Mikrowelle

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11306 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Das Chromadsorptionsverhalten aus wässriger Lösung durch die amphoteren Janus-Stickstoff-dotierten Kohlenstoffquantenpunkte (AJ-N-CQDs) wurde untersucht. Zur Analyse der experimentellen Daten wurden die Adsorptionskinetikmodelle pseudo-erster und zweiter Ordnung verwendet. Das Modell der Adsorptionskinetik zweiter Ordnung zeigte eine bessere Korrelation mit den experimentellen Daten, was auf einen Chemisorptionsprozess schließen lässt. Die in pseudo-erster Ordnung erhaltenen Werte eignen sich weiterhin zur Beschreibung der Kinetik der Cr(VI)-Sorption. Diese Werte verdeutlichen die Oberflächenprozesse, die Chemisorption und Physisorption bei der Adsorption von Cr(VI) durch AJ-N-CQDs beinhalten. Das R2 des Boyd-Modells passte besser zu den Adsorptionsdaten von AJ-N-CQDs (d. h. externe Diffusion), d. h. zu den Oberflächenprozessen, die eine externe Cr(VI)-Adsorption durch AJ-N-CQDs beinhalten. Der höhere Wert von α kann auf die größere Oberfläche der AJ-N-CQDs für die sofortige Adsorption von Cr(VI) aus der wässrigen Lösung zurückzuführen sein. AJ-N-CQDs weisen Fluoreszenzspektren vor und nach der Cr(VI)-Adsorption auf, was darauf hindeutet, dass sie für chemische Sensoranwendungen vielversprechend sind.

Die Ansammlung landwirtschaftlicher Abfälle ist schädlich für die Umwelt. Daher ist Recycling gefragt. Der Hauptbestandteil von Zuckerrohrbagasse ist Cellulose, die β-1,4-glycosidische Bindungen der D-Glucose-Einheit1,2,3,4 umfasst. Die Verwertung landwirtschaftlicher Abfälle hat in letzter Zeit größere Anstrengungen unternommen. Eine davon war die Verwendung von Bagasse als Rohstoff zur Herstellung kohlenstoffbasierter Materialien. Es ist die zuverlässigste Quelle für die Herstellung wertvoller Produkte durch umweltfreundliche Techniken zur Entfernung von Metallionen aus Abwasser1,5.

Kohlenstoffquantenpunkte (CQDs) und Graphen (G) sind zwei wertvolle Produkte, die aus landwirtschaftlichen Abfällen hergestellt werden können. CQDs haben einen Durchmesser von 10 nm und kugelförmige Nanomaterialien mit riesiger Oberfläche, während Graphen-Quantenpunkte (GQDs) eine Mischung aus G und CQDs sind. Die am stärksten ausgeprägten funktionellen Gruppen sind O–H, –C = O und C–O–C. Zur Herstellung von GQDs wurden verschiedene Methoden wie hydrothermales und solvothermales Erhitzen organischer Moleküle, Laserablation von Graphit und pyrolytische Karbonisierung eingesetzt. Studien haben jedoch gezeigt, dass Mikrowellenerwärmung für die Entwicklung schnellerer und kostengünstigerer CQD-Syntheseverfahren geeignet ist5.

Amphotere Janus-Stickstoff-dotierte CQDs (AJ–N–CQDs), die funktionelle Gruppen –O– und –N– enthalten, sind amphotere Janus-Materialien (AJMs), da hydrophobe Kohlenstoffkerne vorhanden sind, die durch die Schicht aus hydrophilem –O– und –N abgeschirmt sind –2,6,7. Polymerverbindungen mit hydrophoben und hydrophilen Einheiten werden AJMs7 genannt.

