Nanocomposites de carbone Fe3O4 magnétiques synthétisés par chauffage par induction magnétique

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7244 (2023) Citer cet article

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Une correction de l'auteur à cet article a été publiée le 01 juin 2023

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Le chauffage par induction magnétique (MIH) de nanoparticules de magnétite est utilisé comme nouvelle procédure de synthèse de nanocomposites magnétiques à base de carbone. Des nanoparticules magnétiques (Fe3O4) et du fructose (rapport pondéral 1:2) ont été mécaniquement mélangés et soumis à un champ magnétique RF (305 kHz). La chaleur générée par les nanoparticules conduit à la décomposition du sucre et à la formation d'une matrice carbonée amorphe. Deux ensembles de nanoparticules, avec des diamètres moyens de 20 et 100 nm, sont analysés de manière comparative. Les caractérisations structurelles (diffraction des rayons X, spectroscopie Raman, microscopie électronique à transmission (TEM)), électriques et magnétiques (résistivité, magnétométrie SQUID) confirment le revêtement de nanoparticules de carbone par la procédure MIH. Le pourcentage de la fraction carbonée est augmenté de manière appropriée en contrôlant la capacité de chauffage magnétique des nanoparticules magnétiques. La procédure permet la synthèse de nanocomposites multifonctionnels aux propriétés optimisées à appliquer dans différents domaines technologiques. En particulier, l'élimination du Cr (VI) des milieux aqueux est présentée en utilisant le nanocomposite de carbone avec des nanoparticules de Fe3O4 de 20 nm.

Les nanocomposites, définis comme des matériaux multiphases dont la matrice a au moins une de ses dimensions inférieures à 100 nm, représentent une classe de nanomatériaux largement étudiée depuis plusieurs décennies1. En particulier, leur nature multifonctionnelle offre la possibilité de les appliquer dans différents secteurs couvrant un large éventail d'applications technologiques. La combinaison de différents éléments avec des propriétés catalytiques, magnétiques, électroniques et optiques spécifiques ainsi qu'une fonctionnalité de surface conduit à leurs performances optimisées exceptionnelles. Parmi ces systèmes, les nanocomposites de carbone magnétiques se distinguent2,3,4,5,6, où le revêtement de nanoparticules magnétiques avec du carbone, en plus de fournir la multifonctionnalité souhaitée, améliore la stabilité thermique et chimique, la résistance à l'oxydation, assurant la biocompatibilité et une surface spécifique élevée. Un contrôle approprié des groupes fonctionnels à la surface du carbone conduit à des adsorbants de polluants très efficaces, à des nanoporteurs pour l'administration de médicaments et des thérapies contre le cancer, et optimise les performances des nanocomposites en tant qu'électrocatalyseurs ou composants de stockage d'énergie dans les batteries au lithium. De plus, le noyau magnétique élargit la fonctionnalité du nanocomposite : séparation magnétique (récupération et recyclage des adsorbants polluants), applications biomédicales (administration de médicaments assistée par la température, hyperthermie magnétique, agents de contraste d'image) ou absorbants et filtres électromagnétiques micro-ondes, entre autres.

Différents procédés chimiques peuvent être employés dans la préparation de nanostructures à base de carbone7, la plupart d'entre eux étant basés sur le traitement thermique de précurseurs sélectionnés à des températures élevées (méthode hydrothermique/solvothermique, procédure de pyrolyse, procédé sol-gel). Cependant, les procédures de chauffage par rayonnement non thermique ont également été explorées et analysées en tant que techniques efficaces pour synthétiser des nanomatériaux et des nanocomposites8. Dans ces techniques (chauffage par micro-ondes, chauffage par laser, chauffage Joule ou chauffage par induction magnétique), la chaleur est directement et localement générée à l'intérieur des objets, contrairement aux traitements thermiques traditionnels où la chaleur externe est transférée aux objets via un média.

