当前位置: 活性炭 > 活性炭百科 > 活性炭百科 >

【研究】Ag Nanohair通过自组装和快速热退火“厚度过度生长”的活性炭纤维

发布日期:2018-11-17 08:29 来源:活性炭网 作者:活性炭网 浏览数:

各向异性纳米材料改性碳纤维因其优越的性能而受到越来越多的关注。 在这项研究中,通过自组装和快速热退火制备Ag纳米线厚度过度生长的活性碳纤维(ACF)。 首先通过在粘胶表面上

去:

背景

碳纤维(CFS)可以被定义为按重量计包含至少92%的碳和从聚合物前体,如聚丙烯腈(PAN),沥青,纤维素,木质素和聚乙烯[制备纤维12]。PAN首先用作制备CF的前体,并且仍然是重要的起始材料。随着制造业的发展,对CFs的需求大大增加,因为它们具有高抗拉强度,低密度,高模量,优异的化学和热稳定性,和/或对各种无机和有机材料的强吸附能力。 。然而,CF的生产成本是大规模应用中的一个主要障碍。生物材料如生物聚合物或来自生物来源的聚合物是CF的特别有趣的来源,并且价格低廉[ 1 ]。

粘胶纤维(VF)是通常用于制备活性炭纤维(ACF)的典型再生纤维素纤维。基于纤维素的ACF比CF具有更弱的机械性能,尽管前者的吸附能力比后者强得多[ 3 ]。ACF的比表面积高达1000-1500m 2 / g,在纤维表面上分散有数百万个1-4nm的微孔。因此,活性炭纤维表现出优异的吸附能力,活性炭,使得它们潜在地适用于废水处理,空气净化,个人保护,等等[ 45]。如今,纳米科学和技术取得了令人瞩目的进展。纳米材料与碳材料的整合因其突出的性能而成为一个热门的研究课题。所制造的复合材料不仅继承其各自的优点,但也获得下协同效应新的高级功能[ 67 ]。例如,丁等人。通过简单浸渍制备Ag纳米颗粒(AgNP) - 修饰的CFs,复合CFs在CO 2转化为CH 3OH 过程中显示出比纯AgNPs高4倍的光催化活性,这主要是由于较高的CO 2吸附和更有效的AgNPs电子转移。到CO 2 [ 1]。Wan等人。通过静电纺丝在三维纳米网状CFs上合成高度分散的CoSe 2纳米粒子,电催化剂产品在酸性介质中具有高活性,高效和稳定的析氢性能[ 8 ]。然而,目前的纳米材料,尤其是无机纳米材料,通常是球形的。随着对纳米材料/ CF复合材料性能要求越来越高,纳米线,纳米片和纳米量子点等各向异性纳米材料对CFs的改性已成为人们关注的焦点,因为它们具有优于纳米粒子的一些优越性能[ 9 ]。

在这项研究中,我们通过自组装和快速热退火设计了Ag纳米线“厚度过度生长”的ACF。通过在HBPAA模板上水热还原合成超支化聚(氨基胺)(HBPAA)修饰的AgNP。HBPAA作为“分子胶”,带正电的AgNPs通过HBPAA和粘胶纤维素之间的分子间静电和氢键相互作用均匀地自组装到纤维表面。通过AgNP涂覆的VF的预氧化和碳化制备Ag纳米树生长的ACF。为了在ACF上成功生长Ag纳米头,选择了一个由入口和出口处的高温火焰密封的开口碳化炉。因此,ACF在离开炉子时会迅速冷却,从而引发毛孔的快速冷收缩。

去:

方法

Ag纳米生长的ACF的制备

应用分子介导的自组装技术将AgNPs引入VF表面,形成单分散涂层。简言之,HBPAA封端的AgNPs首先如我们之前的研究[ 10 ]中所述合成然后,通过在HBPAA封端的AgNP(4000mg / L)的溶液中在98℃下浸渍2g VF 3小时来进行AgNP在VF上的自组装。将AgNP涂覆的VF在烘箱中干燥并在黑暗中储存。

VF的热处理通常需要两个步骤,即氧化和碳化。前体纤维在350℃下用水蒸气作为活化剂氧化,导致梯型聚合物的形成并允许在较高温度下进一步加工。氧化后,纤维在惰性气氛下在高达850℃的温度下碳化,以获得湍流碳结构。整个程序将在下面详述。与传统的熔炉不同,本研究中的氧化炉是开放式的,并在入口和出口处通过高温火焰密封,如图1所示  因此,ACF在离开炉子时可以快速冷却。请注意,快速冷却过程对于Ag纳米毛的形成非常重要。

