нм.Такое образование может быть связано с возникновением дифференциальной нуклеации, которой способствуют высокая температура и микроволны.Рассчитанный размер сферы приготовленных МНК составил в среднем 20,38 нм для MNC10, 24,80 нм для MNC15 и 31,04 нм для MNC20.Распределение сфер по размерам показано на дополнительном рис.3.
На дополнительном рисунке 4 показаны спектры EDS и сводные данные по элементному составу MNC10, MNC15 и MNC20 соответственно.По спектрам было отмечено, что каждый наноуглерод содержит разное количество C, O и Fe.Это связано с различными реакциями окисления и крекинга, происходящими во время дополнительного времени синтеза.Считается, что большое количество углерода поступает из предшественника углерода — сырого пальмового масла.Между тем, низкий процент O обусловлен процессом окисления при синтезе.В то же время Fe относят к оксиду железа, осаждающемуся на поверхности наноуглерода после разложения ферроцена.Кроме того, на дополнительных рисунках 5a–c показано сопоставление элементов MNC10, MNC15 и MNC20.На основании фундаментального картирования было замечено, что Fe хорошо распределено по поверхности МНК.
Адсорбционно-десорбционный анализ азота дает информацию о механизме адсорбции и пористой структуре материала.Изотермы адсорбции N2 и графики поверхности МНК БЭТ представлены на рис.2. Судя по изображениям FESEM, ожидается, что адсорбционное поведение будет демонстрировать сочетание микропористых и мезопористых структур из-за агрегации.Однако график на рис. 2 показывает, что адсорбент напоминает изотерму типа IV и петлю гистерезиса типа H2 IUPAC55.Этот тип изотермы часто аналогичен изотерме мезопористых материалов.Адсорбционное поведение мезопор обычно определяется взаимодействием реакций адсорбции-адсорбции с молекулами конденсированного вещества.S-образные или S-образные изотермы адсорбции обычно возникают в результате однослойной-многослойной адсорбции, за которой следует явление, при котором газ конденсируется в жидкую фазу в порах при давлениях ниже давления насыщения объемной жидкости, известное как поровая конденсация 56. Капиллярная конденсация в порах происходит при относительном давлении (p/po) выше 0,50.Между тем, сложная пористая структура демонстрирует гистерезис типа H2, который объясняется закупоркой пор или утечкой в узком диапазоне пор.
Физические параметры поверхности, полученные в результате испытаний БЭТ, показаны в таблице 1. Площадь поверхности БЭТ и общий объем пор значительно увеличивались с увеличением времени синтеза.Средние размеры пор MNC10, MNC15 и MNC20 составляют 7,2779 нм, 7,6275 нм и 7,8223 нм соответственно.Согласно рекомендациям IUPAC, эти промежуточные поры можно отнести к мезопористым материалам.Мезопористая структура может сделать метиленовый синий более легко проницаемым и адсорбируемым MNC57.Максимальное время синтеза (MNC20) показало наибольшую площадь поверхности, за ним следовали MNC15 и MNC10.Более высокая площадь поверхности по БЭТ может улучшить эффективность адсорбции, поскольку доступно больше участков поверхностно-активного вещества.
Рентгенограммы синтезированных МНК представлены на рис. 3. При высоких температурах ферроцен также растрескивается и образует оксид железа.На рис.3а показана рентгенограмма MNC10.На нем показаны два пика при 2θ, 43,0° и 62,32°, которые относятся к ɣ-Fe2O3 (JCPDS № 39–1346).В то же время Fe3O4 имеет напряженный пик при 2θ: 35,27°.С другой стороны, на дифрактограмме MHC15 на рис. 3б наблюдаются новые пики, которые, скорее всего, связаны с увеличением температуры и времени синтеза.Хотя пик 2θ: 26,202° менее интенсивен, дифракционная картина соответствует файлу JCPDS графита (JCPDS № 75–1621), что указывает на присутствие кристаллов графита внутри наноуглерода.Этот пик отсутствует в MNC10, возможно, из-за низкой температуры дуги при синтезе.При 2θ имеются три временных пика: 30,082°, 35,502°, 57,422°, приписываемые Fe3O4.На нем также видны два пика, указывающие на присутствие ɣ-Fe2O3 при 2θ: 43,102° и 62,632°.Для МНК, синтезированных за 20 мин (МНК20), как показано на рис. 3в, аналогичную дифракционную картину можно наблюдать у МНК15.Графический пик 26,382° также можно увидеть в MNC20.Три острых пика, показанные при 2θ: 30,102°, 35,612°, 57,402°, относятся к Fe3O4.Кроме того, наличие ε-Fe2O3 показано при 2θ: 42,972° и 62,61.Присутствие соединений оксида железа в полученных МНК может положительно повлиять на способность адсорбировать метиленовый синий в будущем.
