Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Крім того, щоб забезпечити постійну підтримку, ми показуємо сайт без стилів і JavaScript.
Відображає карусель із трьох слайдів одночасно.Використовуйте кнопки «Попередній» і «Наступний», щоб переходити по трьох слайдах одночасно, або використовуйте кнопки повзунка в кінці, щоб переходити по трьох слайдах одночасно.
Існування металів, що випромінюються мікрохвильовим випромінюванням, є суперечливим, оскільки метали легко запалюються.Але що цікаво, дослідники виявили, що явище дугового розряду пропонує багатообіцяючий шлях для синтезу наноматеріалів шляхом розщеплення молекул.Це дослідження розробляє одноетапний, але доступний синтетичний метод, який поєднує мікрохвильове нагрівання та електричну дугу для перетворення сирої пальмової олії в магнітний нановуглець (MNC), який можна розглядати як нову альтернативу для виробництва пальмової олії.Він передбачає синтез середовища з постійно намотаним дротом з нержавіючої сталі (діелектричне середовище) та фероцену (каталізатор) у частково інертних умовах.Цей метод був успішно продемонстрований для нагрівання в діапазоні температур від 190,9 до 472,0 °C з різним часом синтезу (10-20 хв).Свіжоприготовані МНК показали сфери із середнім розміром 20,38–31,04 нм, мезопористу структуру (SBET: 14,83–151,95 м2/г) і високий вміст зв’язаного вуглецю (52,79–71,24 мас.%), а також D і G смуги (ІД/г) 0,98–0,99.На користь присутності сполук FeO у фероцені свідчить утворення нових піків у FTIR спектрі (522,29–588,48 см–1).Магнітометри показують високу насиченість намагніченості (22,32–26,84 ему/г) у феромагнітних матеріалах.Використання MNC в очищенні стічних вод було продемонстровано шляхом оцінки їх адсорбційної здатності за допомогою тесту на адсорбцію метиленового синього (MB) при різних концентраціях від 5 до 20 ppm.МНК, отримані за час синтезу (20 хв), показали найвищу адсорбційну ефективність (10,36 мг/г) порівняно з іншими, а швидкість видалення барвника МБ становила 87,79 %.Таким чином, значення Ленгмюра не є оптимістичними порівняно зі значеннями Фрейндліха, при цьому R2 становить близько 0,80, 0,98 і 0,99 для МНК, синтезованих через 10 хвилин (MNC10), 15 хвилин (MNC15) і 20 хвилин (MNC20) відповідно.Отже, адсорбційна система знаходиться в неоднорідному стані.Таким чином, мікрохвильова дуга пропонує перспективний метод для перетворення CPO в MNC, який може видалити шкідливі барвники.
Мікрохвильове випромінювання може нагрівати внутрішні частини матеріалів через молекулярну взаємодію електромагнітних полів.Цей мікрохвильовий відгук унікальний тим, що він сприяє швидкому та рівномірному тепловому відгуку.Таким чином, можна прискорити процес нагрівання та посилити хімічні реакції2.У той же час, завдяки меншому часу реакції, мікрохвильова реакція може в кінцевому підсумку давати продукти високої чистоти та високого виходу3,4.Завдяки своїм дивовижним властивостям мікрохвильове випромінювання сприяє цікавим мікрохвильовим синтезам, які використовуються в багатьох дослідженнях, включаючи хімічні реакції та синтез наноматеріалів5,6.У процесі нагрівання вирішальну роль відіграють діелектричні властивості акцептора всередині середовища, оскільки він створює гарячу точку в середовищі, що призводить до утворення нановуглеців з різною морфологією та властивостями.Дослідження Omoriyekomwan та ін.Виробництво порожнистих вуглецевих нановолокон з пальмових ядер з використанням активованого вугілля та азоту8.Крім того, Фу і Хамід визначили використання каталізатора для виробництва активованого вугілля з волокна олійної пальми в мікрохвильовій печі 350 W9.Таким чином, подібний підхід може бути використаний для перетворення сирої пальмової олії на MNC шляхом введення відповідних поглиначів.
Цікаве явище спостерігалося між мікрохвильовим випромінюванням і металами з гострими краями, точками або субмікроскопічними нерівностями10.На присутність цих двох об’єктів впливатиме електрична дуга або іскра (зазвичай це називається дуговим розрядом)11,12.Дуга сприятиме утворенню більш локалізованих гарячих точок і впливатиме на реакцію, тим самим покращуючи хімічний склад середовища13.Це особливе та цікаве явище привернуло різноманітні дослідження, такі як видалення забруднюючих речовин14,15, крекінг гудрону біомаси16, мікрохвильовий піроліз17,18 та синтез матеріалів19,20,21.
