Herstellung und Charakterisierung von AMT/Co(acac)3-beladenen PAN/PS-Mikro-Nanofasern mit großen Durchgangsporen

Zusammenfassung

Diese Studie konzentrierte sich auf die Herstellung und Charakterisierung von Ammoniummetawolframathydrat (AMT) in Kombination mit Kobalt(III)acetylacetonat (Co(acac)₃ )-beladene elektrogesponnene Mikro-Nanofasern. Die Morphologien, Strukturen, Elementverteilung, Durchgangsporengröße und Durchgangsporengrößenverteilung von AMT/Co(acac)₃ -beladene PAN/PS-Mikronanofasern wurden durch eine Kombination aus Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM), Flourier-Transformations-Infrarot-(FTIR)-Spektroskopie, energiedisperser Spektroskopie (EDS), Durchgangsporengrößenanalysator usw. untersucht. Diese Mikro-Nanofasern haben viele Vorteile in ihrer potentiellen Anwendung als Elektrokatalysatoren. Die poröse und große durchgehende Pore begünstigt eine effektive Elektrolytpenetration und fördert zusätzlich die Entwicklung und Freisetzung von Gasblasen von der Katalysatoroberfläche.

Einführung

Nanofasern sind eine einzigartige Klasse von Nanomaterialien mit vielen interessanten Eigenschaften aufgrund ihrer nanoskaligen Durchmesser und ihres großen Aspektverhältnisses. Sie besitzen ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und ihre Oberfläche kann aufgrund ihres hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses leicht modifiziert werden [1]. Elektrospinnen entwickelte sich schnell zu einer einfachen und zuverlässigen Technik zur Herstellung glatter Nanofasern mit kontrollierbarer Morphologie aus einer Vielzahl von Polymeren [2,3,4,5]. Inzwischen wurden Theorien wie das thermo-elektro-hydrodynamische Modell [6] entwickelt, um diese Technologie zu unterstützen. Li [7] und Liu [8] hergestellte Fasern, die Cu und Fe₂ . enthalten O₃ über Blasenelektrospinnen. Linet al. [9] stellten Kern-Schale-Nanofasern mit PS als Kern und PAN als Hülle her, und Wu et al. [10] untersuchten die Wirkung von drei Polymersystemen, Poly(m-phenylenisophthalamid) (Nomex)/Polyurethan (TPU), Polystyrol (PS)/TPU und Polyacrylnitril (PAN)/TPU, auf den Bildungsprozess von helikalen Nanofasern über Co-Elektrospinnen.

Ammoniummetawolframathydrat (AMT) und Kobalt(III)acetylacetonat (Co(acac)₃ ) kann in der Regel als Additiv in Lösung verwendet werden. Armanet al. [11] fügten Polyoxometallat und AMT zur elektrolytischen Gewinnung von Kupfer aus synthetischen Kupfersulfatlösungen hinzu und fanden heraus, dass AMT als Additiv zur Reduzierung des Energieverbrauchs bei der elektrolytischen Gewinnung von Kupfer aus Sulfatlösungen verwendet werden kann. Petrov et al. [12] präsentierte ein Ergebnis von Laborexperimenten zur Modellierung von Schweröloxidationsprozessen in einer Luft-Sauerstoff-Umgebung unter Verwendung von Co(acac)₃ als Katalysator bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck, was ein typisches thermisches Herstellungsverfahren war. Xuet al. [13] führte eine reversible Additions-Fragmentierungs-Kettentransfer-Polymerisation von Acrylnitril unter Verwendung von Co(acac)₃ . durch als Initiator, der bei 90 °C erreicht wurde und durch 2-Cyanoprop-2-yl-dithionaphthalenoat vermittelt wurde. In einer anderen Untersuchung [14] wurden Eisen- und Kobalt-inkorporierte Kohlenstoff-Nanofasern (FeCo-CNFs) als Ersatz für Pt-basierte Elektrokatalysatoren durch Elektrospinnen von PAN-Lösung mit Eisen(III)- und Kobalt(II)-Acetylacetonat und anschließender Pyrolyse hergestellt der Vorläuferfasern der Mischung.

