탄소 기반 재료는 나노 기술의 여러 분야에서 연구의 선봉입니다. 또한 크로마토그래피에서 고정상으로서의 역할이 관련성을 얻고 있습니다. 다중벽 탄소나노튜브(CNT)와 초상자성 산화철 나노입자로 구성된 재료를 혼합 모드 크로마토그래피 재료로 사용하기 위해 조사합니다. 아이디어는 상당한 압력 강하 없이 크로마토그래피 공정을 위한 안정적인 매트릭스로 CNT에 이온 교환 물질 산화철을 고정시키는 것입니다. 산화철 나노 입자가 합성되어 공침 경로를 통해 CNT를 장식하는 데 사용됩니다. 그들은 산화된 CNT의 벽에 결합하여 복합 재료를 자기적으로 분리할 수 있습니다. 이 하이브리드 재료는 투과전자현미경, 자기계측법, X선 회절, X선 광전자 및 라만 분광법으로 조사됩니다. 또한, 비표면적과 젖음 거동을 결정합니다. 우리는 또한 수성 매질로 둘러싸인 복잡한 다공성 시스템에서 다양한 아미노산의 흡착 및 탈착을 설명하면서 아미노산 보유를 위한 크로마토그래피 물질로서의 응용 가능성을 보여줍니다. 따라서, 이 물질은 산화철 나노입자로 인해 크로마토그래피 매트릭스 및 자기 배치 흡착 물질로 사용될 수 있다. 우리의 작업은 복합 재료에 대한 현재 연구에 기여합니다. 이러한 재료는 새로운 산업 응용 프로그램을 개발하거나 기존 프로세스의 성능을 개선하는 데 필요합니다.
Iijima[1]가 1991년 탄소 나노튜브(CNT)를 처음 합성한 이후로 가장 강력한 나노물질 중 하나로 비할 데 없는 상승이 시작되었습니다. CNT의 생산은 그래핀 층을 튜브로 압연하는 것을 기반으로 합니다. CNT의 전기적 및 기계적 특성은 층 또는 다층 어셈블리의 다른 형태에 의해 쉽게 조정할 수 있습니다. 높은 비표면적과 결합된 높은 탄성, 안정성, 열 및 전기 전도성은 CNT를 나노기술의 선봉에 위치시킵니다[2]. CNT의 응용 분야는 배터리, 센서 및 고성능 재료에서 약물 전달 및 폐수 처리에 이르기까지 다양합니다[2,3,4,5,6,7,8,9]. 많은 응용 분야는 높은 비표면적과 정의된 화학 구조를 갖는 CNT의 고유한 수착 특성을 기반으로 합니다. Long and Yang은 가스 다이옥산과 질소 산화물의 강한 흡착 거동을 관찰한 반면 황산화물은 적당히 결합하고 이산화탄소는 CNT에 잘 결합하지 않았습니다[10]. CNT의 높은 소수성 표면은 반데르발스 상호작용을 통해 비극성 중합체 또는 고리형 탄화수소를 결합할 수 있습니다. 따라서 CNT는 CNT를 크로마토그래피 수지로 사용하여 디캄바 제초제를 정제할 수 있었던 Biesaga와 Pyrzynska에 의해 입증된 소수성 상호작용 크로마토그래피(HIC) 수지로 사용할 수 있습니다[11]. 전기화학적으로 변조된 크로마토그래피 응용 및 전위 스위치에 의한 이온 교환 제어를 위해 CNT는 매우 유망한 고정상 물질을 나타냅니다[12, 13]. 또한 비극성 화합물의 추출 재료로서의 응용이 입증되었습니다[14]. 그러나 CNT의 응집은 추출 공정의 효율성을 감소시킬 수 있습니다[15, 16]. 초상자성 산화철 나노입자(SPION)는 폐수 처리 또는 의학의 여러 응용 분야에서 입증된 것처럼 흥미로운 흡착 특성을 가지고 있습니다[17,18,19]. 폐수 처리에서 산화철 나노 입자는 예를 들어 낮은 비용, 높은 비표면적 및 복합화 특성으로 인해 중금속 제거 [20]. 의학에서 산화철은 자기 공명 영상의 조영제, 약물 전달제 또는 온열 요법에 사용할 수 있습니다[19, 21]. 따라서 이 두 재료를 혼합하여 유익한 특성을 결합하는 것은 매우 흥미롭습니다. 특히 CNT의 전도도와 SPION의 초상자성은 다양한 응용 분야에서 가치가 있습니다[22]. 응용 프로그램에는 예를 들면 다음이 포함됩니다. 염료 및 의약품의 자기 고체상 추출 [23,24,25,26]. 