home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Bereiding en karakterisering van AMT/Co(acac)3-geladen PAN/PS micro-nanovezels met grote doorgaande poriën

Abstract

Deze studie richtte zich op de fabricage en karakterisering van ammoniummetawolframaathydraat (AMT) gecombineerd met kobalt(III)acetylacetonaat (Co(acac)3 )-geladen elektrospun micro-nanovezels. De morfologieën, structuren, elementverdeling, doorgaande poriegrootte en doorgaande poriegrootteverdeling van AMT/Co(acac)3 -geladen PAN/PS micro-nanovezels werden onderzocht door een combinatie van veldemissie scanning elektronenmicroscopie (FESEM), meer fleurige transformatie infrarood (FTIR) spectroscopie, energie disperse spectroscopie (EDS), door-porie grootte analysator, enzovoort. Deze micro-nanovezels hebben veel voordelen in hun potentiële toepassing als elektrokatalysatoren. De poreuze en grote doorlopende poriën zullen profiteren van een effectieve penetratie van elektrolyt, naast het bevorderen van gasbellen die zich tijdig ontwikkelen en vrijkomen van het katalysatoroppervlak.

Inleiding

Nanovezel is een unieke klasse van nanomaterialen met veel interessante eigenschappen vanwege hun nanoschaaldiameters en grote aspectverhouding. Ze hebben uitstekende mechanische eigenschappen en hun oppervlak kan gemakkelijk worden aangepast vanwege hun hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding [1]. Electrospinning kwam snel in opkomst als een eenvoudige en betrouwbare techniek voor de bereiding van gladde nanovezels met controleerbare morfologie uit een verscheidenheid aan polymeren [2,3,4,5]. Ondertussen werden theorieën zoals het thermo-elektro-hydrodynamisch model [6] gebouwd om deze technologie te ondersteunen. Li [7] en Liu [8] vervaardigden vezels die Cu en Fe2 . bevatten O3 via bubbelelektrospinnen. Lin et al. [9] vervaardigde core-shell nanovezels met PS als kern en PAN als shell, en Wu et al. [10] onderzocht het effect van drie polymeersystemen, Poly(m-fenyleenisoftalamide) (Nomex)/polyurethaan (TPU), polystyreen (PS)/TPU en polyacrylonitril (PAN)/TPU, op het vormingsproces van spiraalvormige nanovezels via co-elektrospinning.

Het ammoniummetawolframaathydraat (AMT) en kobalt(III)acetylacetonaat (Co(acac)3 ) kan meestal worden gebruikt als additief in oplossing. Arman et al. [11] voegde polyoxometallaat en AMT toe aan de elektrowinning van koper uit synthetische kopersulfaatoplossingen en ontdekte dat AMT kan worden gebruikt als een additief voor het verminderen van het stroomverbruik bij de elektrowinning van koper uit sulfaatoplossingen. Petrov et al. [12] presenteerde een resultaat van laboratoriumexperimenten over het modelleren van oxidatieprocessen van zware olie in een lucht-zuurstofomgeving met behulp van Co(acac)3 als katalysator bij een bepaalde temperatuur en druk, wat een typische thermische productiemethode was. Xu et al. [13] reversibele additie-fragmentatie chain-transfer polymerisatie van acrylonitril uitgevoerd met Co(acac)3 als een initiator die werd bereikt bij 90 ° C en gemedieerd door 2-cyanoprop-2-yldithionaphtalenoaat. In een ander onderzoek [14] werden met ijzer en kobalt opgenomen koolstofnanovezels (FeCo-CNF's) bereid als vervanging van een op Pt gebaseerde elektrokatalysator via elektrospinning van een PAN-oplossing die ijzer (III) acetylacetonaat en kobalt (II) acetylacetonaat bevat en daaropvolgende pyrolyse van de blend-precursorvezels.

In dit artikel hebben we een efficiënt proces gedemonstreerd om de AMT/Co(acac)3 -geladen PAN/PS micro-nanovezels met poreuze en grote doorgaande poriënstructuur door middel van eenstaps elektrospintechniek. Eerst werden de PAN/PS-vezels zorgvuldig ontworpen door de concentratie van PAN/PS in DMF af te stemmen. Door vervolgens de molaire verhoudingen (W 6+ :Co 3+ ) in de PAN/PS-oplossing, de AMT/Co(acac)3 -geladen PAN/PS micro-nanovezels werden vervaardigd. Bovendien werden de morfologieën, structuren, elementverdeling, doorgaande poriegrootte en doorgaande poriegrootteverdeling van deze vezels systematisch onderzocht. Vanwege de poreuze en grote doorgaande poriën die een effectieve elektrolytpenetratie bevorderen, kunnen deze micro-nanovezels, naast het bevorderen van gasbellen die zich ontwikkelen en tijdig vrijkomen van het katalysatoroppervlak, potentiële toepassingen hebben in elektrochemische reacties.

