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金属は発火しやすいため、マイクロ波放射によって放出される金属の存在については議論の余地があります。しかし興味深いのは、アーク放電現象が分子の分割によるナノマテリアルの合成に有望な経路を提供することを研究者らが発見したことだ。この研究では、マイクロ波加熱と電気アークを組み合わせて粗パーム油を磁性ナノカーボン（MNC）に変換する、ワンステップでありながら手頃な合成方法を開発しています。これはパーム油生産の新たな代替手段と考えられます。これには、部分的に不活性な条件下で、永久的に巻かれたステンレス鋼ワイヤー (誘電媒体) とフェロセン (触媒) を含む媒体の合成が含まれます。この方法は、190.9 ～ 472.0℃の温度範囲でさまざまな合成時間 (10 ～ 20 分) で加熱することが実証されています。新たに調製した MNC は、平均サイズ 20.38 ～ 31.04 nm の球体、メソ多孔質構造 (SBET: 14.83 ～ 151.95 m2/g)、および高含有量の固定炭素 (52.79 ～ 71.24 wt.%)、および D および G を示しました。バンド (ID/g) 0.98 ～ 0.99。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、フェロセン中に FeO 化合物が存在することを裏付けています。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 の使用は、5 ～ 20 ppm のさまざまな濃度でのメチレン ブルー (MB) 吸着試験を使用して MNC 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) で得られた MNC は、他の MNC と比較して最も高い吸着効率 (10.36 mg/g) を示し、MB 色素除去率は 87.79% でした。したがって、ラングミュア値はフロイントリヒ値と比較して楽観的ではなく、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である。したがって、吸着系は不均一な状態となる。したがって、マイクロ波アーク放電は、有害な染料を除去できる CPO を MNC に変換する有望な方法となります。
マイクロ波放射は、電磁場の分子相互作用を通じて材料の最も内側の部分を加熱することができます。このマイクロ波応答は、高速かつ均一な熱応答を促進するという点で独特です。したがって、加熱プロセスをスピードアップし、化学反応を促進することができます2。同時に、反応時間が短いため、マイクロ波反応は最終的に高純度で高収率の生成物を生成することができます3,4。マイクロ波放射は、その驚くべき特性により、化学反応やナノマテリアルの合成など、多くの研究で使用される興味深いマイクロ波合成を促進します5、6。加熱プロセス中、媒体内のアクセプターの誘電特性が決定的な役割を果たします。これは、媒体内にホットスポットが形成され、異なる形態や特性を持つナノカーボンの形成につながるためです。Omoriyekomwanらによる研究。活性炭と窒素を用いたパーム核からの中空カーボンナノファイバーの製造8．さらに、Fu と Hamid は、350 W9 電子レンジでアブラヤシ繊維活性炭を製造するための触媒の使用を決定しました。したがって、適切なスカベンジャーを導入することにより、同様のアプローチを使用して粗パーム油を多国籍企業に変換することができます。
興味深い現象が、マイクロ波放射と、鋭いエッジ、点、または超顕微鏡的な凹凸のある金属との間で観察されています10。これら 2 つの物体の存在は、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) の影響を受けます 11、12。アーク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、それによって環境の化学組成を改善します13。この特別で興味深い現象は、汚染物質の除去 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、材料合成 19,20,21 などのさまざまな研究を惹きつけています。
近年、カーボンナノチューブ、カーボンナノスフィア、修飾還元酸化グラフェンなどのナノカーボンがその特性から注目を集めている。これらのナノカーボンは、発電から水の浄化や汚染除去に至るまで幅広い用途に大きな可能性を秘めています23。また、優れたカーボン特性が要求されるが、同時に良好な磁気特性も要求される。これは、廃水処理における金属イオンや染料の高吸着、バイオ燃料における磁気改質剤、さらには高効率マイクロ波吸収体などの多機能用途に非常に役立ちます24、25、26、27、28。同時に、これらの炭素には、サンプルの活性サイトの表面積が増加するなど、別の利点もあります。
