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금속은 쉽게 발화하기 때문에 마이크로파 방사선에 의해 방출되는 금속의 존재 여부는 논란의 여지가 있습니다.그러나 흥미로운 점은 연구진이 아크 방전 현상이 분자를 분할하여 나노물질을 합성하는 유망한 경로를 제공한다는 사실을 발견했다는 것입니다.본 연구는 팜유 생산을 위한 새로운 대안으로 간주될 수 있는 원유 팜유를 자성 나노탄소(MNC)로 전환하기 위해 마이크로파 가열과 전기 아크를 결합하는 원스텝이면서 저렴한 합성 방법을 개발하고 있습니다.이는 부분적으로 불활성인 조건에서 영구적으로 감겨진 스테인레스 스틸 와이어(유전체 매체)와 페로센(촉매)이 포함된 매체의 합성을 포함합니다.이 방법은 다양한 합성 시간(10~20분)으로 190.9~472.0°C의 온도 범위에서 가열하는 데 성공적으로 입증되었습니다.새로 준비된 MNC는 평균 크기 20.38~31.04nm, 메조다공성 구조(SBET: 14.83~151.95m2/g), 높은 고정 탄소 함량(52.79~71.24wt.%), D 및 G를 갖는 구체를 보여주었습니다. 밴드(ID/g) 0.98~0.99.FTIR 스펙트럼(522.29–588.48 cm–1)에서 새로운 피크의 형성은 페로센에 FeO 화합물이 존재한다는 것을 입증합니다.자력계는 강자성 물질에서 높은 자화 포화도(22.32–26.84 emu/g)를 보여줍니다.폐수 처리에 MNC를 사용하는 것은 5~20ppm의 다양한 농도에서 메틸렌 블루(MB) 흡착 테스트를 사용하여 흡착 용량을 평가함으로써 입증되었습니다.합성시간(20분)에 얻은 MNC는 다른 MNC에 비해 가장 높은 흡착효율(10.36 mg/g)을 나타냈으며, MB 염료 제거율은 87.79%였다.따라서 Langmuir 값은 Freundlich 값에 비해 낙관적이지 않으며 R2는 각각 10분(MNC10), 15분(MNC15) 및 20분(MNC20)에 합성된 MNC에 대해 약 0.80, 0.98 및 0.99입니다.결과적으로 흡착 시스템은 이질적인 상태에 있습니다.따라서 마이크로파 아크는 CPO를 유해한 염료를 제거할 수 있는 MNC로 전환하는 유망한 방법을 제공합니다.
마이크로파 복사는 전자기장의 분자 상호작용을 통해 재료의 가장 안쪽 부분을 가열할 수 있습니다.이 마이크로파 반응은 빠르고 균일한 열 반응을 촉진한다는 점에서 독특합니다.따라서 가열 과정의 속도를 높이고 화학 반응을 향상시키는 것이 가능합니다2.동시에, 더 짧은 반응 시간으로 인해 마이크로파 반응은 궁극적으로 고순도 및 높은 수율의 제품을 생산할 수 있습니다3,4.놀라운 특성으로 인해 마이크로파 방사선은 화학 반응 및 나노물질5,6의 합성을 비롯한 많은 연구에 사용되는 흥미로운 마이크로파 합성을 촉진합니다.가열 과정에서 매체 내부의 수용체의 유전 특성은 매체에 핫스팟을 생성하여 다양한 형태와 특성을 가진 나노카본을 형성하기 때문에 결정적인 역할을 합니다.Omoriyekomwan 등의 연구.활성탄과 질소를 이용한 야자핵으로부터 중공탄소나노섬유 생산8.또한 Fu와 Hamid는 350W9 전자레인지에서 기름야자 섬유 활성탄을 생산하기 위한 촉매의 사용을 결정했습니다.따라서 적절한 제거제를 도입하여 원유 팜유를 MNC로 전환하는 데 유사한 접근 방식을 사용할 수 있습니다.
마이크로파 방사선과 날카로운 모서리, 점 또는 미세한 불규칙성을 가진 금속 사이에서 흥미로운 현상이 관찰되었습니다10.이 두 물체의 존재는 전기 아크 또는 스파크(일반적으로 아크 방전이라고 함)의 영향을 받습니다11,12.아크는 보다 국부적인 핫스팟의 형성을 촉진하고 반응에 영향을 미쳐 환경의 화학적 구성을 개선합니다13.이 특별하고 흥미로운 현상은 오염물질 제거14,15, 바이오매스 타르 분해16, 마이크로파 보조 열분해17,18 및 물질 합성19,20,21과 같은 다양한 연구를 불러일으켰습니다.
최근에는 탄소나노튜브, 탄소나노스피어, 변형환원그래핀옥사이드 등의 나노카본이 그 특성으로 인해 주목받고 있다.이러한 나노카본은 발전부터 수질 정화 또는 오염 제거에 이르기까지 다양한 응용 분야에 큰 잠재력을 갖고 있습니다23.또한, 우수한 탄소특성이 요구되지만, 동시에 우수한 자기특성도 요구됩니다.이는 폐수 처리에서 금속 이온 및 염료의 높은 흡착, 바이오 연료의 자기 변형제 및 심지어 고효율 마이크로파 흡수체24,25,26,27,28를 포함한 다기능 응용 분야에 매우 유용합니다.동시에, 이러한 탄소는 샘플의 활성 부위의 표면적 증가를 포함하여 또 다른 이점을 가지고 있습니다.