En particulier, le chauffage par induction magnétique (MIH) est un outil métallurgique traditionnel basé sur le chauffage lié à la génération de courants de Foucault lors de l'application d'un champ magnétique alternatif dans des éléments métalliques (conducteurs)9. Le chauffage Joule donne lieu à un chauffage presque instantané à des températures très élevées en quelques secondes. Cependant, il est bien connu et largement rapporté au cours des dernières décennies que les nanoparticules magnétiques (MNP) peuvent agir comme des nanoéléments chauffants, liés à leurs processus magnétiques d'hystérésis, de relaxation et de résonance lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique RF (hyperthermie magnétique)10,11. Au cours des dernières décennies, un grand effort a été fait dans son application dans le secteur biomédical (administration de médicaments et thérapies contre le cancer)12,13. Cependant, son application dans d'autres domaines technologiques, comme la synthèse de nouveaux nanocomposites, a été peu analysée dans la littérature. En particulier, la génération de chaleur de MNP sous champ magnétique AC peut être utilisée pour calciner un gel précurseur d'oxyde métallique14, une croissance contrôlée de structures métallo-organiques15, un nanocatalyseur d'hydrogénation de Ru16 ou des nanoparticules d'oxyde de fer magnétique optimisées17.

En ce qui concerne la synthèse de nanocomposites magnétiques de carbone, plusieurs méthodes ont été rapportées, parmi lesquelles les méthodes de décomposition thermique se distinguent par leur simplicité, leurs réactifs à faible coût et la possibilité d'utiliser différents types de sources de carbone18,19. Dans ces procédures de synthèse, on utilise généralement une source de Fe jouant le double rôle de catalyser la réduction du carbone et de former simultanément le noyau magnétique.

Dans ce travail, nous rapportons la procédure de synthèse de nanocomposites magnétiques de carbone obtenus en utilisant des nanoparticules magnétiques Fe3O4 comme nanoéléments chauffants pour la décomposition thermique du fructose. Ce sucre a été sélectionné comme source de carbone en raison de sa simple décomposition thermique et utilisé comme modèle pour d'autres sources de carbone pour obtenir des composites magnétiques. Les nanoparticules ont été mécaniquement mélangées au sucre et le mélange soumis à l'action d'un champ magnétique alternatif de 305 kHz. La chaleur générée par les nanoparticules décompose thermiquement le sucre, donnant naissance à une matrice de carbone électriquement conductrice amorphe, dont la fraction relative dépend des caractéristiques de puissance de chauffage des nanoparticules magnétiques. L'application en tant que nanoadsorbants de Cr(VI) en milieu aqueux est enfin esquissée.

Deux séries de nanoparticules magnétiques de Fe3O4 ont été utilisées, caractérisées par des tailles moyennes autour de 20 et 100 nm (20-MNP et 100-MNP dans ce qui suit). Afin de vérifier la capacité calorifique des MNP initiaux, l'augmentation de température pour le 20-MNP et le 100-MNP sous l'effet du champ magnétique (RF) AC, HAC, (f = 305 kHz, amplitude 300 Oe) a d'abord été analysée en fonction du temps d'exposition, t. La figure 1a montre l'augmentation de la température en fonction de t pour les nanoparticules initiales. Comme on peut le voir, l'application de HAC favorise une augmentation remarquable de la température pendant de courtes durées, étant plus élevée pour le 20-MNP. A titre de comparaison, la température des échantillons mixtes (Fructose + MNPs) est également affichée dans des conditions expérimentales similaires. Lorsque les MNP sont mélangés avec du fructose, une augmentation de température plus douce est détectée, étant à nouveau remarquablement plus faible l'augmentation de température lors de l'utilisation de 100-MNP. Comme nous le verrons plus tard, la capacité de chauffage inférieure du 100-MNP devrait être attribuée à leur plus grande taille de nanoparticules dans le régime multidomaine20,21. L'apparition d'une réponse de température non linéaire sur la figure 1a pour les échantillons analysés indique la nature non adiabatique de la configuration utilisée et le transfert de chaleur du système avec l'environnement.

(a) Courbes MIH (température en fonction du temps) pour les MNP initiaux (symboles ouverts) et fructose + MNP (symboles proches) : (○) 20-MNP, (∆) 100-MNP. (b) Température pour Fructose + MNPs versus la température des MNPs initiaux dans des conditions expérimentales équivalentes. Les flèches marquent le changement de tendance qui doit être lié au point de fusion du fructose. Encart : scan TGA pour le fructose, sans nanoparticules (en bleu la courbe dérivée en ua).

Une nette modification de la forme des courbes de température est détectée lorsque les MNP sont mélangés avec du fructose. Alors que les courbes des MNP initiaux peuvent être correctement ajustées en utilisant un polynôme du 3ème ordre, une tendance différente se produit dans les courbes de chauffage du mélange. Pour analyser plus en détail les changements thermiques du fructose à mesure que la température augmente, la figure 1b affiche les températures mesurées pour le mélange Fructose + MNP et la température atteinte dans les MNP initiaux pour le même temps d'exposition. Un pli (changement de tendance) peut être clairement visualisé dans les deux mélanges pour des températures des MNP autour de 150 ° C (flèches sur la Fig. 1b). En vérifiant le processus de décomposition du fructose par analyse TGA (voir encadré de la Fig. 1b), ce point (T1) peut être corrélé à sa température de fusion, étant sa température de décomposition finale rapportée autour de 270 °C (T2)21.

