Hochleistungs Ag-Nanohaar-beschichtete Aktivierte Kohlefasern durch Selbstassembly und schnelles Thermisches Glühen

Zusammenfassung

Anisotrope Nanomaterial-modifizierte Kohlefasern erweisen sich als überlegene Alternativen zu konventionellen Verbundwerkstoffen. Hier berichten wir über die Fertigung aktivierter Kohlefasern (ACFs) dicht dekoriert mit Silber-Nanohaar mittels einfachem Selbstassembly-Ansatz gefolgt von schnellem thermischem Glühen. Viskosefasern wurden zunächst mit hyperverzweigtem Poly(amino-amin) (HBPAA)-kappierten Silbernanopartikeln (AgNPs) imprägniert, die elektrostatische Anziehung und Aminogruppen-Vermittlung für monodisperse Beschichtung bereitstellten. Nachfolgende Voroxidation und Karbonisierung in einem offenem Ofen produzierten ACFs, die flüssiges Ag spontan aus ihren Poren freisetzten, welches bei schnellem Abkühlen zu Nanodrähten erstarrte. FESEM bestätigte Ag-Nanohaar, das aus ACF-Poren wächst; XPS und XRD demonstrierten, dass Silber nach Hochtemperaturbehandlung metallisch blieb, und TGA zeigte erhaltene thermische Stabilität. Die resultierenden Ag-Nanohaar-beschichteten ACFs wiesen robuste, langfristige antibakterielle Aktivität gegen sowohl Escherichia coli als auch Staphylococcus aureus auf. Diese Arbeit bietet einen skalierbaren Weg, um Metall-Nanodraht-funktionalisierte aktivierte Kohlefasern für potenzielle Anwendungen in Filtration, Katalyse und antimikrobiellen Textilien zu entwickeln.

Hintergrund

Kohlefasern (CFs) sind als Fasern mit mindestens 92 % Kohlenstoff nach Gewicht definiert und werden typischerweise aus polymeren Vorläufern wie Polyacrylnitril (PAN), Pech, Zellulose, Lignin und Polyethylen [1,2] gewonnen. PAN blieb lange der am weitesten verbreitete Vorläufer wegen seiner exzellenten Spinnbarkeit und hohem Kohlenstoffausbeute, doch hohe Produktionskosten limitieren großskaligen Einsatz. Zellulose-abgeleitete aktivierte Kohlefasern (ACFs) präsentieren eine überzeugende, kostengünstige Alternative: ihre poröse Mikrostruktur bietet spezifische Oberflächen von 1.000–1.500 m² g⁻¹ und Millionen 1–4 nm Mikroporen, was überlegene Adsorptionsleistung im Vergleich zu konventionellem Aktivkohle gibt [3-5].

Nanotechnologie hat die Integration anorganischer Nanomaterialien mit Kohlenstoffsubstraten beschleunigt, was synergistische Eigenschaften freisetzt, die jede Komponente allein übertreffen [6,7]. Zum Beispiel demonstrierten Ag-Nanopartikel (AgNP)-dekorierte CFs eine vierfache Steigerung der photokatalytischen CO₂-Reduktion zu CH₃OH, zugeschrieben verbesserter CO₂-Adsorption und Elektronentransfer [1]. Ebenso ergaben CoSe₂ Nanopartikel auf dreidimensionalen CFs hochaktive, stabile Elektrokatalysatoren für Wasserstoffentwicklung in sauren Medien [8]. Die meisten anorganischen Nanomaterialien sind jedoch kugelförmig; anisotrope Strukturen wie Nanodrähte, Nanosheets und Quantenpunkte werden zunehmend gesucht, da sie gerichtete Leitfähigkeit, Oberflächenplasmonenresonanz und mechanisches Verriegeln verleihen können [9].

In dieser Arbeit entwarfen wir ACFs „dick überwachsen“ mit Ag-Nanohaar durch Selbstassembly-Route gefolgt von schnellem thermischem Glühen. HBPAA-modifizierte AgNPs wurden via hydrothermaler Reduktion auf HBPAA-Template synthetisiert. Als molekularer Klebstoff ermöglichte HBPAA positiv geladenen AgNPs, sich gleichmäßig auf Viskosezellulose durch elektrostatische Anziehung und Wasserstoffbrückenbindung selbstzuassemblieren. Die resultierenden AgNP-beschichteten VFs wurden dann einer zweistufigen Wärmebehandlung unterzogen: (i) Oxidation bei 350 °C in Wasserdampfatmosphäre zur Bildung leiterartiger Polymere, und (ii) Karbonisierung bis 850 °C unter Inertgas zur Erzeugung turbostatischen Kohlenstoffs. Der Ofen war bewusst offen und an Ein- und Auslass durch Hochtemperaturflammen versiegelt, was den Fasern ermöglichte, die Kammer bei Umgebungstemperatur zu verlassen – ein Schlüsselschritt für die schnelle Kontraktion, die flüssiges Ag-Extrusion antreibt.