최근에는 자성나노카본재료에 대한 연구가 증가하고 있다.일반적으로 이러한 자성 나노카본은 외부 정전기 또는 교류 자기장과 같은 외부 촉매가 반응하도록 할 수 있는 나노 크기의 자성 물질을 포함하는 다기능 물질입니다.자성 특성으로 인해 자성 나노카본은 다양한 활성 성분 및 고정화를 위한 복잡한 구조와 결합될 수 있습니다30.한편, 자성나노카본(MNC)은 수용액에서 오염물질을 흡착하는 데 탁월한 효율을 보인다.또한 MNC에 형성된 높은 비표면적과 기공은 흡착 용량을 증가시킬 수 있습니다.자기 분리기는 반응성이 높은 용액에서 MNC를 분리하여 실행 가능하고 관리 가능한 흡착제로 전환할 수 있습니다32.
몇몇 연구자들은 원시 팜유를 사용하여 고품질 나노카본을 생산할 수 있음을 입증했습니다33,34.과학적으로 Elais Guneensis로 알려진 팜유는 2021년에 약 7,655만 톤을 생산하는 중요한 식용유 중 하나로 간주됩니다35. 조야자유(CPO)에는 불포화지방산(EFA)과 포화지방산이 균형 잡힌 비율로 함유되어 있습니다. (싱가포르 통화청).CPO에 있는 대부분의 탄화수소는 트리글리세리드입니다. 트리글리세리드는 3개의 트리글리세라이드 아세테이트 성분과 1개의 글리세롤 성분으로 구성된 글리세리드입니다36.이러한 탄화수소는 탄소 함량이 높기 때문에 일반화될 수 있으며, 이는 나노탄소 생산을 위한 잠재적인 녹색 전구체가 됩니다37.문헌에 따르면 CNT37,38,39,40, 탄소 나노구체33,41 및 그래핀34,42,43은 일반적으로 원유 팜유 또는 식용유를 사용하여 합성됩니다.이러한 나노카본은 발전에서부터 수질 정화 또는 오염 제거에 이르는 응용 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
CVD38 또는 열분해33와 같은 열합성은 팜유 분해에 유리한 방법이 되었습니다.불행하게도 공정의 높은 온도로 인해 생산 비용이 증가합니다.바람직한 재료(44)를 생산하려면 길고 지루한 절차와 세척 방법이 필요합니다.그러나 고온에서 팜유 원유의 우수한 안정성으로 인해 물리적 분리 및 분해의 필요성은 부인할 수 없습니다45.따라서 조악한 팜유를 탄소질 물질로 전환하려면 더 높은 온도가 여전히 필요합니다.액체 아크는 자성나노카본46 합성을 위한 최고의 잠재력과 새로운 방법으로 간주될 수 있다.이 접근법은 매우 여기된 상태의 전구체 및 용액에 직접적인 에너지를 제공합니다.아크 방전으로 인해 팜유의 탄소 결합이 끊어질 수 있습니다.그러나 사용되는 전극 간격은 엄격한 요구 사항을 충족해야 할 수 있으며, 이는 산업 규모를 제한하므로 효율적인 방법을 여전히 개발해야 합니다.
우리가 아는 한, 나노카본 합성 방법으로 마이크로파를 사용하는 아크 방전에 대한 연구는 제한적입니다.동시에, 조야자유를 전구체로 사용하는 방법은 완전히 연구되지 않았습니다.따라서 본 연구에서는 전자레인지를 이용한 전기 아크를 이용하여 팜유 원료 전구체로부터 자성 나노카본을 생산할 수 있는 가능성을 탐색하는 것을 목표로 한다.팜유의 풍부함은 새로운 제품과 용도에 반영되어야 합니다.팜유 정제에 대한 이 새로운 접근 방식은 경제 부문을 활성화하는 데 도움이 될 수 있으며 팜유 생산자, 특히 소규모 농민의 팜유 농장에 영향을 미치는 또 다른 수입원이 될 수 있습니다.Ayompe 등의 아프리카 소규모 자작농에 대한 연구에 따르면, 소규모 자작농은 비용이 많이 들고 지루한 작업인 중개자에게 판매하는 대신 신선한 과일 클러스터를 직접 가공하고 생팜유를 판매하는 경우에만 더 많은 돈을 벌 수 있습니다47.동시에, 코로나19로 인한 공장 폐쇄 증가는 팜유 기반 응용 제품에도 영향을 미쳤습니다.흥미롭게도 대부분의 가구가 전자레인지를 사용할 수 있고 본 연구에서 제안한 방법은 실현 가능하고 저렴한 것으로 간주될 수 있으므로 MNC 생산은 소규모 팜유 농장의 대안으로 간주될 수 있습니다.한편, 대규모로 기업은 대형 TNC를 생산하기 위해 대형 원자로에 투자할 수 있습니다.
본 연구에서는 다양한 기간 동안 스테인리스강을 유전 매체로 사용하는 합성 공정을 주로 다루고 있습니다.마이크로파와 나노카본을 사용한 대부분의 일반적인 연구에서는 허용 가능한 합성 시간이 30분 이상이라고 제안합니다33,34.접근 가능하고 실행 가능한 실용적인 아이디어를 지원하기 위해 이 연구는 평균 합성 시간 미만의 MNC를 얻는 것을 목표로 했습니다.동시에, 이 연구는 이론이 실험실 규모에서 입증되고 구현됨에 따라 기술 준비도 레벨 3의 그림을 그립니다.나중에 생성된 MNC는 물리적, 화학적, 자기적 특성을 특징으로 합니다.그런 다음 메틸렌 블루를 사용하여 생성된 MNC의 흡착 용량을 입증했습니다.