En conséquence, le chauffage par induction magnétique (MIH) a été exploré en tant que procédure de revêtement de carbone, où les MNP agiraient comme des nanochauffeurs pour la décomposition thermique du sucre. Un mélange de 200 mg de MNP et de 400 mg de fructose a été mélangé mécaniquement et soumis au champ magnétique alternatif (305 kHz). Dans ces expériences, l'amplitude du champ magnétique AC a été ajustée pour atteindre 200 °C à une vitesse de chauffage similaire (≈ 25 °C/min) dans les deux échantillons. Après 2 h de temps d'exposition, les échantillons ont été refroidis à température ambiante, correctement lavés et filtrés magnétiquement (voir la section "Méthodes" pour plus de détails).

Les modèles XRD ont été analysés pour les MNP initiaux et les échantillons traités à l'AC après avoir été soumis au traitement MIH. Tous les diagrammes DRX (voir Fig. 1S, informations supplémentaires) montrent l'occurrence d'une seule phase Fe3O4, confirmée par le raffinement de Rietveld (groupe d'espace Fd3m). De plus, le paramètre de cellule calculé de la phase de magnétite ne change pas de manière significative (a = b = c ≈ 8,3862 (11)) après la procédure MIH, affichant des valeurs similaires à celles de la phase de magnétite en vrac22. De plus, les tailles de cristallites (estimées par la formule de Scherrer) restent presque constantes avant et après le traitement MIH ( ≈ 18 nm et ≈ 83 nm pour les échantillons 20-MNP et 100-MNP, respectivement). Il convient de noter que le pic de carbone graphitique dans les échantillons traités n'est pas clairement visible sur les diffractogrammes DRX. Ce résultat refléterait la nature désordonnée amorphe de la phase carbonée, comme le confirmera la spectroscopie Raman.

La figure 2 montre les images TEM des MNP initiaux et traités à l'AC. D'après les images, on peut conclure qu'après le traitement MIH, une matrice est clairement visible pour le 20-MNP, bien que le revêtement de carbone pour le 100-MNP traité soit plutôt inhomogène. En tenant compte de la caractérisation précédente du chauffage par induction magnétique (voir Fig. 1a), ce résultat peut être interprété comme une conséquence de la capacité de chauffage plus faible pour les plus grands MNP.

Images TEM de 20-MNP (a) initial et (b) traité par AC, et échantillon de 100-MNP, (c) initial et (d) traité par AC.

La distribution de la taille des MNP (histogrammes) des MNP initiaux et traités à l'AC est illustrée à la Fig. S2, où la fonction de distribution log-normale (ligne continue sur les figures) caractérise les histogrammes. Aucun changement remarquable ne peut être détecté dans les distributions de taille des MNP après le traitement MIH. Les diamètres de particule moyens calculés sont les suivants : 27,7 ± 0,5 nm et 24,7 ± 0,3 nm (20-MNP initiaux et traités à l'AC) et 139 ± 3 nm et 137 ± 3 nm (100-MNP initial et traité). Dans les deux cas, les valeurs sont supérieures à la taille cristalline des nanoparticules estimée à partir de XRD. Ces différences, plus importantes dans le cas du 100-MNP, sont principalement corrélées au fait que les tailles TEM sont mesurées dans les limites des grains visibles, alors que les estimations aux rayons X fournissent le domaine cristallin. Quoi qu'il en soit, les tailles estimées pour les deux MNP expliquent les différences de leur capacité de chauffage. Alors que la plupart des 20-MNP seront dans le régime monodomaine, l'état multidomaine dominerait l'état magnétique pour 100-MNP. Notez que la taille critique rapportée pour le domaine unique dans les nanoparticules de magnétite est d'environ 85 nm, en fonction de cette valeur sur la forme des nanoparticules20, étant les capacités maximales de chauffage par induction attribuées à l'état monodomaine23.