Останнім часом нановуглеці, такі як вуглецеві нанотрубки, вуглецеві наносфери та модифікований відновлений оксид графену, привернули увагу завдяки своїм властивостям.Ці нановуглеці мають великий потенціал для застосування в діапазоні від виробництва електроенергії до очищення води або дезактивації23.Крім того, необхідні відмінні властивості вуглецю, але в той же час необхідні хороші магнітні властивості.Це дуже корисно для багатофункціональних застосувань, включаючи високу адсорбцію іонів металів і барвників при обробці стічних вод, магнітні модифікатори в біопаливі та навіть високоефективні мікрохвильові поглиначі24,25,26,27,28.У той же час ці вуглеці мають ще одну перевагу, включаючи збільшення площі поверхні активного центру зразка.
В останні роки дослідження магнітних нановуглецевих матеріалів зростають.Як правило, ці магнітні нановуглеці є багатофункціональними матеріалами, що містять нанорозмірні магнітні матеріали, які можуть викликати реакцію зовнішніх каталізаторів, таких як зовнішні електростатичні або змінні магнітні поля29.Завдяки своїм магнітним властивостям магнітні нановуглеці можна поєднувати з широким спектром активних інгредієнтів і складних структур для іммобілізації30.Між тим, магнітні нановуглеці (МНК) демонструють чудову ефективність у адсорбції забруднюючих речовин із водних розчинів.Крім того, висока питома поверхня та пори, утворені в МНК, можуть збільшити адсорбційну здатність31.Магнітні сепаратори можуть відокремлювати МНК від високоактивних розчинів, перетворюючи їх на життєздатний і керований сорбент32.
Кілька дослідників продемонстрували, що високоякісні нановуглеці можна виробляти з використанням сирої пальмової олії33,34.Пальмова олія, науково відома як Elais Guneensis, вважається однією з важливих харчових олій з виробництвом близько 76,55 мільйонів тонн у 202135 році. Сира пальмова олія або CPO містить збалансоване співвідношення ненасичених жирних кислот (НЖК) і насичених жирних кислот. (Сінгапурське валютне управління).Більшість вуглеводнів у CPO є тригліцеридами, гліцеридами, що складаються з трьох тригліцерид-ацетатних компонентів і одного гліцеринового компонента36.Ці вуглеводні можна узагальнити через їх величезний вміст вуглецю, що робить їх потенційними зеленими прекурсорами для виробництва нановуглецю37.Відповідно до літератури, CNT37,38,39,40, вуглецеві наносфери33,41 і графен34,42,43 зазвичай синтезуються з використанням сирої пальмової або харчової олії.Ці нановуглеці мають великий потенціал у застосуванні, починаючи від виробництва електроенергії до очищення води та знезараження.
Термічний синтез, такий як CVD38 або піроліз33, став сприятливим методом розкладання пальмової олії.На жаль, високі температури під час процесу збільшують вартість виробництва.Виробництво бажаного матеріалу 44 вимагає тривалих, виснажливих процедур і методів очищення.Однак необхідність фізичного розділення та крекінгу незаперечна через хорошу стабільність сирої пальмової олії при високих температурах45.Тому для перетворення сирої пальмової олії на вуглецеві матеріали все ще потрібні вищі температури.Рідку дугу можна розглядати як найкращий потенціал і новий метод для синтезу магнітного нанокарбону 46 .Цей підхід забезпечує пряму енергію для прекурсорів і розчинів у високозбуджених станах.Дуговий розряд може спричинити розрив вуглецевих зв’язків у сирій пальмовій олії.Однак використовувана відстань між електродами може відповідати суворим вимогам, що обмежить промислові масштаби, тому ефективний метод ще потрібно розробити.
Наскільки нам відомо, дослідження дугового розряду з використанням мікрохвиль як методу синтезу нановуглеців обмежені.У той же час використання сирої пальмової олії як прекурсору до кінця не вивчено.Таким чином, це дослідження спрямоване на вивчення можливості виробництва магнітних нановуглеців із сирих прекурсорів пальмової олії за допомогою електричної дуги за допомогою мікрохвильової печі.Велика кількість пальмової олії має відображатися в нових продуктах і застосуваннях.Цей новий підхід до переробки пальмової олії може допомогти підняти економічний сектор і стати ще одним джерелом доходу для виробників пальмової олії, особливо це стосується плантацій пальмової олії дрібних фермерів.Згідно з дослідженням африканських дрібних власників, проведеним Айомпе та ін., дрібні власники заробляють більше грошей, якщо вони самі обробляють свіжі фрукти та продають сиру пальмову олію, а не продають її посередникам, що є дорогою та виснажливою роботою47.У той же час збільшення кількості закриття фабрик через COVID-19 вплинуло на продукти на основі пальмової олії.Цікаво, що оскільки більшість домогосподарств мають доступ до мікрохвильових печей, а метод, запропонований у цьому дослідженні, можна вважати здійсненним і доступним, виробництво МНК можна розглядати як альтернативу невеликим плантаціям пальмової олії.Тим часом у більшому масштабі компанії можуть інвестувати у великі реактори для виробництва великих ТНК.