팜유는 Sawit Kinabalu Sdn.의 Apas Balung Mill에서 얻었습니다.Bhd., Tawau, 합성을 위한 탄소 전구체로 사용됩니다.이 경우 유전체 매체로는 직경 0.90mm의 스테인레스 스틸 와이어를 사용했습니다.이번 연구에서는 미국 Sigma-Aldrich에서 구입한 Ferrocene(순도 99%)을 촉매로 선택했습니다.흡착 실험에는 메틸렌 블루(Bendosen, 100g)를 추가로 사용했습니다.
본 연구에서는 가정용 전자레인지(Panasonic: SAM-MG23K3513GK)를 마이크로파 반응기로 개조하였다.전자레인지 상부에는 가스의 유입 및 배출과 열전대를 위한 구멍 3개를 뚫었습니다.열전대 프로브는 세라믹 튜브로 절연되어 있으며 사고 방지를 위해 각 실험마다 동일한 조건에 배치되었습니다.한편, 3개 구멍 뚜껑이 있는 붕규산 유리 반응기를 사용하여 샘플과 기관을 수용했습니다.마이크로파 반응기의 개략도는 보충 그림 1에서 참조할 수 있습니다.
팜유를 탄소 전구체로 사용하고 페로센을 촉매로 사용하여 자성 나노카본을 합성했습니다.페로센 촉매의 약 5 중량%를 슬러리 촉매법으로 제조하였다.페로센을 조야자유 20ml와 60rpm에서 30분 동안 혼합했습니다.이어서, 혼합물을 알루미나 도가니에 옮기고, 30cm 길이의 스테인레스 스틸 와이어를 감아 도가니 내부에 수직으로 놓았다.알루미나 도가니를 유리 반응기에 넣고 밀봉된 유리 뚜껑이 있는 전자레인지 내부에 단단히 고정합니다.챔버로부터 불필요한 공기를 제거하기 위해 반응 시작 5분 전에 질소를 챔버 내로 불어넣었습니다.마이크로파 전력은 양호한 아크 시작을 유지할 수 있는 최대 마이크로파 전력이기 때문에 800W로 증가되었습니다.그러므로 이는 합성반응에 유리한 조건을 조성하는데 기여할 수 있다.동시에, 이는 마이크로파 융합 반응을 위해 널리 사용되는 전력 범위(와트)이기도 합니다48,49.반응이 진행되는 동안 혼합물을 10, 15 또는 20분 동안 가열했습니다.반응이 완료된 후 반응기와 마이크로웨이브를 상온으로 자연 냉각시켰다.알루미나 도가니의 최종 생성물은 나선형 와이어가 있는 검은색 침전물이었습니다.
검은 침전물을 수집하고 에탄올, 이소프로판올(70%) 및 증류수로 교대로 여러 번 세척했습니다.세척 및 세척 후 제품을 일반 오븐에서 80°C로 밤새 건조하여 원하지 않는 불순물을 증발시킵니다.그런 다음 특성화를 위해 제품을 수집했습니다.MNC10, MNC15, MNC20으로 라벨링된 샘플을 사용하여 10분, 15분, 20분 동안 자성 나노카본을 합성했습니다.
전계 방출 주사 전자 현미경 또는 FESEM(Zeiss Auriga 모델)을 사용하여 100~150kX 배율로 MNC 형태를 관찰합니다.동시에 에너지 분산형 X선 분광법(EDS)으로 원소 조성을 분석했습니다.EMF 분석은 2.8mm의 작동 거리와 1kV의 가속 전압에서 수행되었습니다.비표면적과 MNC 기공값은 77K에서 N2의 흡착-탈착 등온선을 포함하는 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 방법으로 측정하였다. 분석은 모델 표면적 측정기(MICROMERITIC ASAP 2020)를 사용하여 수행하였다. .
자성 나노카본의 결정화도와 위상은 λ = 0.154 nm에서 X선 분말 회절 또는 XRD(Burker D8 Advance)에 의해 결정되었습니다.회절도는 2° min-1의 스캔 속도로 2θ = 5와 85° 사이에서 기록되었습니다.또한, 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 사용하여 MNC의 화학 구조를 조사했습니다.분석은 스캔 속도가 4000~400cm-1인 Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400을 사용하여 수행되었습니다.자성 나노카본의 구조적 특징을 연구할 때 100X 대물렌즈를 사용하는 U-RAMAN 분광학에서 네오디뮴 첨가 레이저(532 nm)를 사용하여 라만 분광학을 수행했습니다.
진동 자력계 또는 VSM(Lake Shore 7400 시리즈)을 사용하여 MNC에서 산화철의 자기 포화도를 측정했습니다.약 8 kOe의 자기장을 사용하였고 200점을 얻었다.
흡착 실험에서 흡착제로서 MNC의 잠재력을 연구할 때 양이온 염료 메틸렌 블루(MB)가 사용되었습니다.MNC(20mg)를 5~20mg/L50 범위의 표준 농도를 갖는 메틸렌 블루 수용액 20ml에 첨가했습니다.용액의 pH는 연구 전반에 걸쳐 중성 pH 7로 설정되었습니다.용액을 회전식 진탕기(Lab Companion: SI-300R)에서 150rpm 및 303.15K로 기계적으로 교반했습니다.그런 다음 MNC는 자석을 사용하여 분리됩니다.UV-가시광선 분광광도계(Varian Cary 50 UV-Vis Spectrophotometer)를 사용하여 흡착 실험 전후의 MB 용액의 농도를 관찰하고, 최대 파장 664 nm에서 메틸렌 블루 표준 곡선을 참조하십시오.실험은 3회 반복하여 평균값을 주었다.용액으로부터의 MG 제거율은 평형 qe에서 흡착된 MC 양과 제거율(%)에 대한 일반 방정식을 사용하여 계산되었습니다.
