나노복합체의 효과적인 합성과 자기조립은 광범위한 나노물질 응용에 있어 매우 중요했습니다. 이 연구에서 새로운 탄소나노튜브(CNT)-Cu2 O 나노복합체는 손쉬운 접근을 통해 성공적으로 합성되었습니다. CNT는 Cu2를 로드하기 위한 고정 기판으로 선택되었습니다. O 나노 입자는 안정성과 재사용성이 좋은 복합 촉매를 제조합니다. 준비된 CNT-Cu2 O 나노 복합 재료는 안정화제를 사용하지 않고 준비 온도와 시간을 조절하여 효과적으로 제어할 수 있습니다. 합성된 복합재료의 나노구조는 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM) 및 X선 회절(XRD)과 같은 많은 기술에 의해 잘 특성화되었습니다. 그리고 준비된 CNT-Cu2 새로운 촉매로서 최적화된 준비 조건을 가진 O 나노복합체는 p-니트로페놀의 환원 반응에서 우수한 촉매 성능을 보여 환경 거버넌스 및 복합 재료에 대한 잠재적인 응용을 보여주었습니다.
<섹션 데이터-제목="배경">탄소나노튜브(CNT)의 발견 이후 촉매[1, 2], 플렉서블 슈퍼커패시터[3], 전자 센서[4], 지속 가능한 폐수 처리[5]에 대한 관련 연구 및 응용이 광범위하게 탐구되었습니다. CNT는 높은 화학적 안정성, 우수한 전기 전도성, 큰 비표면적 및 매우 높은 기계적 강도로 인해 특수 재료로 잘 알려져 있습니다[6]. 이러한 특별한 특성으로 인해 CNT는 연구자에게 큰 도움이 됩니다. 최근 몇 년 동안 CNT 촉매에 대한 더 많은 연구 작업이 수행되었으며 대부분은 전이 금속과의 복합 재료와 관련이 있습니다. 예를 들어 Karimi-Maleh et al. 고접착성 탄소 페이스트 전극으로 사용되는 화학적 침전법에 의해 CuO/CNTs 나노복합체를 합성했다[7, 8]. 최근 나노 과학 및 나노 기술의 발전으로 다기능 탄소 재료를 합성하기 위한 손쉬운 저비용 전략을 개발하는 것이 중요한 과제입니다. 동시에 Pd[9], TiO[10], Mo[11], Zn[12], Au[13] 및 Ag[14]와 같은 촉매 특성을 개선하기 위해 점점 더 많은 나노 물질이 연구되었습니다. Liu et al. 아연을 사용하여 자가 조립 방식으로 엽록체 모방체를 제작했는데, 이는 지속 가능한 연료 합성에서 광효소 반응에 도움이 되었습니다[15]. 예를 들어, 은 나노 입자는 높은 반응성과 선택성으로 인해 현재 촉매로 널리 사용됩니다[16, 17]. 또한 Pt 나노입자는 전자 분리기 역할을 할 수 있다[18]. Pt 및 TiO2 섬유 번들 아키텍처를 개혁하기 위해 자가 광물화로 작용했습니다[19]. Liu et al. 펩타이드-포르피린 공동-어셈블리를 연구했습니다. 이것에서 그들은 쉽게 광물화되는 Pt 나노입자를 제시하였다[20]. 수지상 피레닐 모이어티로 장식된 과분지형 폴리글리시돌(pHBP)은 Li와 동료들에 의해 제조되었으며, 이는 비공유(비파괴) 공정을 통해 CNT를 기능화한 후 Au, Ag 및 Pt 나노입자가 균일한 SiO2 , 지리2 및 TiO2 코팅은 준비된 그대로의 CNT/pHBP 하이브리드에 제자리에 증착되었습니다[21]. 새로운 CNT/pHBP/Au 하이브리드 및 CNT/pHBP/Pt가 보고되었으며 4-NP 환원에 대한 우수한 촉매 활성을 보여주었다[13, 21]. 또한 Szekely 연구팀은 폴리벤즈이미다졸 기반 나노여과막의 표면에 그래프트된 아지도 유도체화 신코나-스쿠아라마이드 이관능성 촉매에 대한 우수한 연구를 달성하여 기하학의 변화를 확인하고 2차 상호작용을 증가시키고 촉매 효과를 향상시켰다[22 ].