La caractérisation magnétique confirme l'analyse structurale précédente. La figure 3 montre la dépendance à la température de l'aimantation à haut champ, M, sous un champ magnétique appliqué µ0H = 6 T. Une réduction de M est observée pour les MNP traités par rapport aux nanoparticules initiales. Cette diminution doit être liée à la teneur en carbone présent dans les MNP traités puisque les valeurs d'aimantation sont calculées en divisant l'aimantation mesurée par la masse totale de l'échantillon mesuré. En supposant une contribution magnétique négligeable de la phase carbonée, une quantité élevée de carbone présente dans le 20-MNP traité par courant alternatif conduit à une réduction remarquable de l'aimantation mesurée. La diminution plus nette de M pour T < 50 K dans les échantillons traités, serait indicative de l'apparition de phases magnétiques supplémentaires (c'est-à-dire antiferromagnétiques) comme rapporté dans d'autres nanocomposites Fe-C obtenus à partir de la décomposition de sucres21.

Dépendance à la température de la magnétisation à champ élevé, M, (µ0H = 6 T) pour les MNP initiaux (symboles ouverts) et les échantillons traités au CA (symboles fermés) : (○) 20-MNP, (∆) 100-MNP. Encart : Courbes d'aimantation ZFC–FC pour les échantillons 20-MNP (champ appliqué 50 Oe).

Dans la procédure de synthèse MIH actuelle, l'apparition de cette phase antiferromagnétique doit être supposée se trouver à la surface des MNP en raison de l'interaction entre les cations Fe à la surface des nanoparticules et le fructose fondu au cours de la procédure MIH.

L'aimantation à basse température (T < 200 K) a été ajustée à la loi de Bloch, où une contribution de Curie-Weiss a été incluse dans les échantillons traités au courant alternatif : \(M\left(T\right)={M}_{0} \left(1-B{T}^{n}\right)+ \frac{{C}_{H}}{T-\theta }\), étant M0 l'aimantation spontanée à 0 K, B la constante de Bloch , na paramètre dont la valeur dépend de la taille des particules, CH une constante dans emug−1 K et θ la température de Curie–Weiss (négative pour les antiferromagnétiques). Le tableau S1 résume les paramètres obtenus de l'ajustement effectué (ligne continue sur la Fig. 3). Premièrement, la nature antiferromagnétique de la phase à basse température (contribution Curie-Weiss) dans les échantillons traités au MIH est confirmée par les valeurs négatives de θ (− 19 K et − 13 K pour les échantillons traités au 20-MNP et 100-MNP AC, respectivement). Concernant la contribution de Bloch, des valeurs similaires des paramètres caractéristiques (B et n) ont été rapportées dans la magnétite dans le régime nanométrique24. La légère diminution de B après la procédure MIH serait indicative d'une augmentation de l'ordre magnétique dans la phase magnétite. En fait, cet effet peut également être détecté dans l'évolution des courbes ZFC-FC (voir encadré de la Fig. 3), où l'ordre magnétique peut être clairement visualisé par la détection de la transition caractéristique de Verwey à TV ≈ 120 K25. Il est rapporté que la transition de Verwey à l'échelle nanométrique dépend de différents facteurs, étant la stoechiométrie, en particulier la distribution des cations dans la structure spinelle (Fe2+ et Fe3+ dans les sites octaédriques) le facteur principal26. L'ordre de la phase spinelle, conséquence de l'auto-échauffement des MNP en présence d'un milieu réducteur comme le fructose, donnerait lieu à l'observation de la transition de Verwey dans les courbes d'aimantation ZFC-FC. Ainsi, la procédure MIH réalisée donnerait lieu à une petite fraction de phase antiferromagnétique à la surface des MNP simultanément aux changements au sein de la structure spinelle liés à une augmentation de la stoechiométrie de la phase magnétite.