Methoden

Materialen

Polyacrylonitril (PAN, (C3 H3 N)n , M w = 150.000 g mol −1 , Shanghai Macklin Biochemical, Co., Ltd., China), polystyreen (PS, [CH2 CH(C6 H5 )]n , M w = 192.000 g mol −1 , Sigma-Aldrich), N ,N -dimethylformamide (DMF, HCON(CH3 )2 , M w = 73.09 g mol −1 , AR, Chinasun Specialty Products, Co., Ltd., China), ammoniummetawolframaathydraat (AMT, (NH4 )6 H2 W12 O40 ·XH2 O, M w = 2956,30 g mol −1 , 99,5% zuiverheid, Shanghai Macklin Biochemical, Co., Ltd., China) en kobalt(III)acetylacetonaat (Co(acac)3 , C15 H21 CoO6 , M w = 356.26 g mol −1 , 99,5% zuiverheid, Sigma-Aldrich). Alle materialen werden gebruikt zoals ontvangen zonder verdere zuivering.

Vervaardiging van AMT/Co(acac)3 -Geladen PAN/PS micro-nanovezels

Alle concentratiemetingen zijn uitgevoerd in gewichtspercenten (w /w ). PAN/PS-oplossingen in concentraties variërend van 10 tot 20 wt% werden bereid door een mengsel van PAN/PS (1/1, w) op te lossen. /w ) in DMF onder roeren om een ​​homogene oplossing bij kamertemperatuur te verkrijgen. De AMT en Co(acac)3 werden vervolgens toegevoegd aan de bovengenoemde 20 wt% gemengde oplossing (1,25 g PAN, 1,25 g PS, 10 ml DMF, PAN/PS-20 wt%) met vijf verschillende hoeveelheden wolfraam- en kobaltionen, die 1:0 zijn (W 6+ = 0,62 mmol), 0:1 (Co 3+ = 0,62 mmol), 1:1 (W 6+ = 0,62 mmol, Co 3+ = 0,62 mmol), 1:2 (W 6+ = 0,62 mmol, Co 3+ = 1,24 mmol), en 1:3 (W 6+ = 0,62 mmol, Co 3+ = 1,87 mmol) een nacht geroerd (aangeduid als PAN/PS W1 , PAN/PS Co1 , PAN/PS W1 Co1 , PAN/PS W1 Co2 , en PAN/PS W1 Co3 ). De PAN/PS die in dit document wordt getoond, is standaard ingesteld op een concentratie van 20 wt%. De resulterende uniforme oplossing werd in een injectiespuit van 10 ml gedaan en een geaarde metalen roterende rol (Changsha Nai Instrument Technology, Co., Ltd., China) werd als verzamelaar gebruikt. Een hoge spanning van 20 kV werd aangelegd tussen de naaldpunt en de collector, en de spinsnelheid werd geregeld op 1 ml/h. Alle experimenten werden uitgevoerd bij kamertemperatuur (20 ± 3 °C ) en een relatieve vochtigheid van 40 ± 3%. De schematische illustratie van het voorbereidingsproces voor de micro-nanovezels werd getoond in Schema 1.

Schematische weergave van het bereidingsproces voor de micro-nanovezels

Metingen en karakteriseringen

Vezelmorfologie

De morfologieën en structuren van as-made electrospun-vezels werden onderzocht door een veldemissie scanning-elektronenmicroscopie (FESEM, Hitachi S-4800, Japan). Alle monsters werden bij kamertemperatuur gedroogd en vervolgens gedurende 90 s met goud door een IB-3 (Eiko, Tokyo, Japan) gesputterd. ImageJ-software (National Institute of Mental Health, Bethesda, Maryland, VS) werd toegepast voor karakterisering van de vezeldiameter met 100 willekeurig gekozen vezels uit de FESEM-foto's.

Vezelchemische structuur

De chemische structuur van vezels werd onderzocht door middel van FTIR-spectroscopie (Nicolet5700, Thermo Nicolet Company, Madison, Wisconsin, VS) bij kamertemperatuur door KBr geplet. Het spectrum werd verkregen door de uitvoering van 32 scans met een golfgetal variërend van 400 tot 4000 cm −1 .