한편, 구리 나노 결정은 촉매로 사용되는 저가 및 고풍부 재료에 속한다. 크기와 모양은 촉매 활성에 영향을 미치며 표면 미세구조와 표면의 Cu 원자 배열도 촉매 결과를 결정합니다[23]. Meldal[24]과 Sharpless[25]는 Cu + 의 능력을 탐구했습니다. 약간의 고리화 첨가 반응을 가속화하기 위해 실온에서 또는 적당한 가열로 염. Cu 촉매의 기능화로 Cu 나노 물질은 전기 촉매, 광촉매 및 CO2에 효과적으로 사용되었습니다. 촉매. 예를 들어, 이전 보고서에서는 Cu가 가시광 활성 광촉매 분야에 적용되었다고 제시했습니다[27]. 그 작업에서 Cu 및 Cd 촉매와 광촉매 CO2의 동시 기능화 감소를 성공적으로 실현했습니다. 구리 나노 구조는 촉매 산화 반응에도 사용되었지만 이러한 메커니즘은 다른 금속 촉매와 다릅니다[28]. CNT는 높은 기계적 강도, 높은 열 및 전기 전도도 및 흡착, 독특한 나노구조, 기계적 및 열적 특성, 소수성을 나타내기 때문에 많은 연구자들이 CNT를 불균일 촉매를 지지하는 템플릿으로 적용했습니다[29]. 탄소나노튜브와 혼합된 하이브리드 나노플라워 복합재료는 효소적 바이오연료전지 제작 분야에서 사용될 수 있는 높은 효소배선효율과 전자전달율을 보였다[30]. 또한 Esumi의 그룹은 4-NP 환원을 위해 덴드리머로 캡슐화된 Au NP를 탐색했지만 결과는 덴드리머의 농도와 생성에 영향을 받는 과정을 보여주었습니다[13, 31, 32, 33]. 동시에 CNT 및 Cu 복합재료에 대한 일부 연구 작업이 보고되었습니다. 일반적으로 Leggiero et al. CVD 방법을 사용하여 씨딩된 Cu와 CNT로 전착된 Cu가 우수한 전도체를 달성한다는 것을 발견했습니다[34]. Choet al. CNT 및 금속 매트릭스 복합 복합 크롬 카바이드를 현장 형성에 의해 탐구했으며, 이는 전기 전도도 및 온도 저항 계수를 포함하여 양립할 수 없는 특성을 달성했습니다[35].
여기에서, 우리는 안정적인 CNT-Cu2의 합성을 보고합니다. O 나노복합체를 간단하고 쉽게 제조할 수 있습니다. Cu2 O 나노결정은 CuCl 전구체로부터 제조되었다. 우리는 형성된 Cu 나노 구조의 크기를 조절하기 위해 다른 준비 온도와 시간을 조정했습니다. 이전 보고서에서 소개한 방법은 상대적으로 복잡한 반면, 본 사례의 준비 방법은 재료 비용이 저렴하고 간단하고 친환경적이었습니다. 또한, 준비된 복합 재료는 새로운 촉매 재료로 사용될 수 있고 4-NP의 환원 반응에 활용될 수 있다[36]. 특히 본 연구는 폐수처리 분야 및 복합촉매재료 분야에서 큰 잠재력을 보여줄 수 있을 것입니다.
실험에 사용된 재료는 다중벽 아민화 탄소나노튜브(95%, 내경 3-5 nm, 외경 8-15 nm, 길이 50 μm), 염화제일구리(97%, CuCl) 및 염화제2구리( 98%, CuCl2 ) Aladdin Chemicals에서 구입했습니다. 수산화나트륨(96%, NaOH)은 Tianjin Kermel Chemical Reagent에서 구입했습니다. l-아스코르브산(99.7%), 수소화붕소나트륨(98%, NaBH4) ) 및 p-니트로페놀(98%, 4-NP)은 Shanghai Hushi Reagent에서 구입했습니다. 사용된 모든 용매는 분석 등급이었고 추가 처리 없이 직접 사용되었습니다.