近年、磁性ナノカーボン材料の研究が盛んになっている。通常、これらの磁性ナノカーボンは、外部静電場や交流磁場などの外部触媒の反応を引き起こす可能性があるナノサイズの磁性材料を含む多機能材料です29。磁性ナノカーボンは、その磁気特性により、固定化のために幅広い有効成分や複雑な構造と組み合わせることができます30。一方、磁性ナノカーボン (MNC) は、水溶液からの汚染物質の吸着において優れた効率を示します。さらに、MNC に形成された高い比表面積と細孔により、吸着容量が増加します 31。磁気分離器は、MNC を反応性の高い溶液から分離し、実行可能で管理しやすい吸着剤に変えることができます 32。
何人かの研究者は、生のパーム油を使用して高品質のナノカーボンを製造できることを実証しました 33,34。科学的にはエライス・グネンシスとして知られるパーム油は、重要な食用油の 1 つであると考えられており、2021 年には約 7,655 万トンが生産されています35。粗パーム油または CPO には、不飽和脂肪酸 (EFA) と飽和脂肪酸がバランスのとれた比率で含まれています。 (シンガポール金融庁)。CPO に含まれる炭化水素のほとんどはトリグリセリド、つまり 3 つの酢酸トリグリセリド成分と 1 つのグリセロール成分から構成されるグリセリドです 36。これらの炭化水素は炭素含有量が膨大であるため一般化することができ、ナノカーボン生産のための潜在的なグリーン前駆体となります37。文献によると、CNT37、38、39、40、カーボンナノスフィア33、41、グラフェン34、42、43は通常、粗パーム油または食用油を使用して合成されます。これらのナノカーボンは、発電から水の浄化や汚染除去に至るまでの用途に大きな可能性を秘めています。
CVD38 や熱分解 33 などの熱合成は、パーム油の分解に適した方法となっています。残念ながら、プロセス中の高温により製造コストが増加します。好ましい材料４４を製造するには、長く退屈な手順と洗浄方法が必要である。しかし、粗パーム油は高温での安定性が高いため、物理的な分離と分解の必要性は否定できません45。したがって、粗パーム油を炭素質材料に変換するには、依然として高温が必要です。液体アークは、磁性ナノカーボン 46 の合成に最適な新しい方法と考えられます。このアプローチは、高度に励起された状態の前駆体と溶液に直接エネルギーを提供します。アーク放電により、粗パーム油の炭素結合が切断される可能性があります。ただし、使用される電極間隔は厳しい要件を満たす必要があり、工業規模が制限されるため、効率的な方法を開発する必要があります。
私たちの知る限り、ナノカーボンを合成する方法としてマイクロ波を使用したアーク放電に関する研究は限られています。同時に、粗パーム油を前駆体として使用することは十分に研究されていません。したがって、この研究は、電子レンジを使用した電気アークを使用して、生のパーム油前駆体から磁性ナノカーボンを製造する可能性を探ることを目的としています。豊富なパーム油は新しい製品や用途に反映されるべきです。パーム油精製に対するこの新しいアプローチは、経済部門の活性化に役立ち、特に小規模農家のパーム油プランテーションに影響を与えているパーム油生産者にとって新たな収入源となる可能性があります。Ayompeらによるアフリカの小規模農家に関する研究によると、小規模農家は、費用がかかり退屈な仕事である中間業者に販売するのではなく、新鮮な果物の房を自分たちで加工し、生のパーム油を販売する場合にのみ、より多くのお金を稼ぐことができます47。同時に、新型コロナウイルス感染症による工場閉鎖の増加がパーム油ベースの応用製品に影響を与えている。興味深いことに、ほとんどの家庭に電子レンジがあり、この研究で提案された方法は実現可能で手頃な価格であると考えられるため、多国籍生産は小規模のパーム油プランテーションの代替手段と考えることができます。一方、より大規模な場合、企業は大型の多国籍企業を生産するための大型原子炉に投資することができます。
この研究では主に、ステンレス鋼を誘電体媒体として使用し、さまざまな期間にわたって使用する合成プロセスを取り上げます。マイクロ波とナノカーボンを使用した一般的な研究のほとんどは、許容可能な合成時間は 30 分以上であると示唆しています 33,34。アクセスしやすく実現可能な実用的なアイデアをサポートするために、この研究は平均以下の合成時間で MNC を取得することを目的としました。同時に、この研究は、理論が実験室規模で証明され実装されるにつれて、技術準備レベル 3 の全体像を描きます。その後、得られた MNC は、物理的、化学的、磁気的特性によって特徴付けられました。次に、メチレンブルーを使用して、得られた MNC の吸着能力を実証しました。
