Serat Karbon Aktif “Ditumbuhi Tebal” oleh Ag Nanohair Melalui Perakitan Sendiri dan Anil Termal Cepat

Hasil dan Diskusi

Serat karbon aktif "ditumbuhi tebal" oleh Ag nanohair disiapkan melalui perakitan sendiri dan anil termal cepat seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Struktur permukaan VF, VF berlapis AgNP, dan ACF yang ditumbuhkan nanohair Ag pertama kali dipelajari oleh FESEM ( Gambar. 2). Sebelum AgNP dirakit sendiri pada permukaan serat, VFs menampilkan alur memanjang lurus di sepanjang arah aksial dan permukaan yang bersih dan halus dalam skala nano seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, b. Sebaliknya, NP putih terang dengan ukuran partikel berkisar 3-80 nm menempati permukaan VF berlapis AgNP, sesuai dengan karakteristik morfologi AgNP tunggal, sedangkan konfigurasi longitudinal tetap sama. AgNPs ini tersebar di permukaan serat, terutama disebabkan oleh tolakan elektrostatik yang kuat di antara NP. Karakter seperti itu dapat mengurangi kemungkinan kondensasi diri AgNP selama perawatan selanjutnya. Setelah pra-oksidasi dan karbonisasi, ACF fuzzy diperoleh seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2e. Di bawah perbesaran gambar permukaan yang lebih tinggi, kami menemukan banyak kawat nano berbentuk tidak beraturan yang berdiri di permukaan ACF. Ukuran partikel kawat nano adalah sekitar 50 nm, yang berbeda dari AgNP yang dibatasi HBPPAA.

Foto-foto FESEM dari a × 3000 dan b × 80.000 VF murni, c × 3000 dan d × 40.000 VF berlapis HBPAA/AgNP, dan e × 3000 dan f × 80.000 Ag nanohair-tumbuh ACF

Untuk memahami mekanisme pembentukan yang mungkin, penampang VF dan permukaan ACF murni dan ACF yang ditumbuhkan nanohair Ag diamati lebih lanjut oleh FESEM di bawah resolusi tinggi (Gbr. 3). Banyak lubang hadir di VF, ACF murni, dan ACF yang tumbuh dengan nanohair Ag, menunjukkan bahwa pori-pori ini adalah karakteristik alami ACF. Selain itu, kawat nano Ag tampaknya mengebor permukaan ACF, berubah menjadi "rambut" yang berdiri secara teratur, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c, d. Semua rambut Ag pada berbagai panjang berdiri di permukaan serat. Secara khusus, salah satu ujung Ag nanohair terguling pada pori-pori ACF, seperti yang ditunjukkan oleh tanda melingkar pada Gambar. 3c. Diameter Ag nanohair sama persis dengan diameter lubang, menunjukkan bahwa Ag nanohair kemungkinan tumbuh dari lubang ACF karena ACF memiliki porositas yang tinggi. Sepuluh hingga 20 nm AgNP memiliki titik leleh yang sangat rendah, yaitu sekitar 129 °C. Oleh karena itu, AgNPs dapat dicairkan dan kemungkinan teradsorpsi ke dalam pori-pori ACF melalui efek kapiler pada 850 °C [11]. Ketika ACF dengan cepat mendingin di udara, “pasta gigi Ag” semacam itu dapat masuk melalui pori-pori ACF, yang mungkin menjelaskan mengapa AgNP dapat membentuk kawat nano Ag besar dan berdiri di permukaan ACF.

Gambar FESEMs dari penampang VF (a × 80 k) dan permukaan ACF murni (b × 120 k) dan Ag nanohair-grown ACF (c × 120 k, h × 120 k)

Untuk memverifikasi apakah Ag nanohair pada ACFs memang Ag, analisis komposisi unsur dilakukan dengan spektroskopi sinar-X dispersi energi (EDS). Spektrum EDS yang dihasilkan menunjukkan puncak karbon dan oksigen yang kuat yang muncul dari ACF seperti yang diharapkan (Gbr. 4) [12]. Puncak Ag dalam spektrum menunjukkan adanya Ag dalam serat.