표적 나노복합체는 다음 절차에 의해 합성되었습니다:100 mg 카르복실화 탄소 나노튜브와 100 mg CuCl 고체의 혼합물을 30 °C에서 20분 동안 자성 끈(300 r/min)이 있는 깨끗한 비이커의 250 mL 탈이온수에 첨가했습니다. . 이어서, 1 시간 동안 교반을 유지하면서, 0.88 g의 아스코르브산 및 5.0 mL의 NaOH(1 M)를 상기 혼합 용액에 첨가하였다. 그런 다음, 고체를 100 mL 에탄올과 100 mL 탈이온수로 여러 번 세척하고 48시간 동안 50°C에서 진공 건조하여 수집했습니다[16]. 비교를 위해 30°C에서 6시간 동안 교반하거나 60°C에서 1시간 동안 교반하면서 다양한 실험 조건을 제어했습니다. 얻어진 모든 샘플은 48시간 동안 50 °C에서 진공 건조되었습니다.
촉매 실험은 이전 보고서[16]에 따라 수행되고 감지되었습니다. 촉매 실험에서 0.0174 g 4-NP 및 0.1892 g NaBH4 각각 25 mL의 탈이온수에 용해하고 약 16 mL의 4-nitrophenol 수용액(0.313 mM)과 새로 준비한 15 mL의 수소화붕소나트륨 용액을 실온에서 비이커에 첨가했습니다[36, 37]. 그런 다음 합성된 CNT/Cu2 O 복합물(10 mg)을 상기 제조된 용액에 분산시켜 현탁액을 얻었다. 기기를 표준화하기 위해 1.5mL의 탈이온수를 석영 큐벳에 넣고 220~550nm의 파장에서 UV-vis 분광광도계를 사용하여 모니터링했습니다. 그 후, 4분 간격으로 1.5mL의 상등액을 모니터링하고 재활용하여 반응 시스템에서 일정한 농도를 유지했습니다. 촉매 반응 후 사용한 촉매를 원심분리하여 회수하고 에탄올과 물로 여러 번 세척하였다.
제조된 복합재료의 형태는 전계방출형 주사전자현미경(SEM)(S-4800II, Hitachi, Japan)을 이용하여 가속전압 15 kV에서 분석하였다. EDXS 분석은 일반적으로 SEM에 부착된 Oxford Link-ISIS X선 EDXS 미세 분석 시스템을 사용하여 200 kV 가속에서 수행되었습니다. 투과 전자 현미경(TEM, HT7700, Hitachi High-Technologies Corporation)은 상업용 300메시 구리 그리드로 조사되었습니다. 200 kV의 가속 전압으로 복합 재료의 원소 매핑을 구별하여 X선 분광법(EDXS)에 활용했습니다. 복합물은 Horiba Jobin Yvon Xplora PLUS 공초점 라만 현미경이 장착된 전동 샘플 스테이지로 수행되었습니다[38,39,40,41,42]. X선 회절(XRD) 분석은 Cu Kα X선 방사선 소스와 Bragg 회절 장치(SmartLab, Rigaku, Japan)가 장착된 X선 회절계에서 조사되었습니다.
먼저 그림 1은 합성된 CNT-Cu2의 나노구조를 보여주었다. O 탄소 나노튜브와 염화제일구리를 통한 나노복합체. 다양한 매개변수의 특성화를 시도한 후 다양한 반응 요인에서 최적의 제품을 얻었습니다. 그림 1a, d에서 볼 수 있듯이 반응 온도는 30 °C이고 1 시간 동안 교반하면 Cu2의 크기가 O 나노결정은 합성된 CNT-Cu-30-1 합성물에서 나노튜브 표면에 약 30-50 nm 정도 고르게 분포되어 있음을 보였다. 또한 CNT-Cu-60-1 및 CNT-Cu-30-6으로 명명된 30 °C에서 6시간 또는 60 °C에서 1시간 교반한 합성물도 조사되었으며, 큰 블록을 나타냅니다. Cu2 O 마이크로미터 규모의 직경을 갖는 나노결정질 입자. 준비된 CNT-Cu-30-1 합성물의 성분 분산을 더 분석하기 위해 EDS 맵 스캐닝을 사용하여 형태를 조사했습니다. 그림 2는 CNT-Cu-30-1 나노복합체의 SEM 이미지와 C, O 및 Cu 원소의 원소 매핑을 보여줍니다. 얻어진 결과는 사용된 탄소 나노튜브가 좋은 담체 역할을 할 수 있음을 보여주고 형성된 Cu2 O 나노입자가 CNT 표면에 고르게 부착되어 좋은 촉매 성능을 보이는 것으로 추측할 수 있다.