粗パーム油は、Sawit Kinabalu Sdn.のApas Balung Millから入手しました。Bhd.、タワウで製造されており、合成用の炭素前駆体として使用されます。この場合、誘電体媒体として直径 0.90 mm のステンレス鋼線を使用しました。この研究では、米国 Sigma-Aldrich から入手したフェロセン (純度 99%) を触媒として選択しました。メチレンブルー (Bendosen、100 g) をさらに吸着実験に使用しました。
この研究では、家庭用電子レンジ (パナソニック: SAM-MG23K3513GK) をマイクロ波リアクターに改造しました。電子レンジの上部には、ガスの入口と出口と熱電対用の穴が 3 つ開けられました。熱電対プローブはセラミックチューブで絶縁され、事故を防ぐために各実験で同じ条件下に置かれました。一方、サンプルと気管を収容するために、3 つの穴の蓋が付いたホウケイ酸ガラス製反応器が使用されました。マイクロ波反応器の概略図は、補足図 1 で参照できます。
粗パーム油を炭素前駆体として、フェロセンを触媒として用いて、磁性ナノカーボンを合成した。約５重量％のフェロセン触媒をスラリー触媒法により調製した。フェロセンを２０ｍｌの粗パーム油と６０ｒｐｍで３０分間混合した。次いで、混合物をアルミナるつぼに移し、長さ３０ｃｍのステンレス鋼ワイヤをコイル状に巻き、るつぼ内に垂直に置いた。アルミナるつぼをガラス反応器に置き、密閉されたガラス蓋で電子レンジ内にしっかりと固定します。反応開始の５分前にチャンバーに窒素を吹き込み、チャンバーから不要な空気を除去した。マイクロ波電力は 800W に増加しました。これは、良好なアークスタートを維持できる最大マイクロ波電力だからです。したがって、これは合成反応に有利な条件の創出に貢献する可能性があります。同時に、これはマイクロ波核融合反応で広く使用されているワット単位の出力範囲でもあります48,49。反応中、混合物を１０、１５または２０分間加熱した。反応終了後、反応器とマイクロ波を室温まで自然冷却した。アルミナるつぼ内の最終生成物は、螺旋状のワイヤを有する黒色の沈殿物であった。
黒色の沈殿物を収集し、エタノール、イソプロパノール(70%)および蒸留水で交互に数回洗浄した。洗浄および洗浄後、製品は従来のオーブンで 80°C で一晩乾燥され、不要な不純物が蒸発します。次いで、特性評価のために生成物を収集した。MNC10、MNC15、および MNC20 とラベル付けされたサンプルを使用して、10 分間、15 分間、および 20 分間磁性ナノカーボンを合成しました。
電界放射型走査型電子顕微鏡または FESEM (Zeiss Auriga モデル) を 100 ～ 150 kX の倍率で使用して、MNC の形態を観察します。同時に、元素組成をエネルギー分散型 X 線分光法 (EDS) によって分析しました。EMF 解析は、作動距離 2.8 mm、加速電圧 1 kV で実行されました。比表面積と MNC 細孔値は、77 K での N2 の吸脱着等温線を含むブルナウアー・エメット・テラー (BET) 法によって測定されました。分析はモデル表面積計 (MICROMERITIC ASAP 2020) を使用して実行されました。 。
磁性ナノカーボンの結晶化度および相は、粉末X線回折またはXRD (Burker D8 Advance)により、λ = 0.154 nmで決定されました。ディフラクトグラムは、2° min-1 のスキャン速度で 2θ = 5 ～ 85°の間で記録されました。さらに、フーリエ変換赤外分光法 (FTIR) を使用して、MNC の化学構造を調査しました。分析は、Perkin Elmer FTIR-Spectrum 400 を使用し、スキャン速度 4000 ～ 400 cm-1 の範囲で実行されました。磁性ナノカーボンの構造的特徴を研究する際、ネオジムドープレーザー (532 nm) を使用し、100 倍の対物レンズを備えた U-RAMAN 分光法でラマン分光法を実行しました。
振動磁力計または VSM (Lake Shore 7400 シリーズ) を使用して、MNC 内の酸化鉄の磁気飽和を測定しました。約8 kOeの磁場を使用し、200点を取得しました。
