Синтез магнитного наноуглерода с использованием пальмового масла в качестве зеленого предшественника с помощью микроволновой печи. | Хайнаньская компания по производству керамических стержней, ООО

Том 12 научных докладов, Номер статьи: 18698 (2022) Цитировать эту статью

1311 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Присутствие металла под воздействием микроволнового излучения всегда вызывало спорные споры, поскольку металл легко загорается. Но что интересно, исследователи обнаружили, что явления дугового разряда открывают многообещающий способ расщепления молекул для синтеза наноматериалов. В этом исследовании был разработан одноэтапный, но доступный подход к синтезу, который сочетает в себе микроволновое нагревание и дуговую обработку для преобразования сырого пальмового масла в магнитный наноуглерод (МНК), который можно считать новой альтернативой для секторов пальмового масла. Он предполагает синтез среды в частично инертном состоянии с постоянной намотанной металлической проволокой из нержавеющей стали (диэлектрическая среда) и ферроценом (катализатор). Этот подход успешно демонстрирует нагрев при температуре от 190,9 до 472,0 °С с различным временем синтеза (10–20 мин). В полученных МНК наблюдаются образования сфер со средними размерами 20,38–31,04 нм, мезопористой структурой (SBET: 14,83–151,95 м2/г), высоким содержанием связанного углерода (52,79–71,24 мас.%), соотношением D и G-диапазон (ID/IG) составляет 0,98–0,99. Появление новых пиков в ИК-Фурье-спектрах (522,29–588,48 см–1) подтверждает появление соединений FeO из ферроцена. Магнитометр показывает высокое насыщение намагниченности (22,32–26,84 эме/г) в ферромагнитных материалах. Применение МНК при очистке сточных вод было продемонстрировано путем оценки их адсорбционной способности с помощью теста на адсорбцию метиленового синего (МБ) при различных концентрациях, варьирующихся от 5 до 20 частей на миллион. МНК, полученный во время синтеза (20 мин), показывает самую высокую эффективность адсорбции (10,36 мг/г) по сравнению с другими, при удалении красителя MB 87,79%. В результате значение Ленгмюра не является многообещающим по сравнению с значением Фрейндлиха: R2 составляет около 0,80, 0,98 и 0,99 для MNC, синтезированных за 10 минут (MNC10), 15 минут (MNC15) и 20 минут (MNC20) соответственно. Следовательно, адсорбционная система находится в гетерогенном состоянии. Таким образом, дуговая разрядка с помощью микроволнового излучения представляет собой многообещающий подход к преобразованию CPO в MNC, который может удалить опасный краситель.

Микроволновое излучение может нагревать самые внутренние части материалов за счет молекулярного взаимодействия электромагнитного поля1. Эта микроволновая реакция уникальна, поскольку она способствует быстрым и гомогенным термическим реакциям. Следовательно, процесс нагрева можно ускорить и усилить химические реакции2. В то же время микроволновая реакция может привести к высокой чистоте и выходу продуктов из-за более короткого времени реакции3,4. Благодаря своим удивительным свойствам микроволновое излучение способствует интересному микроволновому синтезу, используемому во многих исследованиях, включая химические реакции и синтез наноматериалов5,6. В процессе нагрева диэлектрические свойства рецептора внутри среды играют важную роль, поскольку они создают горячую точку в среде, которая может создавать различную морфологию и свойства наноуглерода7. Исследование Омориекомвана и др. произвела полые углеродные нановолокна из пальмового ядра с помощью активированного угля и потока азота8. Кроме того, Фу и Хамид определили возможность использования катализаторов при создании активированного угля из волокон масличной пальмы в микроволновой печи при мощности 350 Вт9. Следовательно, можно предложить аналогичный способ переработки сырого пальмового масла в получение МНК путем введения подходящих рецепторов.

Интересное явление наблюдалось между микроволновым облучением и металлами с острыми краями, кончиками или субмикроскопическими неровностями10. Присутствие обоих объектов будет подвергаться воздействию электрической дуги или искры (обычно называемой дуговым разрядом)11,12. Возникновение дуги будет способствовать образованию большего количества локальных горячих точек и влиять на реакцию, тем самым улучшая химический состав среды13. Это особое, но интересное явление привлекло различные исследования, такие как удаление загрязняющих веществ14,15, крекинг смолы из биомассы16, микроволновый пиролиз17,18, а также синтез материалов19,20,21.

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>