Характеристики химических связей в образцах MNC и CPO были определены по спектрам отражения FTIR на дополнительном рисунке 6. Первоначально шесть важных пиков сырого пальмового масла представляли четыре различных химических компонента, как описано в дополнительной таблице 1. Фундаментальные пики, идентифицированные в CPO составляют 2913,81 см-1, 2840 см-1 и 1463,34 см-1, что относится к валентным колебаниям CH алканов и других алифатических групп CH2 или CH3.Выявленные пики лесников составляют 1740,85 см-1 и 1160,83 см-1.Пик при 1740,85 см-1 представляет собой связь C=O, удлиненную сложноэфирным карбонилом триглицеридной функциональной группы.Между тем, пик при 1160,83 см-1 является отпечатком расширенной эфирной группы CO58,59.Между тем пик 813,54 см-1 является отпечатком алкановой группы.
Таким образом, некоторые пики поглощения сырого пальмового масла исчезли по мере увеличения времени синтеза.Пики при 2913,81 см-1 и 2840 см-1 все еще можно наблюдать в MNC10, но интересно, что в MNC15 и MNC20 пики имеют тенденцию исчезать из-за окисления.Между тем, FTIR-анализ магнитных наноуглеродов выявил вновь образовавшиеся пики поглощения, представляющие пять различных функциональных групп MNC10-20.Эти пики также перечислены в дополнительной таблице 1. Пик при 2325,91 см-1 представляет собой асимметричный участок CH алифатической группы CH360.Пик при 1463,34-1443,47 см-1 показывает изгиб CH2 и CH алифатических групп, таких как пальмовое масло, но пик со временем начинает уменьшаться.Пик 813,54–875,35 см–1 является отпечатком ароматической CH-алкановой группы.
При этом пики при 2101,74 см-1 и 1589,18 см-1 представляют связи CC 61, образующие C=C алкиновое и ароматическое кольца соответственно.Небольшой пик при 1695,15 см-1 показывает связь C=O свободной жирной кислоты карбонильной группы.Его получают из карбонила CPO и ферроцена в ходе синтеза.Вновь образовавшиеся пики в диапазоне от 539,04 до 588,48 см-1 принадлежат колебательной связи Fe-O ферроцена.Судя по пикам, показанным на дополнительном рисунке 4, видно, что время синтеза может уменьшить количество пиков и повторное связывание в магнитных наноуглеродах.
Спектроскопический анализ комбинационного рассеяния магнитных наноуглеродов, полученных в разные моменты синтеза с использованием падающего лазера с длиной волны 514 нм, показан на рисунке 4. Все спектры MNC10, MNC15 и MNC20 состоят из двух интенсивных полос, связанных с углеродом с низким sp3, обычно обнаружен в кристаллитах нанографита с дефектами колебательных мод углеродной формы sp262.Первый пик, расположенный в области 1333–1354 см–1, представляет собой полосу D, неблагоприятную для идеального графита и соответствующую структурному беспорядку и другим примесям63,64.Второй по важности пик около 1537–1595 см-1 возникает из-за растяжения связей в плоскости или кристаллических и упорядоченных форм графита.Однако пик сдвинут примерно на 10 см-1 по сравнению с полосой G графита, что указывает на низкий порядок укладки листов и дефектную структуру МНК.Относительные интенсивности полос D и G (ID/IG) используются для оценки чистоты кристаллитов и образцов графита.По данным рамановского спектроскопического анализа, все МНК имели значения ID/IG в диапазоне 0,98–0,99, что указывает на структурные дефекты, обусловленные Sp3-гибридизацией.Этой ситуацией можно объяснить наличие менее интенсивных 2θ-пиков в РФА-спектрах: 26,20° для MNK15 и 26,28° для MNK20, как показано на рис. 4, который в файле JCPDS отнесен к графитовому пику.Полученные в данной работе соотношения ID/IG МНК находятся в диапазоне других магнитных наноуглеродов, например 0,85–1,03 для гидротермального метода и 0,78–0,9665,66 для пиролитического метода.Следовательно, это соотношение указывает на то, что настоящий синтетический метод может широко использоваться.
