Mikro-Nanofiber PAN/PS Elektrospun yang Dimuat AMT dan Co(acac)₃: Arsitektur Pori dan Distribusi Pori Melalui yang Ditingkatkan

Pendahuluan

Nanofiber menawarkan kombinasi luar biasa dari kekuatan mekanis dan luas permukaan, menjadikannya menarik untuk berbagai materi fungsional. Electrospinning telah muncul sebagai teknik serbaguna untuk menghasilkan fiber halus dengan morfologi yang dapat dikontrol dari berbagai polimer, termasuk PAN dan PS. Studi sebelumnya telah memanfaatkan fiber electrospun untuk katalisis, sensori, dan penyimpanan energi; misalnya, fiber yang dimuat Cu atau Fe₂O₃ dibuat melalui electrospinning gelembung, dan arsitektur inti-kulit PAN/PS dilaporkan untuk desain hierarkis.

Hidrat ammonium metatangstat (AMT) dan asetilacetonat kobalt(III) (Co(acac)₃) dikenal luas untuk properti katalitik mereka dalam reaksi oksidasi dan proses elektrowinning. Memasukkan spesies ini ke dalam fiber polimer dapat memberikan distribusi yang homogen dari situs aktif sambil mempertahankan keunggulan struktural nanofiber. Di sini, kami melaporkan metode electrospinning satu langkah yang mudah yang menyematkan AMT/Co(acac)₃ ke dalam mikro-nanofiber PAN/PS, menghasilkan rangka yang sangat berpori dengan pori melalui yang diperluas yang diharapkan meningkatkan akses elektrolit dan evolusi gas selama proses elektrokimia.

Metode

Bahan

Poli Akrilonitril (PAN, Mn = 150 kDa, Shanghai Macklin Biochemical) dan polistirena (PS, Mn = 192 kDa, Sigma‑Aldrich) dilarutkan dalam N,N‑dimetilformamida (DMF, 73.09 g mol⁻¹, AR, Chinasun) untuk mempersiapkan larutan 10–20 wt %. AMT (MW = 2956.30 g mol⁻¹, kemurnian 99.5 %) dan Co(acac)₃ (MW = 356.26 g mol⁻¹, kemurnian 99.5 %) ditambahkan ke dalam larutan polimer dalam rasio molar yang telah ditentukan (W⁶⁺ : Co³⁺ = 1:0, 0:1, 1:1, 1:2, 1:3). Semua reagen digunakan sebagaimana adanya.

Pembuatan Mikro-Nanofiber PAN/PS Dimuat AMT/Co(acac)₃

Untuk mendapatkan morfologi fiber optimal, larutan PAN/PS 20 wt % (1:1 w/w) disiapkan dalam DMF. AMT dan Co(acac)₃ disatukan pada jumlah molar berikut: 1:0 (W⁶⁺ = 0.62 mmol), 0:1 (Co³⁺ = 0.62 mmol), 1:1, 1:2, dan 1:3. Setelah diaduk selama semalaman, larutan homogen dimuat ke dalam suntikan 10 mL. Electrospinning dilakukan pada 20 kV, 1 mL h⁻¹, dengan kolektor roller berputar yang di-ground, dalam kondisi ambien (20 ± 3 °C, 40 ± 3 % RH). Skematik proses ditunjukkan dalam Skema 1.

Ilustrasi skematik proses persiapan mikro-nanofiber

Pengukuran dan Karakterisasi

Morfologi Fiber

Permukaan fiber diperiksa oleh FESEM (Hitachi S‑4800). Sampel di-sputer emas (90 detik) sebelum diimaji. ImageJ digunakan untuk mengukur diameter 100 fiber yang dipilih secara acak dari setiap sampel.

Struktur Kimia Fiber

Spektra FTIR direkam pada Nicolet 5700 (Thermo) menggunakan pelet KBr, mencakup 400–4000 cm⁻¹ dengan 32 skan per sampel.

Deteksi Elemen Fiber

Pemetaan EDS dilakukan pada TM3030 SEM untuk mengonfirmasi kehadiran dan distribusi W dan Co pada permukaan fiber.

Properti Pori Melalui

Ukuran dan distribusi pori melalui diukur dengan Porometer 3G (Quantachrome). Membran diameter 25 mm didensikan dengan cairan menggunakan Liquid Accessory Kit (No. 01150‑10035).

Hasil dan Pembahasan

Karakterisasi Morfologi Fiber PAN/PS

Konsentrasi larutan PAN/PS sangat mempengaruhi morfologi fiber. Gambar FESEM (Fig. 1) menunjukkan bahwa pada 10 wt % fiber menampilkan permukaan bergerindil dan keriput karena penguapan DMF yang cepat dan pemisahan fasa. Peningkatan konsentrasi menjadi 12–14 wt % mengurangi ukuran gerindil dan memperkenalkan struktur sejenis tenung, sementara larutan 16–20 wt % menghasilkan fiber halus tanpa gerindil. Tren ini konsisten dengan viskoelastisitas yang ditingkatkan yang menekan tegangan permukaan selama percikan jet.