En ce qui concerne la phase carbonée, l'état d'ordre de la matrice carbonée formée par la procédure MIH a été étudié par spectroscopie Raman. La figure 4 montre les spectres Raman des échantillons traités au MIH, où le spectre Raman des MNP initiaux est également inclus comme encart à des fins de comparaison. Pour les MNP initiaux, des bandes dans la région ω < 700 cm−1 sont détectées et attribuées aux oxydes de fer (voir encadré sur la Fig. 4)27. Plus précisément, les modes Eg rapportés à 293, 299, 412 et 613 cm−1 et le mode A1g à 498 cm−1, et le pic intense à 1320 cm−1 attribué à une diffusion à deux magnons pour l'hématite α-Fe2O328 peuvent être déduits . Cependant, la coexistence de la magnétite (bosse autour de 670 cm-1) et d'autres oxydes ou hydroxydes ne peut être totalement exclue (ie maghémite γ-Fe3O2 à 500 cm-1 ou hydroxydes vers 1100 cm-1). Les modes caractéristiques de la magnétite (T2g à 300 et 540 cm−1, et A1g à 670 cm−1) ne sont pas clairement visualisés dans ces MNP initiaux. Notez que l'apparition de phases antiferromagnétiques telles que α-Fe2O3 (c'est-à-dire la transition Morin)29 n'est pas détectée par la caractérisation magnétique. Ainsi, il faut conclure que l'hématite se serait principalement formée lors de la caractérisation Raman en conséquence de l'oxydation de la magnétite due à l'irradiation laser27,28. Il convient de noter qu'après la procédure MIH, la plupart des bandes attribuées à l'hématite disparaissent, étant la forte bande de magnétite autour de 660 cm-1 clairement visible dans les deux échantillons. Cependant, l'apparition d'une bande à 450 cm−1, particulièrement visible pour les 100-MNPs, n'exclurait pas l'apparition de wüstite (FeO). Les différences dans le revêtement de carbone après la procédure MIH dans les deux systèmes sont clairement visibles à travers les spectres Raman (c'est-à-dire la fraction relative de carbone). Alors que pour les 20-MNP, il est difficile de distinguer les bandes de magnétite dans le fond du spectre expérimental, étant le signal de carbone la principale contribution, elles sont clairement détectées pour les 100-MNP. Ce résultat confirme la fraction de carbone plus faible pour ces nanoparticules avec une capacité de chauffage plus faible, comme en témoignent la TEM et la caractérisation magnétique.

Spectres Raman de (a) 20-MNP et (b) 100-MNP : (cercle rempli de rouge) MNP initiaux et (o) échantillons traités à l'AC. Les traits pleins représentent la déconvolution de Lorentz des pics dans les échantillons traités. Encart : élargissement de la région à faible nombre d'onde pour les MNP initiaux.

En ce qui concerne les spectres Raman des échantillons traités au MIH, les bandes caractéristiques G et D du carbone ordonné et désordonné, respectivement, sont clairement détectées dans la région du premier ordre (1100–1800 cm−1)21. Aucune harmonique n'apparaît dans la région du second ordre (2200–3400 cm−1), confirmant un état désordonné (amorphe) du carbone présent dans les échantillons.

Le tableau 1 résume les paramètres ajustés des bandes G et D utilisant une déconvolution de pic de Lorentz : ωD, ωG, FWHM (pleine largeur à mi-hauteur) et les intensités relatives des pics (ID/IG). De faibles valeurs ID/IG (ID/IG tend vers zéro dans le carbone amorphe) ainsi que la diminution de ωG de 1600 cm−1 (carbone graphitique) à environ 1510 cm−1 (carbone complètement désordonné)30,31, soutiennent la conclusion de la nature amorphe du revêtement de carbone obtenu par la procédure MIH réalisée.

L'une des propriétés caractéristiques des matériaux carbonés (graphène, nanotubes, graphite et noir de carbone) est leur conductivité électrique élevée32. Tenant compte de cette propriété, des mesures de résistance électrique ont été effectuées pour distinguer les différents revêtements de carbone. Ainsi, compte tenu de la nature semi-conductrice des MNP Fe3O4, une augmentation de la conductivité électrique serait attendue dans les nanoparticules enrobées de carbone par rapport à l'état initial. En fait, une résistance électrique élevée (≈ 2 MΩ) est trouvée pour les nanoparticules initiales, indiquant une mauvaise conductivité électrique dans les MNP non enrobés. En revanche, après le traitement MIH, une forte diminution de la résistance électrique (≈ 2 Ω) est détectée dans les deux échantillons traités associée à la formation de revêtement de carbone.

Pour confirmer la formation de la matrice carbonée de conductivité électrique élevée sous le traitement MIH effectué, deux échantillons supplémentaires ont été caractérisés : la poudre de fructose initiale et un échantillon préparé en mélangeant 200 mg de l'échantillon initial de 100-MNP avec 400 mg de fructose, soumis à un recuit équivalent dans un four conventionnel à 200 °C (2 h). Dans les deux cas, la résistance électrique était supérieure à 200 MΩ indiquant la nature isolante électrique des échantillons.