Це дослідження в основному охоплює процес синтезу з використанням нержавіючої сталі як діелектричного середовища протягом різної тривалості.Більшість загальних досліджень з використанням мікрохвиль і нановуглеців свідчать про прийнятний час синтезу 30 хвилин або більше33,34.Щоб підтримати доступну та здійсненну практичну ідею, це дослідження мало на меті отримати МНК із часом синтезу нижче середнього.У той же час дослідження малює картину 3 рівня технологічної готовності, оскільки теорія доведена та впроваджена в лабораторному масштабі.Пізніше отримані МНК були охарактеризовані за їх фізичними, хімічними та магнітними властивостями.Потім використовували метиленовий синій для демонстрації адсорбційної здатності отриманих МНК.
Сира пальмова олія була отримана з Apas Balung Mill, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau, і використовується як попередник вуглецю для синтезу.У цьому випадку як діелектричне середовище використовувався дріт з нержавіючої сталі діаметром 0,90 мм.В якості каталізатора в даній роботі обрано фероцен (чистота 99%), отриманий від Sigma-Aldrich, США.Метиленовий синій (Bendosen, 100 г) далі використовували для експериментів з адсорбції.
У цьому дослідженні побутова мікрохвильова піч (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) була перетворена на мікрохвильовий реактор.У верхній частині мікрохвильової печі зробили три отвори для входу і виходу газу і термопари.Для запобігання нещасним випадкам зонди термопар були ізольовані керамічними трубками та розміщені в однакових умовах для кожного експерименту.Тим часом для розміщення зразків і трахеї використовували реактор із боросилікатного скла з кришкою з трьома отворами.Схематичну діаграму мікрохвильового реактора можна побачити на додатковому малюнку 1.
Використовуючи сиру пальмову олію як попередник вуглецю та фероцен як каталізатор, були синтезовані магнітні нановуглеці.Приблизно 5 мас.% фероценового каталізатора одержували методом суспензійного каталізатора.Фероцен змішували з 20 мл неочищеної пальмової олії при 60 об/хв протягом 30 хвилин.Потім суміш переносили в тигель з оксиду алюмінію, і дріт з нержавіючої сталі довжиною 30 см згортали і поміщали вертикально всередину тигля.Помістіть тигель з оксиду алюмінію в скляний реактор і надійно закріпіть його всередині мікрохвильової печі за допомогою герметичної скляної кришки.За 5 хвилин до початку реакції в камеру вдували азот, щоб видалити небажане повітря з камери.Потужність мікрохвиль була збільшена до 800 Вт, оскільки це максимальна потужність мікрохвиль, яка може підтримувати гарний запуск дуги.Отже, це може сприяти створенню сприятливих умов для синтетичних реакцій.У той же час, це також широко використовуваний діапазон потужності у ватах для реакцій мікрохвильового синтезу48,49.Суміш нагрівали протягом 10, 15 або 20 хвилин під час реакції.Після завершення реакції реактор і мікрохвильову піч природним чином охолоджували до кімнатної температури.Кінцевим продуктом у тиглі з оксиду алюмінію був чорний осад зі спіральними дротами.
Чорний осад збирали і кілька разів промивали по черзі етанолом, ізопропанолом (70%) і дистильованою водою.Після миття та очищення виріб сушиться протягом ночі при 80°C у звичайній духовці, щоб випарувати небажані забруднення.Потім продукт збирали для характеристики.Зразки, позначені як MNC10, MNC15 і MNC20, використовували для синтезу магнітних нановуглеців протягом 10 хв, 15 хв і 20 хв.
Спостерігайте за морфологією MNC за допомогою скануючого електронного мікроскопа з польовою емісією або FESEM (модель Zeiss Auriga) при збільшенні від 100 до 150 kX.Одночасно проводився аналіз елементного складу методом енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (ЕРС).Аналіз ЕМП проводився при робочій відстані 2,8 мм і прискорювальній напрузі 1 кВ.Питома площа поверхні та значення пор MNC були виміряні методом Брунауера-Еммета-Теллера (BET), включаючи ізотерму адсорбції-десорбції N2 при 77 К. Аналіз проводився за допомогою модельного вимірювача площі поверхні (MICROMERITIC ASAP 2020) .
Кристалічність і фазу магнітних нановуглеців визначали порошковою рентгенівською дифракцією або XRD (Burker D8 Advance) при λ = 0,154 нм.Дифрактограми записували між 2θ = 5 і 85° зі швидкістю сканування 2° хв-1.Крім того, хімічна структура МНК була досліджена за допомогою інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур’є (FTIR).Аналіз проводили за допомогою Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 зі швидкостями сканування в діапазоні від 4000 до 400 см-1.При вивченні структурних особливостей магнітних нановуглеців проводили спектроскопію КРС з використанням неодимового лазера (532 нм) в спектроскопії U-RAMAN з об’єктивом 100X.
Вібраційний магнітометр або VSM (серія Lake Shore 7400) використовувався для вимірювання магнітного насичення оксиду заліза в MNC.Було використано магнітне поле близько 8 кЕ і отримано 200 точок.