Gambar FESEM fiber PAN/PS pada konsentrasi 10, 12, 14, 16, 18, dan 20 wt %.

Skematik pembentukan fiber keriput dan berpori selama electrospinning.

Gambar FESEM dan distribusi diameter fiber PAN/PS dimuat AMT/Co(acac)₃ untuk berbagai rasio W⁶⁺ : Co³⁺. (a, f) W₁, (b, g) Co₁, (c, h) W₁Co₁, (d, i) W₁Co₂, (e, j) W₁Co₃.

Karakterisasi Morfologi Mikro-Nanofiber PAN/PS Dimuat AMT/Co(acac)₃

Gambar FESEM menunjukkan bahwa semua fiber yang dimuat menampilkan permukaan nanopori yang disebabkan oleh pemisahan fasa. Seiring bertambahnya rasio W⁶⁺ : Co³⁺, fiber bertransisi dari filamen teratur menjadi morfologi gerindil yang tersebar, dan diameter rata-rata menurun dari 2765 ± 180 nm (W₁) menjadi 1092 ± 112 nm (W₁Co₃). Tren ini menunjukkan bahwa AMT dan Co(acac)₃ yang disatukan mempengaruhi viskositas larutan dan dinamika pejutan selama electrospinning.

Analisis FTIR

Spektra FTIR (Fig. 4) mengonfirmasi kehadiran puncak karakteristik untuk PAN (C≡N pada 2250 cm⁻¹), PS (getiran fenil pada 750, 1454 cm⁻¹), dan Co(acac)₃ (C=C pada 1573 cm⁻¹, C=O+CH pada 1513 cm⁻¹). Integrasi yang berhasil AMT/Co(acac)₃ ke dalam matriks polimer divalidasi lebih lanjut oleh munculnya puncak yang berbeda ini pada fiber yang dimuat.

Spektra inframerah transformasi Fourier dari Co(acac)₃ murni, PAN, PS, PAN/PS, dan fiber PAN/PS dimuat AMT/Co(acac)₃.

Uji EDS

Analisis EDS (Fig. 5) menunjukkan komposisi elemen yang diharapkan: fiber PAN/PS murni hanya berisi C, N, dan O; fiber W₁ tidak memiliki puncak Co, sementara fiber Co₁ tidak memiliki puncak W. Pada fiber yang dimuat, rasio atom W dan Co bertambah seiring rasio molar yang diprogram, mengonfirmasi pemuatan yang seragam. Pemetaan elemen (Fig. 6) lebih menunjukkan distribusi homogen W dan Co di seluruh permukaan fiber.

Spektra EDS dari (a) PAN/PS, (b) W₁, (c) Co₁, (d) W₁Co₁, (e) W₁Co₂, (f) W₁Co₃.

Pemetaan elemen W dan Co pada membran fiber W₁Co₃.

Struktur Pori Melalui

Ukuran pori melalui rata-rata fiber yang dimuat berkisar 6.01–10.40 µm, jauh lebih besar dari 6.01 µm yang diamati untuk PAN/PS murni. Distribusi yang lebih luas pada membran yang dimuat (Fig. 7) mencerminkan peningkatan diameter fiber dan kekasaran permukaan yang diinduksi oleh AMT/Co(acac)₃. Pori yang diperluas ini memfasilitasi transportasi elektrolit yang cepat dan pelepasan gas yang efisien, krusial untuk reaksi elektrokimia.

Distribusi ukuran pori melalui membran mikro-nanofiber.

Model yang menggambarkan peningkatan ukuran pori melalui dengan pemuatan AMT/Co(acac)₃ yang lebih tinggi.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan jalur electrospinning satu langkah untuk menghasilkan mikro-nanofiber PAN/PS yang menyatukan AMT dan Co(acac)₃. Fiber yang dihasilkan menampilkan permukaan berpori, pori melalui yang diperluas, dan distribusi yang seragam dari W dan Co, sebagaimana dikonfirmasi oleh FESEM, FTIR, EDS, dan analisis pori. Fitur struktural ini diharapkan meningkatkan akses elektrolit dan pelepasan gelembung gas, menyoroti potensi fiber PAN/PS dimuat AMT/Co(acac)₃ sebagai platform katalisis elektrik yang efisien.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini termasuk dalam artikel.

Singkatan

AMT:

Hidrat ammonium metatangstat

Co(acac)₃:

Asetilacetonat kobalt(III)

DMF:

N,N‑dimetilformamida

EDS:

Spektroskopi energi-dispersif

FESEM:

Mikroskop elektron pemindai emisi medan

FTIR:

Spektroskopi inframerah transformasi Fourier

PAN:

Poli Akrilonitril

PS:

Polistirena

W₁:

W⁶⁺ = 0.62 mmol

Co₁:

Co³⁺ = 0.62 mmol

W₁Co₂:

W⁶⁺ = 0.62 mmol, Co³⁺ = 1.24 mmol

W₁Co₃:

W⁶⁺ = 0.62 mmol, Co³⁺ = 1.87 mmol