큰 비표면적의 기본 요구 사항은 고체상 추출 및 액체 크로마토그래피와 유사합니다. 따라서 우리는 이 물질이 크로마토그래피 분리 공정에 적합한지 테스트하고자 합니다. SPION으로 CNT를 장식하는 것은 표면의 양친매성 특성으로 인해 CNT의 분산성과 재활용성을 향상시킬 가능성이 있습니다[27]. 따라서 복합 재료는 CNT와 산화철의 혼합 모드 기능을 통합합니다. 또한 장식은 이 재료의 자기 및 전기적 특성에 영향을 미칩니다[17, 18, 28,29,30,31,32]. 또한 SPION의 초상자성으로 인해 복합 재료로 자기 분리가 가능합니다[33]. Ajayan과 Iijima는 튜브에 나노입자를 채워 SPION과 CNT를 혼합하기 시작했습니다[34]. 다른 가능성은 폴리머 링커 또는 유화제를 통해 CNT에 SPION의 결합을 포함합니다[20, 35, 36]. 장식은 산화철 나노입자의 용매열 합성과 다중벽 CNT에 대한 직접 부착으로도 가능하다[37, 38]. 오늘날, SPION으로 CNT를 장식하는 일반적인 방법은 SPION이 합성되거나 CNT를 코팅하기 위해 적용되기 전에 CNT의 산성 카르복실화도 사용됩니다[39, 40]. 일반적으로 산화철 나노입자는 카르복실화된 CNT에 의해 주입되고 표면에서 직접 Fenton 반응에 의해 공침되거나 합성될 수 있습니다[32, 41, 42]. 카르복실화가 탄소 표면의 SPION에 대한 접촉점을 제공하는 반면, 산성 처리는 나노튜브의 절단으로 이어질 수 있습니다[43]. SPION과 CNT의 첫 번째 조합 이후 여러 응용 프로그램이 테스트되었습니다. 합성에서 가장 어려운 측면은 균질한 복합 재료를 생성하기 위해 산화철 나노 입자의 응집을 제어하는 것입니다[36, 43, 44]. 공침 과정을 위한 산화철 종자에 대한 천연 리간드로 카르복실기를 사용하는 것은 강한 응집 효과를 방지하고 크게 장식된 나노튜브 기반 물질을 만드는 가장 좋은 방법인 것 같습니다[32]. 따라서 우리는 탄소 나노튜브의 부착 및 장식을 위해 확립된 산화철 합성 경로를 사용했습니다[45, 46]. 우리는 산화철 나노입자와 CNT의 결합을 향상시키기 위해 다양한 산 처리로 CNT의 표면 개질을 조사했습니다. 자성 나노입자는 변형된 CNT와 혼합되고 결과 물질은 완전히 특성화됩니다. 이전 연구는 유기 화합물의 분리를 위한 추출 매트릭스와 같은 물질의 적합성을 입증했습니다[47]. 결과 물질을 크로마토그래피 수지로 사용하고 분석물로서 아미노산의 결합 거동을 연구합니다. 이 작업은 합성 물질의 습윤 거동과 물질이 고정상으로 사용되는 크로마토그래피 결과의 관계를 강조합니다. 또한, 우리 연구는 물질의 표면 특성을 설명하기 위해 크로마토그래피의 사용을 강조하고 향후 물질 특성화 및 상호작용 거동의 이해를 위한 방법론으로 크로마토그래피를 활용하는 방향을 제시합니다.
탄소 나노튜브(Baytubes C 150 P)는 독일 Bayer Materials Science AG에서 구입했습니다. 염화 제2철(FeCl3 ·6H2 O) 및 수산화나트륨(NaOH)은 독일 AppliChem GmbH에서 구입했습니다. 염화 제1철(FeCl2 ·4H2 O)는 독일의 Bernd Kraft GmbH에서 구입했습니다. 염산, 질산, 과산화수소 및 황산은 Sigma-Aldrich에서 입수했습니다. 모든 재료는 얻은 대로 사용되었습니다.
CNT(10g)를 진한 질산(67%)과 황산(98%)(1:3 v/v)의 혼합물에 현탁하고 실온에서 18시간 동안 교반했습니다. 반응을 중지시키기 위해 생성물을 탈이온수로 총 부피 2L로 희석하였다. 카르복실화된 CNT를 종이 필터로 액체로부터 분리하고 pH가 7에 도달할 때까지 세척했습니다. 생성된 cCNT를 60°C에서 밤새 건조했습니다.