Detectie van glasvezelelementen

Energiedisperse spectroscopie (EDS) werd uitgevoerd met behulp van een TM3030 scanning-elektronenmicroscopie om het element en de relatieve oppervlakteverdeling van AMT/Co(acac)3 te detecteren op het vezelmembraan en de willekeurig geselecteerde gebieden.

Through-Pore Properties

De doorgaande poriegrootte en doorgaande poriegrootteverdeling van het vezelige membraan werden gemeten met behulp van een doorgaande poriegrootte-analysator (Porometer 3G, Quantachrome Instruments, VS). Alle monsters werden tot cirkelvormige membranen met een diameter van 25 mm gesneden en grondig bevochtigd met een vloeibare accessoirekit (nummer 01150-10035) om alle poriën met vloeistof te vullen.

Resultaten en discussie

Morfologische karakterisering van PAN/PS-vezels

Concentratie wordt beschouwd als een van de belangrijkste parameters om de vezelmorfologie in functionele volgorde te houden [15,16,17]. FESEM-afbeeldingen van de PAN/PS-vezels bereid uit verschillende concentraties PAN/PS-oplossingen in DMF worden getoond in figuur 1. Figuur 1a toont een typisch FESEM-beeld van de PAN/PS-10 wt%, waaruit blijkt dat een groot aantal verspreide filamenten en korrels van micron en submicron langs de vezelas, en een gerimpeld en poreus oppervlak op de korrels of vezels. Dampfasescheiding kan de belangrijkste reden zijn voor zo'n poreuze en gerimpelde morfologie [18, 19], zoals weergegeven in Fig. 2. Toen de mengseloplossing van PAN en PS uit de injector sproeide, daalde de omgevingstemperatuur sterk vanwege de snelle vervluchtiging van DMF die fasescheiding van de oplossing induceerde. Daarna kan de straalstroom worden verdeeld in een rijke opgeloste fase die stolt tot matrix en een rijke oplosmiddelfase die vergast tot poriën. Bovendien werd de straalstroom ook in de lucht getrokken onder de gecombineerde kracht van elektrisch veld en oppervlaktespanning van de oplossing. Vanwege het verschil in stollingsmodus tussen PAN en PS, werd de rimpel gevormd in het oppervlak van vezels als gevolg van wederzijdse samendrukking tussen polymeren en lucht. Wanneer de concentratie van de PAN/PS-oplossing werd verhoogd tot 12 wt% en 14 wt%, werden de kralen op de vezels langer en dunner als een spindel, en het verspreide filament bestaat nog steeds, zoals weergegeven in Fig. 1b, c. Bij PAN / PS-16 wt% (figuur 1d) verdwijnen de micron- en submicron-sized kralen bijna en verspreide filamenten begonnen naast de bestelde filamenten te bestaan. PS is een noodzakelijk ingrediënt voor deze geordende filamenten. Toen de concentratie toenam tot 18 wt% en hoger, werden structuren van pure vezels verkregen (Fig. 1e, f). Bovendien waren structuren van verspreid filament bijna verdwenen, wat overeenkomt met de concentratie van 20 wt% (Fig. 3 (f)). Deze veranderingen van parels naar pure vezels kunnen worden toegeschreven aan de oplossingsviscositeit die door de concentratie wordt veroorzaakt. De vorming van kralen werd toegeschreven aan een onvoldoende rek van de filamenten tijdens het opkloppen van de straal [20]. Een hogere visco-elastische kracht hielp echter de oppervlaktespanning van de polymeeroplossing te onderdrukken en droeg bij aan de vorming van parelloze vezels [21].

FESEM foto's PAN/PS-vezels met verschillende concentraties. een PAN/PS-10 wt%, b PAN/PS-12 wt%, c PAN/PS-14 wt%, d PAN/PS-16 wt%, e PAN/PS-18 wt%, f PAN/PS-20 wt%

Schematische diagrammen die het vormingsproces van gerimpelde en poreuze vezels bij elektrospinnen illustreren

FESEM-afbeeldingen en vezeldiameterverdeling van micro-nanovezels met verschillende molaire verhoudingen (W 6+ :Co 3+ ). een , v PAN/PS W1 , b , g PAN/PS Co1 , c , u PAN/PS W1 Co1 , d , ik PAN/PS W1 Co2 , e , j PAN/PS W1 Co3