Магнитные характеристики МНК анализировали с помощью вибрационного магнитометра.Результирующий гистерезис показан на рис.5.Как правило, МНК приобретают магнетизм от ферроцена в процессе синтеза.Эти дополнительные магнитные свойства могут увеличить адсорбционную способность наноуглеродов в будущем.Как показано на рисунке 5, образцы можно идентифицировать как суперпарамагнитные материалы.Согласно Вахаджуддину и Арора67, суперпарамагнитное состояние заключается в том, что образец намагничивается до намагниченности насыщения (MS) при приложении внешнего магнитного поля.В дальнейшем остаточные магнитные взаимодействия в образцах перестают проявляться67.Примечательно, что намагниченность насыщения увеличивается со временем синтеза.Интересно, что MNC15 имеет самое высокое магнитное насыщение, поскольку сильное магнитное образование (намагниченность) может быть вызвано оптимальным временем синтеза в присутствии внешнего магнита.Это может быть связано с наличием Fe3O4, который имеет лучшие магнитные свойства по сравнению с другими оксидами железа, такими как ɣ-Fe2O.Порядок адсорбционного момента насыщения единицы массы МНК: МНК15>МНК10>МНК20.Полученные магнитные параметры приведены в табл.2.
Минимальное значение магнитного насыщения при использовании обычных магнитов в магнитной сепарации составляет около 16,3 эме г-1.Способность МНК удалять такие загрязнения, как красители, из водной среды, а также простота удаления МНК стали дополнительными факторами для полученных наноуглеродов.Исследования показали, что магнитное насыщение ЛСМ считается высоким.Таким образом, все образцы достигли значений магнитного насыщения, более чем достаточных для процедуры магнитной сепарации.
В последнее время металлические полосы или проволоки привлекают внимание в качестве катализаторов или диэлектриков в процессах микроволнового синтеза.Микроволновые реакции металлов вызывают высокие температуры или реакции внутри реактора.В этом исследовании утверждается, что наконечник и кондиционированная (скрученная) проволока из нержавеющей стали способствуют микроволновому разряду и нагреву металла.Нержавеющая сталь имеет выраженную шероховатость на кончике, что приводит к высоким значениям поверхностной плотности заряда и внешнего электрического поля.Когда заряд наберет достаточную кинетическую энергию, заряженные частицы выскочат из нержавеющей стали, вызывая ионизацию окружающей среды, создавая разряд или искру 68 .Разряд металла вносит существенный вклад в реакции растрескивания раствора, сопровождающиеся появлением высокотемпературных горячих точек.Согласно температурной карте на дополнительном рисунке 2b, температура быстро растет, что указывает на наличие высокотемпературных горячих точек в дополнение к явлению сильного разряда.
При этом наблюдается тепловой эффект, поскольку слабосвязанные электроны могут двигаться и концентрироваться на поверхности и на острие69.При намотке нержавеющей стали большая площадь поверхности металла в растворе способствует наведению вихревых токов на поверхности материала и сохранению нагревательного эффекта.Это условие эффективно помогает расщеплять длинные углеродные цепи CPO и ферроцена и ферроцена.Как показано на дополнительном рисунке 2b, постоянная скорость температуры указывает на то, что в растворе наблюдается равномерный эффект нагрева.
