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パーム油を緑色前駆体として使用したマイクロ波による磁性ナノカーボンの合成

Mar 14, 2024

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18698 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

マイクロ波照射による金属の存在は、金属が容易に発火するため、常に物議を醸す議論を引き起こしてきました。 しかし興味深いことに、研究者らは、アーク放電現象が分子分解によるナノマテリアル合成の有望な方法を提供することを発見した。 この研究は、粗パーム油を磁性ナノカーボン (MNC) に変換する際にマイクロ波加熱とアーク放電を組み合わせた、単一ステップでありながら手頃な価格の合成アプローチを開発しました。これは、パーム油分野の新しい代替品と考えられます。 これには、一定のコイル状のステンレス鋼金属ワイヤ (誘電体媒体) とフェロセン (触媒) を使用して、部分的不活性条件で媒体を合成することが含まれます。 このアプローチは、190.9 ~ 472.0 °C の範囲の温度で、さまざまな合成時間 (10 ~ 20 分) で加熱することに成功しました。 生成された MNC は、平均サイズ 20.38 ~ 31.04 nm、メソ多孔質構造 (SBET: 14.83 ~ 151.95 m2/g)、および高い固定炭素含有量 (52.79 ~ 71.24wt%) の球体の形成を示し、D とG バンド (ID/IG) は 0.98 ~ 0.99 です。 FTIR スペクトル (522.29 ~ 588.48 cm-1) における新しいピークの形成は、フェロセンからの FeO 化合物の出現を裏付けています。 磁力計は、強磁性材料の高い磁化飽和 (22.32 ~ 26.84 mu/g) を示します。 廃水処理における MNC の応用は、5 ~ 20 ppm の間で変動するさまざまな濃度でのメチレン ブルー (MB) 吸着試験でその吸着能力を評価することによって実証されています。 合成時間 (20 分) で生成された MNC は、他のものと比較して最も高い吸着効率 (10.36 mg/g) を示し、MB 色素が 87.79% 除去されました。 結果として、ラングミュアの値はフロイントリヒと比較して有望ではなく、10 分 (MNC10)、15 分 (MNC15)、および 20 分 (MNC20) で合成された MNC の R2 はそれぞれ約 0.80、0.98、および 0.99 でした。 したがって、吸着系は不均一な状態になります。 したがって、マイクロ波支援アーク放電は、有害な染料を除去できる CPO を MNC に変換するための有望なアプローチとなります。

マイクロ波照射は、電磁場の分子相互作用を介して材料の最も内部を加熱することができます1。 このマイクロ波反応は、迅速かつ均一な熱反応を促進するという点で独特です。 その結果、加熱プロセスが加速され、化学反応が促進されます2。 同時に、マイクロ波反応は反応時間が短いため、最終的に高純度で生成物を得ることができます 3,4。 マイクロ波照射は、その興味深い特性により、化学反応やナノ材料合成など、多くの研究で使用される興味深いマイクロ波支援合成を促進します5、6。 加熱プロセス中、媒体内の受容体の誘電特性は、媒体内にホットスポットを生じさせ、ナノカーボンの異なる形態や特性を生み出す可能性があるため、重要な役割を果たします7。 Omoriyekomwanらによる研究。 活性炭と窒素流を用いてパーム核から中空カーボンナノファイバーを生成しました8。 それに加えて、フーとハメードは、350 W9 の電子レンジ内でアブラヤシ繊維から活性炭を作成する際の触媒の使用を決定しました。 したがって、適切な受容体を導入することにより、粗パーム油を変換して MNC を生成する同様の方法を提供することが可能です。

興味深い現象が、マイクロ波照射と、鋭いエッジ、先端、または極微視的な凹凸のある金属との間で観察されています10。 両方の存在が存在すると、電気アークまたはスパーク (一般にアーク放電と呼ばれます) が発生します 11,12。 アーク放電はより局所的なホットスポットの形成を促進し、反応に影響を与えるため、媒体の化学組成が強化されます13。 この特別でありながら興味深い現象は、汚染物質除去 14,15、バイオマスタール分解 16、マイクロ波支援熱分解 17,18 および材料合成 19,20,21 など、さまざまな研究を惹きつけています。