Morfologische karakterisering van AMT/Co(acac)3 -Geladen PAN/PS micro-nanovezels

Afbeelding 3 toont de FESEM-afbeeldingen en de vezeldiameterverdeling van AMT/Co(acac)3 -geladen PAN/PS micro-nanovezels verkregen door de molaire verhoudingen te variëren (W 6+ :Co 3+ ) terwijl de andere parameters constant werden gehouden. Er werd waargenomen dat alle vezels enkele nanoporiën op hun oppervlak vertoonden, wat te wijten was aan de fasescheiding die in de vorige sectie werd genoemd [18, 19]. Door de molaire verhoudingen te verhogen (W 6+ :Co 3+ ) in de PAN/PS-oplossing, de oppervlaktestructuur van de AMT/Co(acac)3 -geladen PAN/PS micro-nanovezels was opmerkelijk veranderd van geordende filamenten naar verspreide filamenten en de vezeldiameters van PAN/PS W1 , PAN/PS Co1 , PAN/PS W1 Co1 , PAN/PS W1 Co2 , en PAN/PS W1 Co3 gewijzigd van 2765.21 ± 180.44, 1832.83 ± 56.73, 2031.57 ± 82.65 en 1671.35 ± 75.67 in 1092.02 ± 111.71 nm, wat kan worden toegeschreven aan de toevoeging van AMT en Co(acac)3 .

FTIR-analyse

Afbeelding 4 toont de FTIR-spectra voor pure Co(acac)3 , PAN-vezels, PS-vezels, PAN/PS-vezels en overeenkomstige micro-nanovezels die AMT en Co(acac)3 bevatten . Het spectrum van de Co(acac)3 vertoonden asymmetrische en symmetrische rektrillingen van de chelaatgroep (C=C) en (C=O + C–H) die verscheen op 1573 en 1513 cm −1 , respectievelijk [22,23,24]. De intensiteit van de nitrilpiek van PAN vertoonde pieken bij 2250 cm −1 , wat te wijten was aan de aanwezigheid van C≡N [9]. Die band op 750, 2921 en 1454 cm −1 werden toegeschreven aan de C–H out plane normale trillingen van de fenylgroepen, CH3 asymmetrische rek- en buigtrillingen door PS [23]. De resultaten toonden Co(acac)3 , PAN en PS werden met succes gefabriceerd tot de micro-nanovezels. Dit zou verder worden bewezen door EDS in de volgende sectie.

Fourier-transform infrarood (FTIR) spectra

EDS-test

Energie-disperse spectroscopie (EDS)-analyse werd gebruikt om de chemische samenstelling en relatieve abundantie van AMT/Co(acac)3 te onderzoeken. op het oppervlak van PAN/PS-vezelmembranen. De elementaire samenstelling van het relevante membraan werd bepaald door het EDS-spectrum van het willekeurig geselecteerde gebied (Fig. 5 en 6). De tabelinzetten in de figuren geven de atomaire verhouding en gewichtsverhouding van de gedetecteerde elementen van de relevante vezelmembranen weer. De belangrijkste verwante elementen zijn koolstof (C), stikstof (N), zuurstof (O), kobalt (Co) en wolfraam (W). Er verschenen geen W-, Co- en O-pieken in het spectrum van het zuivere PAN/PS-vezelmembraan, er verschenen geen Co-pieken in het spectrum van de PAN/PS W1 , en er verscheen geen W-piek in het spectrum van de PAN/PS Co1 , terwijl het Co-gehalte in het spectrum voor AMT/Co(acac)3 -geladen PAN/PS micro-nanovezels namen toe naarmate de molaire verhoudingen (W 6+ :Co 3+ ) nam toe en bewees de molverhouding in het initiële experimentontwerp. Het EDS-resultaat bevestigde verder dat de AMT en Co(acac)3 werden beide met succes op de PAN/PS-vezels geladen.

EDS van a PAN/PS, b PAN/PS W1 , c PAN/PS Co1 , d PAN/PS W1 Co1 , e PAN/PS W1 Co2 , v PAN/PS W1 Co3