모든 MNC에 대해 293.15K mg의 일정한 온도에서 다양한 농도(5-20mg/l)의 MG 용액과 20mg의 흡착제를 교반하면서 흡착 등온선에 대한 실험도 수행되었습니다.
철과 자성 탄소는 지난 수십 년 동안 광범위하게 연구되었습니다.이러한 탄소계 자성재료는 우수한 전자기적 특성으로 인해 주목을 받고 있으며, 주로 전기제품, 수처리 분야 등 다양한 기술 응용이 가능합니다.본 연구에서는 마이크로파 방전을 사용하여 팜유의 탄화수소를 분해하여 나노카본을 합성했습니다.합성은 금속 집전체(트위스트 SS)와 부분적으로 불활성(질소로 퍼지된 바람직하지 않은 공기)을 사용하여 전구체와 촉매의 고정된 비율(5:1)에서 10분에서 20분까지 서로 다른 시간에 수행되었습니다. 실험 시작).생성된 탄소질 침전물은 보충 그림 2a에 표시된 것처럼 검은색 고체 분말 형태입니다.침전된 탄소 수율은 합성 시간 10분, 15분, 20분에서 각각 약 5.57%, 8.21%, 11.67%였습니다.이 시나리오는 긴 합성 시간이 더 높은 수율에 기여한다는 것을 시사합니다51. 낮은 수율은 짧은 반응 시간과 낮은 촉매 활성으로 인해 발생했을 가능성이 높습니다.
한편, 획득된 나노카본에 대한 합성 온도 대 시간의 플롯은 보충 그림 2b에서 참조할 수 있습니다.MNC10, MNC15 및 MNC20에서 얻은 최고 온도는 각각 190.9°C, 434.5°C 및 472°C였습니다.각 곡선에 대해 가파른 경사를 볼 수 있는데, 이는 금속 아크 중에 발생하는 열로 인해 반응기 내부 온도가 지속적으로 상승함을 나타냅니다.이는 MNC10, MNC15 및 MNC20의 경우 각각 0~2분, 0~5분, 0~8분에 볼 수 있습니다.특정 지점에 도달한 후 경사는 계속해서 최고 온도까지 맴돌며 경사가 완만해집니다.
MNC 샘플의 표면 지형을 관찰하기 위해 FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscopy)을 사용했습니다.그림과 같이.도 1에 도시된 바와 같이, 자성나노카본은 합성 시점에 따라 형태학적 구조가 조금씩 다르다.그림의 FESEM MNC10 이미지.그림 1a, b는 탄소 구의 형성이 높은 표면 장력으로 인해 얽혀 있고 부착된 마이크로구체와 나노구체로 구성되어 있음을 보여줍니다.동시에, 반 데르 발스 힘의 존재는 탄소 구체52의 응집으로 이어진다.합성 시간의 증가로 인해 크래킹 반응이 길어져 크기가 작아지고 구 수가 증가했습니다.그림에.1c는 MNC15가 거의 완벽한 구형 모양을 가지고 있음을 보여줍니다.그러나 응집된 구체는 여전히 메조 기공을 형성할 수 있으며, 이는 나중에 메틸렌 블루 흡착을 위한 좋은 사이트가 될 수 있습니다.그림 1d에서 15,000배의 고배율에서는 더 많은 탄소 구체가 20.38nm의 평균 크기로 뭉쳐져 있는 것을 볼 수 있습니다.
7000배 및 15000배 배율로 10분(a, b), 15분(c, d) 및 20분(e-g) 후 합성된 나노카본의 FESEM 이미지.
그림에.1e-g MNC20은 자성 탄소 표면에 작은 구체가 있는 기공의 발달을 묘사하고 자성 활성탄의 형태를 재조립합니다.자성탄소의 표면에는 다양한 직경과 폭의 기공이 무작위로 위치합니다.따라서 이는 BET 분석에서 볼 수 있듯이 MNC20이 다른 합성 시간보다 표면에 더 많은 기공이 형성됨에 따라 더 큰 표면적과 기공 부피를 나타내는 이유를 설명할 수 있습니다.15,000배의 고배율로 촬영한 현미경 사진은 그림 1g와 같이 입자 크기가 불균일하고 모양이 불규칙한 것으로 나타났습니다.성장시간을 20분으로 늘렸을 때 더욱 뭉쳐진 구체가 형성되었다.
흥미롭게도 뒤틀린 탄소 조각도 같은 지역에서 발견되었습니다.구의 직경은 5.18nm에서 96.36nm까지 다양했습니다.이러한 형성은 고온 및 마이크로파에 의해 촉진되는 차등 핵형성의 발생으로 인해 발생할 수 있습니다.준비된 MNC의 계산된 구 크기는 MNC10의 경우 평균 20.38nm, MNC15의 경우 24.80nm, MNC20의 경우 31.04nm였습니다.구의 크기 분포는 보충 그림에 나와 있습니다.삼.