Darüber hinaus sind N-CQDs fluoreszierende und umweltfreundliche Nanomaterialien, die erfolgreich in der Abwasserbehandlung eingesetzt werden1,5. Trotz seines toxischen Charakters wird Cr(VI) in verschiedenen Industrien häufig verwendet und seine Rückgewinnung aus den entsprechenden flüssigen Abwässern ist ein vorrangiges Ziel, bevor es in natürliche Gewässer eingeleitet wird. Daher ist die Überwachung des Cr(VI)-Gehalts in der Umwelt für die öffentliche Gesundheit von wesentlicher Bedeutung. Mehrere Materialien haben Anwendung gefunden, um Cr(VI) aus Abfällen zu entfernen und/oder zurückzugewinnen, beispielsweise Aktivkohle, natürliche Zeolithe, Kohlenstoffnanoröhren usw.8. Unter diesen könnte die Adsorption an AJ-N-CQDs aufgrund ihrer hohen Adsorptionseffizienz aufgrund des Vorhandenseins funktioneller N- und O-Gruppen und ihrer Fluoreszenzeigenschaften, die sie zu einem geeigneten Detektor für Cr(VI)1,5 machen, konkurrenzfähig sein. Zum Nachweis von Cr(VI) wurden mehrere herkömmliche Ansätze verwendet, darunter elektrochemische Technologie, Chromatographie usw. Die Probenvorbereitung ist bei den meisten dieser Ansätze mühsam, kompliziert und zeitaufwändig. Die Fluoreszenzdetektionsmethode gilt aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit und geringen Kosten als leistungsstärker als andere herkömmliche Techniken.

Folglich nutzte die vorliegende Arbeit Mikrowellenenergie, um verschiedene Kohlenstoffnanomaterialien (GQDs und AJ–N–CQDs) aus Bagasse herzustellen. Die produzierten N-GQDs haben aufgrund der großen Menge an G keine Fluoreszenzeigenschaften. AJ-N-CQDs haben Fluoreszenzeigenschaften, was sie zu vielversprechenden Adsorbentien und Sensoren für Metallionen wie Cr(VI) macht. Die Kinetik des Adsorptionsprozesses zu verschiedenen Zeiten und die Fluoreszenz von AJ-N-CQDs mit/ohne Cr(VI) wurden untersucht. Die Ergebnisse sind vielversprechend für chemische Sensoranwendungen.

Zuckerrohrbagasse (SB), gewonnen aus der Papierindustrie, Quena Company, Ägypten, wurde auf eine Maschenweite von 450 Mikrometern gemahlen. Dimethylformamid (DMF) und Zitronensäure (CA) sind analysenrein und werden ohne weitere Reinigung verwendet. Als Modellmaterial für Cr(VI)-Ionen wurde Kaliumchromat (99 %) von Sigma Aldrich bezogen.

Adsorptionstests wurden mit Kaliumchromat (15 mg/L; Sigma Aldrich 99 %) als Modellmaterial für Cr(VI)-Ionen im Abwasser durchgeführt.

QDs wurden mit Haushalts- und Labormikrowellen hergestellt; Eine Mischung aus SB (1 g), DMF (20 ml) und CA (0,1 g) wurde 3 Minuten lang bei 750 W in eine Haushaltsmikrowelle gestellt. Das fertige bräunlich-schwarze Pulver wurde mit Wasser gewaschen, filtriert und unter Vakuum getrocknet, um GQDs1,5 herzustellen.

Die gleiche Mischung wurde 135 Minuten lang bei 100 °C und 750 W in die Labormikrowelle gestellt. Die endgültige Lösung wurde bei Raumtemperatur abkühlen gelassen, anschließend zentrifugiert, filtriert und im Vakuum getrocknet, woraufhin AJ-N-CQDs-basierte Fluoreszenznanopartikel erhalten wurden.

Fourier-Transformations-Infrarotspektren wurden mit dem Mattson 5000-Spektrometer (Unicam, Vereinigtes Königreich) unter Verwendung der KBr-Scheibenmethode gesammelt.

TEM-Bilder wurden mit einem JEOL JEM-2100 Elektronenmikroskop bei einer Beschleunigungsspannung von 120 kV aufgenommen.

Die Elementverteilung von GQDs und AJ-N-CQDs wurde mit dem zerstörungsfreien energiedispersiven Röntgengerät (EDX) untersucht, das an die Rasterelektronenmikroskopie angeschlossen ist (JSM 6360LV, JEOL/Noran). Für die Oberflächenmorphologie wurde die Bildgebung mit einer Beschleunigungsspannung von 10–15 kV aufgezeichnet.

Die Kristallinität wurde durch Röntgenpulverbeugung untersucht. Die Beugungsmuster wurden mit dem Röntgendiffraktometer Bruker D-8 Advance (Deutschland) gemessen, wobei eine Spannung von 40 kV und ein Strom von 40 mA unter Verwendung von Kupferstrahlung (Kα) (1,5406 Å) angelegt wurden.

wobei A1 = Fläche der kristallinen Domäne, At = Fläche der gesamten Domäne9.