<그림>
합성된 CNT-Cu2의 SEM 및 TEM 이미지 오 나노복합체. 아 , d CNT-Cu-30-1. ㄴ , e CNT-Cu-60-1. ㄷ , f CNT-Cu-30-6
<그림>
CNT-Cu-30-1 나노복합체의 SEM 이미지와 C, O, Cu의 원소 매핑
다음으로 합성된 CNT-Cu2 O 나노복합체는 그림 3과 같이 XRD 기법으로 특성화되었습니다. CNT의 특성 회절 피크가 2θ에서 나타나는 것을 쉽게 관찰할 수 있습니다. 탄소 나노튜브 구조로 인해 PDF26–1079로 색인화될 수 있는 26°의 값. 또한 Cu2에 강하고 날카로운 특성 피크가 많이 할당될 수 있습니다. O 나노결정은 PDF05–0667로 색인화되었습니다. 명백하게, 얻어진 모든 복합 샘플은 다른 불순물 없이 동일한 특성 피크를 나타냈다. Cu2의 안정성을 탐색하기 위해 O 나노 입자, 1개월 후 얻은 복합체를 XRD로 반복 분석했습니다. 그리고 얻어진 결과는 합성된 Cu2의 우물 안정성을 나타내는 동일한 곡선을 보여주었다 오 나노입자. 또한, CNT의 라만 스펙트럼과 합성된 CNT-Cu2 O 나노복합체를 조사하고 그림 4에 표시했습니다. CNT 스펙트럼을 CNT-Cu-30-1 및 CNT-Cu-60-1 스펙트럼과 비교하면 모든 곡선에서 두 개의 뚜렷한 가시 피크(G 및 D)와 더 작은 피크(2D ), 탄소 기반 매트릭스의 존재를 증명합니다. D 피크(1344 cm −1 )는 CNT의 결함과 장애를 나타내고, G 피크(1605 cm -1 ) )는 sp 2 에서 무질서의 결과를 나타냅니다. - 하이브리드 탄소 시스템. 또한 2D 피크(2693 cm −1 )는 CNT 구조에서 2-포논 격자 진동에 기인할 수 있다. 그림 4에서 D와 G 피크의 강도 비율(I 디 /나 G ) CNT의 경우 1.64의 값을 보였다. 그러나 나의 가치는 디 /나 G CNT-Cu-30-1 복합재(1.34)의 는 CNT보다 작지만 CNT-Cu-60-1 복합재(1.29)보다 큰 것으로 제안되었다. 비율이 높을수록 탄소 결정의 결함이 커지며, 이는 CNT-Cu-60-1 복합체의 결정도가 CNT-Cu-30-1보다 크게 보이며 SEM 특성 분석 결과와 잘 일치함을 추가로 입증했습니다. . 반면 223 cm −1 에서 특성 피크 및 485 cm −1 Cu2의 격자 진동을 나타냄 오 크리스탈.