Предлагаемый механизм образования МНК показан на дополнительном рисунке 7. Длинные углеродные цепи CPO и ферроцена начинают трескаться при высокой температуре.Нефть распадается с образованием расщепленных углеводородов, которые становятся предшественниками углерода, известными как глобулы на изображении FESEM MNC1070.За счет энергии окружающей среды и давления 71 в атмосферных условиях.При этом ферроцен также растрескивается, образуя катализатор из атомов углерода, нанесенных на Fe.Затем происходит быстрое зародышеобразование, и углеродное ядро окисляется с образованием аморфного и графитового углеродного слоя поверх ядра.С увеличением времени размер сферы становится более точным и однородным.В то же время существующие силы Ван-дер-Ваальса также приводят к агломерации сфер52.При восстановлении ионов Fe до Fe3O4 и ɣ-Fe2O3 (по данным рентгенофазового анализа) на поверхности наноуглеродов образуются различные типы оксидов железа, что приводит к образованию магнитных наноуглеродов.Картирование EDS показало, что атомы Fe были сильно распределены по поверхности MNC, как показано на дополнительных рисунках 5a-c.
Разница в том, что при времени синтеза 20 минут происходит агрегация углерода.Он образует более крупные поры на поверхности МНК, что позволяет предположить, что МНК можно рассматривать как активированный уголь, как показано на изображениях FESEM на рис. 1e–g.Эта разница в размерах пор может быть связана с вкладом оксида железа из ферроцена.При этом из-за достигнутой высокой температуры возникают деформированные чешуйки.Магнитные наноуглероды проявляют разную морфологию в разное время синтеза.Наноуглероды с большей вероятностью образуют сферическую форму с более коротким временем синтеза.При этом поры и чешуйки достижимы, хотя разница во времени синтеза составляет всего лишь 5 минут.
Магнитные наноуглероды могут удалять загрязняющие вещества из водной среды.Их способность легко удаляться после использования является дополнительным фактором использования полученных в данной работе наноуглеродов в качестве адсорбентов.При изучении адсорбционных свойств магнитных наноуглеродов мы исследовали способность МНК обесцвечивать растворы метиленового синего (МБ) при 30°C без какой-либо корректировки pH.В нескольких исследованиях был сделан вывод, что эффективность углеродных поглотителей в диапазоне температур 25–40 °C не играет важной роли в определении удаления MC.Хотя экстремальные значения pH играют важную роль, на поверхностных функциональных группах могут образовываться заряды, что приводит к нарушению взаимодействия адсорбат-адсорбент и влияет на адсорбцию.Поэтому вышеуказанные условия были выбраны в данном исследовании с учетом этих ситуаций и необходимости типичной очистки сточных вод.
В данной работе был проведен эксперимент по периодической адсорбции путем добавления 20 мг МНК к 20 мл водного раствора метиленового синего с различными стандартными исходными концентрациями (5–20 ppm) при фиксированном времени контакта60.На дополнительном рисунке 8 показано состояние различных концентраций (5–20 ppm) растворов метиленового синего до и после обработки MNC10, MNC15 и MNC20.При использовании различных МНК уровень цветности решений MB снижался.Интересно, что было обнаружено, что MNC20 легко обесцвечивает растворы MB в концентрации 5 ppm.Между тем, MNC20 также снизил уровень цветопередачи решения MB по сравнению с другими MNC.УФ-видимый спектр MNC10-20 показан на дополнительном рисунке 9. Между тем, информация о скорости удаления и адсорбции показана на рисунке 9.6 и в таблице 3 соответственно.
Сильные пики метиленового синего можно обнаружить при 664 и 600 нм.Как правило, интенсивность пика постепенно уменьшается с уменьшением начальной концентрации раствора МГ.На дополнительном рис. 9а показаны УФ-видимые спектры растворов МБ различных концентраций после обработки MNC10, которые лишь незначительно изменили интенсивность пиков.С другой стороны, пики поглощения растворов MB значительно снизились после обработки MNC15 и MNC20, как показано на дополнительных рисунках 9b и c соответственно.Эти изменения отчетливо видны при уменьшении концентрации раствора МГ.Однако спектральные изменения, достигнутые всеми тремя магнитными атомами углерода, были достаточны для удаления красителя метиленового синего.