MNP를 사용한 cCNT 장식의 경우 Baykal et al. 2013년이 선정되었다[32]. 튜브를 분해하기 위해 건조된 cCNT(2g)를 800mL 탈이온수에서 초음파 처리했습니다. 현탁액을 실온에서 유지하고 350rpm에서 교반하고 14g의 FeCl3와 혼합하였다. 6 H2 O 및 5.2g FeCl2 4H2 O. 수산화나트륨(2 mol L -1 )를 pH 9.5에 도달할 때까지 현탁액에 첨가하였다. 30분 후에 반응을 멈추고 고체를 여과하였다. SPION 장식 cCNT는 추가 분석 전에 동결 건조기 Alpha 1–2 LDplus(Martin Christ Gefriertrocknungsmaschinen GmbH)에서 동결건조됩니다.
소량의 건조된 나노튜브를 탈이온수에 현탁시키고 Branson 초음파 분석기로 분해했습니다. 현탁액을 TEM 그리드에 침전시키고 JEOL 100 CX로 분석하였다. 현미경 사진을 분석하고 각 사진에서 최소 100개의 입자를 세었습니다.
건조된 샘플은 MoKα(λ =0.7093 Å) 전송 기하학의 소스. 데이터는 2° ~ 50°(2ϴ) 범위에서 수집되었습니다. 소프트웨어 패키지 STOE WinXPOW(STOE &Cie GmbH, Germany)는 인덱싱 및 개선 목적으로 사용되었습니다. Scherrer 방정식에 따라 1차 입자 직경을 결정하기 위해 반값의 전체 너비와 ⟨2 2 0⟩ 의 위치가 사용되었습니다. 구형 입자와 일치하는 0.89의 계수가 선택되었습니다.
X선 광전자 분광법은 단색화되지 않은 Al Kα 소스(1486.7 eV)를 호스팅하는 초고진공(UHV)에서 Leybold-Heraeus LHS 10 XPS 시스템으로 수행되었습니다. 분말 샘플을 진공 호환 동박 접착 테이프에 고정했습니다. 스펙트럼은 100 eV로 설정된 일정 통과 에너지 모드 및 ~ 1.1 eV의 반치폭(FWHM)에서 기록되었습니다. C 1s (284.5 eV) 우연 탄소에 해당하는 피크는 C 1s의 에너지 스펙트럼으로 사용되었습니다.; O 1s 및 Fe 2p 통계적 잡음을 줄이기 위해 동일한 영역을 30회 반복 스캔하여 영역을 획득했습니다. 모든 스펙트럼은 5 × 10 −8 미만의 압력에서 UHV로 기록되었습니다. 밀리바. 코어 레벨 스펙트럼은 가우시안 및 로렌츠 함수(가우스 선 너비(0.7 eV) 및 로렌츠 선 너비(0.3 eV))의 혼합으로 맞춰졌습니다.
CNT, cCNT 및 cCNT-SPION의 접촉각은 Krüss T100 MK3 장력계로 측정되었습니다. 따라서 2cm 높이의 나노튜브 충전층을 모든 시료에 대해 균일하게 압축하였다. 패킹된 베드의 모세관 현상은 n-헥산의 보급으로 결정되었습니다. 액체 디요오도 메탄, 디메틸설폭사이드, 에틸렌 글리콜, 글리세린 및 탈이온수로 접촉각을 결정했습니다. 자유 표면 에너지는 OWRK(Owens Wendt Rabel and Kälble) 방법으로 계산되었습니다[48].
pH 7.8의 100mM 인산염 완충액에서 다양한 농도의 l-라이신의 흡착 등온선을 SPION, cCNT 및 cCNT-SPION으로 수행했습니다. 아미노산을 흡착제와 함께 24시간 동안 인큐베이션하고 25°C에서 격렬하게 흔들었다. 다양한 농도의 아미노산을 1g L −1 과 함께 인큐베이션했습니다. cCNT 또는 cCNT-SPION 및 2g L −1 포함 스파이온. 상청액 농도는 Cayot 방법에 기초한 분석에 의해 결정되었다. 이 방법은 pH 8.5에서 TNBSA로 아미노산을 수정한 후 420 nm에서 광도 측정을 기반으로 합니다[49].