<그림>
합성된 CNT-Cu2의 XRD 곡선 O 나노복합체
<그림>
CNT 및 합성 CNT-Cu2의 라만 스펙트럼 O 나노복합체
얻어진 CNT-Cu2 O 나노복합체는 NaBH4가 있는 상태에서 4-니트로페놀레이트(4-NP)를 4-아미노페놀(4-AP) 용액으로 환원시키는 데 사용되었습니다. 전형적인 반응 모델로. UV-vis 분광법은 널리 연구된 4-NP 환원 반응을 모니터링하는 별개의 방법이라고 잘 보고되었습니다[23, 36, 38]. 처음에는 신선한 NaBH4 수용액을 포함한 4-NP 용액 4-NP의 최대 흡수 피크는 314 nm에 위치했습니다. NaBH4 추가 후 촉매가 없는 용액에서 용액은 피크 위치가 401 nm로 이동된 밝은 노란색으로 나타나 4-nitrophenolate의 형성을 나타냅니다[36]. 그림 5a에서 볼 수 있듯이, 준비된 CNT-Cu-30-1 합성물은 NaBH4와 4-NP 혼합물을 완전히 촉매할 수 있습니다. Cu2의 높은 촉매 능력으로 인해 35 s 이내에 4-aminophenol을 생산할 수 있습니다. 이 복합재의 O 나노 입자. 또한 CNT-Cu-60-1 또는 CNT-Cu-30-6의 촉매를 반응혼합물에 첨가하면 401에서 최대 흡광도 피크가 약 11-12분 후에 점차 사라지고 생성물이 형성됨을 시사하였다. 4-AP. 동시에 그림 5d와 같이 NaBH4를 포함하는 4-NP 용액의 색상 촉매 공정 후 밝은 노란색에서 무색 상태로 변하여 촉매 공정이 완료되었음을 나타냅니다.
<그림>
현재 합성된 CNT-Cu2를 통한 4-NP의 촉매 환원 오 나노복합체. 아 CNT-Cu-30-1. ㄴ CNT-Cu-60-1. ㄷ CNT-Cu-30-6. d 촉매 공정 전후의 4-NP 용액 사진
촉매 물질이 우수한 안정성과 재사용 성능을 갖는 것은 중요한 지표인 것 같았습니다[43,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52]. 연속적인 공정으로 지속 가능하게 되었고, 배치 공정보다 더 나은 모습을 보여 더욱 주목을 받았습니다. 복합재의 순환 능력을 향상시켜 생산 비용을 줄이는 데 도움이 되었습니다. 따라서 위의 촉매 실험 결과를 바탕으로 합성된 CNT-Cu-30-1 나노복합체를 NaBH4로 4-nitrophenol을 환원시키는 촉매로서 재사용성을 조사하였다. 이후 8회 모델로 활동. 도 6에 나타난 바와 같이 1차 촉매 효율은 거의 99%에 이르렀고 8회 후에도 92%의 값을 나타내어 현재 합성된 나노복합체의 우수한 안정성과 재사용성을 입증하였다. 촉매 분해의 가능한 이유는 다음과 같습니다. 첫째, 복합재의 활성 부위가 미량의 잔류 4-NP 또는 4-AP로 덮여 있었습니다. 둘째, 촉매를 재활용하고 세척할 때 미량의 손실이 있었다. 이러한 상황을 피하기 위해 손실을 줄이기 위해 미래의 설계에 자성 나노입자를 추가할 수 있습니다. 그림 7은 CNT-Cu2의 준비를 보여줍니다. O 나노복합체 및 니트로 화합물에 대한 촉매 특성. 이 계획은 준비 온도와 시간이 Cu2의 크기를 조절하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 나타났습니다. O 나노 결정 및 다음 촉매 성능. l-ascorbic acid는 환원제로 반응 시스템에 첨가되었고 Cu2 O가 형성되었습니다. 그리고 CNT는 Cu2의 덩어리를 방지하기 위해 더 큰 플랫폼과 앵커링 사이트를 제공하는 기판 캐리어 역할을 합니다. 오 나노입자. 또한 CNT와 Cu2의 조합 O는 CNT와 Cu2 사이의 분자간 상호작용을 증가시키는 전자 전달 과정을 향상시킬 수 있습니다. O. 다른 보고된 연구에서 4-NP의 환원 반응은 13분의 시간으로 Cu 나노와이어에 의해 촉매화되었습니다[23]. 따라서 합성된 CNT-Cu2 O-1은 높은 촉매 성능을 달성하여 폐수 처리 및 복합 재료에 대한 잠재력과 광범위한 적용을 나타냅니다. 반응 온도가 30 °C이고 1 h인 매개변수(CNT-Cu-30-1)는 작고 균일한 Cu2를 생성할 수 있습니다. 형성된 복합 재료의 O 나노 결정은 온도를 높이고(CNT-Cu-60-1) 준비 시간을 연장하면(CNT-Cu-30-6) 큰 덩어리 블록을 생성하고 촉매 능력을 분명히 감소시킬 수 있습니다. Cu2의 크기와 모양이 O 나노 결정은 촉매 활성에 현저한 영향을 미칩니다. 따라서 현재 작업은 광범위한 촉매 분야를 위한 새로운 나노복합체 재료의 설계 및 준비에 대한 잠재적인 탐색을 제공했습니다.