Der BET wurde mit der Brunauer-Emmett-Teller-Technik (BET) unter Verwendung von St 2 auf NOVA touch 4LX, Quantachrome Instruments, bewertet. Die Proben wurden auf eine hohe Temperatur (120 °C) vorgewärmt. Diese Proben wurden in flüssigem Stickstoff gemessen, nachdem sie 3 Stunden lang bei 200 °C unter einem N2-Strom begast worden waren. Zur Messung der Porengröße wurde die Barrett-Joyner-Halenda (BJH)-Methode verwendet.

Die TGA-Analyse wurde an dem vorbereiteten Polymerpulver unter Verwendung eines thermogravimetrischen Analysators von Perkin Elmer durchgeführt, indem die Probe unter einer Stickstoffatmosphäre mit 10 °C/min auf 1000 °C erhitzt wurde. Die Kinetik der thermischen Zersetzung wurde sowohl für N-CQDs- als auch für AJ-N-CQDs-Proben untersucht. Die Daten der thermischen Analyse wurden aufgezeichnet, um die Aktivierungsenergie (Ea) des thermischen Abbaus zu bestimmen. Die Gleichungen (3) und (4) wurden nach dem Coats-Redfern-Ansatz angewendet.

Das Plotten der Beziehung zwischen {log10 [1-(1-α)1-n] / T2 (1-n)} und 1/T unter Verwendung verschiedener geeigneter n-Werte sollte eine geradlinige Korrelation nach Gleichung zeigen. (3). Für n = 1 wurde die Beziehung zwischen log {–log(1-α)] / T2} und 1/T gemäß Gl. (4). Als Ergebnis wurde die Methode der kleinsten Quadrate verwendet, indem mehrere n Werte (im Bereich von 0 bis 3) ausgewählt, der Korrelationskoeffizient (r) für jeden Wert von n berechnet und der Standardfehler (SE) geschätzt wurden. Der Frequenzfaktor A wurde aus dem Achsenabschnitt (log AR/ßE) der Coats-Redfern-Gleichung durch den am besten geeigneten Wert von n bestimmt, während die Aktivierungsenergie (E) aus der Steigung (E/2,303R) berechnet wurde. Gleichung (5) wurde verwendet, um die anderen kinetischen Parameter wie Enthalpie (∆H), Entropie (∆S) und Änderung der freien Energie (∆G)10 abzuschätzen.

wobei (h) und (k) Planck- bzw. Boltzmann-Konstanten sind.

Das Spektrofluorometer Modell Jasco FP – 6500, Japan, wertete Fluoreszenzspektren mit einer Lichtquelle aus: einer Xenon-Bogenlampe 150 Watt.

Vergleichende Entfernungseffizienz (R %) und Adsorptionskapazität (qe) von AJ-N-CQDs wurden unter Verwendung von 20 mg Absorptionsmittel in 20 ml wässriger Cr(VI)-Lösung bei einer Konzentration (15 mg/L), pH ≈ 5, untersucht. und zu unterschiedlichen Kontaktzeiten (15, 30, 45, 60, 120, 240 und 360 Minuten). Die Gleichungen 6 und 7 wurden verwendet, um die Sorptionseffizienz der AJ-N-CQDs zu bewerten.

wobei Co und Ct die Cr(VI)-Konzentrationen (mg/L) in der Lösung vor bzw. nach der Adsorption sind. V ist das Volumen der Lösung (L), m ist die Menge (g) des im Adsorptionsexperiment verwendeten Sorptionsmittels10.

Nullter Ordnung, Pseudo-erster Ordnung und Pseudo-zweiter Ordnung können aus den Gleichungen bestimmt werden. (8), (9) und ((10).

Dabei sind qe und qt die Mengen an adsorbiertem Cr (VI) (mg/g) bei Gleichgewichtssorptionskapazität bzw. Zeit t. Ce ist die Endkonzentration der AJ-N-CQDs mit t (Kontaktzeit). K1 (min−1) ist die Geschwindigkeitskonstante pseudo-erster Ordnung der Adsorption. K2 ist die Geschwindigkeitskonstante der Pseudoadsorption zweiter Ordnung. Die Werte von qe2 und K2 wurden aus dem Steigungs- und Schnittpunktdiagramm von t/qt gegen t berechnet6.

Die Weber-Morris-Intrapartikeldiffusion kann aus Gl. (11).