a Gambar SEM dan b EDS dari Ag nanohair-grown ACF

Menurut analisis di atas, mekanisme yang mungkin dapat dijelaskan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Tutup HBPAA memiliki gugus amino yang melimpah dan muatan positif dan memiliki kemampuan yang kuat untuk merakit sendiri dalam selulosa viscose, yang terutama dikaitkan dengan interaksi antarmolekul yang kuat antara HBPAA dan selulosa. Interaksi tolak menolak yang kuat antara AgNPs juga menyebabkan monodispersi pada permukaan serat. Setelah pra-oksidasi, AgNP pada permukaan serat terkorosi menjadi AgO atau AgCl di bawah paparan udara [13]. Namun demikian, produk korosi dapat tereduksi menjadi Ag logam selama karbonisasi suhu tinggi berikutnya karena selulosa viscose dapat melepaskan CO dan reduktor gas lainnya dalam lingkungan bebas oksigen [14]. Khususnya, AgNP solid-state dapat mencair selama karbonisasi (titik leleh AgNP adalah sekitar 129 °C) [11]. Pori-pori pada permukaan ACF mengadsorpsi cairan Ag yang dihasilkan melalui efek kapiler. Ketika ACF meninggalkan tungku, pori-pori ini dengan cepat berkontraksi di bawah suhu kamar, menyemprotkan cairan Ag ke udara dan dengan cepat mendingin untuk membentuk kawat nano yang tidak teratur. Karena kawat nano Ag ini dimasukkan ke dalam ACF, kecepatan pengikatannya yang cepat dapat ditingkatkan.

Diagram skema untuk fabrikasi Ag nanohair-grown ACFs

Struktur kristal dan kimia permukaan serat diselidiki oleh XRD dan XPS (Gbr. 6 dan 7). Seperti disebutkan di atas, VF berlapis AgNP harus dipra-oksidasi dan selanjutnya dikarbonisasi untuk menghasilkan serat karbon. Oleh karena itu, kemungkinan transisi valensi AgNP harus diperhatikan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, VF dan VF berlapis AgNP memiliki puncak yang tajam di sekitar 12,3° dan 21°, yang dikaitkan dengan kristal selulosa (bidang 101 dan 002) [14]. Sebaliknya, ACF murni dan ACF berlapis AgNP memiliki dua puncak luas di sekitar 23,5 ° dan 43,6 °, yang masing-masing ditugaskan ke bidang 002 dan 10 bidang grafik yang tidak teratur. Struktur turbostratik ini menunjukkan bahwa ACFs terdiri dari mikrokristal seperti grafit [14]. Khususnya, puncak bidang 002 bergerak ke sudut yang jauh lebih tinggi (23,5°) dan puncak yang dianggap berasal dari bidang 10 muncul setelah perlakuan karbonisasi, menunjukkan VF telah digrafit.

Pola XRD dari CF murni (hitam), (merah) CF berlapis AgNP, (biru) ACF yang tumbuh dengan rambut nano Ag, dan ACF murni (ungu)

Spektrum XPS:a pemindaian lebar, b C1, dan c Spektrum Ag3d dari CF murni, CF berlapis AgNP, ACF yang tumbuh dengan nanohair Ag, dan ACF murni. d , e adalah spektrum Ag3d dari VF berlapis AgNP (d ) dan ACF berlapis AgNP (e )

Selain itu, pola XRD dari VF berlapis AgNP menunjukkan satu puncak difraksi tambahan di sekitar 38,3°, yang dapat diindeks ke bidang (111) fase kubik muka-pusat dari logam Ag (JCPDS No. 04-0783) [ 15]. Sebaliknya, pola XRD dari Ag nanohair-grown ACFs menunjukkan empat puncak difraksi yang jelas pada sekitar 38,3°, 44,3°, 64,4°, dan 74,5°, yang dapat diindeks ke (111), (200), (220), dan (311) bidang fase kubik muka-berpusat dari Ag logam (JCPDS No. 04-0783), masing-masing, menunjukkan valensi logam AgNPs [15]. Kekuatan sinyal yang lebih kuat muncul dari hilangnya massa VF selama karbonisasi, yang juga menunjukkan bahwa AgNPs mengalami pengurangan selama karbonisasi, terutama karena reduktor gas CO yang dihasilkan melalui pirolisis VF. Selain itu, struktur kristal ACF yang ditumbuhkan nanohair Ag mirip dengan ACF murni, yang menunjukkan bahwa Ag tidak mengubah struktur kristal.

Kemungkinan perubahan kimia di permukaan dievaluasi oleh XPS (Gbr. 7). Semua spektrum XPS pemindaian lebar (Gbr. 7a) menunjukkan dua puncak ultra-kuat yang terletak di sekitar 284 dan 532 eV, sesuai dengan C_1s dan O₁ , masing-masing [16, 17]. Puncak ini terutama berasal dari VFs atau ACFs. Namun, kami menemukan bahwa rasio C / O menurun setelah perakitan sendiri AgNP, menunjukkan perlekatan HBPAA yang mengandung karbonil pada permukaan VF. Khususnya, ACF murni dan ACF yang tumbuh dengan rambut Ag menunjukkan rasio C / O yang jauh lebih tinggi, yang menunjukkan penghilangan sebagian besar kelompok yang mengandung oksigen dari ACF. Gugus dekomposisi tersebut mungkin berubah menjadi reduktor gas, seperti CO dan CH₄ , yang memiliki kemampuan untuk mereduksi AgNP teroksidasi menjadi AgNP logam.