Several investigators have demonstrated that high-quality nanocarbon can be obtained using crude palm oil palm33,34. Palm oil, scientifically known as Elais Guneensis, is recognized as one of the essential edible oils contributing around 76.55 million metric tonnes of production in 2021 (2021)." href="/articles/s41598-022-21982-y#ref-CR35" id="ref-link-section-d60481398e540"35. The crude palm oil or CPO contained a balanced ratio of unsaturated fatty acids (UFA) and saturated fatty acids (SFA). Most of the hydrocarbon in the CPO is a triglyceride, a glycerol ester consisting of three triglyceride acetous contents and one glycerol content36. These hydrocarbons could be summed up into huge carbon content, becoming a potential green precursor in producing nanocarbon37. Based on the literature, CNTs37,38,39,40, carbon nanospheres33,41, and graphene34,42,43 are commonly synthesized using crude palm oil or cooking grade oil. These nanocarbons have great potential in various applications, from power generation to purification or remediation of water pollution./p> MNC10 > MNC20. The magnetic parameters obtained are tabulated in Table 2./p>

The proposed mechanism of MNC formation is shown in Supplementary Fig. 7. The long carbon chain of CPO and the ferrocene starts to crack at high temperatures. The oil decomposed, forming cracked hydrocarbons that become the precursors of carbon nuclei, referred to as some small spheres inside the FESEM images in MNC1070. Due to the energy surrounding and pressure at atmospheric conditions3.0.CO;2-J " href="/articles/s41598-022-21982-y#ref-CR71" id="ref-link-section-d60481398e1534"71. Meanwhile, the ferrocene also exhibits cracking, forming catalysts for the carbon atoms deposited on the Fe. Then, fast nucleation occurs, and the carbon nuclei oxidize, forming amorphous and graphitic carbon layers on top of the nuclei. As time increases, the sizes of the spheres become more precise and more uniform. Simultaneously, the existing Van der Waals forces also lead to the agglomerated collection of spheres52. As the Fe ions are reduced into Fe3O4 and ɣ-Fe2O3 as identified in XRD analysis, different types of iron oxide form onto the nanocarbon's surface, forming magnetic nanocarbons. The EDS mapping shows that the Fe atoms are distributed firmly on the surface of the MNC, as seen in Supplementary Fig. 5a–c./p> MNC15 > MNC10; with average values of 10.36 mg/g, 6.85 mg/g, and 0.71 mg/g; and average values of MB removal of 87.79%, 62.26%, and 5.75%, respectively. Therefore, by considering adsorptive capacity and the UV–Vis spectra, MNC20 shows the best adsorption properties among the synthesized magnetic nanocarbons. Although the adsorption capacity is lower compared to other magnetic nanocarbon such as magnetic MWCNT composite (11.86 mg/g) and halloysite nanotube-Fe3O4 magnetic nanoparticle (18.44 mg/g), this study does not require additional usage of harsh chemicals as the catalyst, provide clean and feasible synthesis method73,74./p> 0.90) to the Langmuir model, indicating that the adsorption behaviour was better discussed and described by the Freundlich isotherm. Hence, it verified that the existing system is heterogeneous. These situations are related to the presents of different chemical and structural properties on the surfaces of carbon spheres. The heterogeneity factor, or nF, can be used to indicate whether the adsorption is favourable to linear (nF = 1), chemical process (nF < 1), or whether the physical process (nF < 1)78. Meanwhile, 1/nF < 1 indicates normal adsorption, and 1/nF > 1 indicates cooperative adsorption79. Generally, the MNC shows nF > 1 and 1/nF, which summarized that the adsorption of MB is favourable for the physical process and normal adsorption78,80./p> MNC15 > MNC10, indicating the interactions between MNC20 and Methylene Blue were the highest, while MNC10 and Methylene Blue were the lowest. But due to the negative values from the Langmuir parameter, qmax and low value of RL shows that the Langmuir isotherm model does not favorably describe the adsorption of the MNC produced. All isotherm parameters for both isotherms are presented in Table 3, having the R2 values of the Freundlich isotherm greater than those from the Langmuir model for all MNCs. Thus, it defines that the Freundlich isotherm is suitable for describing the adsorption equilibrium of MB onto MNC./p>

(2021)./p>

Xia Y, Gates B, Yin Y, Lu Y (2000) Monodispersed colloidal spheres: Old materials with new applications. Adv. Mater. 12:693–713. 3.0.CO;2-J"https://doi.org/10.1002/(SICI)1521-4095(200005)12:10<693::AID-ADMA693>3.0.CO;2-J/p>

3.0.CO;2-J" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F%28SICI%291521-4095%28200005%2912%3A10%3C693%3A%3AAID-ADMA693%3E3.0.CO%3B2-J" aria-label="Article reference 71" data-doi="10.1002/(SICI)1521-4095(200005)12:103.0.CO;2-J"Article CAS Google Scholar /p>