包含图片,插图等的外部文件。对象名称为11671_2017_2344_Fig1_HTML.jpg
图。1

通过自组装和热膨胀和收缩机制制备具有致密Ag纳米线的ACF的工艺

测量

通过FESEM(S-4200; Hitachi,Japan)表征样品,其配备有能量色散X射线光谱(EDS),XPS(ESCALAB 250 XI; Thermos Scientific,USA),XRD(D8 ADVANCE,Bruker,Germany),和TG(TG 209 F3 Tarsus;德国Netzsch Instruments,Inc.,Germany)。使用摇瓶法(GB / T 20944.3-2008 [中国])测量纤维样品对大肠杆菌金黄色葡萄球菌的抗菌活性

去:

结果和讨论

通过自组装和快速热退火制备Ag纳米线“厚度过度生长”的活性碳纤维,如图1所示  首先通过FESEM研究了VF,AgNP涂覆的VF和Ag纳米树生长的ACF的表面结构(图  2)。在AgNP自组装在纤维表面之前,VF沿轴向显示出直的纵向凹槽,并且在纳米尺度上显示出干净光滑的表面,如图2所示。 a,b。相比之下,粒径为3-80nm的亮白色NP占据了AgNP涂覆的VF的表面,符合单个AgNP的形态特征,而纵向构型保持不变。这些AgNPs单分散在纤维表面,主要归因于NPs之间的强静电排斥。这种特性可以降低后续治疗期间AgNP自缩合的可能性。预氧化和碳化之后,如示于图得到模糊的ACF  2即 在更高的表面图像放大率下,我们发现许多不规则形状的纳米线站在ACF表面上。纳米线的粒径为约50nm,这与HBPPAA封端的AgNP不同。

包含图片,插图等的外部文件。对象名称为11671_2017_2344_Fig2_HTML.jpg
图2

的FESEM照片一个 ×3000和b ×80000点纯的VF,Ç ×3000和d ×40000 HBPAA / AgNP涂覆的VF,和È×3000和˚F ×80000的Ag nanohair生长的ACF

为了理解可能的形成机制,FESEM在高分辨率下进一步观察了VF的横截面以及纯ACF和Ag纳米毛生长的ACF的表面(图  3)。在VF,纯ACF和Ag纳米毛生长的ACF中存在许多孔,表明这些孔是ACF的天然特征。此外,银纳米线似乎钻ACF表面,变成定期站立“头发”,如示于图  3个 C,d。各种长度的所有Ag毛发都站在纤维表面上。特别地,银nanohair的一端上扳倒ACF毛孔,由图的圆形标记所指示的图3c。3C。Ag纳米线的直径与孔直径完全相同,表明Ag纳米线可能从ACF孔生长,因为ACF具有高孔隙率。10至20nm的AgNP在约129℃下具有非常低的熔点。因此,AgNPs可以液化,并可能通过850℃的毛细管效应吸附到ACF孔中[ 11 ]。当ACF在空气中迅速冷却时,这种“Ag牙膏”可以挤过ACF孔,这可以解释为什么AgNP可以形成大的Ag纳米线并且站在ACF表面上。

包含图片,插图等的外部文件。对象名称为11671_2017_2344_Fig3_HTML.jpg
图3

VF(a ×80 k)横截面的FESEM图像s和纯ACF(b ×120 k)的表面和Ag纳米毛生长的ACF(c ×120 k,d ×120 k)

为了验证ACF上的Ag纳米线是否确实是Ag,通过能量色散X射线光谱(EDS)进行元素组成分析。得到的EDS光谱显示出ACF产生的强碳和氧峰(如图4所示  )[ 12 ]。光谱中Ag的峰表明纤维中存在Ag。