На основании таблицы 3 результаты по количеству адсорбированных МЦ и проценту адсорбированных МЦ показаны на рис. 3. 6. Адсорбция МГ увеличивалась при использовании более высоких начальных концентраций для всех МНК.Между тем, процент адсорбции или скорость удаления MB (MBR) демонстрировал противоположную тенденцию при увеличении начальной концентрации.При более низких исходных концентрациях МК на поверхности адсорбента оставались незанятые активные центры.С увеличением концентрации красителя количество незанятых активных центров, доступных для адсорбции молекул красителя, будет уменьшаться.Другие пришли к выводу, что в этих условиях будет достигнуто насыщение активных центров биосорбции72.
К несчастью для MNC10, MBR увеличивалась и уменьшалась после 10 ppm раствора MB.При этом адсорбируется лишь очень небольшая часть МГ.Это указывает на то, что 10 ppm является оптимальной концентрацией для адсорбции MNC10.Для всех исследованных в работе МНК порядок адсорбционных способностей был следующий: МНК20 > МНК15 > МНК10, средние значения составили 10,36 мг/г, 6,85 мг/г и 0,71 мг/г, средние скорости удаления МГ. составил 87, 79%, 62,26% и 5,75%.Таким образом, МНК20 продемонстрировал лучшие адсорбционные характеристики среди синтезированных магнитных наноуглеродов с учетом адсорбционной емкости и УФ-видимого спектра.Хотя адсорбционная способность ниже по сравнению с другими магнитными наноуглеродами, такими как магнитный композит MWCNT (11,86 мг/г) и галлуазитные нанотрубки-магнитные наночастицы Fe3O4 (18,44 мг/г), данное исследование не требует дополнительного использования стимулятора.Химические вещества действуют как катализаторы.предоставление чистых и осуществимых синтетических методов73,74.
Как показывают значения SBET МНК, высокая удельная поверхность обеспечивает более активные центры для адсорбции раствора МБ.Это становится одной из фундаментальных особенностей синтетических наноуглеродов.В то же время из-за небольшого размера МНК время синтеза короткое и приемлемое, что соответствует основным качествам перспективных адсорбентов75.По сравнению с традиционными природными адсорбентами синтезированные МНК являются магнитонасыщенными и легко удаляются из раствора под действием внешнего магнитного поля76.Таким образом, сокращается время, необходимое для всего процесса лечения.
Изотермы адсорбции необходимы для понимания процесса адсорбции, а затем для демонстрации того, как адсорбат распределяется между жидкой и твердой фазами при достижении равновесия.Уравнения Ленгмюра и Фрейндлиха используются в качестве стандартных уравнений изотерм, которые объясняют механизм адсорбции, как показано на рисунке 7. Модель Ленгмюра хорошо показывает образование единственного слоя адсорбата на внешней поверхности адсорбента.Изотермы лучше всего описывать как однородные адсорбционные поверхности.В то же время изотерма Фрейндлиха лучше всего отражает участие нескольких областей адсорбента и энергии адсорбции в прижатии адсорбата к неоднородной поверхности.
Модельная изотерма для изотермы Ленгмюра (a–c) и изотермы Фрейндлиха (d–f) для MNC10, MNC15 и MNC20.
Изотермы адсорбции при низких концентрациях растворенного вещества обычно линейны77.Линейное представление модели изотермы Ленгмюра можно выразить уравнением.1 Определить параметры адсорбции.
KL (л/мг) представляет собой константу Ленгмюра, отражающую аффинность связывания MB с MNC.При этом qmax – максимальная адсорбционная емкость (мг/г), qe – адсорбированная концентрация МЦ (мг/г), Ce – равновесная концентрация раствора МЦ.Линейное выражение модели изотермы Фрейндлиха можно описать следующим образом:
Время публикации: 16 февраля 2023 г.