Gyors 4-nitrofenol-redukció ezüst nanorészecskéket tartalmazó zselatin-hidrogél használatával

Mérnöki tudomány, 2019, 8., 19–24

Megjelent online: 2019. április 4

2019. február 25-én kapott, elfogadott: 2019. április 03

Gyors 4-nitrofenol-redukció ezüst nanorészecskéket tartalmazó zselatin-hidrogél használatával

Mazhar Ul-Islam 1 *, Jawad Ali 2, Waliullah Khan 3, Adnan Haider 4, Nasrullah Shah 3, Md. Wasi Ahmad 1, Muhammad Wajid Ullah 5 * és Guang Yang 5 *

1 Vegyészmérnöki Tanszék, Műszaki Főiskola, Dhofar Egyetem, Salalah, Ománi Szultanátus

2 Kémiai Tanszék, Balochistani IT, Mérnöki és Menedzsmenttudományi Egyetem, Quetta, Balochistan, Pakisztán

3 Kémiai Tanszék, Abdul Wali Khan Egyetem Mardan, Mardan, Pakisztán

4 Kémia Tanszék, Kohati Tudományegyetem, Kohat, Khyber Pakhtunkhwa, Pakisztán

5 Orvostechnikai Tanszék, Huazhong Tudományos és Technológiai Egyetem, Wuhan 430074, Kína

* Levelezés: Mazhar Ul-Islam ([e-mail védett])

Absztrakt:

A jelenlegi tanulmány beszámol az ezüst nanorészecskéket (AgNP-ket) tartalmazó zselatin-hidrogél szintéziséről és annak katalizátorként betöltött szerepéről. 15-100 nm pórusméretű porózus zselatin-hidrogélt készítettünk, forró oldatát térhálósítószerként glutáraldehiddel szobahőmérsékletre hűtve. A zselatin-hidrogélt ex-impregnálással 24 órán át 1 mM ezüst-nitrát-oldatba merítettük. Az AgNP-k impregnálását terepi emissziós pásztázó elektronmikroszkóppal (FE-SEM) erősítettük meg, amely a nanorészecskék egyenletes eloszlását mutatta a hidrogél felületén, és részleges impregnálást a mátrixba. A termogravimetriás analízis (TGA) kimutatta az AgNP 9 tömeg% -ának impregnálását a hidrogél-kompozitban, ami szintén hozzájárult annak jobb termikus tulajdonságaihoz. A röntgendiffrakciós (XRD) elemzés megerősítette a zselatin amorf jellegét és az AgNP-k hozzáadását. Az AgNPs/zselatin-hidrogél hatékonyan redukálta a 4-nitro-fenolt nátrium-tetrahidroboráttal, 0,498 perc -1 reakciósebességi állandó mellett. Az elkészített AgNP-k/zselatin-hidrogél katalizátorként alkalmazható más hasonló típusú reakciókhoz.

Tartalomjegyzék

Ezüsttel impregnált zselatin-hidrogél előállítása glutáraldehid keresztkötésével a 4-nitrofenol nátrium-tetrahidroboráttal történő redukciójára szolgáló katalízisben történő alkalmazásra.

Kulcsszavak: Zselatin; Hidrogél; Ezüst nanorészecskék; Katalizátor.

1. Bemutatkozás

A zselatint az emberiség a 16. század óta ismeri. Jelenleg a gyógyszeriparban, az élelmiszeriparban, az orvosbiológiai és a fényképészeti iparban használják különféle célokra; ezért nagy mennyiségben állítják elő. A zselatin általános kémiai szerkezetét az 1. reakcióvázlat mutatja be. Kémiai szerkezete számos –NH2, NH és egyéb oxigéntartalmú funkcionális csoportot tartalmaz, amelyek különböző fémionokkal és nanorészecskékkel lépnek kölcsönhatásba a különböző funkcionális alkalmazásokhoz. Az 1-3 zselatint leginkább hidrogél formájában használják, amely duzzadt térhálósított polimer lánc hálózat. Hidrogéljei a víz 95 tömeg% -át is képesek befogadni. Számos tanulmány beszámolt hidrogélek vagy hidrogélképző polimer bevonatok, például kitozán, bakteriális cellulóz és karboxi-metil-cellulóz más szubsztráton történő alkalmazásáról a katalitikus fém nanorészecskék befogadására. 4–8 Ezenkívül a zselatin-hidrogéleket az adszorpciós és a biokompatibilitási vizsgálatokhoz is feltárták. 9–11

Jelenleg a szennyvíztisztítás egyre nagyobb érdeklődésre tart számot, mert az ipar által végzett napi tevékenységek szennyezik a szomszédos víztesteket 7, 32, amelyek közvetlenül befolyásolják a víztestektől függő élő szervezeteket. Például a textilipar mérgező reaktív festékeket bocsát ki a közeli folyamokba. Hasonlóképpen, a gyógyszeripar mérgező szerves vegyületeket juttat a vízáramokba, például aromás vegyületeket. Ezek a vegyületek nemcsak a vízi élővilágra, hanem a lokalitásra is káros hatással vannak. Ezért eltávolításuk kiemelt fontosságú, amint azt a környezetvédők javasolják. Az eltávolításukhoz használt különféle technikák közül e vegyületek katalitikus átalakítása kevésbé toxikus vegyületekké a probléma egyik lehetséges megoldása. A katalitikus eljárás költségeinek csökkentése érdekében nagyon kívánatos a katalizátor visszanyerése és egy másik tételben történő újrafelhasználása.

