Sintesis Efisien Nanokomposit CNT–Cu₂O untuk Reduksi Cepat p-Nitrofenol: Katalis Berbiaya Rendah dan Dapat Digunakan Ulang

Abstrak

Pengembangan nanokomposit yang stabil dan berkinerja tinggi sangat penting untuk aplikasi katalisis lanjutan. Di sini kami melaporkan jalur sederhana dan dapat diskalakan untuk memproduksi nanokomposit nanocarbon tube (CNT)–Cu₂O tanpa surfaktan atau stabilisator. Dengan menyesuaikan suhu dan durasi reaksi, kami mencapai nanopartikel Cu₂O seragam (30–50 nm) yang tertancap pada CNT, menghasilkan katalis yang mengurangi p-nitrofenol (p-NP) menjadi p-aminofenol (p-AP) dalam waktu hanya 35 detik. Katalis mempertahankan 92 % aktivitasnya setelah delapan kali berurutan, menekankan ketangguhannya dan kesesuaiannya untuk rehabilitasi limbah dan pembuatan bahan komposit.

Latar Belakang

Sejak ditemukan, nanocarbon tube (CNT) telah muncul sebagai platform serbaguna untuk katalisis, penyimpanan energi, sensorik, dan rehabilitasi lingkungan karena stabilitas kimia yang luar biasa, konduktivitas listrik, luas permukaan tinggi, dan kekuatan mekanis. Banyak studi telah mengintegrasikan nanopartikel logam transisi—seperti Cu, Pd, Au, Ag, dan Pt—pada CNT untuk menciptakan katalis hibrid dengan aktivitas dan selektivitas yang ditingkatkan. Bahan nano berbasis Cu, khususnya, menawarkan alternatif berbiaya rendah dan melimpah dibandingkan logam mulia, dan perilaku katalitiknya dapat diatur dengan mengontrol ukuran partikel, morfologi, dan komposisi permukaan.

Meskipun laporan sebelumnya telah menunjukkan komposit Cu/CNT dan CuO/CNT untuk berbagai reaksi, sintesis hibrid Cu₂O/CNT masih kurang dieksplorasi, sebagian besar karena metode konvens melibatkan prosedur multi-langkah yang kompleks atau reagen berbahaya. Kami mengatasi kesenjangan ini dengan menyajikan sintesis mudah dan ramah lingkungan yang memanfaatkan asam askorbat sebagai agen reduksi lemah dan menghindari agen stabilisasi, sehingga mempertahankan properti katalitik intrinsik nanopartikel Cu₂O.

Metode

Bahan: CNT aminated multi-dinding (95 %, diameter dalam 3–5 nm, diameter luar 8–15 nm, panjang 50 µm), CuCl (97 %) dan CuCl₂ (98 %) sebagai prekursor Cu, NaOH, asam L-askorbat, NaBH₄, dan p-NP dibeli dari Aladdin, Tianjin Kermel, dan Shanghai Hushi. Semua reagen bergrado analitik dan digunakan sebagaimana adanya.

Sintesis Komposit CNT–Cu₂O: 100 mg CNT dan 100 mg CuCl dispersi dalam 250 mL air deion under pengadukan magnetik (300 rpm) pada 30 °C selama 20 menit. Setelah 1 menit pengadukan, 0,88 g asam L-askorbat dan 5,0 mL NaOH 1 M ditambahkan. Campuran dicuci berulang kali dengan etanol dan air, kemudian dikeringkan pada 50 °C dalam vakum selama 48 jam. Untuk perbandingan, reaksi juga dilakukan pada 30 °C selama 6 jam dan pada 60 °C selama 1 jam. Semua sampel akhirnya dikeringkan pada 50 °C selama 48 jam.

Uji Katalis: 0,0174 g 4-NP dan 0,1892 g NaBH₄ dilarutkan dalam 25 mL air deion untuk menyiapkan larutan 4-NP 0,313 mM. 10 mg katalis CNT/Cu₂O dispersi dalam 16 mL larutan ini pada suhu ruang. Spektra UV–vis (220–550 nm) direkam setiap 4 menit untuk memantau hilangnya puncak 401 nm (4-NP⁻). Setelah setiap kali berjalan, katalis dipulihkan melalui sentrifugasi, dicuci dengan etanol dan air, dan digunakan kembali.

