Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Използвате версия на браузър с ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Освен това, за да осигурим постоянна поддръжка, показваме сайта без стилове и JavaScript.
Показва въртележка от три слайда наведнъж.Използвайте бутоните Предишен и Следващ, за да преминете през три слайда наведнъж, или използвайте бутоните на плъзгача в края, за да преминете през три слайда наведнъж.
Съществуването на метали, излъчвани от микровълнова радиация, е спорно, тъй като металите лесно се запалват.Но интересното е, че изследователите откриха, че феноменът на дъговия разряд предлага обещаващ път за синтез на наноматериали чрез разделяне на молекули.Това проучване разработва едноетапен, но достъпен синтетичен метод, който комбинира микровълново нагряване и електрическа дъга за превръщане на суровото палмово масло в магнитен нановъглерод (MNC), който може да се счита за нова алтернатива за производството на палмово масло.Той включва синтез на среда с постоянно навита тел от неръждаема стомана (диелектрична среда) и фероцен (катализатор) при частично инертни условия.Този метод е успешно демонстриран за нагряване в температурния диапазон от 190,9 до 472,0°C с различни времена на синтез (10-20 минути).Прясно приготвените МНК показват сфери със среден размер 20,38–31,04 nm, мезопореста структура (SBET: 14,83–151,95 m2/g) и високо съдържание на фиксиран въглерод (52,79–71,24 тегл.%), както и D и G ленти (ID/g) 0,98–0,99.Образуването на нови пикове в FTIR спектъра (522.29–588.48 cm–1) свидетелства в полза на наличието на FeO съединения във фероцена.Магнитометрите показват високо насищане на намагнитване (22,32–26,84 emu/g) във феромагнитни материали.Използването на МНК при пречистване на отпадъчни води е доказано чрез оценка на техния адсорбционен капацитет с помощта на тест за адсорбция с метиленово синьо (MB) при различни концентрации от 5 до 20 ppm.MNCs, получени по време на синтеза (20 минути), показват най-висока ефективност на адсорбция (10,36 mg/g) в сравнение с други, а степента на отстраняване на багрилото MB е 87,79%.Следователно стойностите на Langmuir не са оптимистични в сравнение със стойностите на Freundlich, като R2 е около 0,80, 0,98 и 0,99 за MNCs, синтезирани съответно на 10 минути (MNC10), 15 минути (MNC15) и 20 минути (MNC20).Следователно адсорбционната система е в хетерогенно състояние.Следователно микровълновата дъга предлага обещаващ метод за превръщане на CPO в MNC, който може да премахне вредните багрила.
Микровълновото лъчение може да загрее най-вътрешните части на материалите чрез молекулярното взаимодействие на електромагнитните полета.Този микровълнов отговор е уникален с това, че насърчава бърз и равномерен топлинен отговор.По този начин е възможно да се ускори процесът на нагряване и да се засилят химичните реакции2.В същото време, поради по-краткото време за реакция, микровълновата реакция може в крайна сметка да произведе продукти с висока чистота и висок добив3,4.Благодарение на удивителните си свойства, микровълновото лъчение улеснява интересни микровълнови синтези, които се използват в много изследвания, включително химични реакции и синтез на наноматериали5,6.По време на процеса на нагряване диелектричните свойства на акцептора вътре в средата играят решаваща роля, тъй като създава гореща точка в средата, което води до образуването на нановъглероди с различна морфология и свойства.Проучване на Omoriyekomwan et al.Производство на кухи въглеродни нановлакна от палмови ядки с помощта на активен въглен и азот8.В допълнение, Фу и Хамид определят използването на катализатор за производството на активен въглен от палмово масло в микровълнова фурна 350 W9.Следователно подобен подход може да се използва за превръщане на суровото палмово масло в MNC чрез въвеждане на подходящи чистачи.
Наблюдаван е интересен феномен между микровълновото лъчение и металите с остри ръбове, точки или субмикроскопични неравности10.Наличието на тези два обекта ще бъде повлияно от електрическа дъга или искра (обикновено наричана дъгов разряд)11,12.Дъгата ще насърчи образуването на по-локализирани горещи точки и ще повлияе на реакцията, като по този начин ще подобри химическия състав на околната среда13.Този специфичен и интересен феномен привлече различни изследвания като отстраняване на замърсители 14, 15, крекинг на катран от биомаса 16, микровълнова пиролиза 17, 18 и синтез на материали 19, 20, 21.
Напоследък нановъглероди като въглеродни нанотръби, въглеродни наносфери и модифициран редуциран графенов оксид привлякоха вниманието поради техните свойства.Тези нановъглероди имат голям потенциал за приложения, вариращи от производство на електроенергия до пречистване на вода или обеззаразяване23.Освен това са необходими отлични въглеродни свойства, но в същото време са необходими добри магнитни свойства.Това е много полезно за многофункционални приложения, включително висока адсорбция на метални йони и багрила при пречистване на отпадъчни води, магнитни модификатори в биогорива и дори високоефективни микровълнови абсорбери24,25,26,27,28.В същото време тези въглероди имат друго предимство, включително увеличаване на повърхността на активното място на пробата.