A mostani tanulmány célja az volt, hogy ezüst nanorészecskékkel impregnált zselatin-hidrogélt állítsunk elő a glutáraldehid térhálósításával a 4-nitro-fenol nátrium-tetrahidroboráttal történő redukciójához. Ennek az előállított zselatin/ezüst nanokompozitnak a teljesítményét úgy értékeltük, hogy a 4-nitro-fenol (4-NP) redukcióját vizes oldatban 4-aminofenollá (4-NP) alakítottuk ki. A kifejlesztett anyag potenciális alkalmazásokat találhat katalizátorként az ipari hulladékoktól különböző szerves anyagok lebontásában.

2. Kísérleti szakasz

2.1 Anyagok

A jelenlegi vizsgálatban használt különféle kémiai reagenseket, köztük a zselatinport, a nátrium-tetrahidroborátot, az ezüst-nitrátot és a 4-nitro-fenolt egy jó hírű vegyipari beszállítótól vásároltuk, és további feldolgozás nélkül használtuk fel. Minden kísérletben ioncserélt és desztillált vizet használtunk.

2.2. Zselatin-hidrogélek előállítása

A két különböző zselatin-hidrogélt ioncserélt desztillált vízben készítettük. Röviden: 10 tömeg% zselatint oldunk desztillált vízben, 60 ° C-on tartva, folyamatos keverés közben. A teljes oldódás után megfelelő mennyiségű glutáraldehid-oldatot adunk hozzá, és 10 percig keverjük. Az oldatot szobahőmérsékletre hűtöttük, amely végül hidrogélré változott. Ezt a hidrogélt használták a katalitikus vizsgálatokban. Hasonló eljárást alkalmaztunk 3 tömeg% -os oldat elkészítéséhez. Ezt a hidrogélt nanorészecskék képalkotására használták.

2.3 Ezüst nanorészecskék szintézisének elkészítése és zselatin-hidrogélbe merítés

Kémiai redukciós módszert alkalmaztak az ezüst nanorészecskék szintézisére zselatin-hidrogélben. Az ezüst nanorészecskék zselatin hidrogélben történő előállításához 1 mM ezüst-nitrát oldatot használtunk. Jellemzően 5 g, a fent leírt módszerrel előállított hidrogélt 5 órán át 50 ml ezüst-nitrát oldatba merítünk. Ezüstionok abszorpciója után a hidrogélt egy frissen elkészített 15 mM nátrium-tetrahidroborát-oldatba helyezzük. A hidrogél sötétbarnává vált, közvetlenül a redukálószeres oldatba merítés után. Ezt a hidrogélt ismételten ioncserélt desztillált vízzel mossuk, hogy eltávolítsuk a felületén a reagálatlan ezüstiont és a nanorészecskéket.

2.4. Jellemzés

A fagyasztva szárított zselatin-hidrogél morfológiai jellemzőit és az ezüst nanorészecskék jelenlétét mátrixában terepi emissziós pásztázó elektronmikroszkóppal (Hitachi S-4800 és EDX-350 (Horiba) FE-SEM (Tokió, Japán)) figyeltük meg. FE-SEM, a mintákat ozminsavval (OsO4) vontuk be VD HPC-ISW ozmium bevonóval (Tokió, Japán). Az XRD elemzést röntgendiffraktométerrel (X'Pert-APD Philips, Hollandia) végeztük egy X- sugárgenerátor (3 kW) és anód (LFF Cu). A sugárzás CuK-α volt 1,54Å-nél, a röntgengenerátor feszültsége és árama 40 kV, illetve 30 mA volt, és a pásztázási szög 20 és 80 között változott °. A termogravimetriás elemzést (TGA) termogravimetrikus/differenciális termoanalizátorral (Seiko Instruments Inc.) végeztük. A kísérletben általában 5-10 mg mintát (fagyasztva szárított) használtunk. A mintát melegítési sebességgel hevítettük. 10 ° C/perc zárt kerámiatégely-mintatartóban, 800 ° C-os hőmérsékletig inert légkör. A katalitikus kísérletekhez UV-látható spektrofotométert (Thermo Scientific) használtunk. Az elemzéshez egy kvarc küvettában lévő oldatot a mintatartóba helyeztünk egy vizet tartalmazó referencia küvettával a mérésekhez.