HBPAA sangat penting untuk self-assembly AgNPs pada VFs karena memberikan permukaan AgNP dengan muatan positif dan gugus amino yang melimpah, membuat AgNPs kompatibel dengan selulosa viscose yang mengandung hidroksil bermuatan negatif [8]. Lampiran HBPAA pada VF dapat diverifikasi dengan analisis spektrum C1s XPS seperti yang ditunjukkan Gambar 7b. Puncak C1 dari empat sampel dapat diklasifikasikan ke dalam empat kategori:karbon tanpa ikatan oksigen (C–C/C–H _x ) (284,5 eV), karbon ikatan tunggal dengan oksigen atau nitrogen (C–O/C–N) (286,4 eV), karbon dengan dua ikatan oksigen dan/atau nitrogen (O–C–O/N–C=O) ( 287,8 eV), dan karboksil (O–C=O) (289,0 eV), yang diatribusikan oleh VF, ACF, dan/atau HBPAA [18, 19]. Dibandingkan dengan VFs, ACFs, dan ACFs berlapis AgNP, VFs berlapis AgNP menunjukkan kandungan C–O/C–N dan O–C–O/N–C=O yang jauh lebih tinggi. Puncak yang ditingkatkan adalah karena superposisi VF dan HBPAA.

Analisis dekonvolusi Ag3d yang ditunjukkan pada Gambar 7d menunjukkan bahwa Ag3d yang dipasang_3/2 dan Ag3d_5/2 puncaknya adalah 373,77 dan 367,77 eV untuk VF berlapis AgNP, sesuai dengan nilai standar Ag logam (373,9 dan 367,9 eV) [20]. Ini menunjukkan AgNPs mempertahankan sifat logamnya ketika AgNPs diadsorpsi ke permukaan viscose. Demikian pula, Ag3d yang didekonvolusi_3/2 dan Ag3d_5/2 puncak ACF berlapis AgNP adalah 373,97 dan 367,97 eV, menunjukkan keadaan logam AgNP setelah perlakuan karbonisasi (Gbr. 7e). Perhatikan bahwa Ag_3d relative relatif intensitas ACF yang ditumbuhkan rambut Ag jauh lebih tinggi daripada VF berlapis AgNP, sesuai dengan analisis XRD yang dibahas di atas (Gbr. 7a).

Stabilitas termal yang tinggi dari ACFs adalah salah satu karakteristik yang paling penting. Gambar 8 menunjukkan kurva termogravimetri VF, VF berlapis AgNP, ACF, dan ACF yang ditumbuhkan nanohair Ag. VF murni memiliki stabilitas termal yang baik hingga 271 °C sebelum terurai menjadi arang alifatik dan produk yang mudah menguap saat suhu naik dari 271 menjadi 371 °C [21]. Arang alifatik selanjutnya diubah menjadi arang aromatik, menghasilkan karbon monoksida dan reduktor karbon dioksida, pada sekitar 485 °C [21]. Untuk VF berlapis AgNP, HBPAA dapat membentuk cangkang keras di atas permukaan VF dan bertindak sebagai penghalang fisik yang melindungi VF dari dekomposisi [21, 22]. Sebaliknya, baik ACF maupun Ag nanohair-grown ACF menunjukkan penurunan berat sekitar 8,4% ketika suhu mencapai 1000 °C, menunjukkan stabilitas termal yang sangat baik dan menunjukkan bahwa perlakuan AgNP pada permukaan serat tidak mempengaruhi stabilitas termal.

Kurva termogravimetri dari VF murni (hitam), (merah) VF berlapis AgNP, (biru) ACF murni, dan (ungu) Ag nanohair-grown ACF

Tes antibakteri akhirnya dilakukan untuk mengevaluasi sifat antibakteri dari ACFs. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, ACF menunjukkan aktivitas antibakteri tertentu terhadap E. koli dan S. aureus karena jumlah koloni bakteri jauh lebih sedikit dari jumlah aslinya. Sebaliknya, aktivitas antibakteri CF yang ditumbuhkan nanohair Ag terhadap E. koli dan S. aureus mencapai hampir 100 dan 99,9%, masing-masing, menunjukkan kemampuan kuat AgNPs untuk menghambat pertumbuhan bakteri [23]. Setelah pencucian ultrasonik selama 30 kali, CF yang tumbuh dengan nanohair Ag masih mempertahankan sifat antibakteri yang sangat baik meskipun aktivitasnya terhadap S. aureus sedikit menurun menjadi 97,8%. Aktivitas antibakteri yang tahan lama terutama muncul dari kekuatan perekat yang kuat antara Ag nanohair dan ACF, yang dihasilkan dari struktur yang saling terkait.