Dabei ist K3 die Diffusionsgeschwindigkeitskonstante innerhalb der Partikel und C die Steigung, die die Dicke der Grenzschicht darstellt5.

Die Modelle Boyd und Elovich können aus den Gleichungen bestimmt werden. (12) bzw. (13)11.

Dabei ist Bt eine mathematische Funktion von F, äquivalent zu qt/qe, die den Adsorbatanteil darstellt, der zu verschiedenen Zeiten adsorbiert wird. Außerdem ist α die anfängliche Adsorptionsrate (mg/g/min) und b steht im Zusammenhang mit dem Ausmaß der Oberflächenbedeckung und der Aktivierungsenergie für die Chemisorption (g/mg). Eine Auftragung von qt gegen ln t ergibt eine gerade Linie mit α und b, die unter Verwendung der Steigung (1/b) bzw. des Achsenabschnitts (ln αb/b) bestimmt werden12. Das kinetische Elovich-Modell kann die Adsorptionsrate basierend auf der Absorptionskapazität auf heterogenen Oberflächen untersuchen13. Dieses Modell wird weiter verwendet, um die Kinetik pseudo-zweiter Ordnung (d. h. Chemisorptionen) zu beschreiben, unter der Annahme, dass die Sorptionsoberfläche energetisch heterogen ist14.

Fluoreszierende Kohlenstoffquantenpunkte (CDs) werden synthetisiert und als Adsorptionsmittel und fluoreszierende Chemosensoren für den selektiven Nachweis von Cr(VI)-Ionen eingesetzt. FT-IR, TEM, SEM/EDX, XRD und TGA/DTG untersuchten die Struktur, Größe und Morphologie.

Die FTIR-Spektren der hergestellten GQDs, wie in Abb. 1 dargestellt, zeigten einen breiten Peak bei der Absorptionsbande 3426,06 cm-1, der auf die Schwingungsbeiträge von O-H-Gruppen zurückzuführen ist. Die AJ–N–CQDs und AJ–N–CQDs/Cr(VI) zeigten getrennte Peaks für O–H und –N–H bei 3721,96, 3422,61 bzw. 3344,41, 3286,30 cm-1. Für GQDs, AJ–N–CQDs und AJ–N–CQDs/Cr(VI) liegen die Peaks zwischen 2919,87–2935,25, 2858,78–2878,5, 1654,70–1743,43, 1496,47–1656,65, 1438,25–1596,86, 1 381,80–1387,08, 1238,15– 1254,67 und 1033,72–1094,95 cm-1 wurden den Banden –CH–, –CH2, C = O, Amid I, Amid II, C = C, O–C = O bzw. C–O–C zugeschrieben. Es gibt eine zusätzliche C–N-Gruppe für AJ–N–CQDs und AJ–N–CQDs/Cr(VI) zwischen 659,71 und 661,49 cm-1. Das Vorhandensein von Amingruppen (N–H und C–N) für AJ–N–CQDs und AJ–N–CQDs/Cr(VI) bestätigte die Bildung aminierter CQDs1,2,5. Gleichzeitig wurde das O–H von N–GQDs von 3426,06 cm–1 auf 3422,61 cm–1 für AJ–N–CQDs verschoben. Diese Verschiebung wird auf die stärkere intermolekulare H-Brücke zurückgeführt. Die berechneten mittleren Wasserstoffbrückenbindungsstärken (MHBS) betrugen 0,90 und 0,98 für N-GQDs bzw. AJ-N-CQDs, was die Bildung dieser intermolekularen H-Brücken bestätigt10.

FTIR-Spektren von GQDs, AJ–N–CQDs und AJ–N–CQDs/Cr(VI).

Die relative Absorption (RA) der charakteristischen –N–H beträgt 1,09 und 0,95 und für die C–N-Gruppe 3,62 bzw. 0,97 für AJ–N–CQDs und AJ–N–CQDs/Cr(VI), was bestätigt wurde höherer Gehalt an stickstoffhaltigen Gruppen in den hergestellten AJ-N-CQDs als AJ-N-CQDs/Cr(VI), was auf die Bindung von Cr(VI) mit den aminierten Gruppen zurückzuführen ist. Die Cr(VI)-Reduktion in Gegenwart von Amid I und Amid II in AJ-N-CQDs ist bei AJ-N-CQDs/Cr(VI) durch eine verringerte Intensität des C = O-Peaks (1743,43 cm-1) erkennbar ) als AJ–N–CQDs (1654,70 cm-1(. Die RA der O–H-Gruppe betrug 0,87 bzw. 0,96 für AJ–N–CQDs und AJ–N–CQDs/Cr(VI). Der Fluoreszenz-Innenfilter Der Effekt unterstützt dies zusätzlich in den Fluoreszenzspektren. Das FTIR für AJ-N-CQDs/Cr(VI) zeigte einen zusätzlichen Peak bei 599,78 cm-1, der Cr-O-Bindungen aufgrund des adsorbierten Cr(VI) zugeordnet werden kann.