При вивченні потенціалу МНК як адсорбентів в адсорбційних експериментах використовували катіонний барвник метиленовий синій (МБ).МНК (20 мг) додавали до 20 мл водного розчину метиленового синього зі стандартними концентраціями в діапазоні 5–20 мг/л50.РН розчину встановлювали на нейтральному рН 7 протягом усього дослідження.Розчин механічно перемішували при 150 об/хв і 303,15 K на роторному шейкері (Lab Companion: SI-300R).Потім MNC відокремлюються за допомогою магніту.Використовуйте УФ-видимий спектрофотометр (Varian Cary 50 UV-Vis Spectrophotometer), щоб спостерігати концентрацію розчину МВ до та після експерименту з адсорбції та зверніться до стандартної кривої метиленового синього при максимальній довжині хвилі 664 нм.Експеримент повторювали три рази і давали середнє значення.Видалення MG з розчину розраховували за допомогою загального рівняння для кількості MC, адсорбованого при рівновазі qe, і відсотка видалення %.
Досліди по ізотермі адсорбції також проводили при перемішуванні різних концентрацій (5–20 мг/л) розчинів МГ і 20 мг адсорбенту при постійній температурі 293,15 К. мг для всіх МНК.
Залізо та магнітний вуглець широко вивчалися протягом останніх кількох десятиліть.Ці вуглецеві магнітні матеріали привертають все більшу увагу завдяки своїм відмінним електромагнітним властивостям, що веде до різноманітних потенційних технологічних застосувань, головним чином в електроприладах і обробці води.У цьому дослідженні нановуглеводні були синтезовані шляхом крекінгу вуглеводнів у сирій пальмовій олії за допомогою мікрохвильового розряду.Синтез проводили в різний час, від 10 до 20 хв, при фіксованому співвідношенні (5:1) прекурсора і каталізатора, використовуючи металевий струмоприймач (скручений SS) і частково інертний (небажано повітря, продуте азотом при початок експерименту).Отримані вуглецеві відкладення мають форму чорного твердого порошку, як показано на Додатковій рис. 2а.Виходи осадженого вуглецю становили приблизно 5,57%, 8,21% і 11,67% при тривалості синтезу 10 хвилин, 15 хвилин і 20 хвилин відповідно.Цей сценарій передбачає, що довший час синтезу сприяє вищим виходам51 — низьким виходам, швидше за все, через короткий час реакції та низьку активність каталізатора.
Між тим, графік залежності температури синтезу від часу для отриманих нановуглеців можна послатися на Додатковий малюнок 2b.Найвищі температури, отримані для MNC10, MNC15 і MNC20, становили 190,9°C, 434,5°C і 472°C відповідно.Для кожної кривої можна побачити крутий нахил, що вказує на постійне підвищення температури всередині реактора через тепло, що виділяється під час металевої дуги.Це можна побачити на 0–2 хв, 0–5 хв і 0–8 хв для MNC10, MNC15 і MNC20 відповідно.Після досягнення певної точки нахил продовжує коливатися до найвищої температури, і нахил стає помірним.
Для спостереження за рельєфом поверхні зразків MNC використовували польову емісійну скануючу електронну мікроскопію (FESEM).Як показано на рис.1, магнітні нановуглеці мають дещо іншу морфологічну структуру в інший час синтезу.Зображення FESEM MNC10 на рис.1a,b показують, що утворення вуглецевих сфер складається із заплутаних і прикріплених мікро- та наносфер через високий поверхневий натяг.У той же час наявність сил Ван-дер-Ваальса призводить до агрегації вуглецевих сфер52.Збільшення часу синтезу призвело до менших розмірів і збільшення кількості сфер через триваліші реакції крекінгу.На рис.1c видно, що MNC15 має майже ідеальну сферичну форму.Однак агреговані сфери все ще можуть утворювати мезопори, які пізніше можуть стати хорошими місцями для адсорбції метиленового синього.При великому збільшенні в 15 000 разів на рис. 1d можна побачити більше агломерованих вуглецевих сфер із середнім розміром 20,38 нм.
FESEM-зображення синтезованих нановуглеців через 10 хв (a, b), 15 хв (c, d) і 20 хв (e–g) при збільшенні 7000 і 15000 разів.
На рис.1e–g MNC20 зображує розвиток пор із маленькими сферами на поверхні магнітного вуглецю та повторює морфологію магнітного активованого вугілля53.На поверхні магнітного вуглецю хаотично розташовані пори різного діаметру і ширини.Таким чином, це може пояснити, чому MNC20 продемонстрував більшу площу поверхні та об’єм пор, як показав аналіз BET, оскільки на його поверхні утворилося більше пор, ніж в інший час синтетики.Мікрофотографії, зроблені при великому збільшенні в 15 000 разів, показали неоднорідні розміри частинок і неправильну форму, як показано на рис. 1g.Коли час росту збільшили до 20 хвилин, утворилося більше агломерованих сфер.
Цікаво, що скручені вугільні пластівці також були знайдені в тому ж районі.Діаметр куль змінювався від 5,18 до 96,36 нм.Це утворення може бути наслідком виникнення диференціального зародження, якому сприяють висока температура та мікрохвилі.Розрахований розмір сфери підготовлених МНК становив у середньому 20,38 нм для MNC10, 24,80 нм для MNC15 і 31,04 нм для MNC20.Розподіл сфер за розмірами показаний на додатковому рис.3.