吸着実験で吸着剤としての MNC の可能性を研究する際には、カチオン染料のメチレン ブルー (MB) が使用されました。MNC (20 mg) を、5 ～ 20 mg/L50 の範囲の標準濃度でメチレンブルー水溶液 20 ml に添加しました。溶液の pH は、研究全体を通して中性 pH 7 に設定されました。溶液をロータリーシェーカー（Lab Companion: SI-300R）上で150 rpm、303.15 Kで機械的に撹拌しました。次に、MNC は磁石を使用して分離されます。紫外可視分光光度計 (Varian Cary 50 UV-Vis 分光光度計) を使用して、吸着実験の前後の MB 溶液の濃度を観察し、最大波長 664 nm でのメチレン ブルー標準曲線を参照します。実験は３回繰り返し、平均値を求めた。溶液からの MG の除去は、平衡 qe で吸着された MC の量と除去率 % の一般式を使用して計算されました。
吸着等温線に関する実験も、すべての MNC について、さまざまな濃度 (5 ～ 20 mg/l) の MG 溶液と 20 mg の吸着剤を 293.15 K. mg の一定温度で撹拌しながら実行されました。
鉄と磁性炭素は、過去数十年にわたって広範囲に研究されてきました。これらの炭素系磁性材料は、その優れた電磁変換特性により注目を集めており、家電製品や水処理分野を中心に様々な技術応用が期待されています。この研究では、マイクロ波放電を使用して粗パーム油中の炭化水素を分解することにより、ナノカーボンが合成されました。合成は、金属集電体 (ツイスト SS) と部分的に不活性な (望ましくない空気を窒素でパージした) 前駆体と触媒の固定比率 (5:1) で、10 ～ 20 分の異なる時間で実行されました。実験の始まり）。得られた炭素質堆積物は、補足図2aに示すように、黒色の固体粉末の形です。沈殿炭素収率は、合成時間 10 分、15 分、20 分でそれぞれ約 5.57%、8.21%、11.67% でした。このシナリオは、合成時間が長いほど収率が高くなることに寄与することを示唆しています 51。収率が低いのは、おそらく反応時間が短く触媒活性が低いためです。
一方、得られたナノカーボンの合成温度対時間のプロットは、補足図2bで参照できます。MNC10、MNC15、および MNC20 で得られた最高温度は、それぞれ 190.9°C、434.5°C、および 472°C でした。各曲線で急勾配が見られ、金属アーク中に発生する熱により反応器内の温度が一定に上昇していることを示しています。これは、MNC10、MNC15、および MNC20 の場合、それぞれ 0 ～ 2 分、0 ～ 5 分、および 0 ～ 8 分で見られます。ある地点に達すると、最高温度まで勾配が続き、勾配は緩やかになります。
電界放出走査型電子顕微鏡 (FESEM) を使用して、MNC サンプルの表面トポグラフィーを観察しました。図に示すように。図１に示すように、磁性ナノカーボンは、合成時期が異なるとわずかに異なる形態構造を有する。FESEM MNC10の画像を図に示します。図 1a、b は、炭素球の形成が、高い表面張力により絡み合って付着したマイクロ球体とナノ球体から構成されることを示しています。同時に、ファンデルワールス力の存在により炭素球の凝集が起こります52。合成時間の増加により、より長い分解反応によりサイズが小さくなり、球の数が増加しました。図上。1c は、MNC15 がほぼ完全な球形であることを示しています。ただし、凝集した球体は依然としてメソ細孔を形成する可能性があり、その後、メソ細孔がメチレンブルーの吸着に適した場所になる可能性があります。図 1d の 15,000 倍の高倍率では、平均サイズ 20.38 nm のより多くの炭素球が凝集しているのがわかります。
10分後（a、b）、15分後（c、d）、20分後（e-g）の合成ナノカーボンの倍率7000倍および15000倍のFESEM画像。
図上。1e–g MNC20 は、磁性炭素の表面に小さな球体を含む細孔が発達している様子を示しており、磁性活性炭の形態を再構成しています 53。磁性炭素の表面には、異なる直径と幅の細孔がランダムに配置されています。したがって、これは、BET 分析で示されるように、他の合成時に比べてより多くの細孔がその表面に形成されたため、MNC20 がより大きな表面積と細孔容積を示した理由を説明する可能性があります。15,000 倍の高倍率で撮影した顕微鏡写真では、図 1g に示すように、不均一な粒子サイズと不規則な形状が示されました。成長時間を 20 分に増やすと、より多くの凝集球が形成されました。
興味深いことに、ねじれたカーボンフレークも同じエリアで見つかりました。球の直径は 5.18 ～ 96.36 nm の範囲で変化しました。この形成は、高温とマイクロ波によって促進される示差的核生成の発生によるものである可能性があります。調製された MNC の計算された球サイズは、MNC10 で平均 20.38 nm、MNC15 で 24.80 nm、MNC20 で 31.04 nm でした。球のサイズ分布を補足図に示します。3.