CNT, cCNT 및 cCNT-SPION의 동적 결합 용량(DBC)은 직경 6.6mm의 크로마토그래피 컬럼(Omnifit)을 사용하여 측정했습니다. 모든 샘플은 6~8cm 높이에 도달할 때까지 흐르는 물 아래에서 동적으로 포장되었습니다. 크로마토그래피 실험은 0.3mL min -1 의 흐름에서 수행되었습니다. . 이론단과 등가 높이(HETP) 및 데드 타임은 수정된 van Deemter 방정식에 따라 1M NaCl 용액으로 결정되었습니다. \(\text{HETP} ={{L}}\frac{{ \sigma } ^{2}}{{\mu}^{2}}\); 엘 열 길이, σ 크로마토그래피 피크의 분산을 나타내며 μ 첫 번째 피크 순간입니다. 또한, 패킹된 컬럼의 비대칭성은 실험을 수행하기 전에 10% 피크 높이에서 평가되었습니다. \({{A}}_{{s}}=\frac{{b}}{{{a}}}\ ); 아 피크 최대값으로 나눈 피크 앞부분의 너비를 나타내며 b 뒤쪽 부분의 너비. 다른 아미노산(글리신, l-리신, l-히스티딘, l-글루탐산 및 l-시스테인)의 DBC를 계산하기 위해 용액을 HCl 또는 NaOH를 사용하여 pH 6에서 10mM으로 조정했습니다. 200 nm에서 다이오드 어레이 검출기로 아미노산을 검출하였다. 컬럼을 30mL의 물로 세척한 후 15mL의 아미노산 용액을 로딩하고 20mL의 물로 세척한 후 20mL의 1M NaCl로 용리하고 20mL 물의 또 다른 재생 단계를 수행했습니다. 동적 결합 능력은 피크 최대값의 10%에서 측정되었습니다. 모든 실험은 삼중으로 수행되었습니다.
다중벽 탄소 나노튜브는 매우 소수성이므로 극성 산화철 나노입자와 강하게 상호작용하지 않는 경향이 있습니다. CNT를 더 극성으로 만들고 산화철과의 상호작용을 허용하기 위해 표면을 질산과 황산으로 처리했습니다. 이 처리는 표면 결함과 심지어 하전된 표면 그룹을 생성하며, 이는 시드 나노입자 공동 침전 및 산화철 나노입자의 결합 부위로 작용합니다. 결함 사이트 생성을 위한 여러 방법과 에이전트가 라만 분광법으로 테스트 및 분석되었습니다(추가 파일 1:그림 S1). 라만 분광법은 결함 밴드(D ) 흑연 밴드(G ) [41, 42, 50, 51]. G 적분의 비율 디에게 대역은 사용된 레이저 파장에 따라 다릅니다[52]. 그러나 이 비율의 증가는 일반적으로 나노튜브 표면의 산화에 대한 좋은 지표이며 따라서 CNT의 표면 개질을 위한 최상의 방법을 식별하는 데 유용합니다[52,53,54,55]. 우리의 결과는 D에 대한 매우 높은 비율을 나타내지만 :G 나노튜브 현탁액의 질산 처리 후, 질산과 황산의 혼합은 이 비율을 약간 증가시킵니다(추가 파일 1:표 S1). 추가 실험을 위해 우리의 실험 및 문헌[54]에 따라 크로마토그래피 컬럼에 패킹될 수 있는 나노튜브로 이어지는 가장 재현 가능한 방법을 나타내는 질산과 황산의 혼합물로 처리된 CNT만 사용되었습니다. 이러한 나노튜브를 카르복실화된 CNT(cCNT)라고 합니다.
cCNT가 있는 상태에서 공침에 의해 합성된 산화철 나노입자는 cCNT가 없는 유사하게 합성된 입자보다 약간 더 큰 평균 크기를 갖는 SPION을 생성합니다(그림 1c). 그러나 5-20 nm 범위에서 크기 분포가 더 넓고 cCNT로 합성된 입자가 나노튜브에 부착됩니다. 합성된 복합재료는 주로 산화철 나노입자의 성질을 가지고 있으며 균일하게 장식되어 있다. 어두운 반점으로 존재하는 산화철 나노 입자를 사용한 cCNT의 장식은 투과 전자 현미경으로 관찰할 수 있으며 문헌[32, 36,37,38]과 잘 일치합니다. 우리의 결과는 이미지에서 더 큰 나노 입자 응집체를 관찰할 수 없기 때문에 cCNT에 대한 SPION의 균일한 부하를 나타냅니다(그림 1b).
