Vergelijkende studie van de elektrochemische, biomedische en thermische eigenschappen van natuurlijke en synthetische nanomaterialen

Resultaten en discussie

Morfologie van nanomaterialen

De SEM- en TEM-afbeeldingen in Fig. 1 tonen de microfoto's van de natuurlijke en synthetische nanomaterialen. De nanomaterialen tonen wezenlijk verschillende vormen en maten op microfoto's. Om de TEM-beelden van de nanodeeltjes vast te leggen, werd het monster gedispergeerd in een acetonoplossing om de nanodeeltjes van elkaar te scheiden.

SEM/TEM-afbeeldingen van a CNC, b NFC, c CNF, en d CNT

Volgens de afbeeldingen vertonen CNC's een naaldachtige structuur met een gemiddelde lengte van 150 nm en een diameter van 12 nm, terwijl NFC's een sterk verstrengelde, webachtige structuur vertonen met diameters van 50 tot 200 nm (zie Fig. 1a,b). De sterk verstrengelde structuur van NFC's verhoogde de weerstand tegen stroming aanzienlijk en resulteerde in het gelachtige gedrag van het zoals ontvangen NFC-monster. Figuur 1c laat zien dat de CNF met een staafvormige structuur en een diameter van 150-200 nm een ​​zeer grof en stevig oppervlak heeft, terwijl de CNT's op het oppervlak meerwandig, gekruld en met elkaar verstrikt zijn. Figuur 1d laat zien dat de wanddiktediameters van CNT's ongeveer 10-30 nm waren. Net als bij de NFC's waren de lengtes van CNT en CNF te lang en het was niet eenvoudig om de lengte van individuele vezels met hoge nauwkeurigheid te meten vanwege hun verstrengelde structuren.

Energiedispersieve röntgenspectroscopie

Om de samenstelling van elke nanostructuur te vinden, werd de EDX gebruikt. De EDX-resultaten van elk type nanomaterialen worden vermeld in tabel 1. Alle nanodeeltjes onthulden de aanwezigheid van koolstof en zuurstof in enorme hoeveelheden. Het EDX-resultaat voor CNC toonde aan dat niet alleen koolstof en zuurstof, maar ook de aanwezigheid van een kleine hoeveelheid S, terwijl de aanwezigheid van verontreiniging voor NFC niet werd gemeld, wat verband hield met de bereidingsmethode. De EDX-resultaten van CNF en CNT gesynthetiseerd met de CVD-methode bewezen de aanwezigheid van een lage hoeveelheid Ni-katalysator in de producten. Hoewel de CNF en CNT waren ondergedompeld in de FeCl₃ /HCl-oplossing om Ni-katalysator te verwijderen, werd nog steeds een kleine hoeveelheid Ni waargenomen die verband hield met de aanwezigheid van Ni-katalysator in de nanovezel en nanobuisjes. Zoals verwacht bevatten de geproduceerde nanomaterialen voornamelijk koolstof en zuurstof en was het aantal onzuiverheden laag, zoals vermeld in tabel 1.

BET-oppervlakte

Om de oppervlakteactiviteit van de natuurlijke en synthetische nanomaterialen te verkrijgen, werd het BET-specifieke oppervlak bepaald. Tabel 2 geeft de BET-resultaten weer die zijn verkregen uit de stikstofadsorptie-desorptie-isothermen. De nanomaterialen werden gedroogd bij 200 ° C om vocht te verwijderen. Adsorptie- en desorptiehysterese geeft aan dat er enkele poriën in de nanostructuren aanwezig zijn. Volgens de resultaten zijn de BET-oppervlakken voor natuurlijke nanomaterialen lager dan die voor synthetische nanomaterialen, wat werd bewezen door de poriegrootte en het volume van de nanomaterialen. De poriegrootte en het volume van de natuurlijke nanomaterialen zijn veel kleiner dan de poriegrootte en het volume van synthetische nanomaterialen.

Daarom was het oppervlak van de nanokoolstof groter dan de nanocellulose, wat te wijten was aan de vorming van koolstofnanomaterialen met niet alleen kleine afmetingen, maar ook netwerkstructuren. Bovendien leidde het verschil in de morfologie en diameter tussen de CNF en CNT tot de differentiële oppervlakteactiviteit. Ten slotte werd gevonden dat van deze nanodeeltjes NFC het laagste oppervlak had, terwijl CNT het hoogste had. Daarom had de resulterende CNT met het hoogste oppervlak het potentieel om te worden gebruikt als baanbrekende nanodeeltjes voor veel toepassingen, zoals absorberende composieten.

XRD

Röntgendiffractie (XRD) weergegeven in figuur 2, is een techniek voor het bepalen van de atomaire rangschikkingen in een kristal. Drie goed gedefinieerde kristallijne pieken die typerend zijn voor cellulose-nanomaterialen waren aanwezig bij ongeveer 2θ  =-15 °, 22,5° en 35°. Het is te zien dat de piek voor de CNC bij 2θ = 22,5° significant scherper was dan de piek voor NFC. Dit was te wijten aan het bestaan ​​van een hoger kristallijn domein van CNC dan NFC.

XRD-patroon van nanomaterialen

Voor de carbonische nanostructuren kan de sterkste diffractiepiek onder de hoek (2θ) van ongeveer 20-30 ° bereiken worden geïndexeerd als de C (002) reflectie van de hexagonale grafietstructuur. De scherpte van de piek onder de hoek (2θ) van 25,5 ° geeft aan dat de grafietstructuur van de CNT's zonder significante schade was, aangezien elke afname in de volgorde van kristalliniteit in CNF's de XRD-pieken breder zal maken. De andere karakteristieke diffractiepieken van grafiet bij 2θ van ongeveer 43° waren geassocieerd met C(100) diffractiepieken van grafiet.