補足図 4 は、それぞれ MNC10、MNC15、および MNC20 の EDS スペクトルと元素組成の概要を示しています。スペクトルによれば、各ナノカーボンには異なる量の C、O、Fe が含まれていることがわかりました。これは、追加の合成時間中にさまざまな酸化および分解反応が発生するためです。大量の C は炭素前駆体である粗パーム油に由来すると考えられています。一方、O の割合が低いのは、合成時の酸化プロセスによるものです。同時に、Fe はフェロセンの分解後にナノカーボン表面に堆積した酸化鉄に起因すると考えられます。さらに、補足図 5a ～ c は、MNC10、MNC15、および MNC20 要素のマッピングを示しています。基本的なマッピングに基づいて、Fe が MNC 表面全体によく分布していることが観察されました。
窒素吸脱着分析により、吸着メカニズムと材料の多孔質構造に関する情報が得られます。MNC BET 表面の N2 吸着等温線とグラフを図 1 と 2 に示します。2. FESEM 画像に基づいて、吸着挙動は凝集によりミクロポーラス構造とメソポーラス構造の組み合わせを示すと予想されます。ただし、図 2 のグラフは、吸着剤が IUPAC55 の IV 型等温線および H2 型ヒステリシス ループに似ていることを示しています。このタイプの等温線は、多くの場合、メソポーラス材料の等温線に似ています。メソ細孔の吸着挙動は通常、凝縮物質の分子との吸着-吸着反応の相互作用によって決定されます。S字型またはS字型の吸着等温線は、通常、単層-多層吸着の後に、バルク液体の飽和圧力未満の圧力で気体が細孔内の液相に凝縮する現象（細孔凝縮56）によって引き起こされます。細孔内の毛細管凝縮は、0.50 を超える相対圧力 (p/po) で発生します。一方、複雑な細孔構造は H2 タイプのヒステリシスを示し、これは狭い範囲の細孔における細孔の詰まりまたは漏れに起因すると考えられます。
BET 試験から得られた表面の物理パラメータを表 1 に示します。BET 表面積と総細孔容積は、合成時間が増加するにつれて大幅に増加しました。MNC10、MNC15、および MNC20 の平均細孔サイズは、それぞれ 7.2779 nm、7.6275 nm、および 7.8223 nm です。IUPAC の勧告によれば、これらの中間細孔はメソポーラス材料として分類できます。メソ多孔質構造により、メチレンブルーは MNC57 により容易に透過し、吸着されやすくなります。最大合成時間 (MNC20) が最も高い表面積を示し、次に MNC15 と MNC10 が続きました。BET 表面積が大きくなると、より多くの界面活性剤サイトが利用できるため、吸着性能が向上します。
合成された MNC の X 線回折パターンを図 3 に示します。高温では、フェロセンも亀裂を起こし、酸化鉄を形成します。図上。図３ａは、ＭＮＣ１０のＸＲＤパターンを示す。2θ 43.0° と 62.32° に 2 つのピークがあり、これらは ɣ-Fe2O3 (JCPDS #39–1346) に割り当てられています。同時に、Fe3O4 には 2θ:35.27°にひずみピークがあります。一方、図 3b の MHC15 回折パターンでは、温度と合成時間の増加に関連している可能性が最も高い新しいピークが示されています。2θ: 26.202° ピークの強度はそれほど高くありませんが、回折パターンはグラファイト JCPDS ファイル (JCPDS #75–1621) と一致しており、ナノカーボン内にグラファイト結晶が存在することを示しています。このピークは MNC10 には存在しません。これは、おそらく合成中のアーク温度が低いためと考えられます。2θ には、Fe3O4 に起因する 3 つの時間ピークがあります: 30.082°、35.502°、57.422°。また、2θ での ɣ-Fe2O3 の存在を示す 2 つのピーク、43.102° と 62.632° も示しています。図3cに示すように、20分間合成されたMNC（MNC20）の場合、MNK15でも同様の回折パターンが観察されます。26.382°のグラフのピークも MNC20 に見られます。2θ で示される 3 つの鋭いピーク: 30.102°、35.612°、57.402° は Fe3O4 に関するものです。さらに、ε-Fe2O3 の存在が 2θ: 42.972° および 62.61 に示されています。得られる MNC に酸化鉄化合物が存在すると、将来的にメチレン ブルーの吸着能力にプラスの影響を与える可能性があります。
MNC および CPO サンプルの化学結合特性は、補足図 6 の FTIR 反射率スペクトルから決定されました。当初、粗パーム油の 6 つの重要なピークは、補足表 1 に記載されている 4 つの異なる化学成分を表していました。CPO で特定された基本ピークは 2913.81 cm-1、2840 cm-1、1463.34 cm-1 で、アルカンおよび他の脂肪族 CH2 または CH3 基の CH 伸縮振動を指します。特定されたピークフォレスターは 1740.85 cm-1 と 1160.83 cm-1 です。1740.85 cm-1 のピークは、トリグリセリド官能基のエステルカルボニルによって延長された C=O 結合です。一方、1160.83 cm-1 のピークは、拡張された CO58.59 エステル基の痕跡です。一方、813.54 cm-1 のピークはアルカン基の痕跡です。
