Elektrogespinnen PAN/PS Micro-Nanovezels Geladen met Ammonium Metatungstaat en Cobalt(III) Acetylacetonaat: Poruze Architectuur en Verbeterde Door-Porus Distributie

Samenvatting

Dit werk presenteert een één-staps elektrospinning protocol voor het produceren van polyacrylonitril/polystreen (PAN/PS) micro-nanovezels die ammonium metatungstaat hydraat (AMT) en cobalt(III) acetylacetonaat (Co(acac)₃) incorporeren. De vezels vertonen een hoog-poruws oppervlak, een brede distributie van door-poriën, en uniforme lading van wolfram- en kobaltsoorten. Uitgebreide karakterisatie—waaronder FESEM, FTIR, EDS en door-porus grootte analyse—bevestigt de succesvolle integratie van AMT/Co(acac)₃ en toont aan dat de resulterende micro-nanovezels sleutelkenmerken bezitten wenselijk voor electro-katalytische toepassingen: efficiënte elektrolytpenetratie en snelle gasbel vrijgave.

Inleiding

Nanovezels bieden een uitzonderlijke combinatie van mechanische sterkte en oppervlakte-oppervlakte, wat ze aantrekkelijk maakt voor diverse functionele materialen. Elektrospinning heeft zich ontwikkeld tot een veelzijdige techniek voor het genereren van gladde, controleerbare-morfologie vezels uit een breed scala aan polymeren, waaronder PAN en PS. Eerdere studies hebben elektrogespinnen vezels gebruikt voor katalyse, sensing en energieopslag; bijvoorbeeld werden Cu- of Fe₂O₃ geladen vezels geproduceerd via bubbel elektrospinning, en kern-schelp PAN/PS architecturen werden gerapporteerd voor hiërarchisch ontwerp.

Ammonium metatungstaat hydraat (AMT) en cobalt(III) acetylacetonaat (Co(acac)₃) zijn bekend om hun katalytische eigenschappen in oxidatiereacties en electro-winning processen. Het incorporeren van deze soorten in polymere vezels kan een homogene distributie van actieve plaatsen bieden terwijl de structurele voordelen van nanovezels behouden blijven. Hierin rapporteren we een gemakkelijke één-staps elektrospinning methode die AMT/Co(acac)₃ in PAN/PS micro-nanovezels insluit, wat resulteert in een hoog-poruws steiger met vergrote door-poriën die verwacht worden de elektrolyttoegang en gasontwikkeling tijdens electrochemische processen te verbeteren.

Methoden

Materialen

Polyacrylonitril (PAN, Mn = 150 kDa, Shanghai Macklin Biochemisch) en polystreen (PS, Mn = 192 kDa, Sigma-Aldrich) werden opgelost in N,N-dimetylformamide (DMF, 73,09 g mol⁻¹, AR, Chinasun) om 10–20 wt % oplossingen te prepareren. AMT (MW = 2956,30 g mol⁻¹, 99,5 % zuiverheid) en Co(acac)₃ (MW = 356,26 g mol⁻¹, 99,5 % zuiverheid) werden toegevoegd aan de polymere oplossingen in vooraf gedefinieerde molaire verhoudingen (W⁶⁺ : Co³⁺ = 1:0, 0:1, 1:1, 1:2, 1:3). Alle reagentia werden zoals ontvangen gebruikt.

Fabricatie van AMT/Co(acac)₃-Geladen PAN/PS Micro-Nanovezels

Om optimale vezelmorfologie te verkrijgen, werd een 20 wt % PAN/PS (1:1 w/w) oplossing in DMF bereid. AMT en Co(acac)₃ werden geïncorporeerd op de volgende molaire hoeveelheden: 1:0 (W⁶⁺ = 0,62 mmol), 0:1 (Co³⁺ = 0,62 mmol), 1:1, 1:2 en 1:3. Na overnachten roeren werd de homogene oplossing in een 10 mL spuit geladen. Elektrospinning werd uitgevoerd bij 20 kV, 1 mL h⁻¹, met een geaarde draaiende roller collector, onder omgevingsomstandigheden (20 ± 3 °C, 40 ± 3 % RH). Een schema van het proces wordt getoond in Schema 1.

Elektrogespinnen PAN/PS Micro-Nanovezels Geladen met Ammonium Metatungstaat en Cobalt(III) Acetylacetonaat: Poruze Architectuur en Verbeterde Door-Porus Distributie

Metingen en Karakterisaties

Vezel Morfologie

Vezeloppervlakken werden onderzocht met FESEM (Hitachi S-4800). Monsters werden goud-gesputterd (90 s) voor beeldvorming. ImageJ werd gebruikt om de diameters van 100 willekeurig geselecteerde vezels per monster te meten.