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cCNT의 TEM 이미지(a ) 및 cCNT-SPION(b ). 4개 이미지의 크기 분포 및 각 재료에 대한 사진당 최소 30개 입자 수 c
실온에서의 자화 측정은 포화 자화가 67 emug −1 인 초상자성 복합 재료를 나타냅니다. 자기 잔류성 없음(<1 emu g −1 ). 포화 자화는 순수한 산화철 나노 입자보다 약간 낮고 히스테리시스 곡선의 모양은 유사합니다(그림 2)[45, 56, 57]. 따라서 SPION 및 cCNT-SPION 복합재료의 표면층 및 코어 구성은 유사합니다[57]. 복합 재료의 결정학적 분석은 마그네타이트 또는 마그헤마이트에 해당하는 스피넬 구조를 보여주지만 CNT의 결정 구조는 관찰될 수 없습니다(그림 2b)[37, 57]. CNT 및 cCNT에서 발생하는 11.8°에서의 신호는 육각형 흑연 구조의 ⟨0 0 2⟩ 반사로 표시될 수 있습니다[17]. 산화철 나노 입자로 cCNT를 장식하면 반사가 발생합니다. , ⟨4 2 2⟩ at 23.8°, ⟨5 1 1⟩ at 25.3° and ⟨4 4 0⟩ at 25.6° [29, 41]. 이러한 반사는 입방 위상 Fe3에 대한 표준 XRD 데이터와 일치합니다. O4 (JCPDS no. 89-4319) 면심 입방 구조 및 자체 참조 SPION [17, 32]. 복합 재료의 반사는 더 큰 FWHM을 보여주어 결정질 재료의 더 작은 Scherrer 직경을 초래합니다. 이 거동은 TEM으로 관찰된 복합 재료의 더 큰 입자 크기 분포와 cCNT 표면의 추가 핵 생성 시드로 설명될 수 있습니다[46]. 더 많은 수의 핵형성 시드(nucleation seed)는 일반적으로 더 작은 1차 결정자로 이어집니다[36, 46]. 자화 및 회절 패턴은 폴리에틸렌이민 또는 폴리아크릴레이트 산을 통한 정전기 변형과 같은 다른 장식 방법과 잘 일치합니다[18, 22]. 흑연에 해당하는 반사강도는 순수재료와 복합재료에서 유사하며 큰 변화는 관찰할 수 없다. 그러나 산화철 구조에 해당하는 반사의 강도는 훨씬 더 강한 신호를 나타냅니다.
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300K에서 -50,000~50,000Oe의 SQUID로 얻은 자기 히스테리시스 곡선(a ) 및 MoKα 소스로 얻은 cCNT-SPION, cCNT, CNT 및 SPION의 분말 XRD 패턴(b )
따라서 복합재료는 탄소나노튜브와 자성 나노입자의 특성을 결합한 것이다. 표면에 매우 민감한 방법인 X선 광전자 분광법은 산화철이 cCNT에 부착되어 있음을 보여줍니다(추가 파일 1:그림 S2). 여기에서 자철광 및/또는 마그헤마이트는 F 2p 3/2 cCNT-SPION의 밴드는 711 eV에서 최대값을 나타내고 Fe 2p 1/2 724 eV에서 최대값을 나타냅니다[37, 57]. 흔들흔들 위성의 모양은 또한 적철광보다는 자철석의 존재를 나타냅니다[57, 58]. O 1s 지역은 C–O 및 COO − 를 나타냅니다. cCNT와 cCNT-SPION 모두에 대한 결합인 반면, 복합 재료는 Fe-O 결합의 존재에 해당하는 529.5 eV에서 또 다른 밴드를 보여줍니다[37, 41]. O 1s 영역의 탄소와 산소 사이의 결합은 C 1s의 관찰 결과와 잘 일치합니다. 이는 또한 다르게 산화된 탄소 종을 나타냅니다(그림 3). 여기서 카르복시기(289 eV) 뿐만 아니라 다른 CO 결합(286–287.5 eV)과 sp 2 CNT의 백본 구조에서 탄소에 해당하는 하이브리드 탄소(284.5 eV)를 관찰할 수 있습니다[41, 51].
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C 1s 범위의 XP 스펙트럼 cCNT(a ) 및 cCNT-SPION(b ). 스펙트럼은 Origin 프로그램과 함께 가우스 및 로렌츠 함수의 조합으로 적합합니다.