In der TEM-Analyse (Abb. 2) wurden Graphenschichten (G) für GQDs mit kleinen Mengen an Punkten beobachtet, während AJ-N-CQDs reine Nanopartikel mit sphärischer Regelmäßigkeit ohne Graphenschichten darstellten. Die durchschnittlichen Durchmesser der Nanopartikel betrugen 13,34 und 8,42 nm für GQDs bzw. AJ-N-CQDs. Darüber hinaus ist die Partikelgrößenverteilung für GQDs (8–15 nm) bzw. AJ–N–CQDs (zwischen 8 und 9 nm) breit und eng. Unter Verwendung einer Haushaltsmikrowelle zeigten TEM-Bilder das Vorhandensein von GQDs5. Durch die Verwendung einer Labormikrowelle mit veränderten Bedingungen wurden reine CQDs erzeugt. Abbildung 2 zeigt, dass die Anzahl der Punkte in AJ-N-CQDs höher ist als in GQDs, was die Effizienz des Labors gegenüber der Haushaltsmikrowelle bei der Herstellung reiner AJ-N-CQDs bestätigt.

TEM-, SEM-Bilder und EDX-Analyse von GQDs und AJ-N-CQDs.

SEM-Bilder zeigten flauschige GO-Schichten für GQDs. Aufgrund ihrer geringen Anzahl sind die Punkte hier nicht aufgetaucht. Darüber hinaus zeigten AJ–N–CQDs zerknitterte ausgefällte Strukturen, die aufgrund der geringen Partikelgröße der AJ–N–CQDs und der aufgrund der Lagerung der Probe bestehenden Agglomeration keine Punkte zeigten. EDX-Ergebnisse zeigten, dass die AJ-N-CQDs mit einem Stickstoffgehalt von ~ 2,90 % stickstoffisiert sind, während die GQDs nicht stickstoffisiert sind (Abb. 2).

Das XRD-Muster der GQDs, wie in Abb. 3 dargestellt, zeigte Peaks bei 10,84 und 22,80°, bezogen auf die (001)- bzw. (002)-Ebenen, aufgrund des Vorhandenseins von GO mit d \(\ca. \) 0,18 nm5. Die AJ–N–CQDs zeigten einen breiten Peak bei 22,02, bezogen auf die (002)-Ebene (JCPDS-Karte Nr. 26–1076)15. Der d-Wert von AJ-N-CQDs (0,20 nm) ist höher als der von GQDs (0,18 nm). Dies kann auf das Vorhandensein von N- und O-Gruppen zurückzuführen sein, die den Abstand der AJ-N-CQDs vergrößern16. Der berechnete Cr.I. % der GQDs und AJ-N-CQDs betrugen 72,04 bzw. 94,68 %.

XRD-Muster von GQDs und AJ-N-CQDs.

Die Adsorptionsisotherme von Stickstoff (N2) wurde mit der Brunauer-Emmett-Teller-Methode (BET) analysiert, um die spezifische Fläche zu berechnen. Abbildung 4 zeigt die N2-Adsorptionsisothermen und die Porengrößenverteilung. Die Porengröße und -verteilung liefern die notwendigen Informationen über die chemische und physikalische Wechselwirkung des adsorbierten Metalls mit der Adsorbensoberfläche. Die N2-Adsorptionsisotherme wurde zur Messung der BET-Oberfläche und des Porenvolumens verwendet.

Stickstoffadsorptions-/Desorptionsisothermen (der Einschub zeigt die Porengrößenverteilung).