包含图片,插图等的外部文件。对象名称为11671_2017_2344_Fig4_HTML.jpg
图4

 SEM图像和b EDS银nanohair生长ACF的

根据以上分析,可以描述可能的机制,如图5所示  HBPAA帽具有丰富的氨基和正电荷,在粘胶纤维素中具有很强的自组装能力,这主要归因于HBPAA与纤维素之间强烈的分子间相互作用。AgNPs之间强烈的排斥相互作用也会导致纤维表面的单分散。预氧化后,纤维表面的AgNPs在暴露于空气中时会腐蚀成AgO或AgCl [ 13 ]。然而,在随后的高温碳化过程中,腐蚀产物会减少为金属Ag,因为粘胶纤维素可以在无氧环境中释放CO和其他气态还原剂[ 14]]。值得注意的是,固态AgNPs在碳化过程中会液化(AgNPs的熔点约为129°C)[ 11 ]。ACF表面上的孔通过毛细效应吸附产生的Ag液体。当ACF离开炉子时,这些孔隙在室温下迅速收缩,将液体Ag喷射到空气中并迅速冷却以形成不规则的纳米线。因为这些Ag纳米线插入ACF中,所以它们的快速结合速度可以增强。

包含图片,插图等的外部文件。对象名称为11671_2017_2344_Fig5_HTML.jpg
图5

制备Ag纳米线生长的ACF的示意图

纤维的晶体结构和表面化学性质,通过X射线衍射和XPS(图调查  6和7)。7)。如上所述,AgNP涂覆的VF应预先氧化并随后碳化以产生碳纤维。因此,应密切关注AgNPs可能的价态转变。如图6所示,  VFs和AgNP涂层的VF在12.3°和21°附近有尖峰,归因于纤维素晶体(101和002平面)[ 14]]。相比之下,纯ACF和AgNP涂层的ACF在23.5°和43.6°附近有两个宽峰,分别分配给无序石墨002平面和10平面。这种乱层结构表明ACF由石墨状微晶组成[ 14 ]。值得注意的是,002平面的峰值移动到更高的角度(23.5°),并且在碳化处理之后出现归因于10平面的峰值,表明VF被石墨化。

包含图片,插图等的外部文件。对象名称为11671_2017_2344_Fig6_HTML.jpg
图6

(黑色)纯CF,(红色)AgNP涂覆的CF,(蓝色)Ag纳米毛生长的ACF和(紫色)纯ACF的XRD图案

包含图片,插图等的外部文件。对象名称为11671_2017_2344_Fig7_HTML.jpg
图7

XPS光谱:纯CF,AgNP涂覆的CF,Ag纳米生长的ACF和纯ACF 宽扫描,b C1s和c Ag3d光谱。de是AgNP包覆的VF(d)和AgNP包覆的ACF(e)的Ag3d光谱

此外,AgNP涂层的VF的XRD图谱在38.3°附近显示出一个额外的衍射峰,其可以指向金属Ag的面心立方相的(111)面(JCPDS No.04-0783)[ 15 ]。相比之下,Ag纳米线生长的ACF的XRD图谱在38.3°,44.3°,64.4°和74.5°附近显示出四个清晰的衍射峰,可以指向(111),(200),(220),以及(311)金属Ag的面心立方相平面(JCPDS No.04-0783),分别表明AgNPs的金属化合价[ 15]]。碳化过程中VFs的质量损失产生了更强的信号强度,这也表明AgNPs在碳化过程中经历了还原,这主要是由于通过VF热解产生的CO气体还原剂。此外,Ag纳米线生长的ACF的晶体结构与纯ACF类似,表明Ag没有改变晶体结构。

通过XPS评估表面中可能的化学变化(图  7)。所有宽扫描XPS光谱(图  7 A)表现出两个设置在围绕284和532 eV的超强峰,对应至C 1S和O 1S分别[ 1617 ]。这些峰主要来自VF或ACF。然而,我们发现AgNP自组装后C / O比率下降,表明含有羰基的HBPAA附着在VF表面上。值得注意的是,纯ACF和Ag毛发生长的ACF显示出更高的C / O比,表明从ACF中除去了大多数含氧基团。这些分解基团可能转化为气态还原剂,例如CO和CH 4,它有能力将氧化的AgNPs还原成金属AgNPs。

HBPAA对于AgNPs在VF上的自组装非常重要,因为它赋予AgNP表面正电荷和丰富的氨基,使AgNP与带负电的含羟基的粘胶纤维素相容[ 8 ]。HBPAA对虚拟转发附连可通过的C1s XPS光谱的分析如图进行验证  7湾 四个样品的C1s峰可分为四类:无氧键碳(C-C / C-H x)(284.5 eV),碳单键到氧或氮(C-O / C-N)(286.4) eV),具有两个氧和/或氮键的碳(O-C-O / N-C = O)(287.8 eV)和羧基(O-C = O)(289.0 eV),归因于VF,ACF,和/或HBPAA [ 1819]。与VF,ACF和AgNP涂覆的ACF相比,AgNP涂覆的VF显示出更高含量的C-O / C-N和O-C-O / N-C = O. 增强的峰是由于VF和HBPAA的叠加。