Element mapping afbeeldingen van PAN/PS W1 Co3

Door poriënstructuren

De gemiddelde poriëngrootte en de verdeling van de poriëngrootte, die zeer belangrijke parameters zijn voor het bepalen van de elektrolytpenetratie, de ontwikkeling van gasbellen en het tijdig vrijkomen van het katalysatoroppervlak, van de AMT/Co(acac)3 -geladen PAN/PS micro-nanovezels bij de relatieve molaire verhoudingen (W 6+ :Co 3+ ) werden gemeten door een doorgaande poriegrootte-analysator zoals weergegeven in Fig. 7, en de gemiddelde doorgaande poriegrootte van deze monsters was respectievelijk 6,01, 10,20, 6,26, 10,40, 8,86 en 9,72  μm (tabel 1). Het is duidelijk dat de gemiddelde poriegrootte van de PAN/PS de kleinste was, en de verdeling van de doorgaande poriegrootte het smalst. De veel grotere gemiddelde poriegroottes en bredere distributies van PAN/PS W1 , PAN/PS Co1 , PAN/PS W1 Co1 , PAN/PS W1 Co2 , en PAN/PS W1 Co3 worden toegeschreven aan de verhoogde AMT en Co(acac)3 die de toename van de diameter veroorzaakte, zoals weergegeven in Fig. 8.

Doorgaande poriegrootteverdelingen van micro-nanovezelmembranen

Schema van verandering in de poriën van AMT/Co(acac)3 -geladen PAN/PS micro-nanovezels

Conclusies

Samengevat toonde het hier beschreven werk een efficiënt proces aan om de AMT/Co(acac)3 te fabriceren. -geladen PAN/PS micro-nanovezelmembranen met poreuze en grote poriënstructuur door middel van eenstaps elektrospintechniek. De eigenschappen (morfologieën, structuren, elementverdeling, doorgaande poriegrootte en doorgaande poriegrootteverdeling) van deze vezels werden systematisch onderzocht. Verder is de AMT/Co(acac)3 -geladen PAN/PS verbeterde de distributie door de poriën van relevante vezelmembranen aanzienlijk. De resultaten toonden aan dat de micro-nanovezels met succes waren bereid en potentiële toepassingen hadden in elektrochemische reacties.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens die tijdens dit onderzoek zijn gegenereerd of geanalyseerd, zijn opgenomen in het artikel.

Afkortingen

AMT:

Ammoniummetawolframaathydraat

Co(acac)3 :

Kobalt(III)acetylacetonaat

Co., Ltd.:

Naamloze vennootschap

Co1 :

Co 3+ = 0,62 mmol

DMF:

Energiedispersiespectroscopie

EDS:

Energiedispersiespectroscopie

FeCo-CNF's:

IJzer en kobalt-geïntegreerde koolstof nanovezels

FESEM:

Veldemissie scanning elektronenmicroscopie

FTIR:

Bloemrijkere transformatie infrarood

PAN:

Polyacrylonitril

PS:

Polystyreen

TPU:

Poly (m-fenyleenisoftalamide) (Nomex)/polyurethaan

W1 :

W 6+ = 0,62 mmol

W1 Co1 :

W 6+ = 0,62 mmol, Co 3+ = 0,62 mmol

W1 Co2 :

W 6+ = 0,62 mmol, Co 3+ = 1,24 mmol

W1 Co3 :

W 6+ = 0,62 mmol, Co 3+ = 1,87 mmol

wt%:

Gewichtsfractie

Wx Coy :

W1 of Co1 of W1 Co1 of W1 Co2 of W1 Co3


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Preparatie en magnetische eigenschappen van kobalt-gedoteerde FeMn2O4-spinel-nanodeeltjes
    2. Slim nanomateriaal en nanocomposiet met geavanceerde agrochemische activiteiten
    3. Op weg naar TiO2-nanovloeistoffen:deel 1:voorbereiding en eigenschappen
    4. Voorbereiding en verbeterde katalytische hydrogeneringsactiviteit van Sb/Palygorskite (PAL) nanodeeltjes
    5. Voorbereiding en fotokatalytische prestaties van LiNb3O8-fotokatalysatoren met holle structuur
    6. Vervaardiging, karakterisering en biologische activiteit van avermectine nano-afgiftesystemen met verschillende deeltjesgroottes
    7. Voorbereiding en thermo-elektrische kenmerken van ITO/PtRh:PtRh Thin Film Thermokoppel
    8. Vervaardiging en karakterisering van ZnO-nanoclips door het door polyol gemedieerde proces
    9. Theranostic agents van de volgende generatie op basis van polyelektrolytmicrocapsules gecodeerd met halfgeleider nanokristallen:ontwikkeling en functionele karakterisering
    10. Bereiding van thermoresponsieve polymeer nanogels van oligo(ethyleenglycol) diacrylaat-methacrylzuur en hun eigenschapskarakterisering
    11. Voorbereiding en karakterisering van in oplossing verwerkte nanokristallijne p-type CuAlO2 dunne-filmtransistoren