보충 그림 4는 각각 MNC10, MNC15 및 MNC20의 EDS 스펙트럼 및 원소 조성 요약을 보여줍니다.스펙트럼에 따르면, 각각의 나노카본은 서로 다른 양의 C, O, Fe를 함유하고 있는 것으로 나타났습니다.이는 추가 합성 시간 동안 발생하는 다양한 산화 및 분해 반응에 기인합니다.다량의 C는 탄소 전구체인 조야자유에서 나오는 것으로 여겨집니다.한편, O의 낮은 비율은 합성 중 산화 과정으로 인한 것입니다.동시에 Fe는 페로센 분해 후 나노탄소 표면에 침전된 산화철에 기인합니다.또한 보충 그림 5a–c는 MNC10, MNC15 및 MNC20 요소의 매핑을 보여줍니다.기본 매핑을 기반으로 Fe가 MNC 표면에 잘 분포되어 있음이 관찰되었습니다.
질소 흡착-탈착 분석은 흡착 메커니즘과 물질의 다공성 구조에 대한 정보를 제공합니다.MNC BET 표면의 N2 흡착 등온선과 그래프가 그림 1과 2에 나와 있습니다.2. FESEM 이미지를 바탕으로 흡착거동은 응집으로 인해 미세다공성 구조와 메조다공성 구조가 결합된 형태를 나타낼 것으로 예상된다.그러나 그림 2의 그래프는 흡착제가 IUPAC55의 유형 IV 등온선 및 유형 H2 히스테리시스 루프와 유사하다는 것을 보여줍니다.이러한 유형의 등온선은 종종 메조다공성 물질의 등온선과 유사합니다.메조기공의 흡착 거동은 일반적으로 응축된 물질의 분자와 흡착-흡착 반응의 상호작용에 의해 결정됩니다.S자형 또는 S자형 흡착 등온선은 일반적으로 단일층-다층 흡착에 이어 기공 응축으로 알려진 벌크 액체의 포화 압력보다 낮은 압력에서 기공에서 기체가 액체상으로 응축되는 현상에 의해 발생합니다. 기공 내 모세관 응축은 상대 압력(p/po)이 0.50 이상일 때 발생합니다.한편, 복잡한 기공 구조는 H2형 히스테리시스를 나타내며, 이는 좁은 범위의 기공에서 기공 막힘 또는 누출에 기인합니다.
BET 테스트에서 얻은 표면의 물리적 매개변수는 표 1에 나와 있습니다. BET 표면적과 총 기공 부피는 합성 시간이 증가함에 따라 크게 증가했습니다.MNC10, MNC15 및 MNC20의 평균 기공 크기는 각각 7.2779 nm, 7.6275 nm 및 7.8223 nm입니다.IUPAC 권장사항에 따르면 이러한 중간 기공은 메조다공성 물질로 분류될 수 있습니다.메조다공성 구조는 MNC57에 의해 메틸렌 블루를 더 쉽게 투과하고 흡착할 수 있게 만듭니다.최대 합성 시간(MNC20)이 가장 높은 표면적을 나타냈고, MNC15, MNC10이 그 뒤를 이었습니다.BET 표면적이 높을수록 더 많은 계면활성제 사이트를 사용할 수 있으므로 흡착 성능이 향상될 수 있습니다.
합성된 MNC의 X선 회절 패턴은 그림 3에 나와 있습니다. 고온에서 페로센도 균열을 일으키고 산화철을 형성합니다.그림에.도 3a는 MNC10의 XRD 패턴을 보여준다.이는 2θ, 43.0° 및 62.32°에서 ɣ-Fe2O3(JCPDS #39–1346)에 할당된 두 개의 피크를 보여줍니다.동시에, Fe3O4는 2θ: 35.27°에서 변형된 피크를 갖습니다.반면, 그림 3b의 MHC15 회절 패턴에서는 온도 및 합성 시간의 증가와 가장 관련이 있는 새로운 피크를 보여줍니다.2θ: 26.202° 피크의 강도는 덜하지만 회절 패턴은 흑연 JCPDS 파일(JCPDS #75-1621)과 일치하며 이는 나노탄소 내에 흑연 결정이 존재함을 나타냅니다.이 피크는 MNC10에는 나타나지 않습니다. 이는 합성 중 아크 온도가 낮기 때문일 수 있습니다.2θ에는 Fe3O4에 기인한 30.082°, 35.502°, 57.422°의 세 가지 시간 피크가 있습니다.또한 2θ에서 ɣ-Fe2O3의 존재를 나타내는 두 개의 피크(43.102° 및 62.632°)를 보여줍니다.20분 동안 합성된 MNC(MNC20)의 경우, 그림 3c에 표시된 대로 MNK15에서도 유사한 회절 패턴이 관찰될 수 있습니다.26.382°의 그래픽 피크는 MNC20에서도 볼 수 있습니다.2θ에 표시된 세 개의 날카로운 피크(30.102°, 35.612°, 57.402°)는 Fe3O4에 대한 것입니다.또한 ε-Fe2O3의 존재는 2θ: 42.972° 및 62.61에서 나타납니다.생성된 MNC에 산화철 화합물이 존재하면 향후 메틸렌 블루를 흡착하는 능력에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
MNC 및 CPO 샘플의 화학 결합 특성은 보충 그림 6의 FTIR 반사 스펙트럼에서 결정되었습니다. 처음에 원유 팜유의 6개 중요한 피크는 보충 표 1에 설명된 대로 4가지 다른 화학 성분을 나타냅니다. CPO에서 확인된 기본 피크 는 2913.81 cm-1, 2840 cm-1 및 1463.34 cm-1이며, 이는 알칸 및 기타 지방족 CH2 또는 CH3 그룹의 CH 신축 진동을 나타냅니다.확인된 최고 산림 관리원은 1740.85cm-1과 1160.83cm-1입니다.1740.85 cm-1의 피크는 트리글리세리드 작용기의 에스테르 카르보닐에 의해 확장된 C=O 결합입니다.한편, 1160.83 cm-1의 피크는 확장된 CO58.59 에스테르 그룹의 각인입니다.한편, 813.54 cm-1의 피크는 알칸 그룹의 각인입니다.