През последните години изследванията на магнитни нановъглеродни материали се увеличават.Обикновено тези магнитни нановъглероди са многофункционални материали, съдържащи наноразмерни магнитни материали, които могат да предизвикат реакция на външни катализатори, като външни електростатични или променливи магнитни полета29.Благодарение на техните магнитни свойства, магнитните нановъглероди могат да се комбинират с широка гама от активни съставки и сложни структури за имобилизация30.Междувременно магнитните нановъглероди (MNC) показват отлична ефективност при адсорбиране на замърсители от водни разтвори.В допълнение, високата специфична повърхност и порите, образувани в MNC, могат да увеличат адсорбционния капацитет31.Магнитните сепаратори могат да отделят МНК от силно реактивни разтвори, превръщайки ги в жизнеспособен и управляем сорбент32.
Няколко изследователи са показали, че висококачествени нановъглероди могат да бъдат произведени с помощта на сурово палмово масло33,34.Палмовото масло, научно известно като Elais Guneensis, се счита за едно от важните хранителни масла с производство от около 76,55 милиона тона през 2021 г.35. Суровото палмово масло или CPO съдържа балансирано съотношение на ненаситени мастни киселини (EFA) и наситени мастни киселини (Сингапурски парични власти).Повечето от въглеводородите в CPO са триглицериди, глицерид, съставен от три триглицерид ацетатни компонента и един глицеролов компонент36.Тези въглеводороди могат да бъдат обобщени поради огромното им съдържание на въглерод, което ги прави потенциални зелени прекурсори за производство на нановъглероди37.Според литературата, CNT37,38,39,40, въглеродните наносфери33,41 и графен34,42,43 обикновено се синтезират с помощта на сурово палмово масло или хранително масло.Тези нановъглероди имат голям потенциал в приложения, вариращи от производство на електроенергия до пречистване или обеззаразяване на вода.
Термичният синтез като CVD38 или пиролиза33 се превърна в благоприятен метод за разлагане на палмово масло.За съжаление, високите температури в процеса оскъпяват производството.Производството на предпочитания материал 44 изисква дълги, досадни процедури и методи на почистване.Необходимостта от физическо разделяне и крекинг обаче е неоспорима поради добрата стабилност на суровото палмово масло при високи температури45.Следователно все още са необходими по-високи температури за превръщането на суровото палмово масло във въглеродни материали.Течната дъга може да се счита за най-добрият потенциал и нов метод за синтез на магнитен нановъглерод 46 .Този подход осигурява директна енергия за прекурсори и разтвори в силно възбудени състояния.Дъговият разряд може да причини разкъсване на въглеродните връзки в суровото палмово масло.Въпреки това, използваното разстояние между електродите може да се наложи да отговаря на строги изисквания, което ще ограничи индустриалния мащаб, така че все още трябва да се разработи ефективен метод.
Доколкото ни е известно, изследванията върху електродъговия разряд с помощта на микровълни като метод за синтезиране на нановъглероди са ограничени.В същото време използването на сурово палмово масло като прекурсор не е напълно проучено.Следователно, това проучване има за цел да проучи възможността за производство на магнитни нановъглероди от сурови прекурсори на палмово масло с помощта на електрическа дъга с помощта на микровълнова фурна.Изобилието от палмово масло трябва да се отрази в нови продукти и приложения.Този нов подход към рафинирането на палмово масло може да помогне за стимулиране на икономическия сектор и да бъде друг източник на доходи за производителите на палмово масло, особено засегнатите плантации с палмово масло на дребните фермери.Според проучване на африкански дребни стопани от Ayompe et al., дребните стопани печелят повече пари само ако сами обработват клъстери от пресни плодове и продават сурово палмово масло, вместо да го продават на посредници, което е скъпа и досадна работа47.В същото време увеличаването на затварянето на фабрики поради COVID-19 се отрази върху продуктите за приложение на базата на палмово масло.Интересното е, че тъй като повечето домакинства имат достъп до микровълнови печки и методът, предложен в това проучване, може да се счита за осъществим и достъпен, производството на MNC може да се разглежда като алтернатива на малките плантации за палмово масло.Междувременно в по-голям мащаб компаниите могат да инвестират в големи реактори, за да произвеждат големи ТНК.
Това проучване обхваща основно процеса на синтез, използващ неръждаема стомана като диелектрична среда за различни продължителности.Повечето общи изследвания, използващи микровълни и нановъглероди, предполагат приемливо време за синтез от 30 минути или повече33,34.За да подкрепи достъпна и осъществима практическа идея, това проучване имаше за цел да получи MNC с времена на синтез под средното.В същото време проучването рисува картина на ниво на технологична готовност 3, тъй като теорията е доказана и внедрена в лабораторен мащаб.По-късно получените МНК се характеризират с техните физични, химични и магнитни свойства.След това се използва метиленово синьо за демонстриране на адсорбционния капацитет на получените MNC.