На додатковому малюнку 4 показані спектри EDS і підсумкові відомості про елементний склад MNC10, MNC15 і MNC20 відповідно.Згідно зі спектрами було зазначено, що кожен нанокарбон містить різну кількість С, О та Fe.Це пов'язано з різними реакціями окислення та крекінгу, що відбуваються протягом додаткового часу синтезу.Вважається, що велика кількість C походить від попередника вуглецю, сирої пальмової олії.У той же час низький відсоток О зумовлений процесом окислення під час синтезу.Водночас Fe пов’язано з оксидом заліза, що осідає на поверхні нанокарбону після розкладання фероцену.Крім того, на Додатковому малюнку 5a–c показано відображення елементів MNC10, MNC15 і MNC20.На основі фундаментального відображення було помічено, що Fe добре розподілено по поверхні МНК.
Аналіз адсорбції-десорбції азоту дає інформацію про механізм адсорбції та пористу структуру матеріалу.Ізотерми адсорбції N2 та графіки поверхні МНК БЕТ наведені на рис.2. На основі зображень FESEM очікується, що адсорбційна поведінка демонструватиме комбінацію мікропористих і мезопористих структур через агрегацію.Однак графік на рис. 2 показує, що адсорбент нагадує ізотерму типу IV і петлю гістерезису типу H2 IUPAC55.Цей тип ізотерми часто схожий на ізотерму мезопористих матеріалів.Адсорбційна поведінка мезопор зазвичай визначається взаємодією реакцій адсорбції-адсорбції з молекулами конденсованої речовини.S-подібні або S-подібні ізотерми адсорбції зазвичай спричинені одношаровою-багатошаровою адсорбцією з наступним явищем, коли газ конденсується в рідку фазу в порах за тиску, нижчого від тиску насичення масової рідини, відомого як порова конденсація 56. Капілярна конденсація в порах відбувається при відносному тиску (p/po) вище 0,50.Тим часом складна структура пор демонструє гістерезис типу H2, який пояснюється закупоркою пор або витоком у вузькому діапазоні пор.
Фізичні параметри поверхні, отримані в результаті випробувань БЕТ, наведені в таблиці 1. Площа поверхні БЕТ і загальний об’єм пор значно збільшувалися зі збільшенням часу синтезу.Середні розміри пор MNC10, MNC15 і MNC20 становлять 7,2779 нм, 7,6275 нм і 7,8223 нм відповідно.Відповідно до рекомендацій IUPAC ці проміжні пори можна класифікувати як мезопористі матеріали.Мезопориста структура може зробити метиленовий синій легше проникним і адсорбованим MNC57.Максимальний час синтезу (MNC20) показав найвищу площу поверхні, потім MNC15 і MNC10.Більша площа поверхні BET може покращити ефективність адсорбції, оскільки доступно більше поверхнево-активних речовин.
Рентгенограми синтезованих МНК наведені на рис. 3. При високих температурах фероцен також розтріскується та утворює оксид заліза.На рис.3а показана рентгенограма MNC10.Він показує два піки при 2θ, 43,0° і 62,32°, які приписують ɣ-Fe2O3 (JCPDS № 39–1346).У той же час Fe3O4 має деформований пік при 2θ: 35,27°.З іншого боку, на дифракційній картині MHC15 на рис. 3b видно нові піки, які, швидше за все, пов’язані зі збільшенням температури та часу синтезу.Незважаючи на те, що пік 2θ: 26,202° менш інтенсивний, дифракційна картина узгоджується з графітовим файлом JCPDS (JCPDS #75–1621), що вказує на наявність кристалів графіту всередині нановуглецю.Цей пік відсутній у MNC10, можливо, через низьку температуру дуги під час синтезу.На 2θ є три часові піки: 30,082°, 35,502°, 57,422°, приписувані Fe3O4.Він також показує два піки, що вказують на присутність ɣ-Fe2O3 при 2θ: 43,102° і 62,632°.Для MNC, синтезованого протягом 20 хвилин (MNC20), як показано на рис. 3c, подібна дифракційна картина може спостерігатися в MNK15.Графічний пік на 26,382° також можна побачити в MNC20.Три гострі піки, показані на 2θ: 30,102°, 35,612°, 57,402°, належать для Fe3O4.Крім того, присутність ε-Fe2O3 показана при 2θ: 42,972° і 62,61.Наявність сполук оксиду заліза в отриманих МНК може мати позитивний вплив на здатність адсорбувати метиленовий синій у майбутньому.
Характеристики хімічних зв’язків у зразках MNC і CPO були визначені за спектрами відбиття FTIR на Додатковому рисунку 6. Спочатку шість важливих піків сирої пальмової олії представляли чотири різні хімічні компоненти, як описано в Додатковій таблиці 1. Основні піки, визначені в CPO становлять 2913,81 см-1, 2840 см-1 і 1463,34 см-1, які відносяться до CH валентних коливань алканів та інших аліфатичних CH2 або CH3 груп.Ідентифіковані пікові лесоутворювачі становлять 1740,85 см-1 і 1160,83 см-1.Пік при 1740,85 см-1 є зв'язком C=O, подовженим карбонілом складного ефіру тригліцеридної функціональної групи.Між тим, пік при 1160,83 см-1 є відбитком розширеної ефірної групи CO58,59.Тим часом пік при 813,54 см-1 є відбитком групи алканів.
