Химическое окисление и характеризация углеродных нанотрубок различного типа с целью повышения эффективности концентрирования РЗЭ для их последующего определения в геологических образцах
- Авторы: Огнев В.Е.1, Хлуднева А.О.1, Захарченко Е.А.1, Жилкина А.В.1, Догадкин Д.Н.1, Казин В.И.1, Тюрин Д.А.1, Громяк И.Н.1, Колотов В.П.1
-
Учреждения:
- Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук
- Выпуск: Том 78, № 5 (2023)
- Страницы: 405-419
- Раздел: ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
- URL: https://journals.rcsi.science/0044-4502/article/view/136034
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0044450223050109
- EDN: https://elibrary.ru/MIQNON
- ID: 136034
Цитировать
Аннотация
Исследованы различные способы окисления углеродных нанотрубок (УНТ) разного типа в средах азотной кислоты и смеси азотной и серной кислот при различных температуре и длительности воздействия. Найдены условия окисления, обеспечивающие высокую сорбционную активность сорбентов по отношению к РЗЭ. Окисленные УНТ охарактеризованы методами кислотно-основного титрования, сканирующей электронной микроскопии, определен электрокинетический (ζ) потенциал суспензий нанотрубок в зависимости от pH. Методами МС/АЭС-ИСП определен элементный состав УНТ. Определена сорбционная способность окисленных УНТ по отношению к широкому кругу элементов. Установлена их уникальная селективность по отношению к РЗЭ. Доказана возможность использования окисленных УНТ для эффективного сорбционного концентрирования РЗЭ с целью определения их ультранизких концентраций в горных породах.
Ключевые слова
Об авторах
В. Е. Огнев
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук
Email: kolotov@geokhi.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 19
А. О. Хлуднева
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук
Email: kolotov@geokhi.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 19
Е. А. Захарченко
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук
Email: kolotov@geokhi.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 19
А. В. Жилкина
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук
Email: kolotov@geokhi.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 19
Д. Н. Догадкин
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук
Email: kolotov@geokhi.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 19
В. И. Казин
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук
Email: kolotov@geokhi.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 19
Д. А. Тюрин
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук
Email: kolotov@geokhi.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 19
И. Н. Громяк
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук
Email: kolotov@geokhi.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 19
В. П. Колотов
Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: kolotov@geokhi.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 19
Список литературы
- Carbon Nanomaterials as Adsorbents for Environmental and Biological Applications / Eds. Bergmann C.P., Machado F.M. New York: Springer International Publishing, 2015. P. 1. https://doi.org/10.1007/978-3-319-18875-1
- Socas-Rodriguez B., Herrera-Herrera A. V., Asensio-Ramos M., Hernandez-Borges J. Recent applications of carbon nanotube sorbents in analytical chemistry // J.Chromatogr. A. 2014. V. 1357. P. 110. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2014.05.035
- Ren X., Chen C., Nagatsu M., Wang X. Carbon nanotubes as adsorbents in environmental pollution manтыagement: A review // Chem. Eng. J. 2011. V. 170. № 2–3. P. 395. https://doi.org/10.1016/j.cej.2010.08.045
- Liang X., Liu S., Wang S., Guo Y., Jiang S. Carbon-based sorbents: Carbon nanotubes // J. Chromatogr. A. 2014. V. 1357. P. 53. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2014.04.039
- Gupta V.K., Saleh T.A. Sorption of pollutants by porous carbon, carbon nanotubes and fullerene – An overview // Environ. Sci. Pollut. Res. 2013. V. 20. № 5. P. 2828. https://doi.org/10.1007/s11356-013-1524-1
- Kumar R., Khan M.A., Haq N. Application of carbon nanotubes in heavy metals remediation // Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 2014. V. 44. № 9. P. 1000. https://doi.org/10.1080/10643389.2012.741314
- Kumar V., Katyal D., Nayak S.S. Removal of heavy metals and radionuclides from water using nanomaterials: current scenario and future prospects // Environ. Sci. Pollut. Res. 2020. V. 27. № 33. P. 41199.