따라서 합성 시간이 증가함에 따라 원유 팜유의 일부 흡수 피크가 사라졌습니다.2913.81 cm-1 및 2840 cm-1의 피크는 MNC10에서 여전히 관찰될 수 있지만 MNC15 및 MNC20에서는 산화로 인해 피크가 사라지는 경향이 있다는 점이 흥미롭습니다.한편, 자성 나노카본의 FTIR 분석에서는 MNC10-20의 5가지 서로 다른 작용기를 나타내는 새로 형성된 흡수 피크가 나타났습니다.이 피크는 보충 표 1에도 나열되어 있습니다. 2325.91 cm-1의 피크는 CH360 지방족 그룹의 비대칭 CH 스트레치입니다.1463.34-1443.47 cm-1의 피크는 팜유와 같은 지방족 그룹의 CH2 및 CH 휘어짐을 보여 주지만 시간이 지남에 따라 피크가 감소하기 시작합니다.813.54~875.35 cm–1의 피크는 방향족 CH-알칸 그룹의 각인입니다.
한편, 2101.74 cm-1 및 1589.18 cm-1의 피크는 각각 C=C 알킨과 방향족 고리를 형성하는 CC 61 결합을 나타냅니다.1695.15 cm-1의 작은 피크는 카르보닐 그룹의 유리 지방산의 C=O 결합을 보여줍니다.합성 중에 CPO 카르보닐과 페로센으로부터 얻습니다.539.04~588.48 cm-1 범위에서 새로 형성된 피크는 페로센의 Fe-O 진동 결합에 속합니다.보충 그림 4에 표시된 피크를 기반으로 합성 시간이 자성 나노 탄소의 여러 피크와 재결합을 줄일 수 있음을 알 수 있습니다.
514 nm 파장의 입사 레이저를 사용하여 다양한 합성 시간에서 얻은 자성 나노카본의 라만 산란에 대한 분광 분석이 그림 4에 나와 있습니다. MNC10, MNC15 및 MNC20의 모든 스펙트럼은 일반적으로 낮은 sp3 탄소와 관련된 두 개의 강렬한 밴드로 구성됩니다. 탄소 종 sp262의 진동 모드에 결함이 있는 나노흑연 결정에서 발견됩니다.1333~1354cm-1 영역에 위치한 첫 번째 피크는 이상적인 흑연에 적합하지 않은 D 밴드를 나타내며 구조적 장애 및 기타 불순물에 해당합니다63,64.1537~1595cm-1 부근의 두 번째로 중요한 피크는 평면 내 결합 신장 또는 결정질 및 정렬된 흑연 형태에서 발생합니다.그러나 피크는 흑연 G 밴드에 비해 약 10 cm-1 이동했는데, 이는 MNC가 시트 적층 순서가 낮고 구조에 결함이 있음을 나타냅니다.D 및 G 밴드(ID/IG)의 상대 강도는 미결정 및 흑연 샘플의 순도를 평가하는 데 사용됩니다.라만 분광 분석에 따르면 모든 MNC는 0.98~0.99 범위의 ID/IG 값을 가지며 이는 Sp3 혼성화로 인한 구조적 결함을 나타냅니다.이 상황은 JCPDS 파일의 흑연 피크에 할당된 그림 4에 표시된 것처럼 XPA 스펙트럼에서 덜 강렬한 2θ 피크의 존재를 설명할 수 있습니다. MNK15의 경우 26.20°, MNK20의 경우 26.28°입니다.이 연구에서 얻은 ID/IG MNC 비율은 다른 자성 나노탄소의 범위에 있습니다. 예를 들어 열수 방법의 경우 0.85-1.03, 열분해 방법의 경우 0.78-0.9665.66입니다.따라서 이 비율은 본 합성 방법이 널리 사용될 수 있음을 나타냅니다.
MNC의 자기 특성은 진동 자력계를 사용하여 분석되었습니다.결과적인 히스테리시스는 그림 5에 나와 있습니다.일반적으로 MNC는 합성 중에 페로센으로부터 자성을 얻습니다.이러한 추가적인 자기 특성은 미래에 나노카본의 흡착 용량을 증가시킬 수 있습니다.그림 5에서 볼 수 있듯이 샘플은 초상자성 물질로 식별될 수 있습니다.Wahajuddin & Arora67에 따르면 초상자성 상태는 외부 자기장이 가해질 때 샘플이 포화 자화(MS)로 자화되는 것입니다.나중에 잔류 자기 상호 작용은 더 이상 샘플에 나타나지 않습니다.합성 시간에 따라 포화 자화가 증가한다는 점은 주목할 만합니다.흥미롭게도 MNC15는 외부 자석이 있는 경우 최적의 합성 시간으로 인해 강한 자기 형성(자화)이 발생할 수 있기 때문에 자기 포화도가 가장 높습니다.이는 ɣ-Fe2O와 같은 다른 산화철에 비해 더 나은 자기 특성을 갖는 Fe3O4의 존재 때문일 수 있습니다.MNC의 단위 질량당 포화 흡착 모멘트의 순서는 MNC15>MNC10>MNC20입니다.획득된 자기 매개변수는 표에 나와 있습니다.2.