Таким чином, деякі піки поглинання сирої пальмової олії зникали зі збільшенням часу синтезу.Піки при 2913,81 см-1 і 2840 см-1 все ще можна спостерігати в MNC10, але цікаво, що в MNC15 і MNC20 піки мають тенденцію зникати через окислення.Тим часом аналіз магнітних нановуглеців методом FTIR виявив новоутворені піки поглинання, що представляють п’ять різних функціональних груп MNC10-20.Ці піки також наведено в Додатковій таблиці 1. Пік при 2325,91 см-1 є асиметричним розтягуванням CH аліфатичної групи CH360.Пік при 1463,34-1443,47 см-1 показує викривлення CH2 і CH аліфатичних груп, таких як пальмова олія, але пік починає зменшуватися з часом.Пік при 813,54–875,35 см–1 є відбитком ароматичної CH-алканової групи.
Між тим, піки при 2101,74 см-1 і 1589,18 см-1 представляють зв'язки CC 61, що утворюють C=C алкінові та ароматичні кільця відповідно.Невеликий пік при 1695,15 см-1 показує зв'язок C=O вільної жирної кислоти з карбонільної групи.Його отримують з карбонілу CPO і фероцену під час синтезу.Новоутворені піки в діапазоні від 539,04 до 588,48 см-1 належать коливальному зв'язку Fe-O фероцену.Виходячи з піків, показаних на Додатковому малюнку 4, можна побачити, що час синтезу може зменшити кілька піків і повторне зв’язування в магнітних нанокарбонах.
Спектроскопічний аналіз комбінаційного розсіяння магнітних нановуглеців, отриманих у різний час синтезу з використанням падаючого лазера з довжиною хвилі 514 нм, показано на рисунку 4. Усі спектри MNC10, MNC15 та MNC20 складаються з двох інтенсивних смуг, пов’язаних із вуглецем із низьким значенням sp3, зазвичай знайдено в кристалітах нанографіту з дефектами коливальних мод вуглецю sp262.Перший пік, розташований в області 1333–1354 см–1, являє собою несприятливу для ідеального графіту D-смугу, яка відповідає структурному безладу та іншим домішкам63,64.Другий найважливіший пік навколо 1537–1595 см-1 виникає внаслідок розтягування зв’язку в площині або кристалічних і впорядкованих форм графіту.Однак пік змістився приблизно на 10 см-1 порівняно зі смугою G графіту, що вказує на те, що МНК мають низький порядок укладання листів і дефектну структуру.Відносні інтенсивності смуг D і G (ID/IG) використовуються для оцінки чистоти кристалітів і зразків графіту.Відповідно до раманівського спектроскопічного аналізу, усі МНК мали значення ID/IG у діапазоні 0,98–0,99, що вказує на структурні дефекти через гібридизацію Sp3.Ця ситуація може пояснити наявність менш інтенсивних піків 2θ у спектрах XPA: 26,20° для MNK15 та 26,28° для MNK20, як показано на рис. 4, який присвоєно піку графіту у файлі JCPDS.Отримані в цій роботі співвідношення ID/IG MNC знаходяться в діапазоні інших магнітних нановуглеців, наприклад, 0,85–1,03 для гідротермального методу та 0,78–0,9665,66 для піролітичного методу.Таким чином, це співвідношення вказує на те, що даний метод синтезу може бути широко використаний.
Магнітні характеристики МНК аналізували за допомогою вібраційного магнітометра.Отриманий гістерезис показаний на рис.5.Як правило, МНК набувають магнетизму від фероцену в процесі синтезу.Ці додаткові магнітні властивості можуть збільшити адсорбційну здатність нановуглеців у майбутньому.Як показано на малюнку 5, зразки можна ідентифікувати як суперпарамагнітні матеріали.Відповідно до Wahajuddin & Arora67, суперпарамагнітний стан полягає в тому, що зразок намагнічується до намагніченості насичення (MS), коли прикладається зовнішнє магнітне поле.Пізніше залишкові магнітні взаємодії більше не з’являються у зразках67.Слід зазначити, що намагніченість насичення зростає з часом синтезу.Цікаво, що MNC15 має найвищу магнітну насиченість, оскільки сильне магнітне утворення (намагніченість) може бути спричинене оптимальним часом синтезу в присутності зовнішнього магніту.Це може бути пов’язано з наявністю Fe3O4, який має кращі магнітні властивості порівняно з іншими оксидами заліза, такими як ɣ-Fe2O.Порядок адсорбційного моменту насичення на одиницю маси МНК MNC15>MNC10>MNC20.Отримані магнітні параметри наведені в табл.2.