Суровото палмово масло се получава от Apas Balung Mill, Sawit Kinabalu Sdn.Bhd., Tawau, и се използва като въглероден прекурсор за синтез.В този случай като диелектрична среда се използва тел от неръждаема стомана с диаметър 0,90 mm.Фероцен (чистота 99%), получен от Sigma-Aldrich, САЩ, беше избран като катализатор в тази работа.Метиленово синьо (Bendosen, 100 g) беше допълнително използвано за адсорбционни експерименти.
В това проучване домакинска микровълнова фурна (Panasonic: SAM-MG23K3513GK) беше превърната в микровълнов реактор.В горната част на микровълновата фурна са направени три отвора за вход и изход на газ и термодвойка.Сондите на термодвойките бяха изолирани с керамични тръби и поставени при едни и същи условия за всеки експеримент, за да се предотвратят инциденти.Междувременно беше използван реактор от боросиликатно стъкло с капак с три отвора за поставяне на пробите и трахеята.Схематична диаграма на микровълнов реактор може да бъде посочена в допълнителна фигура 1.
Използвайки сурово палмово масло като въглероден прекурсор и фероцен като катализатор, бяха синтезирани магнитни нановъглероди.Около 5% тегловни от фероценовия катализатор се получава по метода на суспензионния катализатор.Фероценът се смесва с 20 ml сурово палмово масло при 60 rpm за 30 минути.След това сместа се прехвърля в тигел с алуминиев оксид и 30 cm дълга тел от неръждаема стомана се навива и поставя вертикално вътре в тигела.Поставете алуминиевия тигел в стъкления реактор и го закрепете здраво вътре в микровълновата фурна със запечатан стъклен капак.В камерата се продухва азот 5 минути преди началото на реакцията, за да се отстрани нежеланият въздух от камерата.Микровълновата мощност е увеличена до 800 W, защото това е максималната микровълнова мощност, която може да поддържа добър старт на дъгата.Следователно това може да допринесе за създаването на благоприятни условия за синтетични реакции.В същото време това също е широко използван диапазон на мощност във ватове за реакции на микровълнов синтез 48, 49.Сместа се нагрява за 10, 15 или 20 минути по време на реакцията.След завършване на реакцията, реакторът и микровълновата печка се охлаждат естествено до стайна температура.Крайният продукт в тигела с алуминиев оксид беше черна утайка със спирални нишки.
Черната утайка се събира и се промива няколко пъти последователно с етанол, изопропанол (70%) и дестилирана вода.След измиване и почистване, продуктът се суши една нощ при 80°C в конвенционална фурна, за да се изпарят нежеланите замърсявания.След това продуктът беше събран за характеризиране.Проби, означени с MNC10, MNC15 и MNC20, бяха използвани за синтезиране на магнитни нановъглероди за 10 минути, 15 минути и 20 минути.
Наблюдавайте морфологията на MNC със сканиращ електронен микроскоп с полеви емисии или FESEM (модел Zeiss Auriga) при увеличение от 100 до 150 kX.В същото време елементният състав беше анализиран чрез енергийно-дисперсионна рентгенова спектроскопия (EDS).Анализът на ЕМП е извършен при работно разстояние от 2,8 mm и ускоряващо напрежение от 1 kV.Стойностите на специфичната повърхност и MNC на порите бяха измерени по метода на Brunauer-Emmett-Teller (BET), включително изотермата на адсорбция-десорбция на N2 при 77 K. Анализът беше извършен с помощта на модел на измервател на повърхността (MICROMERITIC ASAP 2020) .
Кристалността и фазата на магнитните нановъглероди се определят чрез рентгенова прахова дифракция или XRD (Burker D8 Advance) при λ = 0.154 nm.Дифрактограмите се записват между 2θ = 5 и 85° при скорост на сканиране от 2° min-1.В допълнение, химическата структура на MNCs беше изследвана с помощта на инфрачервена спектроскопия с преобразуване на Фурие (FTIR).Анализът беше извършен с помощта на Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 със скорости на сканиране, вариращи от 4000 до 400 cm-1.При изследване на структурните характеристики на магнитните нановъглероди, Raman спектроскопията беше извършена с помощта на неодимов легиран лазер (532 nm) в U-RAMAN спектроскопия с 100X обектив.
Използван е вибриращ магнитометър или VSM (серия Lake Shore 7400) за измерване на магнитното насищане на железен оксид в MNC.Използвано е магнитно поле от около 8 kOe и са получени 200 точки.
При изследване на потенциала на МНК като адсорбенти в адсорбционни експерименти беше използвано катионното багрило метиленово синьо (MB).MNC (20 mg) се добавят към 20 ml воден разтвор на метиленово синьо със стандартни концентрации в диапазона 5–20 mg/L50.рН на разтвора се настройва на неутрално рН от 7 по време на изследването.Разтворът се разбърква механично при 150 rpm и 303.15 K на ротационен шейкър (Lab Companion: SI-300R).След това MNC се разделят с помощта на магнит.Използвайте UV-видим спектрофотометър (Varian Cary 50 UV-Vis спектрофотометър), за да наблюдавате концентрацията на MB разтвора преди и след адсорбционния експеримент и се обърнете към стандартната крива на метиленово синьо при максимална дължина на вълната от 664 nm.Експериментът се повтаря три пъти и се дава средната стойност.Отстраняването на MG от разтвора се изчислява с помощта на общото уравнение за количеството MC, адсорбирано при равновесие qe и процента на отстраняване %.
