Hvordan magnetisk grafen og dens kompositter påvirker energilagring og fotokatalyse

Magnetisk grafen har fått økt oppmerksomhet i vitenskapelige og teknologiske sammenhenger, spesielt på grunn av de unike egenskapene til grafen kombinert med magnetiske materialer. Kombinasjonen av grafen og magnetiske partikler gir nye muligheter innen ulike applikasjoner, som katalyse, energilagring, og vannbehandling. Spesielt interessante er magnetiske grafenoksidkompositter, som kan forbedre både katalytiske prosesser og elektro-kjemiske egenskaper i energilagringssystemer.

Magnetisk grafenoksid (MGO) og dets kompositter har blitt brukt effektivt til å fjerne fargestoff som Congo Red (CR) under synlig lysbestråling. Dette er mulig fordi den magnetiske grafenoksiden utvider rekkevidden for lysabsorpsjon og reduserer elektron-hull-par rekombinasjon, noe som forbedrer fotokatalytisk aktivitet. Når p-n-junkturer dannes i ZNMG (ZnO/NiO/magnetisk grafenoksid), øker effektiviteten i nedbrytningen av forurensende stoffer som fargestoffer, og dette har blitt bekreftet av flere studier, inkludert arbeidet til Mardiroosi et al. (2017).

En annen viktig anvendelse av magnetisk grafen er i fotodegradering, for eksempel for nedbrytning av fargestoffet krystallviolett (CV). Forsøkene til Piranshahi et al. (2018) har vist at ved bruk av et magnetisert nano-fotokatalysator basert på TiO2/magnetisk grafen, kan CV fargestoffet brytes ned effektivt, med en fotodegradering på over 98% under UV-lysbestråling. Grafenforbindelsen bidrar til å øke katalytisk aktivitet, og med et eksternt magnetisk felt kan katalysatoren enkelt isoleres fra løsningen. Dette er en lovende utvikling for industrielle applikasjoner der rask og effektiv behandling av vann er nødvendig.

I en lignende studie av Ahmed et al. (2016) ble effekten av varmebehandling på magnetiske grafen-kompositter undersøkt. Behandlingene førte til en betydelig økning i kapasitansen, med en spesifikk kapasitans på hele 42 F g−1 etter oppvarming ved 900 °C. Etter å ha hybridisert det magnetiske grafenmaterialet med polyanilin, ble kapasitansen ytterligere forbedret til 253 F g−1. Denne tilnærmingen åpner for muligheten til å utvikle materialer med høyere energitetthet og utmerket stabilitet, som kan brukes i høyytelses energilagringssystemer.

Den eksterne magnetiske feltet har også en vesentlig innvirkning på de elektro-kjemiske egenskapene til koboltoksid/magnetisk grafen-kompositter. Når koboltoksid nanopartikler blir plassert på grafenarkene, øker den elektro-kjemiske kapasitansen betydelig, ettersom koboltoksid fungerer som et pseudo-kapasitansmateriale. Forsøkene utført av Ahmed et al. (2021) viste at kapasitansen for disse komposittene økte med hele 11 ganger når de ble utsatt for et magnetfelt på 1191 Gauss. Denne oppdagelsen understreker potensialet for magnetiske grafenkompositter i utviklingen av nye teknologier for energirelaterte applikasjoner.

Sammenfattende kan man si at magnetisk grafen og dets kompositter representerer et lovende materiale med et bredt spekter av potensielle bruksområder, inkludert katalyse, energilagring, og miljøteknologi. Utviklingen av enkle, kostnadseffektive og miljøvennlige produksjonsmetoder for høykvalitets magnetisk grafen er et viktig forskningsmål. Det er også viktig å vurdere kostnad-ytelsesforholdet i produksjonen, slik at produktene kan møte markedets behov samtidig som de oppfyller kravene til høy ytelse. Fremtidige forskningsinnsatser bør derfor fokusere på både forbedring av materialenes elektriske og katalytiske egenskaper samt utvikling av industrielle produksjonsmetoder som kan møte etterspørselen etter kommersielle produkter.