Мінімальне значення магнітного насичення при використанні в магнітній сепарації звичайних магнітів становить близько 16,3 ему г-1.Здатність МНК видаляти такі забруднення, як барвники у водному середовищі, і легкість видалення МНК стали додатковими факторами для отриманих нановуглеців.Дослідження показали, що магнітне насичення LSM вважається високим.Таким чином, всі зразки досягли значень магнітного насичення, більш ніж достатніх для процедури магнітної сепарації.
Останнім часом металеві стрічки або дроти привернули увагу як каталізатори або діелектрики в процесах мікрохвильового синтезу.Мікрохвильові реакції металів викликають високі температури або реакції всередині реактора.У цьому дослідженні стверджується, що наконечник і кондиціонований (згорнутий) дріт з нержавіючої сталі сприяють мікрохвильовому розряду та нагріванню металу.Нержавіюча сталь має виражену шорсткість на кінчику, що призводить до високих значень поверхневої щільності заряду і зовнішнього електричного поля.Коли заряд набере достатньої кінетичної енергії, заряджені частинки вистрибнуть із нержавіючої сталі, викликаючи іонізацію навколишнього середовища, створюючи розряд або іскру 68 .Розряд металу робить значний внесок у реакції крекінгу розчину, що супроводжуються високотемпературними гарячими точками.Згідно з температурною картою на Додатковому малюнку 2b, температура швидко зростає, що вказує на наявність високотемпературних гарячих точок на додаток до явища сильного розряду.
У цьому випадку спостерігається тепловий ефект, оскільки слабозв'язані електрони можуть рухатися і концентруватися на поверхні і на кінчику69.Коли нержавіюча сталь намотується, велика площа поверхні металу в розчині допомагає викликати вихрові струми на поверхні матеріалу та підтримує ефект нагрівання.Ця умова ефективно сприяє розщепленню довгих вуглецевих ланцюгів CPO та фероцену та фероцену.Як показано на Додатковому малюнку 2b, постійна швидкість температури вказує на те, що в розчині спостерігається рівномірний ефект нагрівання.
Запропонований механізм утворення МНК показаний на Додатковому малюнку 7. Довгі вуглецеві ланцюги CPO і фероцену починають тріскатися при високій температурі.Нафта розпадається з утворенням розщеплених вуглеводнів, які стають попередниками вуглецю, відомими як глобули на зображенні FESEM MNC1070.За рахунок енергії навколишнього середовища і тиску 71 в атмосферних умовах.При цьому фероцен також розтріскується, утворюючи каталізатор з атомів вуглецю, що осідають на Fe.Потім відбувається швидке зародження, і вуглецеве ядро окислюється з утворенням аморфного та графітного вуглецевого шару поверх ядра.З плином часу розмір кулі стає більш точним і рівномірним.У той же час існуючі сили Ван-дер-Ваальса також призводять до агломерації сфер52.Під час відновлення іонів Fe до Fe3O4 та ɣ-Fe2O3 (за даними рентгенофазового аналізу) на поверхні нановуглеців утворюються різні типи оксидів заліза, що призводить до утворення магнітних нановуглеців.Картування EDS показало, що атоми Fe були сильно розподілені по поверхні MNC, як показано на додаткових малюнках 5a-c.
Різниця полягає в тому, що при часу синтезу 20 хвилин відбувається агрегація вуглецю.Він утворює більші пори на поверхні МНК, що свідчить про те, що МНК можна розглядати як активоване вугілля, як показано на зображеннях FESEM на рис. 1e–g.Ця різниця в розмірах пор може бути пов'язана з внеском оксиду заліза з фероцену.При цьому через досягнуту високу температуру виникають деформовані лусочки.Магнітні нановуглеці демонструють різну морфологію в різний час синтезу.Нановуглеці, швидше за все, утворюють сферичні форми з меншим часом синтезу.При цьому пори і лусочки досяжні, хоча різниця в часі синтезу становить лише 5 хвилин.
Магнітні нановуглеці можуть видаляти забруднюючі речовини з водного середовища.Здатність їх легко видалятися після використання є додатковим фактором для використання отриманих у цій роботі нановуглеців як адсорбентів.Вивчаючи адсорбційні властивості магнітних нановуглеців, ми досліджували здатність МНК знебарвлювати розчини метиленового синього (MB) при 30°C без будь-якого регулювання pH.Кілька досліджень дійшли висновку, що продуктивність вуглецевих абсорбентів у температурному діапазоні 25–40 °C не відіграє важливої ролі у визначенні видалення MC.Хоча екстремальні значення рН відіграють важливу роль, на поверхневих функціональних групах можуть утворюватися заряди, що призводить до порушення взаємодії адсорбат-адсорбент і впливає на адсорбцію.Тому в цьому дослідженні були обрані вищевказані умови, враховуючи ці ситуації та потребу в типовій обробці стічних вод.