Par conséquent, on peut conclure que le revêtement de carbone électriquement conducteur est obtenu par traitement MIH en conséquence de la dégradation du fructose, alors que les traitements thermiques conventionnels équivalents dans un four ne sont pas en mesure de fournir une microstructure similaire. En fait, l'obtention de températures locales plus élevées à l'échelle locale sur la surface des nanoparticules dans le cadre des expériences MIH donnerait lieu à la dégradation du sucre et justifierait les différences avec le recuit conventionnel effectué.

Les caractéristiques multifonctionnelles des nanostructures synthétisées (nanocomposites de carbone magnétiques) permettent leur application dans différents domaines technologiques, tels que les charges d'impression 3D conductrices, les composants d'absorption RF et l'assainissement de l'environnement. À titre d'exemple, le nanocomposite optimal avec la fraction de carbone la plus élevée (20 MNP traité par AC) a été utilisé dans les tests d'élimination du Cr (VI) en milieu aqueux.

La figure 5 présente le graphique d'adsorption de Cr (évolution du % Cr (VI) en fonction du temps de contact) pour le nanocomposite sélectionné. Les résultats montrent une bonne reproductibilité (valeur moyenne de 3 tests avec la barre d'erreur associée). Comme on peut le voir, le nanocomposite est capable d'absorber presque entièrement les anions Cr dans la solution aqueuse après 30 min.

Adsorption de Cr (%Cr(VI)) en présence du nanocomposite 20-MNP traité à l'AC.

La cinétique d'adsorption du procédé a été analysée à l'aide de deux modèles cinétiques largement rapportés dans la littérature pour caractériser le processus d'adsorption dans les nanostructures à base de carbone33 :

avec qt et qe sont la quantité de polluant adsorbé (mgpolluant/gadsorbant) au temps t (min) et à l'équilibre, respectivement ; k1 est la constante du modèle de pseudo-premier ordre (min−1) et k2 la constante du modèle de pseudo-second ordre (g/(mg·min)). Alors que le pseudo-premier ordre est corrélé au processus d'adsorption qui se produit par diffusion à travers l'interface principalement aux premières étapes, le modèle de pseudo-second ordre prédit le comportement sur toute la gamme d'adsorption, sur la base de l'adsorption chimique.

En ce qui concerne les isothermes d'adsorption, les modèles de Langmuir et Freudlich sont généralement utilisés pour caractériser le processus d'adsorption33 :

où qe (mgpolluant/gadsorbant) correspond à la quantité de Cr(VI) adsorbée au temps d'équilibre, qmax (mgpolluant/gadsorbant) est la capacité maximale d'adsorption, Ce (mgpolluant/Lsolution) la concentration de Cr(VI) à l'équilibre, KL (L/mg) est la constante de Langmuir et KF (mg/g·(L/mg)1/n) et n sont des constantes de Freundlich. De plus, une constante sans dimension RL est utilisée pour expliquer les caractéristiques d'adsorption de l'isotherme de Langmuir, soit : \({R}_{L}=\frac{1}{1+{K}_{L}{C}_{ e}}\). Pour les valeurs RL comprises entre 0 et 1, l'adsorption peut être considérée comme favorable ; RL = 0 est irréversible ; RL > 1 est défavorable et RL = 1 indique une adsorption linéaire. Dans ce cas, le modèle de Langmuir suppose une surface homogène (processus monocouche) sans interaction latérale entre les molécules adsorbées et une adsorption réversible. Le modèle de Freundlich est basé sur une surface hétérogène, multicouche et adsorption réversible.

Le tableau 2 résume les paramètres d'adaptation d'adsorption utilisant les modèles proposés. Les modèles de pseudo-deuxième ordre et de Langmuir décrivent légèrement mieux la cinétique d'adsorption et les isothermes d'adsorption, respectivement (valeurs les plus élevées du coefficient de corrélation R2). La figure S3 montre les graphiques d'ajustement correspondants pour les deux modèles.

Par conséquent, on peut conclure que l'adsorption chimique dominerait le procédé avec une adsorption de surface homogène (procédé monocouche). Il convient de noter que bien que l'adsorbant synthétisé affiche des valeurs réduites de qe et qmax par rapport aux autres adsorbants mésoporeux de carbone, k2 et KL sont comparables aux constantes rapportées dans d'autres nanostructures de carbone34,35,36. Néanmoins, la réponse magnétique du nanocomposite améliore sa fonctionnalité, permettant la séparation magnétique du milieu aqueux et facilitant sa récupération et sa recyclabilité.