Karakterisasi: Morfologi diperiksa dengan SEM (Hitachi S-4800II, 15 kV) dan TEM (Hitachi HT7700, 200 kV). Pemetaan elemen menggunakan EDXS (Oxford Link-ISIS). Spektra Raman dikumpulkan dengan mikroskop konfokal Raman Horiba Jobin Yvon Xplora PLUS. Pola XRD direkam pada Rigaku SmartLab (radiasi Cu Kα).

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menunjukkan citra SEM/TEM dari komposit CNT–Cu₂O yang disintesis dalam kondisi berbeda. Sampel yang disintesis pada 30 °C selama 1 jam (CNT-Cu-30-1) menampilkan nanopartikel Cu₂O yang terdistribusi seragam pada permukaan CNT dengan diameter 30–50 nm. Sebaliknya, sampel yang disiapkan pada 30 °C selama 6 jam (CNT-Cu-30-6) atau 60 °C selama 1 jam (CNT-Cu-60-1) menunjukkan partikel Cu₂O yang lebih besar dan mengagregat hingga beberapa mikrometer. Pemetaan elemen (Gambar 2) mengonfirmasi distribusi homogen C, O, dan Cu, yang menunjukkan bahwa CNT secara efektif berfungsi sebagai kerangka untuk nukleasi Cu₂O.

Pola XRD bubuk (Gambar 3) mengungkapkan puncak karakteristik CNT (26°) dan Cu₂O (PDF 05-0667), tanpa ketidakmurnian yang terdeteksi. Analisis ulang setelah satu bulan menunjukkan pola yang identik, mengonfirmasi stabilitas jangka panjang nanopartikel Cu₂O. Spektra Raman (Gambar 4) menampilkan pita G (≈1605 cm⁻¹), D (≈1344 cm⁻¹), dan 2D (≈2693 cm⁻¹) CNT yang diharapkan, sementara getaran jaring Cu₂O muncul pada 223 cm⁻¹ dan 485 cm⁻¹. Rasio intensitas D/G menurun dari 1,64 (CNT murni) menjadi 1,34 (CNT-Cu-30-1), yang menunjukkan kristalinitas yang ditingkatkan karena pemuatan Cu₂O.

Performa katalitik dievaluasi dengan pemantauan UV–vis dari konversi 4-NP → 4-AP. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5, CNT-Cu-30-1 mencapai konversi lengkap dalam 35 detik, sementara CNT-Cu-60-1 dan CNT-Cu-30-6 memerlukan 11–12 menit. Kinetika yang cepat dikaitkan dengan luas permukaan tinggi dan ukuran partikel optimal nanopartikel Cu₂O. Foto (Gambar 5d) mengonfirmasi perubahan warna dari kuning cerah (4-NP⁻) menjadi jernih (4-AP).

Uji dapat digunakan kembali (Gambar 6) menunjukkan bahwa katalis mempertahankan 92 % aktivitas setelah delapan siklus, dengan kehilangan kecil yang mungkin disebabkan oleh kotoran permukaan atau pemulihan yang tidak sempurna. Desain mendatang dapat mengintegrasikan nanopartikel magnetis untuk menyederhanakan pengambilan katalis.

Secara ringkasan, sintesis satu-kotak suhu rendah dari nanokomposit CNT-Cu₂O memberikan jalur hemat biaya dan dapat diskalakan untuk menghasilkan katalis yang sangat aktif untuk reduksi cepat polutan nitroaromatik. Nanopartikel Cu₂O seragam (30–50 nm) yang tertancap pada CNT memungkinkan transfer elektron yang cepat dan reaktivitas permukaan tinggi, mencapai konversi 99 % dalam 35 detik dan mempertahankan efisiensi 92 % setelah delapan siklus. Hasil ini menyoroti potensi hibrid CNT-Cu₂O untuk rehabilitasi limbah dan bidang lebih luas pengembangan katalis komposit.

Kesimpulan

Kami telah menetapkan sintesis CNT–Cu₂O yang mudah dan bebas surfaktan yang menghasilkan partikel Cu₂O seragam 30–50 nm pada CNT. Katalis yang dioptimalkan (30 °C, 1 jam) mengonversi 4-NP menjadi 4-AP dalam 35 detik dan mempertahankan 92 % aktivitas setelah delapan kali penggunaan, menunjukkan stabilitas katalitik yang luar biasa. Kombinasi dukungan struktural CNT dan keunggulan katalitik Cu₂O menawarkan platform yang menjanjikan untuk rehabilitasi lingkungan dan aplikasi bahan komposit.