Die Oberfläche von GQDs und AJ-N-CQDs beträgt 208,48 bzw. 675,75 m2/g, während die durchschnittlichen Porenradien 1,63 x 104 bzw. 1,60 x 107 nm betragen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Oberfläche von AJ-N-CQDs größer ist als die von GQDs. Im Allgemeinen kann eine große Oberfläche ausreichend Adsorptionsstellen bereitstellen. Gleichzeitig wird durch die Erhöhung der Anzahl der Poren und des Volumens der Probe ein ausreichender Kontakt mit Cr(VI) gewährleistet, was die Verbesserung der Adsorptionsleistung fördern kann. Dies könnte ein Grund für die unterschiedlichen Fluoreszenzeigenschaften sein.

Die TGA/DTG von GQDs, wie in Abb. 5 gezeigt, ergab drei Zersetzungsschritte, während AJ-N-CQDs einen Zersetzungsschritt mit einem Massenverlust (ML) von 72,92 bzw. 69,79 % bei 1000 °C aufwiesen auf die nichtflüchtigen Inhalte. Der erste ML für GQDs betrug 34,46–143,38 °C mit einer Maximaltemperatur von 76,79 °C und einem durchschnittlichen ML von 3,14 % aufgrund des Feuchtigkeitsgehalts. Die zweite ML-Stufe liegt zwischen 176,80 und 394,98 °C, mit einer Maximaltemperatur von 323,99 °C und einem durchschnittlichen ML von 13,68 % aufgrund des pyrolytischen Abbaus. Schließlich liegt die dritte ML-Stufe zwischen 709,13 und 1000 °C, mit einer maximalen Temperatur von 734,55 °C und einem durchschnittlichen ML von 26,10 % aufgrund der Zersetzung des restlichen Kohlenstoffs9,16.

TGA/DTG von GQDs und AJ-N-CQDs und ihre Kinetik.

Gleichzeitig lag der erste ML von AJ-N-CQDs aufgrund des Feuchtigkeitsgehalts im Bereich von 68,38–189,32 °C mit einer maximalen Temperatur von 163,90 °C und einem durchschnittlichen ML von 61,79 %. Wie man sieht, benötigen die AJ-N-CQDs aufgrund ihrer hohen thermischen Stabilität eine höhere Temperatur über 1000 °C, um ihren Abbau abzuschließen.

Gemäß Tabelle 1 weisen alle untersuchten Proben Werte für ΔH für die GQDs auf, die von etwa 9,40 kJ mol-1 in der ersten Stufe der Reaktion auf etwa 3,94 kJ mol-1 in der zweiten Stufe sinken, was auf einen geringen Energiebedarf hinweist Die Reaktion schreitet voran (Ea sank von 12,31 auf 8,90 kJ mol-1). Mit sinkenden n-Werten (von 1,5 auf 0,5) verringerte sich ΔH (3,94 kJ mol-1). Danach stieg mit zunehmendem n-Wert (2,5) ΔH (16,89 kJ mol-1), was auf einen hohen Energiebedarf für die Endstufe hinweist (Ea \(\ca. \) 25,26 kJ mol-1)1,6 . Den ΔG-Beobachtungen zufolge sind die AJ-N-CQDs weniger spontan und erfordern eine externe Wärmezufuhr als die GQDs, was ihre hohe thermische Stabilität verbessert.

Erstens erzeugten GQDs keine Fluoreszenzspektren. Dies kann auf das Vorhandensein einer großen Menge Graphen zurückzuführen sein, das die fluoreszierenden Punkte in den GQDs blockiert. Daher werden wir in dieser Studie AJ-N-CQDs für die Cr(VI)-Adsorption verwenden. Abbildung 6 zeigt die Fluoreszenzemissionsspektren der AJ–N–CQDs und AJ–N–CQDs/Cr(VI). Sie wurden bei 350 nm angeregt und zeigten eine maximale Emissionswellenlänge von 442,0 bzw. 459,0 nm. Diese Blauverschiebungsemission könnte theoretisch die Verwendung dieser Materialien als Sensoren beweisen. Die Fluoreszenzemission wird durch C = O/C = N-Einheiten der CQD-Oberflächen verursacht. Die Emissionspeaks bei 511,0 und 499,5 nm werden aus der Sauerstoffleerstelle für AJ–N–CQDs bzw. AJ–N–CQDs/Cr(VI) abgeleitet. Die Sauerstofffehlstellen im Fall von AJ-N-CQDs/Cr(VI) sind nahezu verborgen und können auf die Adsorption von Cr(VI) zurückzuführen sein. Die hohe RA der OH-Gruppen beweist diese Sauerstofflücke im FTIR. Die Fluoreszenzlöscheffizienz (FQE) wurde anhand der folgenden Formel17 bestimmt:

wobei F0 und F sich auf die FI von AJ–N–CQDs bzw. AJ–N–CQDs/Cr(VI) Cr(VI) beziehen. Der berechnete FQE betrug 49,57 %, was auf eine relativ hohe Sensitivität hinweist. Es wurde festgestellt, dass die Wechselwirkung zwischen stickstoffhaltigen und sauerstoffhaltigen Oberflächenfunktionalitäten (–COOH, –OH und –NH2) von AJ–N–CQDs/Cr(VI) für die FQE18 verantwortlich ist. Die Verringerung der Fluoreszenzintensität von AJ-N-CQDs/Cr(VI) im Vergleich zu AJ-N-CQDs ist auf IFE zurückzuführen. Die Cr(VI)-Ionen absorbieren Lichtstrahlung im gleichen Wellenlängenbereich von AJ–N–CQDs. Dadurch wird die Intensität reduziert und die Fluoreszenzintensität von AJ–N–CQDs/Cr(VI)19 verringert. Darüber hinaus bestätigten diese Ergebnisse aufgrund der hohen FQE die Effizienz von aus Bagasse synthetisierten AJ-N-CQDs als hervorragendes Material für die weitere Verwendung in chemischen Sensoranwendungen.

Fluoreszenzspektren von AJ–N–CQDs und AJ–N–CQDs/Cr(VI).

In dieser Studie wählen wir AJ-N-CQDs mit fluoreszierenden Eigenschaften, um Cr(VI) zu entfernen. Der Einfluss der Kontaktzeit auf die Adsorptionseffizienz von AJ-N-CQDs wurde zu verschiedenen Zeiten untersucht, nämlich 15, 30, 45, 60, 120, 240 und 360 Minuten. Wie in Abb. 7 gezeigt, war die Affinität von AJ-N-CQDs gegenüber Cr(VI) nicht dieselbe, und es wurde festgestellt, dass die Entfernung von Cr(VI) durch AJ-N-CQDs aufgrund der Anwesenheit zunächst schnell erfolgte Die Bildung weiterer freier funktioneller Gruppen wurde dann langsam. Nach 45 Minuten war kein nennenswerter Anstieg der Adsorptionsrate zu beobachten. Die optimale Zeit für die Cr(VI)-Adsorption an AJ-N-CQDs bei 25 °C beträgt also 45 Minuten. Die Cr(VI)-Adsorption an AJ-N-CQDs betrug 83,85 % und blieb bis 45 Minuten stabil. Die Adsorption kann auf einen hohen Stickstoff- und Sauerstoffgehalt zurückzuführen sein. Nach 45 Minuten nahm die Adsorptionsrate aufgrund des Auslaugungsprozesses ab1,6.

Einfluss der Kontaktzeit, Reaktion nullter Ordnung, pseudo-erster Ordnung und pseudo-zweiter Ordnung, Boyd-Modell und Elovich-Modell für die Cr(VI)-Adsorption durch AJ-N-CQDs.

Die Reaktion nullter Ordnung machte sie nicht für die Beschreibung der Kinetik der Cr(VI)-Sorption an AJ-N-CQDs geeignet, was davon ausgeht, dass eine Erhöhung der Konzentration der Reaktanten keinen Einfluss auf die Größe der Reaktionsgeschwindigkeit hat20. Daher werden Gleichungen pseudo-erster und pseudo-zweiter Ordnung verwendet, um die Cr (VI)-Kinetik auf AJ-N-CQDs zu modellieren. Bezüglich der in Tabelle 2 dargestellten Werte von R2 zeigt sich, dass das Pseudo-Modell zweiter Ordnung eine bessere Anpassung an die Adsorptionsdaten von AJ-N-CQDs (chemische Bindungen in der Adsorption) liefert. Die in pseudo-erster Ordnung erhaltenen Werte eignen sich jedoch weiterhin zur Beschreibung der Kinetik der Cr(VI)-Sorption. Diese Werte verdeutlichen die Oberflächenprozesse, die Chemisorption und Physisorption bei der Adsorption von Cr (VI) durch AJ-N-CQDs5 beinhalten.