자기 분리에 기존 자석을 사용할 때 자기 포화의 최소값은 약 16.3 emu g-1입니다.수생 환경에서 염료와 같은 오염물질을 제거하는 MNC의 능력과 MNC의 제거 용이성은 획득된 나노카본에 대한 추가적인 요소가 되었습니다.연구에 따르면 LSM의 자기 포화도는 높은 것으로 간주됩니다.따라서 모든 샘플은 자기 분리 절차에 충분한 자기 포화 값에 도달했습니다.
최근 금속 스트립이나 와이어가 마이크로파 융합 공정에서 촉매나 유전체로 주목을 받고 있습니다.금속의 마이크로파 반응은 반응기 내에서 고온이나 반응을 유발합니다.이 연구는 팁과 조절된(코일된) 스테인레스 스틸 와이어가 마이크로파 방전과 금속 가열을 촉진한다고 주장합니다.스테인레스 스틸은 끝 부분에 뚜렷한 거칠기가 있어 표면 전하 밀도와 외부 전기장의 값이 높아집니다.전하가 충분한 운동 에너지를 얻으면 하전 입자가 스테인리스강에서 튀어나와 환경이 이온화되어 방전이나 스파크가 발생합니다(68).금속 방전은 고온 핫스팟을 동반하는 용액 분해 반응에 상당한 기여를 합니다.보충 그림 2b의 온도 맵에 따르면 온도가 급격히 상승하여 강한 방전 현상 외에도 고온 핫스팟이 있음을 나타냅니다.
이 경우 약하게 결합된 전자가 이동하여 표면과 팁에 집중될 수 있기 때문에 열 효과가 관찰됩니다69.스테인레스 스틸을 감았을 때 용액 속 금속의 넓은 표면적은 재료 표면에 와전류를 유도하고 가열 효과를 유지하는 데 도움이 됩니다.이 조건은 CPO와 페로센 및 페로센의 긴 탄소 사슬을 절단하는 데 효과적으로 도움이 됩니다.보충 그림 2b에서 볼 수 있듯이 일정한 온도 속도는 용액에서 균일 한 가열 효과가 관찰됨을 나타냅니다.
MNC 형성을 위해 제안된 메커니즘은 보충 그림 7에 나와 있습니다. CPO와 페로센의 긴 탄소 사슬은 고온에서 균열이 시작됩니다.오일은 분해되어 FESEM MNC1070 이미지에서 소구체로 알려진 탄소 전구체가 되는 분할 탄화수소를 형성합니다.대기 조건의 환경 에너지와 압력 71로 인해.동시에 페로센도 균열되어 Fe에 침전된 탄소 원자로부터 촉매를 형성합니다.그런 다음 급속한 핵 생성이 발생하고 탄소 코어가 산화되어 코어 위에 비정질 흑연 탄소 층을 형성합니다.시간이 지남에 따라 구의 크기는 더욱 정확하고 균일해집니다.동시에, 기존의 반 데르 발스 힘은 또한 구체의 응집으로 이어집니다52.Fe 이온이 Fe3O4 및 ɣ-Fe2O3로 환원되는 과정(X선 상분석 결과)에서 나노카본 표면에 다양한 종류의 산화철이 형성되어 자성나노카본이 형성된다.EDS 매핑은 보충 그림 5a-c에 표시된 것처럼 Fe 원자가 MNC 표면에 강하게 분포되어 있음을 보여줍니다.
차이점은 합성시간 20분에 탄소응집이 일어난다는 점이다.이는 MNC 표면에 더 큰 기공을 형성하여 그림 1e-g의 FESEM 이미지에서 볼 수 있듯이 MNC가 활성탄으로 간주될 수 있음을 나타냅니다.기공 크기의 이러한 차이는 페로센의 산화철 기여와 관련이 있을 수 있습니다.동시에 고온 도달로 인해 스케일이 변형됩니다.자성 나노카본은 서로 다른 합성 시간에 서로 다른 형태를 나타냅니다.나노탄소는 합성 시간이 짧아 구형 모양을 형성할 가능성이 더 높습니다.동시에 모공과 스케일이 생기지만 합성시간의 차이는 5분 이내입니다.
자성 나노카본은 수생 환경에서 오염 물질을 제거할 수 있습니다.사용 후 쉽게 제거되는 능력은 이 연구에서 얻은 나노카본을 흡착제로 사용하는 데 추가적인 요소입니다.자성 나노카본의 흡착 특성을 연구하면서 우리는 pH 조정 없이 30°C에서 메틸렌 블루(MB) 용액을 탈색하는 MNC의 능력을 조사했습니다.여러 연구에서는 25~40°C 온도 범위에서 탄소 흡수제의 성능이 MC 제거를 결정하는 데 중요한 역할을 하지 않는다는 결론을 내렸습니다.극단적인 pH 값이 중요한 역할을 하지만 표면 작용기에 전하가 형성될 수 있으며, 이는 흡착물-흡착제 상호작용을 방해하고 흡착에 영향을 미칩니다.따라서 본 연구에서는 이러한 상황과 일반적인 폐수처리의 필요성을 고려하여 위의 조건을 선택하였다.
이 연구에서는 고정된 접촉 시간에 다양한 표준 초기 농도(5~20ppm)를 갖는 메틸렌 블루 수용액 20ml에 MNC 20mg을 첨가하여 배치 흡착 실험을 수행했습니다.보충 그림 8은 MNC10, MNC15 및 MNC20으로 처리하기 전과 후의 다양한 농도(5~20ppm)의 메틸렌 블루 용액 상태를 보여줍니다.다양한 MNC를 사용할 때 MB 솔루션의 색상 수준이 감소했습니다.흥미롭게도 MNC20은 5ppm 농도에서 MB 용액을 쉽게 변색시키는 것으로 나타났습니다.한편, MNC20은 다른 MNC에 비해 MB 솔루션의 색상 수준도 낮췄다.MNC10-20의 UV 가시 스펙트럼은 보충 그림 9에 나와 있습니다. 한편, 제거율과 흡착 정보는 각각 그림 9.6과 표 3에 나와 있습니다.