したがって、粗パーム油の一部の吸収ピークは、合成時間が増加するにつれて消失しました。MNC10 では 2913.81 cm-1 と 2840 cm-1 のピークがまだ観察されていますが、MNC15 と MNC20 では酸化によりピークが消失する傾向があることは興味深いです。一方、磁性ナノカーボンのFTIR分析により、MNC10-20の5つの異なる官能基を表す新たに形成された吸収ピークが明らかになりました。これらのピークは補足表 1 にも記載されています。2325.91 cm-1 のピークは、CH360 脂肪族基の非対称 CH ストレッチです。1463.34 ～ 1443.47 cm-1 のピークは、パーム油などの脂肪族基の CH2 および CH の屈曲を示していますが、ピークは時間とともに減少し始めます。813.54 ～ 875.35 cm-1 のピークは、芳香族 CH-アルカン基の痕跡です。
一方、2101.74 cm-1 および 1589.18 cm-1 のピークは、それぞれ C=C アルキンおよび芳香環を形成する C-C 61 結合を表します。1695.15 cm-1 の小さなピークは、カルボニル基からの遊離脂肪酸の C=O 結合を示しています。合成中に CPO カルボニルとフェロセンから得られます。539.04 ～ 588.48 cm-1 の範囲に新たに形成されたピークは、フェロセンの Fe-O 振動結合に属します。補足図 4 に示されているピークに基づいて、合成時間により磁性ナノカーボンのいくつかのピークと再結合が減少する可能性があることがわかります。
波長 514 nm の入射レーザーを使用してさまざまな合成時間で得られた磁性ナノカーボンのラマン散乱の分光分析を図 4 に示します。MNC10、MNC15、および MNC20 のすべてのスペクトルは、低 sp3 炭素に関連する 2 つの強いバンドで構成されています。炭素種 sp262 の振動モードに欠陥のあるナノグラファイト結晶子で見つかります。最初のピークは 1333 ～ 1354 cm-1 の領域にあり、D バンドを表します。これは理想的なグラファイトにとって好ましくなく、構造の乱れやその他の不純物に対応します 63,64。1537 ～ 1595 cm-1 付近の 2 番目に重要なピークは、面内結合の伸縮または結晶性および規則的なグラファイトの形状から生じます。ただし、ピークはグラファイト G バンドと比較して約 10 cm-1 シフトしており、MNC のシートの積層順序が低く、構造に欠陥があることが示されています。D バンドと G バンドの相対強度 (ID/IG) は、微結晶と黒鉛サンプルの純度を評価するために使用されます。ラマン分光分析によると、すべての MNC の ID/IG 値は 0.98 ～ 0.99 の範囲であり、Sp3 ハイブリダイゼーションによる構造欠陥を示しています。この状況は、XPA スペクトルにおけるそれほど強度の低い 2θ ピークの存在を説明できます。図 4 に示すように、MNK15 では 26.20°、MNK20 では 26.28°であり、これは JCPDS ファイルのグラファイト ピークに割り当てられています。この研究で得られた ID/IG MNC 比は、他の磁性ナノカーボンの範囲内にあります。たとえば、水熱法では 0.85 ～ 1.03、熱分解法では 0.78 ～ 0.9665.66 です。したがって、この比率は、本合成法が広く使用できることを示している。
MNC の磁気特性は、振動磁力計を使用して分析されました。結果として生じるヒステリシスを図 5 に示します。一般に、MNC は合成中にフェロセンから磁性を獲得します。これらの追加の磁気特性により、将来的にはナノカーボンの吸着能力が増加する可能性があります。図 5 に示すように、サンプルは超常磁性材料であることがわかります。Wahajuddin & Arora67 によると、超常磁性状態とは、外部磁場が印加されたときにサンプルが飽和磁化 (MS) まで磁化されることです。その後、残留磁気相互作用はサンプル中に現れなくなりました67。飽和磁化が合成時間とともに増加することは注目に値します。興味深いことに、外部磁石の存在下で最適な合成時間により強力な磁気形成 (磁化) が引き起こされる可能性があるため、MNC15 は最も高い磁気飽和を示します。これは、ε-Fe2O などの他の酸化鉄と比較して磁気特性が優れている Fe3O4 の存在によるものと考えられます。MNC の単位質量あたりの飽和吸着モーメントは、MNC15 > MNC10 > MNC20 の順です。得られた磁気パラメータを表に示します。2.