2.5 Katalizátor tesztelés modell redukciós reakcióban

Az Ag nanorészecskéket tartalmazó zselatin-hidrogél katalizátorként való szerepének vizsgálatához apró (1 mm alatti) darabokra szitáltuk a hüvelykujj nyomásának ismételt alkalmazásával és felengedésével. 4-nitro-fenolt (4-NP) ioncserélt desztillált vizes törzsoldatban állítottunk elő 1,4 × 10 -4 M koncentrációban. Ezután 0,35 g zselatin-hidrogél hordozóval ellátott Ag főzőpohárba vettünk 40 ml 4-NP-oldatot. nanorészecskéket és 3 percig állni hagyjuk. A redukciós reakciót 0,5 g nátrium-tetrahidroborát hozzáadásával indítottuk a főzőpohárba. Ezen a ponton a főzőpohár kb. 3 ml-es oldatát állandó időközönként UV-látható abszorpciós spektroszkópiai méréseknek vetettük alá.

3. Eredmények és megbeszélés

A zselatin és az Ag nanorészecskékkel impregnált zselatinszálak kémiai szerkezetét az 1. reakcióvázlat szemlélteti. Két különböző koncentrációjú zselatin vízben való oldódása azt mutatta, hogy az alacsonyabb koncentrációjú zselatin 60 ° C-on forró vízben könnyen feloldódott, és tiszta oldatot képezett. A térhálósító hozzáadása megkönnyítette a gélképződési folyamatot, és az oldat szobahőmérsékletre történő hűtés után hidrogélré változott. Az Ag nanorészecskéket ex-situ impregnálással építették be a hidrogélbe, ahol a hidrogél az ezüst-ionokat az ezüst-nitrát oldatból szívta fel szintézisük folyamata mellett. A hidrogél további nátrium-tetrahidroboráttal történő kezelése az abszorbeált ionokat Ag NP -ekké redukálta a zselatin-hidrogélben. Az Ag NP-k a zselatinrostokhoz kapcsolódnak a felszínen, valamint a mátrixban.

1. séma A (z) zselatin kémiai szerkezetének szemléltetése (b) impregnált Ag NP-ket tartalmazó hidrogél képződése és előállítási folyamata.

3.1 Az AgNP/zselatin-hidrogél morfológiai jellemzői

1. ábra Az elkészített hidrogél anyag FE-SEM képei: (a) tiszta hidrogél alacsony és (b) nagy nagyítás esetén, és (c) AgNP-vel impregnált zselatin-hidrogél.

3.2 AgNP/zselatin-hidrogél termogravimetriás és röntgendiffrakciós elemzése

A 2. ábra fagyasztva szárított tiszta zselatin és AgNPs/zselatin hidrogél minták TGA görbéit mutatja. A TGA görbe három különböző súlycsökkenési régiót mutatott. A kezdeti, körülbelül 7–8% -os súlycsökkenés mindkét mintában a vízmolekulák veszteségének tulajdonítható. Ezt követően a tiszta zselatinmintában erős súlycsökkenést figyeltek meg a 220 ° C és 400 ° C közötti hőmérsékleti ablakban, ami a mintában lévő zselatin polimer láncok lebomlásának tudható be. 455 ° C után a tömeg nem változott, és 10% -os végső maradékot kaptunk. Az AgNPs/zselatin mintában a fő súlycsökkenés 260 ° C-on kezdődött és folytatódott, amíg állandó, 19% -os súlyt nem kaptak. A zselatin és az AgNP/zselatin súlya közötti különbség körülbelül 9% volt. Ezek a megfigyelések azt mutatják, hogy a beágyazott nanorészecskék kissé fokozták a hidrogél hőstabilitását. Ezenkívül a TGA-elemzés bizonyította, hogy az összetett hidrogélben 9 tömeg% AgNP van jelen. A TGA eredmények megegyeznek a hidrogélben lévő Ag nanorészecskék mennyiségével. Hasonló módszerről számoltak be a fém nanorészecskék közelítésére számos más tanulmány. 4,15,33

2. ábra TGA termogrammos tiszta zselatin és AgNP-k/zselatin-hidrogélek.

A 3. ábra a fagyasztva szárított zselatin és az AgNPs/zselatin hidrogél minták XRD mintázatát mutatja. A zselatin ismert amorf polimer; ezért a zselatin XRD görbéjében nem figyeltünk meg diffrakciós csúcsot, kivéve az amorf halot a 20 ° 2-tétán. Ezzel szemben az AgNPs/zselatin XRD görbéje számos diffrakciós csúcsot mutatott, amelyek tulajdoníthatók az Ag nanorészecskék jelenlétének a köbös fázisú kristályszerkezetű hidrogélben, amint arról korábban beszámoltunk 15. A nanorészecskék méretét a Scherrer-egyenlettel számoltuk, amelynek becsült értéke 22 nm volt.

3. ábra A tiszta zselatin és AgNP/zselatin hidrogélek röntgendiffrakciós elemzése.

3.3. AgNP-k/zselatin-hidrogél katalitikus tulajdonságai

Asztal 1 Az agNP-k összehasonlítása a zselatin-hidrogél katalitikus hatékonyságában más katalizátorokkal a 4-NP redukciójához.