Hvordan funksjonalisering av Co-basert nanomaterialer forbedrer deres egenskaper: Metoder og karakterisering

En velkjent metode for funksjonalisering av Co-basert nanomateriale er ved hjelp av PEG (polyetylenglykol) eller PVP (polyvinylpyrrolidon) som ligander. For eksempel kan PEG-funksjonalisering av Co, Co30Fe70 og Fe-Ni-Co ternære legeringer oppnås ved reduksjon med NaBH4 i et vannmedium. Denne prosessen kan utføres i et luftmiljø og ved en pH-verdi under 6,5. Dette er viktig fordi nanopartiklenes overflate reagerer med hydroxidioner ved høyere pH-verdier, noe som kan endre deres reaktivitet og stabilitet. Etter at materialene er tilberedt, kan de tørkes ved romtemperatur og deretter annekteres ved 600 °C i en nitrogenstrøm for å oppnå ønsket struktur.

En annen metode for funksjonalisering involverer bruk av PVP i en modifisert polyolmetode. Her blandes metaltsalter som CoCl2 eller en 1:1 molar blanding av CoCl2 og NiCl2 i en løsning av N, N-dimetylformamid (DMF), hvor PVP og PEG-200 tilsettes som reduksjonsmiddel og kappingsagent. Etter oppvarming til 100–110 °C, tilsettes NaOH-pellets for å oppnå reduksjonen. Materialene vaskes deretter for å fjerne overskytende natriumhydroksid og natriumklorid, og videre behandling kan gjøres gjennom to forskjellige annekteringsruter, enten uten eller med NaCl-matriks.

For å oppnå en ytterligere forbedring av Co-Ni-legeringene, kan funksjonalisering med mesoporøs silika benyttes. Mesoporøs silika (som KIT-6) brukes som en kappingsagent i superhydride reduksjonsprosessen, og denne metoden tillater kontrollert opplasting av nanopartikler i silika-matrisen. Ved å variere mengden nanopartikler som lastes inn (fra 4 til 12 vektprosent), kan man tilpasse materialets egenskaper for spesifikke applikasjoner.

Når det gjelder karakterisering av de funksjonaliserte materialene, spiller både krystallstruktur og morfologi en viktig rolle. Røntgendiffraksjonsanalyse (XRD) er et uvurderlig verktøy for å bestemme fase- og krystallstruktur av materialene. For eksempel, mens de som er funksjonalisert eller nylig tilberedt kan vise amorfe XRD-mønstre, vil de etter annektering vise skarpe diffraksjonslinjer som indikerer et krystallinsk mønster. Dette gir informasjon om de fysiske egenskapene til materialet, som krystallfasen og krystallstørrelsen.

Mikroskopiske teknikker som skanning elektronmikroskopi (SEM) og transmisjonselektronmikroskopi (TEM) gir detaljerte bilder av nanopartikkelstørrelse og -form. SEM-bilder kan gi informasjon om partikkelstørrelser og deres distribusjon, mens TEM-bilder kan avsløre detaljer om krystallstrukturen på atomnivå. For eksempel viser TEM-bilder av Fe-Ni-Co-alloyene som er syntetisert ved forskjellige forhold partikkelstørrelser som varierer fra 24 nm til 36 nm, og de kan identifisere ringmønstre i SAED (selected area electron diffraction) som bekrefter krystallinitet. Videre kan TEM-bilder av Co-Ni-alloyene som er belagt med silika vise at de er amorfe, mens de as-preparerte partiklene har krystallinsk struktur.

For å oppsummere, er funksjonaliseringen av Co-baserte nanomaterialer med ulike kappingsagenter som PEG, PVP, oleinsyre og mesoporøs silika en essensiell prosess for å kontrollere deres strukturelle og kjemiske egenskaper. De ulike metodene for reduksjon og etterbehandling, sammen med detaljert karakterisering, gir innsikt i hvordan man kan designe og optimere materialene for spesifikke applikasjoner. Et grundig forståelse av både synteseprosessene og de resulterende morfologiske egenskapene er avgjørende for å utnytte potensialet til disse materialene i praktiske anvendelser.