磁気分離に従来の磁石を使用した場合の磁気飽和の最小値は約 16.3emu g-1 です。MNC が水生環境中の染料などの汚染物質を除去する能力と、MNC の除去の容易さは、得られるナノカーボンにとって追加の要素となっています。研究によると、LSM の磁気飽和は高いと考えられています。したがって、すべてのサンプルは磁気分離手順に十分すぎる磁気飽和値に達しました。
最近、金属ストリップまたはワイヤがマイクロ波核融合プロセスにおける触媒または誘電体として注目を集めています。金属のマイクロ波反応は、反応器内で高温または反応を引き起こします。この研究は、先端と調整された（コイル状の）ステンレス鋼ワイヤーがマイクロ波の放電と金属の加熱を促進すると主張しています。ステンレス鋼の先端には顕著な粗さがあり、これにより表面電荷密度と外部電界の値が高くなります。電荷が十分な運動エネルギーを獲得すると、荷電粒子はステンレス鋼から飛び出し、環境をイオン化し、放電またはスパーク 68 を生成します。金属放電は、高温ホットスポットを伴う溶体化分解反応に大きく寄与します。補足図2bの温度マップによると、温度は急速に上昇し、強い放電現象に加えて高温ホットスポットの存在を示しています。
この場合、弱く結合した電子が移動して表面と先端に集中する可能性があるため、熱効果が観察されます69。ステンレス鋼を巻くと、溶液中の金属の表面積が大きいため、材料の表面に渦電流が発生し、加熱効果が維持されます。この条件は、CPO、フェロセン、およびフェロセンの長い炭素鎖を効果的に切断するのに役立ちます。補足図2bに示すように、一定の温度速度は、溶液中で均一な加熱効果が観察されることを示しています。
MNC の形成について提案されたメカニズムを補足図 7 に示します。CPO とフェロセンの長い炭素鎖は、高温で亀裂を開始します。オイルは分解して分割炭化水素を形成し、FESEM MNC1070 画像では小球として知られる炭素前駆体になります。環境のエネルギーと大気条件の圧力によるものです。同時に、フェロセンも分解し、Fe 上に堆積した炭素原子から触媒を形成します。その後、急速な核生成が発生し、カーボン コアが酸化してコアの上部にアモルファスとグラファイトのカーボン層が形成されます。時間が経つにつれて、球のサイズはより正確かつ均一になります。同時に、既存のファンデルワールス力も球体の凝集を引き起こします52。Fe イオンが Fe3O4 および ɣ-Fe2O3 に還元される際 (X 線位相分析による)、ナノカーボンの表面にさまざまな種類の酸化鉄が形成され、磁性ナノカーボンの形成につながります。EDS マッピングは、補足図 5a ～ c に示すように、Fe 原子が MNC 表面に強く分布していることを示しました。
違いは、合成時間 20 分で炭素の凝集が発生することです。これは、MNCの表面に大きな細孔を形成し、図1e〜gのFESEM画像に示されているように、MNCを活性炭と見なすことができることを示唆しています。この細孔サイズの違いは、フェロセンからの酸化鉄の寄与に関連している可能性があります。同時に、高温に達したため、スケールが変形します。磁性ナノカーボンは、異なる合成時間で異なる形態を示します。ナノカーボンは、合成時間が短いほど球形を形成する可能性が高くなります。合成時間の差はわずか 5 分以内ですが、毛穴とスケールも同時に実現できます。
磁性ナノカーボンは水生環境から汚染物質を除去できます。使用後に簡単に除去できることは、この研究で得られたナノカーボンを吸着剤として使用するための追加の要素です。磁性ナノカーボンの吸着特性を研究する際に、pH 調整を行わずに 30°C でメチレンブルー (MB) 溶液を脱色する MNC の能力を調査しました。いくつかの研究では、25 ～ 40 °C の温度範囲での炭素吸収剤の性能は MC の除去を決定する上で重要な役割を果たしていないと結論付けています。極端な pH 値は重要な役割を果たしますが、表面官能基に電荷が形成される可能性があり、これが吸着質 - 吸着剤の相互作用の破壊につながり、吸着に影響を与えます。したがって、この研究では、これらの状況と一般的な廃水処理の必要性を考慮して、上記の条件が選択されました。
この研究では、20 mg の MNC を、さまざまな標準初期濃度 (5 ～ 20 ppm) のメチレンブルー水溶液 20 ml に一定の接触時間で添加するバッチ吸着実験を実施しました60。補足図8は、MNC10、MNC15、およびMNC20での処理前後のメチレンブルー溶液のさまざまな濃度（5〜20 ppm）の状態を示しています。さまざまな MNC を使用すると、MB ソリューションの色レベルが低下しました。興味深いことに、MNC20 は 5 ppm の濃度で MB 溶液が容易に変色することがわかりました。一方、MNC20 は他の MNC と比較して MB ソリューションの色レベルも低下しました。MNC10-20のUV可視スペクトルを補足図9に示します。一方、除去率と吸着情報をそれぞれ図9.6と表3に示します。