강한 메틸렌 블루 피크는 664nm와 600nm에서 발견됩니다.일반적으로 피크의 강도는 MG 용액의 초기 농도가 감소함에 따라 점차 감소합니다.추가 그림 9a에서는 MNC10으로 처리한 후 다양한 농도의 MB 용액의 UV-가시광선 스펙트럼을 보여 주며, 이는 피크의 강도를 약간만 변경했습니다.반면, 보충 그림 9b 및 c에 표시된 것처럼 MB 용액의 흡수 피크는 MNC15 및 MNC20으로 처리한 후 크게 감소했습니다.이러한 변화는 MG 용액의 농도가 감소함에 따라 명확하게 나타납니다.그러나 세 개의 자성 탄소 모두에 의해 달성된 스펙트럼 변화는 메틸렌 블루 염료를 제거하기에 충분했습니다.
표 3에 기초하여, MC의 흡착량과 흡착된 MC의 백분율에 대한 결과가 그림 3에 나와 있습니다. 6. 모든 MNC에 대해 더 높은 초기 농도를 사용할수록 MG의 흡착이 증가했습니다.한편, 흡착률, 즉 MB 제거율(MBR)은 초기 농도가 증가할수록 반대 경향을 보였다.낮은 초기 MC 농도에서는 흡착제 표면에 비어 있는 활성 부위가 남아 있었습니다.염료 농도가 증가함에 따라 염료 분자의 흡착에 이용 가능한 비어 있는 활성 부위의 수가 감소합니다.다른 사람들은 이러한 조건 하에서 생체흡수 활성 부위의 포화가 달성될 것이라고 결론지었습니다72.
불행하게도 MNC10의 경우 MBR은 10ppm의 MB 용액 이후에 증가하고 감소했습니다.동시에, MG의 아주 작은 부분만이 흡착됩니다.이는 10ppm이 MNC10 흡착을 위한 최적 농도임을 나타냅니다.본 연구에서 연구된 모든 MNC에 대해 흡착 용량의 순서는 MNC20 > MNC15 > MNC10이었고, 평균값은 10.36 mg/g, 6.85 mg/g 및 0.71 mg/g이었으며, MG 제거율의 평균값은 0.71 mg/g이었습니다. 87, 79%, 62.26%, 5.75%였다.따라서 MNC20은 흡착능력과 UV-가시광선 스펙트럼을 고려할 때 합성된 자성나노카본 중 가장 우수한 흡착특성을 나타냈다.MWCNT 자성복합체(11.86mg/g), 할로이사이트 나노튜브-자성 Fe3O4 나노입자(18.44mg/g) 등 다른 자성나노카본에 비해 흡착능력은 낮지만, 본 연구에서는 추가적인 자극제 사용이 필요하지 않다.화학물질은 촉매 역할을 합니다.깨끗하고 실행 가능한 합성 방법을 제공합니다73,74.
MNC의 SBET 값에서 알 수 있듯이 높은 비표면은 MB 용액의 흡착을 위한 더 많은 활성 사이트를 제공합니다.이는 합성 나노카본의 기본 특징 중 하나가 되고 있습니다.동시에 MNC의 크기가 작기 때문에 합성 시간이 짧고 수용 가능하며 이는 유망한 흡착제의 주요 품질에 해당합니다.기존의 천연 흡착제와 비교하여 합성된 MNC는 자기적으로 포화되어 외부 자기장의 작용으로 용액에서 쉽게 제거될 수 있습니다.따라서 전체 처리 과정에 소요되는 시간이 단축됩니다.
흡착 등온선은 흡착 과정을 이해하고 평형에 도달했을 때 흡착물이 액체상과 고체상 사이에서 어떻게 분할되는지 보여주기 위해 필수적입니다.Langmuir 방정식과 Freundlich 방정식은 그림 7과 같이 흡착 메커니즘을 설명하는 표준 등온 방정식으로 사용됩니다. Langmuir 모델은 흡착제 외부 표면에 단일 흡착층이 형성되는 것을 잘 보여줍니다.등온선은 균일한 흡착 표면으로 가장 잘 설명됩니다.동시에, Freundlich 등온선은 여러 흡착제 영역의 참여와 흡착물을 불균일한 표면으로 압축하는 흡착 에너지를 가장 잘 나타냅니다.
MNC10, MNC15 및 MNC20에 대한 Langmuir 등온선(a–c) 및 Freundlich 등온선(d–f)에 대한 모델 등온선.
낮은 용질 농도에서의 흡착 등온선은 일반적으로 선형입니다.Langmuir 등온선 모델의 선형 표현은 방정식으로 표현될 수 있습니다.1 흡착 매개변수를 결정합니다.
KL(l/mg)은 MNC에 대한 MB의 결합 친화도를 나타내는 Langmuir 상수입니다.한편, qmax는 최대 흡착능(mg/g), qe는 MC의 흡착 농도(mg/g), Ce는 MC 용액의 평형 농도이다.Freundlich 등온선 모델의 선형 표현은 다음과 같이 설명할 수 있습니다.
게시 시간: 2023년 2월 16일