Проведени са и експерименти върху изотермата на адсорбция при разбъркване на различни концентрации (5–20 mg/l) разтвори на MG и 20 mg адсорбент при постоянна температура от 293,15 K. mg за всички MNC.
Желязото и магнитният въглерод са широко изследвани през последните няколко десетилетия.Тези базирани на въглерод магнитни материали привличат все повече внимание поради отличните си електромагнитни свойства, което води до различни потенциални технологични приложения, главно в електрически уреди и пречистване на вода.В това изследване нановъглеродите са синтезирани чрез крекинг на въглеводороди в сурово палмово масло с помощта на микровълнов разряд.Синтезът се провежда в различно време, от 10 до 20 минути, при фиксирано съотношение (5:1) на прекурсора и катализатора, като се използва метален колектор на ток (усукан SS) и частично инертен (нежелан въздух, продухван с азот при началото на експеримента).Получените въглеродни отлагания са под формата на черен твърд прах, както е показано на допълнителна фигура 2а.Добивите на утаен въглерод са приблизително 5,57%, 8,21% и 11,67% при времена на синтез съответно 10 минути, 15 минути и 20 минути.Този сценарий предполага, че по-дългите времена на синтез допринасят за по-високи добиви51 - ниски добиви, най-вероятно поради кратко време за реакция и ниска активност на катализатора.
Междувременно, графика на температурата на синтеза спрямо времето за получените нановъглероди може да бъде посочена в допълнителна фигура 2b.Най-високите температури, получени за MNC10, MNC15 и MNC20 са съответно 190.9°C, 434.5°C и 472°C.За всяка крива може да се види стръмен наклон, което показва постоянно повишаване на температурата вътре в реактора поради топлината, генерирана по време на металната дъга.Това може да се види съответно на 0–2 минути, 0–5 минути и 0–8 минути за MNC10, MNC15 и MNC20.След достигане на определена точка наклонът продължава да се движи до най-високата температура и наклонът става умерен.
Използвана е полево-емисионна сканираща електронна микроскопия (FESEM) за наблюдение на повърхностната топография на MNC пробите.Както е показано на фиг.1, магнитните нановъглероди имат малко по-различна морфологична структура в различно време на синтез.Изображения на FESEM MNC10 на фиг.1a, b показват, че образуването на въглеродни сфери се състои от заплетени и прикрепени микро- и наносфери поради високо повърхностно напрежение.В същото време наличието на сили на Ван дер Ваалс води до агрегиране на въглеродни сфери52.Увеличаването на времето за синтез доведе до по-малки размери и увеличаване на броя на сферите поради по-дълги реакции на крекинг.На фиг.1c показва, че MNC15 има почти идеална сферична форма.Въпреки това, агрегираните сфери все още могат да образуват мезопори, които по-късно могат да станат добри места за адсорбция на метиленово синьо.При голямо увеличение от 15 000 пъти на фиг. 1d могат да се видят повече въглеродни сфери агломерирани със среден размер от 20,38 nm.
FESEM изображения на синтезирани нановъглероди след 10 минути (a, b), 15 минути (c, d) и 20 минути (e–g) при 7000 и 15000 пъти увеличение.
На фиг.1e–g MNC20 изобразява развитието на пори с малки сфери на повърхността на магнитния въглен и сглобява отново морфологията на магнитния активен въглен53.Порите с различни диаметри и ширини са произволно разположени на повърхността на магнитния въглерод.Следователно, това може да обясни защо MNC20 показва по-голяма повърхностна площ и обем на порите, както е показано от BET анализ, тъй като на повърхността му се образуват повече пори, отколкото в други синтетични времена.Микрографи, направени при голямо увеличение от 15 000 пъти, показват нехомогенни размери на частиците и неправилни форми, както е показано на Фиг. 1g.Когато времето за растеж се увеличи до 20 минути, се образуват повече агломерирани сфери.
Интересното е, че в същия район са намерени и усукани въглеродни люспи.Диаметърът на сферите варира от 5,18 до 96,36 nm.Това образуване може да се дължи на появата на диференциална нуклеация, която се улеснява от висока температура и микровълни.Изчисленият размер на сферата на подготвените MNC е средно 20.38 nm за MNC10, 24.80 nm за MNC15 и 31.04 nm за MNC20.Разпределението на размера на сферите е показано на допълнителната фигура.3.