<그림>
NaBH4를 사용한 4-니트로페놀 환원 촉매로서 CNT-Cu-30-1 나노복합체의 재사용성 테스트
<그림>
합성된 CNT-Cu2의 제조 및 촉매 환원의 개략도 O 나노복합체
요약하면, 우리는 CNT-Cu2 합성을 위한 손쉬운 접근 방식을 제시했습니다. O 나노복합체는 손쉬운 저비용 방법을 이용합니다. 심층 분석을 통해 현재 CNT-Cu2에 최적화된 합성 조건 O 합성물은 30 °C에서 1 시간 동안 유지되었으며, 이는 Cu2 30–50 nm 크기의 O 입자로 CNT 표면에 균일하게 분포되어 있습니다. 최적화된 촉매 생성물은 4-NP 반응을 환원시켜 35 s 이내에 4-AP를 완전히 형성하는 데 사용되었습니다. 흥미롭게도, 촉매 능력은 8 주기 후에 92%를 유지했으며, 이는 촉매 안정성과 잠재적인 응용 가능성을 보여주었습니다. CNT의 존재는 템플릿 기판의 기능을 제공할 뿐만 아니라 기계적 특성과 재사용 안정성을 향상시켰다. 합성된 생성물은 8회의 연속적인 반복 사이클 후에도 4-NP의 촉매 환원에 대해 높은 성능을 나타냄을 발견하였다. 현재 연구에 따르면 현재 합성된 CNT-Cu2 O 복합 재료는 폐수 처리 및 복합 재료 분야에서 촉매의 광범위한 후보가 될 수 있습니다.
P-니트로페놀
탄소나노튜브
30 °C 및 1 h에서 얻은 합성물
30 °C 및 6 h에서 얻은 합성물
60 °C 및 1 h에서 얻은 합성물
주사 전자 현미경
투과 전자 현미경
X선 회절
나노물질
미국 워싱턴주 모세 레이크에 있는 SGL Carbon의 다중 라인 시설에 있는 탄소 섬유 생산 라인은 원래 BMW용 탄소 섬유를 만들기 위해 설립된 공장에서 50k 견인 탄소 섬유를 생산합니다. 출처:SGL 카본. 출처 | SGL 카본 특수 화학 대기업 Solvay(벨기에 브뤼셀)와 탄소 섬유 제조업체 SGL Carbon(독일 비스바덴)은 대형 토우 기반 복합 재료 최초의 시장 출시를 위한 공동 개발 계약(JDA)을 체결했다고 3일 보고했다. 중간 모듈러스(IM) 탄소 섬유. 비용 및 CO2 절감의 필요성을 해결하는 데 도움이
유인 잠수정 서비스 제공업체인 OceanGate Inc.(미국 워싱턴주 에버렛)는 우주항공 등급의 우선 제공업체로 Toray Composite Materials America Inc.(CMA, Tacoma, USA)를 선정했다고 3월 23일 보고했다. 심해 유인 잠수정에 사용하기 위한 새로운 탄소 섬유 압력 용기 제조에 사용하기 위한 프리프레그 탄소 섬유 재료입니다. 새로운 압력 용기의 생산은 올해 말에 시작될 예정입니다. “CMA는 항공우주 산업에서 오랫동안 신뢰할 수 있는 공급업체였으며 프리프레그 복합 재료의 개발 및 혁신