- Suri A., Coleman K.S. The superiority of air oxidation over liquid-phase oxidative treatment in the purification of carbon nanotubes // Carbon. 2011. V. 49. № 9. P. 3031. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.03.023
- Hou P.X., Liu C., Cheng H.M. Purification of carbon nanotubes // Carbon. 2008. V. 46. № 15. P. 2003. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2008.09.009
- Cardoso C.E., Almeida J.C., Lopes C.B., Trindade T., Vale C., Pereira E. Recovery of rare earth elements by carbon-based nanomaterials – A review // Nanomaterials. 2019. V. 9. № 6. P. 814. https://doi.org/10.3390/nano9060814
- Alguacil F.J., García–Díaz I., Escudero Baquero E., Rodríguez Largo O., López F.A. Oxidized and non-oxidized multiwalled carbon nanotubes as materials for adsorption of lanthanum(III) aqueous solutions // Metals. 2020. V. 10. № 6. P. 765. https://doi.org/10.3390/met10060765
- Boehm H.P. Some aspects of the surface chemistry of carbon blacks and other carbons // Carbon. 1994. V. 32. № 5. P. 759. https://doi.org/10.1016/0008-6223(94)90031-0
- Grujicic M., Cao G., Rao A.M., Tritt T.M., Nayak S. UV-light enhanced oxidation of carbon nanotubes // Appl. Surface Sci. 2003. V. 214. № 1–4. P. 289. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(03)00361-1
- Li C., Wang D., Liang T., Wang X., Wu J., Hu X., Liang J. Oxidation of multiwalled carbon nanotubes by air: Benefits for electric double layer capacitors // Powder technology. 2004. V. 142. № 2–3. P. 175. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2004.04.037
- Nagasawa S., Yudasaka M., Hirahara K., Ichihashi T., Iijima S. Effect of oxidation on single-wall carbon nanotubes // Chem. Phys. Lett. 2000. V. 328. № 4–6. P. 374. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(00)00960-X
- Li M., Boggs M., Beebe T.P., Huang C.P. Oxidation of single-walled carbon nanotubes in dilute aqueous solutions by ozone as affected by ultrasound // Carbon. 2008. V. 46. № 3. P. 466. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2007.12.012
- Wepasnick K.A., Smith B.A., Schrote K.E., Wilson H.K., Diegelmann S.R., Fairbrother D.H. Surface and structural characterization of multi-walled carbon nanotubes following different oxidative treatments // Carbon. 2011. V. 49. № 1. P. 24. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.08.034
- Xia W., Wang Y., Bergsträßer R., Kundu S., Muhler M. Surface characterization of oxygen-functionalized multi-walled carbon nanotubes by high-resolution X-ray photoelectron spectroscopy and temperature-programmed desorption // Appl. Surface Sci. 2007. V. 254. № 1. P. 247. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2007.07.120
- Figueiredo J.L., Pereira M.F.R., Freitas M.M.A., Orfao J.J.M. Modification of the surface chemistry of activated carbons // Carbon. 1999. V. 37. № 9. P. 1379. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(98)00333-9
- Goyanes S., Rubiolo G.R., Salazar A., Jimeno A., Corcuera M.A., Mondragon I. Carboxylation treatment of multiwalled carbon nanotubes monitored by infrared and ultraviolet spectroscopies and scanning probe microscopy // Diamond and Related Materials. 2007. V. 16. № 2. P. 412. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2006.08.021
- Lee G.W., Kim J., Yoon J., Bae J.S., Shin B.C., Kim I.S., Ree M. Structural characterization of carboxylated multi-walled carbon nanotubes // Thin Solid Films. 2008. V. 516. № 17. P. 5781. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2007.10.071
- Pistone A., Ferlazzo A., Lanza M., Milone C., Iannazzo D., Piperno A., Piperopoulos E., Galvagno S. Morphological modification of MWCNT functionalized with HNO3/H2SO4 mixtures // J. Nanosci. Nanotechnol. 2012. V. 12. № 6. P. 5054. https://doi.org/10.1166/jnn.2012.4928
- Saleh T.A. The influence of treatment temperature on the acidity of MWCNT oxidized by HNO3 or a mixture of HNO3/H2SO4 // Appl. Surf. Sci. 2011. V. 257. № 17. P. 7746. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.04.020
- Chiang Y.C., Lin W.H., Chang Y.C. The influence of treatment duration on multi-walled carbon nanotubes functionalized by H2SO4/HNO3 oxidation // Appl. Surf. Sci. 2011. V. 257. № 6. P. 2401. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2010.09.110
- Rosca I. D., Watari F., Uo M., Akasaka T. Oxidation of multiwalled carbon nanotubes by nitric acid //Carbon. 2005. V. 43. № 15. P. 3124. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2005.06.019
- Liang P., Liu Y., Guo L. Determination of trace rare earth elements by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry after preconcentration with multiwalled carbon nanotubes // Spectrochim. Acta B: Atom. Spectrosc. 2005. V. 60. № 1. P. 125. https://doi.org/10.1016/j.sab.2004.11.010