Допълнителна фигура 4 показва EDS спектрите и резюметата на елементния състав на MNC10, MNC15 и MNC20, съответно.Според спектрите беше отбелязано, че всеки нановъглерод съдържа различно количество C, O и Fe.Това се дължи на различните реакции на окисление и крекинг, протичащи по време на допълнителното време за синтез.Смята се, че голямо количество C идва от прекурсора на въглерода, суровото палмово масло.Междувременно ниският процент на O се дължи на процеса на окисление по време на синтеза.В същото време Fe се приписва на железен оксид, отложен върху повърхността на нанокарбона след разлагане на фероцен.В допълнение, допълнителна фигура 5a-c показва картографирането на MNC10, MNC15 и MNC20 елементи.Въз основа на фундаментално картографиране се наблюдава, че Fe е добре разпределен по повърхността на MNC.
Азотният адсорбционно-десорбционен анализ предоставя информация за механизма на адсорбция и порестата структура на материала.Изотермите на адсорбция на N2 и графиките на повърхността на MNC BET са показани на фиг.2. Въз основа на изображенията на FESEM се очаква поведението на адсорбция да показва комбинация от микропорести и мезопорести структури поради агрегация.Графиката на Фиг. 2 обаче показва, че адсорбентът наподобява изотермата от тип IV и хистерезисната верига от тип H2 на IUPAC55.Този тип изотерма често е подобна на тази на мезопорестите материали.Адсорбционното поведение на мезопорите обикновено се определя от взаимодействието на адсорбционно-адсорбционните реакции с молекулите на кондензираната материя.S-образни или S-образни адсорбционни изотерми обикновено се причиняват от еднослойна-многослойна адсорбция, последвана от явление, при което газът кондензира в течна фаза в порите при налягания под налягането на насищане на обемната течност, известно като кондензация на порите 56. Капилярна кондензация в порите възниква при относителни налягания (p/po) над 0,50.Междувременно сложната структура на порите проявява хистерезис от тип Н2, който се дължи на запушване на порите или изтичане в тесен диапазон от пори.
Физическите параметри на повърхността, получени от BET тестовете, са показани в таблица 1. BET повърхностната площ и общият обем на порите се увеличават значително с увеличаване на времето за синтез.Средните размери на порите на MNC10, MNC15 и MNC20 са съответно 7,2779 nm, 7,6275 nm и 7,8223 nm.Съгласно препоръките на IUPAC, тези междинни пори могат да бъдат класифицирани като мезопорести материали.Мезопорестата структура може да направи метиленово синьо по-лесно пропускливо и адсорбирано от MNC57.Максималното време за синтез (MNC20) показва най-високата повърхностна площ, следвана от MNC15 и MNC10.По-високата BET повърхност може да подобри ефективността на адсорбция, тъй като са налични повече повърхностноактивни места.
Рентгеновите дифракционни модели на синтезираните МНК са показани на Фиг. 3. При високи температури фероценът също се напуква и образува железен оксид.На фиг.3а показва XRD образец на MNC10.Той показва два пика при 2θ, 43,0° и 62,32°, които са приписани на ɣ-Fe2O3 (JCPDS #39–1346).В същото време Fe3O4 има напрегнат пик при 2θ: 35,27°.От друга страна, в дифракционната картина на MHC15 на Фиг. 3b се показват нови пикове, които най-вероятно са свързани с повишаване на температурата и времето за синтез.Въпреки че пикът 2θ: 26.202° е по-малко интензивен, дифракционният модел е в съответствие с графитния JCPDS файл (JCPDS #75–1621), което показва наличието на графитни кристали в нанокарбона.Този пик липсва в MNC10, вероятно поради ниската температура на дъгата по време на синтеза.При 2θ има три времеви пика: 30,082°, 35,502°, 57,422°, приписани на Fe3O4.Той също така показва два пика, показващи наличието на ɣ-Fe2O3 при 2θ: 43,102° и 62,632°.За MNC, синтезиран за 20 минути (MNC20), както е показано на Фиг. 3c, подобен дифракционен модел може да се наблюдава в MNK15.Графичният пик при 26,382° може да се види и в MNC20.Трите остри пика, показани при 2θ: 30.102°, 35.612°, 57.402° са за Fe3O4.В допълнение, присъствието на ε-Fe2O3 е показано при 2θ: 42,972° и 62,61.Наличието на съединения на железен оксид в получените МНК може да има положителен ефект върху способността за адсорбиране на метиленово синьо в бъдеще.
Характеристиките на химическата връзка в пробите MNC и CPO бяха определени от спектрите на отражение на FTIR в допълнителна фигура 6. Първоначално шестте важни пика на суровото палмово масло представляваха четири различни химични компонента, както е описано в допълнителна таблица 1. Основните пикове, идентифицирани в CPO са 2913.81 cm-1, 2840 cm-1 и 1463.34 cm-1, които се отнасят до CH разтягащи вибрации на алкани и други алифатни CH2 или CH3 групи.Идентифицираните върхови гори са 1740,85 cm-1 и 1160,83 cm-1.Пикът при 1740,85 cm-1 е C=O връзка, удължена от естерния карбонил на триглицеридната функционална група.Междувременно, пикът при 1160.83 cm-1 е отпечатъкът на разширената CO58.59 естерна група.Междувременно пикът при 813,54 cm-1 е отпечатъкът на алкановата група.