Une nouvelle procédure de revêtement de carbone de nanoparticules magnétiques Fe3O4 (MNP) est décrite utilisant le chauffage par induction magnétique (MIH). Deux ensembles de MNP, 20-MNP et 100 MNP, ont été utilisés et les différences de capacité de chauffage sous un champ magnétique AC de 305 kHz ont été analysées en fonction de la taille moyenne des nanoparticules. Ainsi, une efficacité de chauffage plus élevée est trouvée pour les nanoparticules plus petites (20-MNP) attribuées à leur nature magnétique monodomaine en opposition aux dimensions plus grandes des 100-MNP. L'augmentation de température liée à l'aimantation AC des MNP est capable de décomposer le fructose lorsqu'il est mélangé aux nanoparticules. Aucun changement significatif dans les propriétés structurales et magnétiques des MNP n'est trouvé après le traitement MIH. En conséquence de la décomposition thermique du fructose, des revêtements à base de carbone sont obtenus (matrice de carbone désordonnée), dont le pourcentage relatif par rapport à la fraction de MNP augmente pour les nanoparticules plus petites avec une plus grande capacité de chauffage (20-MNP). Des nanocomposites à haute conductivité électrique sont obtenus sous MIH permettant la conception de nanocomposites multifonctionnels avec application dans différents domaines technologiques. A titre d'exemple, leur utilisation comme nanoadsorbants pour l'élimination du Cr(VI) dans des solutions aqueuses est démontrée.

L'oxyde de fer (II, III), nanopoudre avec des tailles de grains autour de 20 et 100 nm a été acheté chez SIGMA-ALDRICH (Aldrich prod. Num 637106). Les nanoparticules magnétiques (MNP) ont été synthétisées par synthèse par décomposition thermique de l'acétylacétonate de fer (Fe(acac)3). Avant la synthèse des nanocomposites de carbone, la capacité de chauffage par induction des nanoparticules magnétiques et des MNP mélangés mécaniquement avec du fructose sous forme de poudre (rapport pondéral 1: 2) a été caractérisée à l'aide d'un lecteur commercial multimode 3000W de la série G3 D5 à partir d'une configuration biomagnétique à l'échelle nanométrique ( amplitude et fréquence du champ magnétique AC 300 Oe et 305 kHz, respectivement). Comparativement, l'analyse thermogravimétrique (TGA) (HI-RES 2950 TA Instruments) employant une vitesse de chauffage de 10 ° C / min sous atmosphère d'azote a été utilisée pour analyser le processus de décomposition du sucre (fructose) en fonction de la température. Pour la synthèse des nanocomposites Fe3O4@C, 200 mg de MNP ont été mélangés mécaniquement avec du fructose sous forme de poudre (rapport pondéral 1:2) à l'aide d'un mortier-pilon, puis placés dans le bécher et introduits dans la bobine qui a généré le RF( AC) champ magnétique (305 kHz). L'amplitude du champ magnétique a été ajustée pour contrôler la température du mélange pour atteindre 200 °C à une vitesse de chauffage constante (≈ 25 °C/min), en maintenant cette température pendant 2 h. Enfin, la poudre obtenue a été lavée plusieurs fois avec de l'eau déionisée et les nanoparticules magnétiques enrobées ont été collectées avec un aimant. L'échantillon séparé magnétiquement a été séché à 60°C dans un four pendant une nuit pour éliminer l'eau adsorbée.

L'analyse structurale des échantillons (c'est-à-dire les MNP initiaux et les MNP traités à l'AC) a été réalisée par diffractométrie des rayons X sur poudre, XRD, (Bruker D8 advance) avec un rayonnement Cu Kα1 monochromatique (λ = 1,54056 Å), en utilisant la méthode de Rietveld et le Fullprof programme dans l'analyse des spectres37. L'analyse par microscopie électronique à transmission (HRTEM) et microscopie électronique à transmission à balayage avec un détecteur annulaire à champ sombre à angle élevé (STEM-HAADF) à l'aide d'un pistolet à émission de champ FEI Tecnai fonctionnant à 300 kV, a permis l'analyse comparative des changements de MNP sur le champ magnétique AC les traitements thermiques et la morphologie du revêtement de carbone. La spectroscopie Raman (spectrophotomètre Raman dispersif Jasco NRS-3100 utilisant un laser de 532 nm (7 mW) et un réseau de 600 lignes couvrant la plage de 260 à 3900 cm-1) a été utilisée pour analyser l'état de l'ordre du carbone dans l'échantillon recuit. Les échantillons de poudre, les MNP initiaux et les MNP traités à l'AC, sans autre préparation, ont été exposés 0,1 s par balayage et au moins 500 balayages ont été accumulés afin d'obtenir un bon rapport signal sur bruit. Un magnétomètre SQUID (Quantum Design MPMS XL7) a été utilisé pour caractériser magnétiquement les échantillons. Pour confirmer le revêtement de carbone graphitique sur les MNP traités à l'AC, des mesures de résistance ont été effectuées en utilisant une simple technique de mesure en deux points. Des pastilles des MNP initiales et traitées ont été préparées avec deux contacts électriques (fils de cuivre de longueur similaire) et en appliquant une pression de 5 tonnes pour établir correctement le contact électrique (en évitant l'utilisation de colles métalliques ou d'éléments de soudage).