664 nm と 600 nm に強いメチレンブルーのピークが見られます。一般に、MG 溶液の初期濃度が減少するにつれて、ピークの強度は徐々に減少します。追加の図９ａは、ＭＮＣ１０で処理した後の様々な濃度のＭＢ溶液の紫外可視スペクトルを示しており、ピークの強度はわずかに変化しただけである。一方、補足図9bおよびcにそれぞれ示すように、MB溶液の吸収ピークは、MNC15およびMNC20での処理後に大幅に減少しました。これらの変化は、MG 溶液の濃度が減少するにつれて明らかに見られます。しかし、3 つの磁性炭素すべてによって達成されるスペクトル変化は、メチレン ブルー色素を除去するのに十分でした。
表 3 に基づいて、吸着された MC の量と吸着された MC の割合の結果を図 3.6 に示します。 MG の吸着は、すべての MNC についてより高い初期濃度を使用すると増加しました。一方、初期濃度が増加すると、吸着率または MB 除去率 (MBR) は逆の傾向を示しました。より低い初期 MC 濃度では、占有されていない活性部位が吸着剤表面に残りました。色素濃度が増加すると、色素分子の吸着に利用できる未占有の活性部位の数が減少します。他の研究者は、これらの条件下では生体吸着の活性部位の飽和が達成されると結論付けています72。
残念なことに、MNC10 では、MBR は 10 ppm の MB 溶液後に増加および減少しました。同時に、MG のごく一部のみが吸着されます。これは、10 ppm が MNC10 の吸着に最適な濃度であることを示しています。この研究で研究したすべての MNC について、吸着能力の順序は次のとおりです: MNC20 > MNC15 > MNC10、平均値は 10.36 mg/g、6.85 mg/g、および 0.71 mg/g で、MG の平均除去率は87、79%、62.26%、5.75%でした。したがって、吸着容量と紫外可視スペクトルを考慮すると、MNC20 は合成された磁性ナノカーボンの中で最も優れた吸着特性を示しました。吸着容量は、MWCNT 磁性複合材料 (11.86 mg/g) やハロイサイト ナノチューブ磁性 Fe3O4 ナノ粒子 (18.44 mg/g) などの他の磁性ナノカーボンと比較して低いですが、この研究では刺激剤を追加で使用する必要はありません。化学物質は触媒として働きます。クリーンで実行可能な合成方法を提供します73,74。
MNC の SBET 値で示されているように、比表面積が高いと、MB 溶液の吸着により多くの活性サイトが提供されます。これは合成ナノカーボンの基本的な特徴の 1 つになりつつあります。同時に、MNC のサイズが小さいため、合成時間は短く許容可能であり、これは有望な吸着剤の主な品質に対応しています 75。従来の天然吸着剤と比較して、合成された MNC は磁気的に飽和しており、外部磁場の作用により溶液から容易に除去できます 76。したがって、治療プロセス全体に必要な時間が短縮されます。
吸着等温線は、吸着プロセスを理解し、平衡に達したときに吸着質が液相と固相の間でどのように分配されるかを示すために不可欠です。図 7 に示すように、吸着機構を説明する標準等温線方程式として、ラングミュア式とフロイントリヒ式が使用されます。ラングミュア モデルは、吸着剤の外表面に単一の吸着層が形成されることをよく示しています。等温線は、均一な吸着面として最もよく説明されます。同時に、フロイントリヒ等温線は、吸着物を不均一な表面に押し付ける際のいくつかの吸着領域と吸着エネルギーの関与を最もよく表しています。
MNC10、MNC15、および MNC20 のラングミュア等温線 (a ～ c) およびフロイントリヒ等温線 (d ～ f) のモデル等温線。
低溶質濃度での吸着等温線は通常直線的です77。ラングミュア等温線モデルの線形表現は方程式で表すことができます。1 吸着パラメータを決定します。
ＫＬ（１／ｍｇ）は、ＭＮＣに対するＭＢの結合親和性を表すラングミュア定数である。なお、qmaxは最大吸着容量(mg/g)、qeはMCの吸着濃度(mg/g)、CeはMC溶液の平衡濃度である。フロイントリヒ等温線モデルの線形式は次のように説明できます。
投稿日時: 2023 年 2 月 16 日