Следователно, някои пикове на абсорбция в суровото палмово масло изчезнаха с увеличаване на времето за синтез.Пикове при 2913,81 cm-1 и 2840 cm-1 все още могат да се наблюдават в MNC10, но е интересно, че в MNC15 и MNC20 пиковете са склонни да изчезват поради окисление.Междувременно, FTIR анализ на магнитни нановъглероди разкри новоформирани пикове на абсорбция, представляващи пет различни функционални групи на MNC10-20.Тези пикове също са изброени в допълнителна таблица 1. Пикът при 2325,91 cm-1 е асиметричното CH разтягане на CH360 алифатната група.Пикът при 1463.34-1443.47 cm-1 показва CH2 и CH огъване на алифатни групи като палмово масло, но пикът започва да намалява с времето.Пикът при 813,54–875,35 cm–1 е отпечатък на ароматната CH-алканова група.
Междувременно, пиковете при 2101.74 cm-1 и 1589.18 cm-1 представляват CC 61 връзки, образуващи C=C алкинови и ароматни пръстени, съответно.Малък пик при 1695.15 cm-1 показва C=O връзката на свободната мастна киселина от карбонилната група.Получава се от CPO карбонил и фероцен по време на синтеза.Новообразуваните пикове в диапазона от 539.04 до 588.48 cm-1 принадлежат на Fe-O вибрационната връзка на фероцена.Въз основа на пиковете, показани на допълнителна фигура 4, може да се види, че времето за синтез може да намали няколко пика и повторно свързване в магнитни нановъглероди.
Спектроскопският анализ на рамановото разсейване на магнитни нановъглероди, получени в различни моменти на синтез с помощта на падащ лазер с дължина на вълната 514 nm, е показан на Фигура 4. Всички спектри на MNC10, MNC15 и MNC20 се състоят от две интензивни ленти, свързани с нисък sp3 въглерод, обикновено намерени в нанографитни кристалити с дефекти във вибрационните режими на въглеродни видове sp262.Първият пик, разположен в областта 1333–1354 cm–1, представлява D лентата, която е неблагоприятна за идеалния графит и съответства на структурно разстройство и други примеси63,64.Вторият най-важен пик около 1537–1595 cm-1 възниква от разтягане на връзката в равнината или кристални и подредени графитни форми.Въпреки това, пикът се измества с около 10 cm-1 в сравнение с графитната G лента, което показва, че MNC имат нисък ред на подреждане на листа и дефектна структура.Относителният интензитет на D и G лентите (ID/IG) се използва за оценка на чистотата на кристалити и графитни проби.Според Raman спектроскопски анализ, всички MNC имат ID/IG стойности в диапазона от 0,98–0,99, което показва структурни дефекти, дължащи се на Sp3 хибридизация.Тази ситуация може да обясни наличието на по-малко интензивни 2θ пикове в XPA спектрите: 26.20° за MNK15 и 26.28° за MNK20, както е показано на Фиг. 4, което е присвоено на графитния пик в JCPDS файла.Съотношенията ID/IG MNC, получени в тази работа, са в диапазона на други магнитни нановъглероди, например 0.85–1.03 за хидротермалния метод и 0.78–0.9665.66 за пиролитичния метод.Следователно това съотношение показва, че настоящият синтетичен метод може да се използва широко.
Магнитните характеристики на MNC бяха анализирани с помощта на вибриращ магнитометър.Полученият хистерезис е показан на фиг.5.По правило МНК придобиват своя магнетизъм от фероцен по време на синтеза.Тези допълнителни магнитни свойства могат да увеличат адсорбционния капацитет на нановъглеродите в бъдеще.Както е показано на фигура 5, пробите могат да бъдат идентифицирани като суперпарамагнитни материали.Според Wahajuddin & Arora67 суперпарамагнитното състояние е, че пробата е намагнетизирана до намагнитване на насищане (MS), когато се приложи външно магнитно поле.По-късно остатъчните магнитни взаимодействия вече не се появяват в пробите67.Трябва да се отбележи, че намагнитването на насищане се увеличава с времето на синтез.Интересното е, че MNC15 има най-високото магнитно насищане, тъй като силното магнитно образуване (намагнитване) може да бъде причинено от оптимално време за синтез в присъствието на външен магнит.Това може да се дължи на наличието на Fe3O4, който има по-добри магнитни свойства в сравнение с други железни оксиди като ɣ-Fe2O.Редът на адсорбционния момент на насищане за единица маса MNC е MNC15>MNC10>MNC20.Получените магнитни параметри са дадени в табл.2.
Минималната стойност на магнитното насищане при използване на конвенционални магнити в магнитната сепарация е около 16,3 emu g-1.Способността на МНК да премахват замърсители като багрила във водната среда и лекотата на отстраняване на МНК се превърнаха в допълнителни фактори за получените нановъглероди.Проучванията показват, че магнитното насищане на LSM се счита за високо.Така всички проби достигнаха стойности на магнитно насищане, повече от достатъчни за процедурата на магнитно разделяне.