SPIONS가 있는 cCNT의 장식은 ATR-IR 분광법으로도 관찰할 수 있습니다. 그림 4에서 550cm −1 의 밴드 T1u에 해당 자철광 결정의 진동은 복합 재료에서 가장 두드러집니다[17, 58]. 카르복실화된 CNT에서 COO - 카르복실기에 해당하는 대칭 및 비대칭 신축 진동은 1325, 1400(s) 및 1624 cm −1 에서 관찰될 수 있습니다. (as), 각각 [17, 36, 50, 59]. 또한 약 3250cm의 OH 신축 진동 −1 cCNT에 카르복시기의 존재를 나타냅니다[17, 29, 32, 50]. Fe-O 진동에 해당하는 두드러진 밴드와 결합된 cCNT-SPION에 대한 CO 진동에 해당하는 피크의 강도 감소는 균질 코팅에 대한 좋은 지표입니다. 산화철 나노입자는 적외선을 더 잘 흡수하므로 결과는 정량적이지 않고 CO 진동에 해당하는 밴드의 소멸과 결합된 표면의 산화철 증가의 지표일 뿐입니다.
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cCNT-SPION 및 cCNT의 ATR-IR 스펙트럼
복합 재료의 제타 전위는 산성 처리가 매우 음으로 하전된 재료를 생성해야 하지만, 베어 SPION의 제타 전위보다 약간 더 높습니다. 우리는 수성 환경에서 응집되는 경향이 있는 CNT의 제타 전위 측정을 수행할 수 없었습니다. 복합 재료의 등전점은 노출된 나노입자의 pH 6.5와 비교하여 pH 7.5로 여전히 중성 범위에 있습니다(그림 5a)[57]. 이 거동은 산화철 나노입자로 cCNT의 우수한 코팅 또는 장식을 제안하고 복합재의 다른 분석적 특성화를 지원합니다. XP 스펙트럼에서 철의 발생, IR 스펙트럼에서 Fe-O 진동의 출현, TEM에서 높은 포화 자화 및 고밀도 물질의 발생은 모두 cCNT에 산화철 나노 입자가 성공적으로 부착되었음을 나타냅니다. 또한, 제타 전위의 거동은 양친매성이며 pH가 증가하거나 감소하는 두 재료 모두에서 유사하며, 이는 또한 산화철이 가장 두드러진 표면 종임을 나타냅니다. 모세관 상승 방법을 사용한 습윤 실험에서 매우 유사한 거동을 관찰했습니다(추가 파일 1:그림 S3). 여기에서 표면 자유 에너지와 극성 및 분산 몫은 서로 다른 용매를 사용한 여러 실험에 의해 생성되며 복합 및 순수 산화철 나노입자에 대해 유사합니다. 재료의 모세관 현상은 문헌[60, 61]에 설명된 대로 탄소 나노튜브에 대한 에틸렌 글리콜로 결정됩니다. 다른 모든 재료의 경우 표면 장력이 매우 낮은 유체로서의 헥산(18.4 mJ m −2 )는 모세관 현상을 결정하기 위해 선택되었습니다. 순수한 산화철 나노 입자는 55.9mJ m −2 의 총 표면 자유 에너지를 보유합니다. , 복합 재료의 표면 에너지는 47.1mJ m −2 입니다. (그림 5b). 복합 재료는 극성 점유율이 약간 더 높지만 처리되지 않은 CNT와 cCNT는 완전히 다르게 거동합니다. 처리되지 않은 CNT는 높은 분산 표면 자유 에너지를 나타내는 반면 cCNT는 Owens Wendt Rabel과 Kälble의 방법에 따라 극성이 높습니다[48]. 이 방법에서 습윤 액체의 극성 및 분산 몫과 모세관 상승 실험에서 파생된 접촉각을 비교할 수 있습니다(추가 파일 1:그림 S4). 이 방법에서 얻은 CNT의 표면 자유 에너지는 Baytube CNT로 모세관 상승 실험을 수행한 Dresel과 Teipel에서 얻은 결과보다 약간 높습니다[60]. 모세관 상승 방법으로 얻은 장력 측정 결과는 극성 및 나노 물질 표면의 물에 대한 젖음과 같은 차이점을 설명하는 데 흥미로운 지표입니다. 그러나 특히 나노구조 표면과 나노구조 모세관의 경우 이 방법은 오류가 발생하기 쉽습니다. 여기에서 모든 재료는 높은 비표면적을 보여줍니다(추가 파일 1:그림 S5). 순수한 산화철 나노입자는 110m 2 의 비표면적을 나타냅니다. g −1 , cCNT의 비표면적은 228m 2 입니다. g −1 복합 재료는 131m 2 의 비표면적을 나타냅니다. g −1 . 이 비표면적은 특히 cCNT의 밀도(1.46g cm -1 ) 이후 체적 표면적을 고려할 때 유사한 범위에 있습니다. ), cCNT-SPION(2.38g cm −1 ) 및 SPION(3.8g cm −1 ) 크게 다릅니다. CNT의 밀도는 탄소 나노튜브의 밀도 변화 내에서 잘 일치합니다[53].