Methoden

Herstellung Ag-Nanohaar-gewachsener ACFs

Wir synthetisierten zunächst HBPAA-kappierte AgNPs wie in unserer Vorarbeit beschrieben [10]. Viskosefasern (2 g) wurden dann 3 h bei 98 °C in 4.000 mg L⁻¹ AgNP-Lösung eingetaucht, um Selbstassembly auf Faseroberfläche zu ermöglichen. Nach Trocknung im Ofen und Dunkel Lagerung wurden die beschichteten Fasern einer zweistufigen Wärmebehandlung unterzogen: (i) Oxidation bei 350 °C in Wasserdampfatmosphäre zur Bildung leiterartiger Polymere, und (ii) Karbonisierung bis 850 °C unter Inertgas zur Erzeugung turbostatischen Kohlenstoffs. Der Ofen war bewusst offen und an beiden Enden flammenversiegelt, was den Fasern ermöglichte, die Kammer bei Umgebungstemperatur zu verlassen – ein Schlüsselschritt für die schnelle Kontraktion, die flüssiges Ag-Extrusion antreibt.

Messungen

Morphologie und Elementverteilung wurden mittels FESEM (S-4200, Hitachi) mit EDS untersucht. Oberflächenchemie wurde durch XPS (ESCALAB 250 XI, Thermo Scientific) und XRD (D8 ADVANCE, Bruker) sondiert. Thermisches Verhalten wurde via TGA (TG 209 F3 Tarsus, Netzsch) bewertet. Antimikrobielle Aktivität gegen E. coli und S. aureus wurde mit Schüttelkolbenmethode (GB/T 20944.3-2008) evaluiert.

Ergebnisse und Diskussion

Die Selbstassembly- und schnelle thermische Glühstrategie ergab ACFs dicht bedeckt mit Ag-Nanohaar, wie in Abb. 1 illustriert. FESEM-Bilder (Abb. 2) zeigten, dass pristine VFs glatte, längs gerillte Oberflächen besaßen, während AgNP-beschichtete VFs monodisperse helle weiße Partikel (3–80 nm) aufwiesen, die die Rillenmorphologie beibehielten. Nach Karbonisierung wurden die Fasern flauschig und trugen unregelmäßig geformte Nanodrähte (~50 nm), die von der Oberfläche hervorragten, was bestätigte, dass AgNPs sich in Nanodrähte transformiert hatten.

Querschnitts-FESEM (Abb. 3) zeigte, dass sowohl reine ACFs als auch Ag-Nanohaar-gewachsene ACFs reichlich Poren enthielten. In letzteren schienen Ag-Nanodrähte aus Porenmündungen zu wachsen, mit einem Ende im Porenanker, was einen Wachstumsmechanismus suggeriert, getrieben durch Kapillarinfiltration von geschmolzenem Ag in Poren und rasche Erstarrung beim Abkühlen. Der Schmelzpunkt von 10–20 nm AgNPs (~129 °C) ermöglicht Verflüssigung bei Karbonisierungstemperatur (850 °C), und der hochtemperatur-flammenversiegelte Ofen sorgt für rasches Abschrecken, das geschmolzenes Ag als Nanodrähte aus Poren quetscht.

EDS-Analyse (Abb. 4) detektierte starke Ag-Signale zusätzlich zu C und O, was Silberpräsenz bestätigte. XRD (Abb. 6) zeigte charakteristische Peaks flächenzentriert kubischen Ag (111, 200, 220, 311) in Ag-Nanohaar-gewachsenen ACFs, was anzeigte, dass Silber nach Hochtemperaturbehandlung metallisch blieb. XPS (Abb. 7) offenbarte Ag 3d Bindungsenergien von 373,9 eV und 367,9 eV, konsistent mit metallischem Ag. Der C/O-Verhältnis stieg nach Karbonisierung, was Entfernung sauerstoffhaltiger Gruppen und Erzeugung von CO/CH₄ Reduktionsmitteln widerspiegelt, die oxidiertes Ag wahrscheinlich zu metallischer Form reduzierten.

Thermogravimetrische Analyse (Abb. 8) demonstrierte, dass Ag-Nanohaar-gewachsene ACFs exzellente thermische Stabilität behielten, mit nur 8,4 % Gewichtsverlust bis 1.000 °C. Die Präsenz von HBPAA auf Faseroberfläche wirkte als Schutzhülle, die Zersetzung während Oxidation verzögerte. Die thermische Leistung von Ag-Nanohaar-gewachsenen ACFs entsprach der von pristine ACFs, was bestätigte, dass Ag-Beschichtung die strukturelle Integrität nicht beeinträchtigte.

Antibakterielle Tests (Tabelle 1) zeigten, dass Ag-Nanohaar-gewachsene ACFs >99 % Inhibition gegen E. coli und S. aureus erreichten, sogar nach 30 Ultraschallwäschen. Die dauerhafte Aktivität wird auf starken mechanischen Verriegelung zwischen Ag-Nanohaar und poröser ACF-Matrix zurückgeführt, was Auslaugung von Ag-Nanopartikeln verhindert.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir eine skalierbare Methode entwickelt, um Ag-Nanohaar-beschichtete aktivierte Kohlefasern durch Kombination HBPAA-vermittelter Selbstassembly mit offenem, schnellem Abkühl-Ofen herzustellen. Die resultierenden Fasern weisen ein dichtes Netzwerk metallischer Silbernanodrähte auf, die fest in poröser Kohlenstoffmatrix eingebettet sind, verleihen dem Material herausragende thermische Stabilität und bemerkenswerte, langfristige antibakterielle Leistung. Dieser Ansatz bietet eine vielseitige Plattform für Integration anisotroper Metallnanostrukturen auf aktivierten Kohlefasern für Anwendungen von Filtration bis antimikrobielle Textilien.