Наскоро метални ленти или жици привлякоха вниманието като катализатори или диелектрици в процесите на микровълнов синтез.Микровълновите реакции на металите причиняват високи температури или реакции в реактора.Това проучване твърди, че върхът и кондиционираната (навита) тел от неръждаема стомана улесняват микровълновото разреждане и нагряването на метала.Неръждаемата стомана има изразена грапавост на върха, което води до високи стойности на повърхностна плътност на заряда и външно електрическо поле.Когато зарядът придобие достатъчна кинетична енергия, заредените частици ще изскочат от неръждаемата стомана, причинявайки йонизация на околната среда, произвеждайки разряд или искра 68 .Отделянето на метал има значителен принос за реакциите на крекинг на разтвора, придружени от високотемпературни горещи точки.Съгласно температурната карта в допълнителна фигура 2b, температурата се повишава бързо, което показва наличието на високотемпературни горещи точки в допълнение към явлението силен разряд.
В този случай се наблюдава топлинен ефект, тъй като слабо свързаните електрони могат да се движат и концентрират на повърхността и на върха69.Когато неръждаемата стомана е навита, голямата повърхностна площ на метала в разтвора помага за предизвикване на вихрови токове на повърхността на материала и поддържа ефекта на нагряване.Това състояние ефективно помага за разцепването на дългите въглеродни вериги на CPO и фероцена и фероцена.Както е показано на допълнителна фигура 2b, постоянна скорост на температурата показва, че в разтвора се наблюдава равномерен ефект на нагряване.
Предложен механизъм за образуване на MNCs е показан на допълнителна фигура 7. Дългите въглеродни вериги на CPO и фероцен започват да се напукват при висока температура.Маслото се разгражда, за да образува разделени въглеводороди, които стават въглеродни прекурсори, известни като глобули в изображението на FESEM MNC1070.Дължи се на енергията на околната среда и налягането 71 в атмосферните условия.В същото време фероценът също се напуква, образувайки катализатор от въглеродни атоми, отложени върху Fe.След това настъпва бързо зараждане и въглеродното ядро се окислява, за да образува аморфен и графитен въглероден слой върху ядрото.С течение на времето размерът на сферата става по-прецизен и еднакъв.В същото време съществуващите сили на Ван дер Ваалс също водят до агломерация на сфери52.По време на редукция на Fe йони до Fe3O4 и ɣ-Fe2O3 (според рентгенофазов анализ), различни видове железни оксиди се образуват на повърхността на нановъглеродите, което води до образуването на магнитни нановъглероди.EDS картографирането показа, че Fe атомите са силно разпределени по повърхността на MNC, както е показано на допълнителни фигури 5a-c.
Разликата е, че при време на синтез от 20 минути се получава въглеродна агрегация.Той образува по-големи пори на повърхността на MNCs, което предполага, че MNCs могат да се разглеждат като активен въглен, както е показано на FESEM изображенията на Фиг. 1e-g.Тази разлика в размерите на порите може да е свързана с приноса на железен оксид от фероцен.В същото време, поради достигната висока температура, има деформирани люспи.Магнитните нановъглероди показват различни морфологии при различни времена на синтез.Нановъглеродите са по-склонни да образуват сферични форми с по-кратки времена за синтез.В същото време порите и люспите са постижими, въпреки че разликата във времето за синтез е само в рамките на 5 минути.
Магнитните нановъглероди могат да премахнат замърсителите от водната среда.Способността им да бъдат лесно отстранени след употреба е допълнителен фактор за използването на нановъглеродите, получени в тази работа, като адсорбенти.При изучаване на адсорбционните свойства на магнитните нановъглероди, ние изследвахме способността на MNCs да обезцветяват разтвори на метиленово синьо (MB) при 30 ° C без никаква корекция на pH.Няколко проучвания заключиха, че работата на въглеродните абсорбенти в температурния диапазон от 25–40 °C не играе важна роля при определяне на отстраняването на MC.Въпреки че екстремните стойности на pH играят важна роля, зарядите могат да се образуват на повърхностните функционални групи, което води до нарушаване на взаимодействието адсорбат-адсорбент и засяга адсорбцията.Следователно горните условия бяха избрани в това проучване, като се има предвид тези ситуации и необходимостта от типично пречистване на отпадъчни води.
В тази работа беше проведен експеримент за партидна адсорбция чрез добавяне на 20 mg MNC към 20 ml воден разтвор на метиленово синьо с различни стандартни начални концентрации (5–20 ppm) при фиксирано време на контакт60.Допълнителна фигура 8 показва състоянието на различни концентрации (5–20 ppm) на разтвори на метиленово синьо преди и след третиране с MNC10, MNC15 и MNC20.При използване на различни MNC нивото на цвета на MB решенията намалява.Интересното е, че беше установено, че MNC20 лесно обезцветява разтворите на MB при концентрация от 5 ppm.Междувременно MNC20 също понижи нивото на цвета на MB решението в сравнение с други MNC.UV видимият спектър на MNC10-20 е показан на допълнителна фигура 9. Междувременно скоростта на отстраняване и информацията за адсорбция са показани съответно на фигура 9.6 и в таблица 3.