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pH 4에서 10까지의 SPION 및 cCNT-SPION의 제타 전위(a ) 및 OWRK 방법으로 모세관 상승 실험에서 얻은 표면 자유 에너지(b )
고상 추출 및 크로마토그래피 공정에 복합 재료를 사용하기 위해 아미노산의 정적 및 동적 결합 능력을 비교했습니다. 이 연구의 주요 목표 중 하나는 산화철 나노 입자가 고정상으로 작용할 수 있는 크로마토그래피 시스템에서 복합 재료를 사용할 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 베어 나노입자는 큰 압력 강하와 필터를 통한 손실 가능성으로 인해 크로마토그래피 컬럼에서 고정상으로 사용할 수 없습니다. 따라서, 노출된 나노입자에 대한 아미노산의 결합 거동은 평형 상태의 흡착 등온선과만 비교할 수 있습니다. 그림 6a에서 cCNT-SPION 및 SPION에 대한 l-lysine의 흡착 등온선의 유사한 거동을 관찰할 수 있습니다. 평형 결합 상수(K 디 ) 유사한 범위에 있습니다(0.17g L −1 cCNT-SPION 및 0.72g L −1 용 SPION의 경우) 및 최대 결합 용량의 큰 차이(0.91g g −1 cCNT-SPION 및 0.15g g −1 용 SPION용). 친화성과 결합력의 차이는 양친매성 산화철과의 상호작용에 비해 라이신과 cCNT와 같은 음으로 하전된 물질 사이의 강한 정전기적 상호작용에 의해 설명될 수 있다[62]. 그러나 산화철 나노입자는 PBS 완충액에서 인산 이온과 복합체를 형성하기 때문에 일반적으로 음전하를 띠기도 한다[63]. l-lysine은 이 아미노산이 다른 아미노산에 비해 TNBSA 방법으로 검출하기 훨씬 쉽기 때문에 선택되었습니다[49]. 최대 하중은 산화철로 장식된 탄소 나노튜브의 메틸렌 블루 또는 아닐린과 같은 양이온 흡착제에 대한 문헌과 유사한 범위에 있습니다[17, 51]. 역 액체 크로마토그래피 실험에서 얻은 동적 결합 능력의 경우 cCNT와 cCNT-SPION 사이에 큰 차이가 관찰될 수 있습니다. 양으로 하전된 l-리신과 같은 아미노산은 cCNT에서 더 높은 DBC를 나타내는 반면, 음으로 하전된 l-글루타메이트는 cCNT-SPION에서 훨씬 더 높은 DBC를 보여줍니다. 이 거동은 l-글루타메이트가 산화철 나노입자에 대해 높은 친화성을 나타내는 문헌과 잘 일치합니다[59, 64]. cCNT에 대한 l-리신의 높은 친화도는 양전하를 띤 아미노산과 음전하를 띤 카르복시 기능화된 나노튜브 사이의 정전기적 상호작용으로 설명될 수 있습니다. 글리신은 cCNT보다 cCNT-SPION에 더 높은 동적 결합 능력을 보여주며, 이는 산화철 표면의 더 많은 양친매성 특성으로 설명될 수 있습니다. 복합 재료에 대한 l-시스테인의 높은 동적 결합 능력은 문헌 및 l-시스테인과 철 이온의 상호작용으로 인한 시스틴 형성과 잘 일치합니다[59]. l-히스티딘은 정전기적, 배위적 및 소수성 상호작용이 가능하기 때문에 모든 물질에 대해 높은 동적 결합 능력을 나타낸다. cCNT-SPION으로 채워진 컬럼은 CNT 및 cCNT에 비해 더 높은 HETP 값을 나타내지만 cCNT-SPION의 비대칭은 cCNT와 유사하며 파과 곡선 분석이 가능한 범위에서 약 0.7입니다(추가 파일 1:Fig. S6 및 표 S2). 모든 시스템의 다공성은 0.78에서 0.94 사이의 유사한 범위에 있으며 역 크로마토그래피 실험에 사용되는 다른 고정상과 잘 일치합니다[65].