在图中所示的去卷积Ag3d分析  7 d表明,嵌合Ag3d 3/2和Ag3d 5/2峰373.77和367.77电子伏特为AgNP涂覆的VF,与金属Ag(373.9和367.9 eV)的[标准值同意20 ]。这表明当AgNP吸附到粘胶表面时,AgNPs保持其金属性质。类似地,去卷积Ag3d 3/2和Ag3d 5/2 AgNP涂覆的ACF的峰为373.97和367.97电子伏特,这表明的AgNPs的金属状态的碳化处理(图后  7 E)。注意相对Ag 3dAg毛发生长的ACF的强度远高于AgNP涂覆的VF,与上述XRD分析一致(图  7a)。

ACF的高热稳定性是最重要的特征之一。图  8显示了VF,AgNP涂覆的VF,ACF和Ag纳米毛生长的ACF的热重分析曲线。纯度VF在271°C之前具有良好的热稳定性,然后在温度从271°C升至371°C时分解成脂肪族炭和挥发性产物[ 21 ]。脂肪族焦炭进一步转化为芳香焦炭,在485°C左右产生一氧化碳和二氧化碳还原剂[ 21 ]。对于AgNP涂覆的VF,HBPAA可以形成在VF表面的硬壳和充当从分解[保护的虚拟转发的物理屏障2122]。相反,当温度达到1000℃时,ACF和Ag纳米树生长的ACF均显示出约8.4%的重量损失,表明优异的热稳定性并且表明AgNP在纤维表面上的处理不影响热稳定性。

包含图片,插图等的外部文件。对象名称为11671_2017_2344_Fig8_HTML.jpg
图8

(黑色)纯VF,(红色)AgNP涂层VF,(蓝色)纯ACF和(紫色)Ag纳米毛生长ACF的热重分析曲线

最后进行抗菌试验以评估ACF的抗菌性质。如表1所示  ,ACF对大肠杆菌金黄色葡萄球菌显示出一定的抗菌活性,因为细菌菌落的数量远低于原始数量。相比之下,Ag纳米生长的CFs对大肠杆菌金黄色葡萄球菌的抗菌活性分别达到了近100和99.9%,证明了AgNPs抑制细菌生长的强大能力[ 23 ]。经过超声波洗涤30次后,Ag纳米线生长的CFs即使对金黄色葡萄球菌具有活性,仍能保持优异的抗菌性能略微下降至97.8%。耐久的抗菌活性主要源于Ag纳米线和ACF之间的强粘合强度,这是由于它们的互锁结构。

表格1

ACF对大肠杆菌金黄色葡萄球菌的抗菌活性

样品 抗菌活性
大肠杆菌 金黄色葡萄球菌
存活细胞(cfu / mL) 减少% 存活细胞(cfu / mL) 减少%
活性炭纤维 3.57×10 4 - 5.4×10 3 -
Ag纳米毛生长的ACF 27 ~100 49 99.9
Ag纳米线生长的ACF超声波洗涤30次 0 100 120 97.8
去:

结论

通过AgNP在VF表面上的自组装以及随后的预氧化和碳化来制备Ag纳米树生长的ACF。HBPAA作为将AgNPs粘附到VF表面和形成单分散AgNP涂层的“分子胶”。通过顺序预氧化和碳化制备Ag纳米树生长的ACF。Ag纳米尔的生长机制归结为毛细管和热膨胀效应。为了立即降低ACF的温度,我们设计了一个开放式硬质合金炉。碳化完成后,ACF可立即转移到炉外。通过热收缩,Ag液体被挤出形成Ag纳米线。如FESEM所示,Ag纳米线位于ACF表面并从ACF孔中生长。XPS和XRD表征表明,由于碳化过程中产生的气态还原剂,Ag已经成功地自组装到纤维表面并且即使在高温碳化之后也保持其金属状态。TG分析表明Ag纳米纤维生长的ACF保持其优异的热稳定性。最后,由于它们的强结合,制造的ACF显示出优异且持久的抗菌活性。


(责任编辑:活性炭网)
织梦二维码生成器
上一篇:【知识】消胆胺和活性炭对格列吡嗪吸收的影响。
下一篇:【研究】口服活性炭对奎宁消除的影响。
发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
验证码: 点击我更换图片
最新评论