电纺碳铁纳米纤维铁的催化作用及其在去除六价铬中的应用

　　Carbon：电纺碳/铁纳米纤维：铁的催化作用及其在去除六价铬中的应用
　　DOI:10.1016/j.carbon.2020.05.031 本研究制备了电纺聚丙烯腈/硝酸铁（PAN/Fe（NO3）3）纳米纤维，并将其用作通过碳化工艺生产碳/铁纳米纤维的前驱体。仔细研究了金属铁对碳化过程中及碳化后的形态、化学结构、石墨碳生长以及热性能的催化作用。硝酸铁的存在可以增大纤维尺寸，将无纺布的形态转变为自对准组件。催化铁的存在有助于PAN纤维的稳定化和碳化，从而导致碳产率的提高，同时使石墨微晶更有序和更大。开发的碳/铁纳米纤维可用作超高效的纳米吸附剂，用于去除水中有毒的六价铬，这是潜在的应用之一。纳米吸附剂在还原和吸附方面表现出快速而强大的Cr（VI）去除性能（最大去除量为445.3 mg/g）。碳纳米纤维表面上的α-Fe纳米粒子首先被氧化，以迅速将流动的Cr（VI）还原为静态的Cr（III）。随后，碳基体内的铁与Cr（VI）之间的扩散控制氧化还原反应实现了持续60天的Cr（VI）去除。此外，这种多用途的材料具有磁性，这使得分离和回收更容易进行。
　　图1.静电纺丝装置的示意图。
　　图2.PAN和PAN/Fe（NO3）3PNFs的SEM图像。（a，b）：PF-0，（c，d）：PF-20，（e，f）：PF-30，（g，h）：PF-50。（h）中的插图是两根交叉的PF-50纤维中Fe的EDS映射。
　　图3.碳/铁纳米纤维的SEM图像。（a，b）：CF-0，（c，d）：CF-20，（e，f）：CF-50，（g，h）：CF-50中Fe元素的EDS图谱。
　　图4.描述（a）纤维取向角、（b）理想无纺网、（c）和完全对齐的纤维的DA的示意图。从（d）到（i）的直方图显示了（d）PF-0、（e）PF-20、（f）PF-30、（g）PF-50、（h）CF-20和（i）CF-50单根纤维取向分布。
　　图5.PNFs（PF-0、PF-5、PF-10、PF-20、PF-30和PF-50）和CNFs（CF-20和CF-50）的FT-IR光谱。
　　图6.（a）CNFs（CF-0，CF-5，CF-10，CF-20，CF-30，CF-50）的XRD图。（b-e）通过ICDD-PDF或COD覆盖层对CF-50的完全相识别：（b）石墨相，（c）α-Fe相，（d）γ-Fe相，（e）渗碳体（碳化铁，Fe3C）相。与参考文献相比，（f）CF-50和（g）CF-10的XRD图谱。（h）CNFs的石墨相。
　　图7.（a）碳/铁纳米纤维的拉曼光谱。（b）碳/铁纳米复合纤维的反卷积一阶拉曼光谱。
　　图8.纯PAN和PAN/Fe（NO3）3PNFs的TGA和DSC热分析图。（a）TGA热分析图，（b）PAN氧化稳定性的DSC热分析图。
　　图9.（a）处理18小时、（b）30天后不同纳米吸附剂（CF-0、CF-5、CF-10、CF-20、CF-30和CF-50）的Cr（VI）去除率和去除能力。（初始Cr（VI）浓度：100 mg/L，pH=1，纳米吸附剂剂量：0.667 mg/L）
　　图10.（a）在具有不同初始Cr（VI）浓度（pH=1，处理时间：18小时，纳米吸附剂剂量：0.667 mg/L）的溶液中，CF-50和CF-0的Cr（VI）去除率和（b）去除能力。（c）CF-50和CF-0在300 mg/L Cr（VI）溶液中延长时间段（pH=1，纳米吸附剂剂量：0.667mg/L）的Cr（VI）去除性能。不带括号的值是去除能力，单位为mg/g，带括号的值是去除率。
　　图11.（a）在不同pH值下CF-50和CF-0对溶液的Cr（VI）去除率和（b）去除能力（初始Cr（VI）浓度：50 mg/L；处理时间：18小时，纳米吸附剂剂量：0.667 mg/L）。
　　图12.CF-50和CF-0的Cr（VI）去除性能与接触时间的关系：（a）剩余的Cr（VI）浓度和（b）CF-50和CF-0的Cr（VI）去除能力。通过（c）CF-50处理1至9660分钟和（d）CF-0处理1至13440分钟，溶液中剩余的Cr（VI）浓度。用拟二阶模型拟合CF-50对Cr（VI）的吸附动力学，（e）最初的180分钟，以及（f）从180到9660分钟。（初始Cr（VI）浓度：100 mg/L；pH：1.0；纳米吸附剂剂量：0.667 mg/L）
　　图13.处理300 mg/L Cr（VI）溶液18小时后，CF-50的碳1s（a）和铬2p（b）的XPS光谱。
　　图14.碳/铁纳米纤维的Cr（VI）去除机理示意图。
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