Thermische weerstand

In het TGA-proces, toen de materialen een bepaalde hoeveelheid warmte absorbeerden, begon een enkele degradatiestap voor alle monsters en ook thermische degradatie op te treden. Het afbraakproces leidde tot de afbraak van de matrixstructuur van het monster. De TGA-diagrammen in figuur 3 illustreren de afbraak van nanomaterialen op basis van het gewichtsverlies (gew.%) versus temperatuur (°C). De temperatuur waarbij het gewichtsverlies 5 gew.% vertoonde, werd gedefinieerd als de begintemperatuur van de ontbinding (T_onset ) terwijl de temperatuur waarbij de afbraaksnelheid een maximum bereikte, werd gedefinieerd als Tmax. Voor CNC waren twee afbraakprocessen duidelijk bij ongeveer 180 °C en 300 °C, terwijl NFC slechts één pyrolyseproces bij 300 °C liet zien dat typisch is voor cellulose. Deze gaven aan dat de thermische stabiliteit van CNC's bereid door zwavelzuurhydrolyse lager was dan die van NFC geproduceerd door mechanische techniek. Het proces bij lagere temperatuur kan overeenkomen met de afbraak van zeer toegankelijke en dus sterker gesulfateerde amorfe gebieden, terwijl het proces bij hogere temperatuur verband hield met de afbraak van niet-gesulfateerde kristallen. De aanwezigheid van zure sulfaatgroepen verminderde de thermische stabiliteit van cellulose als gevolg van de dehydratatiereactie [30]. Bovendien heeft CNC met het grote oppervlak een hogere warmteoverdrachtssnelheid, wat leidt tot een afname van de thermische stabiliteit.

TGA-curven van CNC, NFC, CNF en CNT

Aan de andere kant was het duidelijk dat de ontledingstemperatuur van het CNF begon bij ongeveer 480 ° C en voltooid bij 615 ° C, terwijl voor CNT de ontledingstemperatuur van het monster werd verhoogd tot ongeveer 600 ° C en voltooid bij 690 ° C . Omdat de samenstelling van CNT en CNF vergelijkbaar is, is daarom de hogere thermische stabiliteit van CNT dan CNF vanwege zijn grootte, structuur en morfologie. Hoewel de CNT meer oppervlakte heeft in vergelijking met CNF, heeft CNT met een sterkere structuur een hogere thermische stabiliteit. Kort gezegd lieten de TGA-resultaten zien dat de thermische degradatie van de synthetische nanomaterialen (CNF en CNT) veel lager is dan die van natuurlijke nanostructuren (CNC en CNF). Daarom kunnen synthetische nanomaterialen, met name CNT met hoge thermische stabiliteit, worden gebruikt in thermische apparaten.

Elektrochemische resultaten

De cyclische voltammogrammen (CV) van SPE, de natuurlijke en synthetische nanomaterialen worden weergegeven in Fig. 4. De voltammogrammen van de nanomaterialen toonden aan dat de rechthoekige pieken met redoxpieken de bijdrage aantoonden van een elektrochemische dubbellaags condensator (EDLC) manier en pseudocapaciteitsimpact.

Cyclische voltammogrammen van CNC, CNF, CNT en NFC in PBS-bufferoplossing (pH 7,0). Scansnelheden:0,1 Vs ⁻¹

De toename in cyclische gebieden van de synthetische nanomaterialen in vergelijking met natuurlijke nanomaterialen houdt verband met de toename van de opslagcapaciteit van de CNF- en CNT-elektroden, en het zou mogelijk kunnen zijn dat de porositeit en het oppervlak van de synthetische nanomaterialen veel groter zijn dan natuurlijke nanomaterialen. De redoxpieken in synthetische nanomaterialen toonden aan dat CNF en CNT de elektrochemische reactie konden versnellen en een uitstekende manier waren voor de ladingsoverdracht. Bovendien verbeterden de synthetische nanomaterialen de output van de elektrode door een groter oppervlak te creëren en de stroomweerstand te verminderen. De aanwezigheid van het plateau bij ongeveer -0,5 tot 0,5 V kan worden toegeschreven aan de vorming van een vaste elektrolytinterface (SEI) film op het oppervlak van CNC- en NFC-elektroden.

Cytotoxiciteitsanalyse

MTT-assay werd gebruikt voor het testen van de levensvatbaarheid van de nanomaterialen. De relatieve cellevensvatbaarheid (%) gerelateerd aan controleputjes die celkweekmedium zonder nanodeeltjes bevatten, werd berekend met de volgende vergelijking:

Op basis van de resultaten getoond in Fig. 5, werd de natuurlijke nanomateriaalverbinding minder toxisch gevonden op de 4T1-borstkankercellijn in vergelijking met de synthetische nanomaterialenverbinding. De NFC- en CNC-verbinding remden/doden ongeveer 1,1 en 7% van de cellen bij een concentratie van 100 μg/ml, terwijl bij een vergelijkbare concentratie de koolstofnanovezel en nanobuisjes de cellen met een hoger percentage doodden (respectievelijk 34 en 28%) . Bij een concentratie van 12,5 μg/ml onthulde NFC geen enkele toxiciteit tegen de cel, aangezien de cellen 100% levensvatbaar waren, terwijl dit niet het geval was voor CNC-verbinding omdat het 7% van de levende cellen doodde. Bovendien had CNC geen toxiciteitseffect bij 3,125 μg/ml, terwijl bij deze concentratie CNF en CNT respectievelijk 4,3 en 1,7% doodden. Daarom zijn natuurlijke nanomaterialen betere keuzes voor biomedische toepassingen dan synthetische nanostructuren.

De cytotoxiciteitsanalyse van a CNC, b NFC, c CNF, en d CNT