Enfin, des tests d'absorption du Cr (VI) ont été effectués à l'aide d'un spectrophotomètre UV-Vis (UV-16, LAN OPTICS) avec une gamme de longueurs d'onde de 190 à 1100 nm. La procédure expérimentale est décrite dans30. En bref, un réactif coloré (1,5-diphénylcarbohydrazide) a été utilisé car les solutions aqueuses de Cr (VI) n'ont pas d'absorption dans la gamme UV-Vis. Des courbes d'étalonnage ont été initialement réalisées pour mesurer correctement la concentration de Cr (VI) dans les solutions aqueuses. Pour chaque test (pH = 6), 25 ml de solution aqueuse de Cr (VI) (1 mg/L de Cr (VI)) avec 25 mg d'adsorbant ont été préparés. Ensuite, les solutions ont été agitées mécaniquement et des aliquotes de 1 ml ont été collectées à différents moments, l'adsorbant a été séparé par un aimant portatif et la solution a été filtrée par un filtre à seringue de 0, 22 μm. La cinétique d'adsorption a été analysée à l'aide de modèles de pseudo-premier ordre et de pseudo-second ordre. Pour les isothermes d'adsorption de Cr(VI), des solutions aqueuses avec différentes concentrations de Cr(VI) (de 0,2 à 100 mg L-1) ont été préparées avec la même quantité d'adsorbant (1 mg mL-1). Les modèles de Langmuir et Freundlich ont été utilisés pour évaluer les isothermes d'adsorption des échantillons étudiés.

Les ensembles de données générés pendant et/ou analysés pendant l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Une correction à cet article a été publiée : https://doi.org/10.1038/s41598-023-35598-3

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La recherche a été financée par MCIN/AEI/10.13039/501100011033, Grant PID2020-116321RB-C21. Les auteurs reconnaissent l'utilisation de l'instrumentation ainsi que les conseils techniques fournis par l'installation nationale ELECMI ICTS, nœud « Laboratorio de Microscopias Avanzadas (LMA) » à « Universidad de Zaragoza ». Les analyses Raman ont été effectuées dans l'installation de chromatographie et de spectroscopie de l'Institut de synthèse chimique et de catalyse homogène (ISQCH) de l'Université de Saragosse-CSIC. (Dr Eugenio Vispe). L. Cervera-Gabalda remercie l'Université publique de Navarre pour son contrat de doctorat "Contratos Pre-doctorales adscritos a Grupos e Institutos de Investigación de la Universidad Pública de Navarra".

Département des sciences, Université publique de Navarre, Campus Arrosadia, 31006, Pampelune, ​​Espagne

L. Cervera-Gabalda & C. Gómez-Polo

Institut des matériaux avancés et des mathématiques (INAMAT2), Université publique de Navarre, Campus Arrosadia, 31006, Pampelune, ​​Espagne

L. Cervera-Gabalda & C. Gómez-Polo

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LCG et CGP ont conçu les expériences, LCG a réalisé les expériences, LCG et CGP ont analysé les résultats. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à C. Gómez-Polo.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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La version originale en ligne de cet article a été révisée : la section Remerciements de la version originale de cet article contenait une erreur dans l'organisme de financement. Des informations complètes concernant la correction apportée peuvent être trouvées dans la correction de cet article.

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Réimpressions et autorisations

Cervera-Gabalda, L., Gómez-Polo, C. Nanocomposites de carbone Fe3O4 magnétiques synthétisés par chauffage par induction magnétique. Sci Rep 13, 7244 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34387-2

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Reçu : 23 février 2023

Accepté : 28 avril 2023

Publié: 04 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-34387-2

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