Das Boyd-Modell zeigt, dass die lineare Anpassung die Achse im Ursprung nicht kreuzt, was darauf hindeutet, dass die externe Diffusion nicht nur der geschwindigkeitsbestimmende Schritt war. Daher ist die niedrigste Steigung für das Boyd-Modell relativ mit einem starken Effekt der Intrapartikeldiffusion verbunden. Gleichzeitig passte R2 des Boyd-Modells besser zu den Adsorptionsdaten von AJ-N-CQDs (externe Diffusion). Diese Werte verdeutlichen die Oberflächenprozesse, die die externe und intrapartikuläre Diffusion bei der Cr(VI)-Adsorption durch AJ-N-CQDs beinhalten. Der höhere Wert von α kann auf die größere Oberfläche der AJ-N-CQDs für die sofortige Cr(VI)-Adsorption aus einer wässrigen Lösung zurückzuführen sein5,21.

In unserer Studie haben wir einen Cr(VI)-Gehalt von 15 mg/L verwendet, um das Schadstoffwasser zu stimulieren. Bei einer 100-prozentigen Entfernung von Cr(VI) beträgt die Adsorptionskapazität also 15 mg/g. Der maximale Cr(VI)-Entfernungsprozentsatz von AJ-N-CQDs beträgt 83,85 % durch AJ-N-CQDs und ist damit höher als die Adsorption anderer in der Literatur angegebener Adsorbentien (Tabelle 3). Beispielsweise betrug R % 48, 45 bzw. 37 % für mit Kohlenstoffpunkten modifiziertes mesoporöses Organosilikat als Adsorptionsmittel zur Entfernung von Hg(II), Cu(II) bzw. Pb(II)22. Darüber hinaus betrug der maximale R-Prozentsatz von Cr(VI) durch TiO2/CQDs 43,39 %23.

Diese Forschung berichtete über eine einfache Mikrowellenmethode zur Herstellung stickstoffdotierter CQDs (AJ–N–CQDs) aus Bagasse, Zitronensäure und DMF. Die AJ-N-CQDs haben eine hohe Adsorptionskapazität und eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Cr(VI). Es wird gezeigt, dass die Cr(VI)-Adsorption an AJ-N-CQDs in den ersten 45 Minuten aufgrund des Vorhandenseins von funktionellen Gruppen mit hohem Stickstoff- und Sauerstoffgehalt schnell erfolgt. FTIR-Spektren, XRD, TEM und SEM/EDX bestätigten die Bildung von AJ-N-CQDs. Die Morphologie- und BET-Studien bestätigten, dass AJ-N-CQDs eine poröse Struktur hatten, was ihre Absorptionseigenschaften erheblich beeinflusste. Die kinetischen Absorptionsstudien von so hergestellten AJ-N-CQDs für Cr(VI) folgten dem Pseudo-Modell zweiter Ordnung. Die Fluoreszenzintensität von AJ-N-CQDs wurde durch die Cr(VI)-Adsorption verringert. Daher bietet die vorliegende Arbeit eine praktische Strategie für eine einfache Produktionsmethode zur Herstellung von AJ-N-CQDs und ihre möglichen Anwendungen für die Cr(VI)-Adsorption und den Chemosensor von Cr(VI).

Daten sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB). Die Autoren danken der Nationalen Strategie für Gentechnik und Biotechnologie, Phase III: Anwendungs- und Produktentwicklung, für die Unterstützung dieser Arbeit.

Abteilung für Zellulose und Papier, Nationales Forschungszentrum, 33 El Bohouth Str., PO 12622, Dokki, Gizeh, Ägypten

Hebat-Allah S. Tohamy, Mohamed El-Sakhawy und Samir Kamel

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H.-AST: Konzeptualisierung, Methodik, Software, Validierung, formale Analyse, Datenkuratierung, Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, Visualisierung und Projektverwaltung. ME-S.: Konzeptualisierung, Methodik, Software, Validierung, formale Analyse, Datenkuratierung, Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, Visualisierung, Überwachung und Projektverwaltung. SK: Konzeptualisierung, Methodik, Software, Validierung, formale Analyse, Datenkuratierung, Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, Visualisierung, Überwachung und Projektverwaltung. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Mohamed El-Sakhawy.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tohamy, HA.S., El-Sakhawy, M. & Kamel, S. Mikrowellenunterstützte Synthese amphoterer fluoreszierender Kohlenstoffquantenpunkte und deren Chromadsorption aus wässriger Lösung. Sci Rep 13, 11306 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37894-4

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Eingegangen: 02. April 2023

Angenommen: 29. Juni 2023

Veröffentlicht: 12. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37894-4

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