Vezel Chemische Structuur

FTIR-spectra werden opgenomen op een Nicolet 5700 (Thermo) met KBr-pellets, bedekkend 400–4000 cm⁻¹ met 32 scans per monster.

Vezel Elementaire Detectie

EDS-mapping werd uitgevoerd op een TM3030 SEM om de aanwezigheid en distributie van W en Co op de vezeloppervlakken te bevestigen.

Door-Porus Eigenschappen

Door-porus grootte en distributie werden gemeten met een Porometer 3G (Quantachrome). 25 mm diameter membranen werden verzadigd met vloeistof met behulp van de Liquid Accessory Kit (Nr. 01150-10035).

Resultaten en Discussie

Morfologische Karakterisatie van PAN/PS Vezels

De concentratie van de PAN/PS oplossing beïnvloedt sterk de vezelmorfologie. FESEM-beelden (Fig. 1) tonen aan dat bij 10 wt % de vezels parel-geladen, gerimpelde oppervlakken vertonen door snelle DMF-verdamping en fase-scheiding. Het verhogen van de concentratie naar 12–14 wt % vermindert parelgrootte en introduceert spindel-achtige structuren, terwijl 16–20 wt % oplossingen gladde, parelvrije vezels opleveren. Deze trend is consistent met de verhoogde viscoelasticiteit die oppervlaktespanning tijdens jet-zwiep onderdrukt.

Morfologische Karakterisatie van AMT/Co(acac)₃-Geladen PAN/PS Micro-Nanovezels

FESEM-beelden onthullen dat alle geladen vezels nanoporuze oppervlakken vertonen toeschrijfbaar aan fase-scheiding. Naarmate de W⁶⁺ : Co³⁺ verhouding toeneemt, gaan de vezels over van geordende filamenten naar verdeelde, parel-achtige morfologieën, en de gemiddelde diameters dalen van 2765 ± 180 nm (W₁) tot 1092 ± 112 nm (W₁Co₃). Deze trend wijst erop dat de geïntegreerde AMT en Co(acac)₃ de oplossingsviscositeit en solidificatiedynamica tijdens elektrospinning beïnvloeden.

FTIR Analyse

FTIR-spectra (Fig. 4) bevestigen de aanwezigheid van kenmerkende pieken voor PAN (C≡N op 2250 cm⁻¹), PS (fenyltrillingen op 750, 1454 cm⁻¹) en Co(acac)₃ (C=C op 1573 cm⁻¹, C=O+CH op 1513 cm⁻¹). De succesvolle integratie van AMT/Co(acac)₃ in de polymere matrix wordt verder gevalideerd door het verschijnen van deze distincte banden in de geladen vezels.

EDS Test

EDS-analyse (Fig. 5) toont de verwachte elementaire samenstelling: zuivere PAN/PS vezels bevatten alleen C, N en O; W₁ vezels missen Co-pieken, terwijl Co₁ vezels W-pieken missen. In de geladen vezels nemen de atoomberekeningen van W en Co toe met de geprogrammeerde molaire verhoudingen, wat uniforme lading bevestigt. Elementaire mapping (Fig. 6) toont verder homogene distributie van W en Co over de vezeloppervlakken.

Door-Porus Structuren

De gemiddelde door-porus groottes van de geladen vezels strekken zich uit van 6,01–10,40 µm, aanzienlijk groter dan de 6,01 µm geobserveerd voor pristiene PAN/PS. De bredere distributie in de geladen membranen (Fig. 7) weerspiegelt de verhoogde vezeldiameter en oppervlakteruwheid geïnduceerd door AMT/Co(acac)₃. Deze vergrote poriën faciliteren snelle elektrolyttransport en efficiënte gasvrijgave, cruciaal voor electrochemische reacties.

Conclusies

We hebben een enkel-staps elektrospinning route gedemonstreerd om PAN/PS micro-nanovezels te produceren die AMT en Co(acac)₃ incorporeren. De resulterende vezels vertonen een poruws oppervlak, vergrote door-poriën en een uniforme distributie van W en Co, zoals bevestigd door FESEM, FTIR, EDS en porusanalyse. Deze structurele kenmerken worden verwacht de elektrolyttoegang en gasbel vrijgave te verbeteren, wat het potentieel van AMT/Co(acac)₃-geladen PAN/PS vezels als efficiënte electro-katalytische platforms onderstreept.