In diesem Artikel haben wir einen effizienten Prozess zur Herstellung von AMT/Co(acac)₃ . demonstriert -beladene PAN/PS-Mikronanofasern mit poröser und großer durchgehender Porenstruktur durch einstufige Elektrospinntechnik. Zuerst wurden die PAN/PS-Fasern sorgfältig entworfen, indem die Konzentration von PAN/PS in DMF abgestimmt wurde. Dann durch Regulieren der Molverhältnisse (W⁶⁺ :Co³⁺ ) in der PAN/PS-Lösung das AMT/Co(acac)₃ -beladene PAN/PS-Mikro-Nanofasern wurden hergestellt. Darüber hinaus wurden die Morphologien, Strukturen, Elementverteilung, Durchgangsporengröße und Durchgangsporengrößenverteilung dieser Fasern systematisch untersucht. Aufgrund der porösen und großen Durchgangsporen, die eine effektive Elektrolytpenetration begünstigen, zusätzlich zur Förderung der Entwicklung und Freisetzung von Gasblasen von der Katalysatoroberfläche, könnten diese Mikronanofasern potenzielle Anwendungen in elektrochemischen Reaktionen haben.

Methoden

Materialien

Polyacrylnitril (PAN, (C₃ .) H₃ N)_n , M _w = 150.000 g mol⁻¹ , Shanghai Macklin Biochemical, Co., Ltd., China), Polystyrol (PS, [CH₂ CH(C₆ H₅ )]_n , M _w = 192.000 g mol⁻¹ , Sigma-Aldrich), N ,N -Dimethylformamid (DMF, HCON(CH₃ .) )₂ , M _w = 73,09 g mol⁻¹ , AR, Chinasun Specialty Products, Co., Ltd., China), Ammoniummetawolframathydrat (AMT, (NH₄ )₆ H₂ W₁₂ O₄₀ ·XH₂ Oh, M _w = 2956,30 g mol⁻¹ , 99,5% Reinheit, Shanghai Macklin Biochemical, Co., Ltd., China) und Kobalt(III)acetylacetonat (Co(acac)₃ , C₁₅ H₂₁ CoO₆ , M _w = 356.26 g mol⁻¹ , 99,5% Reinheit, Sigma-Aldrich). Alle Materialien wurden wie erhalten ohne weitere Reinigung verwendet.

Herstellung von AMT/Co(acac)₃ -Geladene PAN/PS-Mikro-Nanofasern

Alle Konzentrationsmessungen wurden in Gewicht nach Gewicht durchgeführt (w /w ). PAN/PS-Lösungen in Konzentrationen von 10 bis 20 Gew.-% wurden durch Auflösen einer Mischung aus PAN/PS (1/1, w /w ) in DMF unter Rühren, um eine homogene Lösung bei Raumtemperatur zu erhalten. AMT und Co(acac)₃ wurden dann zu der obigen 20 Gew.-% gemischten Lösung (1,25 g PAN, 1,25 g PS, 10 ml DMF, PAN/PS-20 Gew.-%) mit fünf verschiedenen Mengen an Wolfram- und Kobalt-Ionen zugegeben, die 1:0 (W⁶⁺ = 0,62 mmol), 0:1 (Co³⁺ = 0,62 mmol), 1:1 (W⁶⁺ = 0,62 mmol, Co³⁺ = 0,62 mmol), 1:2 (W⁶⁺ = 0,62 mmol, Co³⁺ = 1,24 mmol) und 1:3 (W⁶⁺ = 0,62 mmol, Co³⁺ = 1,87 mmol) über Nacht gerührt (bezeichnet als PAN/PS W₁ , PAN/PS-Co₁ , PAN/PS W₁ Co₁ , PAN/PS W₁ Co₂ , und PAN/PS W₁ Co₃ ). Das in diesem Dokument gezeigte PAN/PS ist standardmäßig auf eine Konzentration von 20 Gew.-% eingestellt. Die resultierende gleichförmige Lösung wurde in eine 10-ml-Spritze gefüllt, und eine geerdete rotierende Metallwalze (Changsha Nai Instrument Technology, Co., Ltd., China) wurde als Sammler verwendet. Zwischen der Nadelspitze und dem Kollektor wurde eine Hochspannung von 20 kV angelegt, und die Spinngeschwindigkeit wurde auf 1 ml/h eingestellt. Alle Experimente wurden bei Raumtemperatur (20 ± 3 °C .) durchgeführt ) und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40 ± 3%. Die schematische Darstellung des Herstellungsprozesses für die Mikro-Nanofasern ist in Schema 1 gezeigt.