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l-라이신과 cCNT, cCNT-SPION 및 SPION의 정적 결합 능력(pH 7.8, 100mM 인산 완충액 사용)(a ). pH 6(b )
본 연구에서는 초상자성 산화철 나노입자와 탄소나노튜브를 결합한 복합재료를 합성하였다. 이 연구의 첫 번째 목적은 각 초기 재료가 최종 합성물에 차지하는 비율을 이해하는 것을 목표로 합성 재료의 표면 특성을 조사하는 것이었습니다. Furthermore, the study is a proof of concept to test the effect of such materials for molecule separation with focus on the retention behavior of amino acids with liquid chromatography. The idea was to combine the surface reactivity of iron oxide nanoparticles with the packing properties of carbon nanotubes, a chromatographic matrix which leads to very low pressure drop. It was possible to establish a chromatography system and characterize the interaction of positively or negatively charged, and uncharged amino acids with the composite material. Hence, this material might be a good indicator for interactions with a CNT-basedmatrix. However, not only the use in a chromatography system but also processes such as solid phase extraction are possible with the created material due to the high saturation magnetization obtained with the described decoration procedure [33]. The magnetic properties allow for a simple magnetic separation, while the carbon nanotubes regulate the macroscopic structure and the accessibility of target molecules to the surface. With this study we want to emphasize the similarity of magnetic separation and analytical chromatography since similar materials and adsorption equilibria can be demonstrated, even though there are multiple differences. For the future exploitation of this unique magnetic material, particularly its hydrodynamic properties seem interesting and should be analyzed, e.g. for mixed-mode applications as in chromatography. Furthermore, the electrical properties of the composite might pave the way for further electrochemical applications. Tabassum et al. reviewed multiple applications for metal-based nanoparticles confined into carbon nanotubes, which open up opportunities for electro-catalysis, energy conversion and storage devices [66].
The understanding and design of composite materials and the description of surface and interface properties is challenging. Nevertheless, composite materials have the power to open doors for higher complexity in applications in all fields in the future. Chromatography is somehow a pioneering technology, which shows applicability for all possible kinds of target compounds and offers a very broad portfolio of methods and of processing solutions. We think that materials as the one we present in this study are necessary to understand the share of different properties in a particular processing form and how materials of different composition impact the final output of processes based on interactions at the solid–liquid interface.
이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 출판된 기사와 추가 정보 파일에 포함되어 있습니다.
Brunauer Emmet Teller
Carboxylized carbon nanotubes
Carboxylized carbon nanotubes and attached superparamagnetic iron oxide nanoparticles
탄소 나노튜브
Diamond band
Dynamic binding capacity
Exponentially modified Gauss
최대 절반에서 전체 너비
Height equivalent to a theoretical plate
Graphite band
Owens Wendt Rabel Kälble
인산염 완충 식염수
초상자성 산화철 나노입자
투과 전자 현미경
2,4,6-Trinitrobenzene sulfonic acid
Ultra-high vacuum
X선 광전자 분광법
X선 회절
나노물질
재료의 중요성:내부식성에 적합한 재료 선택 해양 플랫폼에는 거의 50,000피트의 튜빙, 20,000개 이상의 유체 시스템 구성 요소, 10,000개 이상의 피팅, 최대 8,000개의 기계적 연결이 있을 수 있습니다. 그렇기 때문에 재료를 선택할 때 내식성 금속을 선택하는 것이 중요합니다. 부식 관리에 도움이 되는 재료를 지정할 때 고려해야 할 여러 측면이 있습니다. 많은 고려 사항이 재료 자체를 넘어섭니다. 재료 및 제조의 초기 품질은 유체 시스템 구성 요소의 수명에 중요하지만 재료 과학 전문 지식과 재료 선택 의사 결정을
최근 몇 년 동안 CNC 가공의 발전과 함께 CNC 공작 기계 부품도 계속 개발되었습니다. CNC 가공은 많은 분야에서 필수품이 되었으며 이러한 분야에서는 프로젝트를 위한 특수 부품을 제조해야 합니다. CNC 재료는 소비자, 엔지니어, 계약자 및 기타 분야의 요구 사항을 충족하도록 확장되어 매우 특정한 응용 프로그램을 위한 솔루션을 만들었습니다. 최고의 완제품을 만드는 열쇠는 올바른 재료를 선택하는 것입니다. 다양한 재료를 선택할 수 있으며 재료는 완전히 다른 용도로 다양한 부품에 사용할 수 있습니다. 재료가 매우 다양하기 때문에