Силни пикове на метиленово синьо могат да бъдат намерени при 664 nm и 600 nm.Като правило, интензитетът на пика постепенно намалява с намаляване на първоначалната концентрация на MG разтвора.В допълнителната фигура 9а са показани UV-видимите спектри на MB разтвори с различни концентрации след третиране с MNC10, което само леко променя интензитета на пиковете.От друга страна, пиковете на абсорбция на MB разтворите намаляват значително след третиране с MNC15 и MNC20, както е показано съответно на допълнителни фигури 9b и c.Тези промени се виждат ясно, когато концентрацията на MG разтвора намалява.Въпреки това, спектралните промени, постигнати от трите магнитни въглерода, бяха достатъчни за отстраняване на багрилото метиленово синьо.
Въз основа на Таблица 3, резултатите за количеството на адсорбирания MC и процента на адсорбирания MC са показани на Фиг. 3. 6. Адсорбцията на MG се увеличава с използването на по-високи първоначални концентрации за всички MNC.Междувременно, процентът на адсорбция или степента на отстраняване на MB (MBR) показва обратна тенденция, когато първоначалната концентрация се увеличи.При по-ниски първоначални концентрации на МС незаетите активни места остават на повърхността на адсорбента.Тъй като концентрацията на багрилото се увеличава, броят на незаетите активни места, налични за адсорбция на молекулите на багрилото, ще намалее.Други заключиха, че при тези условия ще се постигне насищане на активните центрове на биосорбция72.
За съжаление за MNC10, MBR се увеличава и намалява след 10 ppm от MB разтвор.В същото време само много малка част от MG се адсорбира.Това показва, че 10 ppm е оптималната концентрация за адсорбция на MNC10.За всички МНК, изследвани в тази работа, редът на адсорбционния капацитет е следният: MNC20 > MNC15 > MNC10, средните стойности са 10,36 mg/g, 6,85 mg/g и 0,71 mg/g, средната скорост на отстраняване на MG е 87, 79%, 62,26% и 5,75%.По този начин MNC20 демонстрира най-добрите адсорбционни характеристики сред синтезираните магнитни нановъглероди, като се вземе предвид адсорбционният капацитет и UV-видимият спектър.Въпреки че адсорбционният капацитет е по-нисък в сравнение с други магнитни нановъглеводороди като MWCNT магнитен композит (11,86 mg/g) и халоазитни нанотръби-магнитни Fe3O4 наночастици (18,44 mg/g), това изследване не изисква допълнителна употреба на стимулант.Химикалите действат като катализатори.осигуряване на чисти и осъществими синтетични методи73,74.
Както се вижда от стойностите на SBET на MNCs, високата специфична повърхност осигурява по-активни места за адсорбция на MB разтвора.Това се превръща в една от основните характеристики на синтетичните нановъглероди.В същото време, поради малкия размер на МНК, времето за синтез е кратко и приемливо, което съответства на основните качества на обещаващите адсорбенти75.В сравнение с конвенционалните естествени адсорбенти, синтезираните МНК са магнитно наситени и могат лесно да бъдат отстранени от разтвора под действието на външно магнитно поле76.По този начин се намалява времето, необходимо за целия процес на лечение.
Изотермите на адсорбция са от съществено значение за разбиране на процеса на адсорбция и след това за демонстриране как адсорбатът се разделя между течната и твърдата фаза, когато се достигне равновесие.Уравненията на Langmuir и Freundlich се използват като стандартни изотермични уравнения, които обясняват механизма на адсорбция, както е показано на Фигура 7. Моделът на Langmuir добре показва образуването на един слой адсорбат върху външната повърхност на адсорбента.Изотермите се описват най-добре като хомогенни адсорбционни повърхности.В същото време изотермата на Фройндлих най-добре определя участието на няколко адсорбционни области и адсорбционната енергия при притискане на адсорбата към нехомогенна повърхност.
Моделна изотерма за изотермата на Langmuir (a–c) и изотермата на Freundlich (d–f) за MNC10, MNC15 и MNC20.
Изотермите на адсорбция при ниски концентрации на разтворено вещество обикновено са линейни77.Линейното представяне на модела на изотермата на Langmuir може да бъде изразено в уравнение.1 Определете параметрите на адсорбция.
KL (l/mg) е константа на Langmuir, представляваща афинитета на свързване на MB към MNC.Междувременно qmax е максималният адсорбционен капацитет (mg/g), qe е адсорбираната концентрация на MC (mg/g), а Ce е равновесната концентрация на MC разтвора.Линейният израз на модела на изотермата на Фройндлих може да бъде описан, както следва:
Време на публикуване: 16 февруари 2023 г