У цій роботі був проведений експеримент з періодичної адсорбції шляхом додавання 20 мг МНК до 20 мл водного розчину метиленового синього з різними стандартними початковими концентраціями (5–20 ppm) за фіксованого часу контакту60.На додатковому малюнку 8 показано стан різних концентрацій (5–20 ppm) розчинів метиленового синього до та після обробки MNC10, MNC15 та MNC20.При використанні різних MNC рівень кольору розчинів MB знижувався.Цікаво, що було виявлено, що MNC20 легко знебарвлює розчини MB у концентрації 5 ppm.Між тим, MNC20 також знизив рівень кольору рішення MB порівняно з іншими MNC.УФ-видимий спектр MNC10-20 показаний на додатковому малюнку 9. Тим часом швидкість видалення та інформація про адсорбцію показані на малюнку 9.6 і в таблиці 3 відповідно.
Сильні піки метиленового синього можна знайти при 664 нм і 600 нм.Як правило, інтенсивність піку поступово зменшується зі зменшенням початкової концентрації розчину МГ.На додатковому фіг. 9а показані УФ-видимі спектри розчинів MB різних концентрацій після обробки MNC10, яка лише незначно змінила інтенсивність піків.З іншого боку, піки поглинання розчинів MB значно зменшилися після обробки MNC15 і MNC20, як показано на додаткових малюнках 9b і c відповідно.Ці зміни чітко видно при зниженні концентрації розчину МГ.Однак спектральні зміни, досягнуті всіма трьома магнітними вуглецями, були достатніми для видалення барвника метиленового синього.
Базуючись на таблиці 3, результати для кількості адсорбованого MC та відсотка адсорбованого MC показані на рис. 3. 6. Адсорбція MG зросла з використанням вищих початкових концентрацій для всіх MNC.Тим часом, відсоток адсорбції або швидкість видалення MB (MBR) показав протилежну тенденцію, коли початкова концентрація зростала.При менших початкових концентраціях МЦ на поверхні адсорбенту залишалися незайняті активні центри.Зі збільшенням концентрації барвника кількість незайнятих активних центрів, доступних для адсорбції молекул барвника, буде зменшуватися.Інші дійшли висновку, що за цих умов буде досягнуто насичення активних центрів біосорбції72.
На жаль для MNC10, MBR збільшився та зменшився після 10 ppm розчину MB.При цьому адсорбується лише дуже мала частина МГ.Це означає, що 10 ppm є оптимальною концентрацією для адсорбції MNC10.Для всіх MNC, досліджених у цій роботі, порядок адсорбційної ємності був наступним: MNC20 > MNC15 > MNC10, середні значення склали 10,36 мг/г, 6,85 мг/г і 0,71 мг/г, середня швидкість видалення MG. становив 87, 79%, 62,26% і 5,75%.Таким чином, MNC20 продемонстрував найкращі адсорбційні характеристики серед синтезованих магнітних нановуглеців з урахуванням адсорбційної здатності та УФ-видимого спектру.Хоча адсорбційна здатність нижча порівняно з іншими магнітними нановуглецями, такими як магнітний композит MWCNT (11,86 мг/г) і галлуазитові нанотрубки-магнітні наночастинки Fe3O4 (18,44 мг/г), це дослідження не потребує додаткового використання стимулятора.Хімічні речовини діють як каталізатори.забезпечення чистих і можливих синтетичних методів73,74.
Як показують значення SBET МНК, висока питома поверхня забезпечує більше активних центрів для адсорбції розчину MB.Це стає однією з фундаментальних особливостей синтетичних нановуглеців.У той же час, завдяки малим розмірам МНК, час синтезу є малим і прийнятним, що відповідає основним якостям перспективних адсорбентів75.Порівняно зі звичайними природними адсорбентами, синтезовані МНК магнітно насичені і можуть бути легко видалені з розчину під дією зовнішнього магнітного поля76.Таким чином, скорочується час, необхідний для всього процесу лікування.
Ізотерми адсорбції важливі для розуміння процесу адсорбції, а потім для демонстрації того, як адсорбат розподіляється між рідкою та твердою фазами, коли досягається рівновага.Рівняння Ленгмюра та Фрейндліха використовуються як стандартні ізотермічні рівняння, які пояснюють механізм адсорбції, як показано на малюнку 7. Модель Ленгмюра добре показує утворення єдиного шару адсорбату на зовнішній поверхні адсорбенту.Ізотерми найкраще описуються як однорідні адсорбційні поверхні.У той же час ізотерма Фрейндліха найкраще визначає участь кількох областей адсорбенту та енергію адсорбції в притисненні адсорбата до неоднорідної поверхні.
Модель ізотерми для ізотерми Ленгмюра (a–c) та ізотерми Фрейндліха (d–f) для MNC10, MNC15 та MNC20.
Ізотерми адсорбції при низьких концентраціях розчиненої речовини зазвичай лінійні77.Лінійне представлення моделі ізотерми Ленгмюра можна виразити у вигляді рівняння.1 Визначити параметри адсорбції.
KL (л/мг) є константою Ленгмюра, що представляє афінність зв’язування MB з MNC.Між тим, qmax — максимальна адсорбційна здатність (мг/г), qe — адсорбована концентрація MC (мг/г), а Ce — рівноважна концентрація розчину MC.Лінійний вираз моделі ізотерми Фрейндліха можна описати таким чином:
Час публікації: 16 лютого 2023 р