Ergebnisse und Diskussion

Morphologische Charakterisierung von PAN/PS-Fasern

Die Konzentration gilt als einer der wichtigsten Parameter, um die Fasermorphologie in funktioneller Ordnung zu halten [15,16,17]. FESEM-Bilder der PAN/PS-Fasern, die aus verschiedenen Konzentrationen von PAN/PS-Lösungen in DMF hergestellt wurden, sind in Abb. 1 dargestellt. Abb. 1a zeigt ein typisches FESEM-Bild von PAN/PS-10 wt%, aus dem ersichtlich ist, dass eine große Anzahl verstreuter Filamente und Perlen in Mikrometer- und Submikrometergröße entlang der Faserachse und eine faltige und poröse Oberfläche auf den Perlen oder Fasern. Die Dampfphasentrennung kann der Hauptgrund für eine solche poröse und faltige Morphologie sein [18, 19], wie in Abb. 2 gezeigt. Wenn die Mischlösung aus PAN und PS aus dem Injektor gesprüht wurde, sank die Umgebungstemperatur aufgrund der schnellen Verflüchtigung stark von DMF, das eine Phasentrennung der Lösung induzierte. Danach kann der Strahlstrom in eine reiche gelöste Phase, die zu einer Matrix verfestigte, und eine reiche Lösungsmittelphase, die zu Poren vergast wurde, unterteilt werden. Darüber hinaus wurde der Strahlstrom auch unter der kombinierten Kraft des elektrischen Felds und der Oberflächenspannung der Lösung in die Luft gezogen. Aufgrund des Unterschieds im Verfestigungsmodus zwischen PAN und PS bildeten sich die Falten in der Oberfläche der Fasern, die aus dem gegenseitigen Zusammendrücken zwischen Polymeren und Luft resultieren. Wenn die Konzentration der PAN/PS-Lösung auf 12 Gew.-% und 14 Gew.-% erhöht wurde, werden die Perlen auf den Fasern länger und dünner, wie eine Spindel, und das verstreute Filament existiert immer noch, wie in Fig. 1b, c gezeigt. Bei PAN/PS-16 wt% (Fig. 1d) verschwinden die Mikrometer- und Submikrometer-Kügelchen fast und verstreute Filamente begannen mit den geordneten Filamenten zu koexistieren. PS ist ein notwendiger Bestandteil dieser geordneten Filamente. Wenn die Konzentration auf 18 Gew.-% und darüber anstieg, wurden Strukturen aus reinen Fasern erhalten (Abb. 1e, f). Darüber hinaus verschwanden Strukturen von verstreuten Filamenten fast, was einer Konzentration von 20 Gew.-% entspricht (Fig. 3(f)). Diese Veränderungen von Kügelchen zu reinen Fasern könnten auf die konzentrationsbedingte Lösungsviskosität zurückgeführt werden. Die Perlenbildung wurde auf eine unzureichende Dehnung der Filamente beim Aufschlagen des Strahls zurückgeführt [20]. Eine höhere viskoelastische Kraft trug jedoch dazu bei, die Oberflächenspannung der Polymerlösung zu unterdrücken und trug zur Bildung von perlenlosen Fasern bei [21].

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend zeigte die hier beschriebene Arbeit einen effizienten Prozess zur Herstellung des AMT/Co(acac)₃ -beladene PAN/PS-Mikro-Nanofaser-Membranen mit poröser und großer Durchgangsporenstruktur durch einstufige Elektrospinntechnik. Die Eigenschaften (Morphologien, Strukturen, Elementverteilung, Durchgangsporengröße und Durchgangsporengrößenverteilung) dieser Fasern wurden systematisch untersucht. Darüber hinaus ist der AMT/Co(acac)₃ -beladenes PAN/PS verbesserte die Porenverteilung relevanter Fasermembranen signifikant. Die Ergebnisse zeigten, dass die Mikro-Nanofasern erfolgreich hergestellt wurden und potenzielle Anwendungen in elektrochemischen Reaktionen haben.