- Tasis D., Tagmatarchis N., Bianco A., Prato M. Chemistry of carbon nanotubes // Chem. Rev. 2006. V. 106. № 3. P. 1105. https://doi.org/10.1021/cr050569o
- Smith B., Wepasnick K., Schrote K.E., Cho H-H., Ball W.P., Fairbrother D.H. Influence of surface oxides on the colloidal stability of multi-walled carbon nanotubes: A structure – property relationship // Langmuir. 2009. V. 25. № 17. P. 9767. https://doi.org/10.1021/la901128k
- Tasis D., Tagmatarchis N., Vasilios V., Prato M. Soluble carbon nanotubes // Chem. Eur. J. 2003. V. 9. № 17. P. 4000. https://doi.org/10.1002/chem.200304800
- Li M., Huang C.P. Stability of oxidized single-walled carbon nanotubes in the presence of simple electrolytes and humic acid //Carbon. 2010. V. 48. № 15. P. 4527. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.08.032
- Lee J., Kim M., Hong Ch.K., Shim S. Eu. Measurement of the dispersion stability of pristine and surface-modified multiwalled carbon nanotubes in various nonpolar and polar solvents // Meas. Sci. Technol. 2007. V. 18. № 12. P. 3707. https://doi.org/10.1088/0957-0233/18/12/005
- Kim Y.S., Park C.R. Titration method for the identification of surface functional groups. Ch. 13 / Materials Science and Engineering of Carbon / Ed. Michio Inagaki. Butterworth-Heinemann, 2016. P. 273. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-805256-3.00013-1
- Schönherr J., Buchheim J.R, Scholz P., Adelhelm Ph. Boehm titration revisited (part I): Practical aspects for achieving a high precision in quantifying oxygen-containing surface groups on carbon materials // C. Special Issue Functional Nanoporous Carbon-Based Materials. 2018. V. 4. № 2. P. 21. https://doi.org/10.3390/c4020021
- Гражулене С.С., Телегин Г.Ф., Золотарева Н.И., Редькин А.Н., Мильникова З.К. Концентрирование токсичных элементов на углеродных нанотрубках для атомно-спектрального анализа экологических объектов // Заводск. лаборатория. Диагностика материалов. 2016. Т. 82. № 11. С. 21.
- Гражулене С.С., Телегин Г.Ф., Золотарева Н.И., Редькин А.Н. Определение серебра и палладия методами атомной спектрометрии после сорбционного концентрирования на углеродных нанотрубках // Заводск. лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81. № 8. С. 5. https://doi.org/10.1007/s11356-020-10348-4
- Liang P., Liu Ya., Li Guo L., Jing Zeng J., Lu H. Multiwalled carbon nanotubes as solid-phase extraction adsorbent for the preconcentration of trace metal ions and their determination by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry // J. Anal. Atom. Spectrom. 2004. V. 19. № 11. P. 1489. https://doi.org/10.1039/B409619C
- Гражулене С.С., Золотарёва Н.И., Телегин Г.Ф., Редькин А.Н. Атомно-спектроскопические методы анализа природных объектов с использованием углеродных нанотрубок для сорбционного концентрирования микропримесей // Заводск. лаборатория. Диагностика материалов. 2012. Т. 78. № 8. С. 16.
- Sengupta A., Gupta N. K. MWCNTs based sorbents for nuclear waste management: A review // J. Environ. Chem. Eng. 2017. V. 5. № 5. P. 5099. https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.09.054
- Wang X., Chen Ch., Hu W., Ding A., Di Xu D., Xiang Zhou Xi. Sorption of 243Am (III) to multiwall carbon nanotubes // Environ. Sci. Technol. 2005. V. 39. № 8. P. 2856. https://doi.org/10.1021/es048287d
- Tan X.L., Xu D., Chen C.L., Wang X.K., Hu W.P. Adsorption and kinetic desorption study of 152 + 154Eu(III) on multiwall carbon nanotubes from aqueous solution by using chelating resin and XPS methods // Radiochim. Acta. 2008. V. 96. № 1. P. 23. https://doi.org/10.1524/ract.2008.1457
- Sundararajan M., Ghosh S. K. Designing novel materials through functionalization of carbon nanotubes for application in nuclear waste management: Speciation of uranyl // J. Phys. Chem A. 2011. V. 115. № 24. P. 6732. https://doi.org/10.1021/jp203723t
- ООО “НаноТехЦентр”: [Электронный ресурс]. URL: http://www.nanotc.ru/ (дата обращения: 21.12.2021).
- Ткачев А.Г., Мележик А.В., Дьячкова Т.П., Блохин А.Н., Буракова Е.А., Пасько Т.В. Углеродные наноматериалы серии “Таунит”: производство и применение // Изв. высш. учеб. завед. Химия и хим. технология. 2013. Т. 56. № 4. С. 55.
- Моходоева О.Б., Маликов Д.А., Молочникова Н.П., Захарченко Е.А., Перевалов С.А., Мясоедова Г.В., Мищенко С.В., Куляко Ю.М., Мясоедов Б.Ф. Углеродные нанотрубки: возможности использования для концентрирования радионуклидов // Рос. хим. журн. 2010. Т. 54. № 3. С. 61. (Mokhodoeva O. B., Malikov D. A., Molochnikova N. P., Zakharchenko E. A., Perevalov S. A., Myasoedova G. V., Myasoedov B. F. Carbon nanotubes: Potential uses in radionuclide concentration // Russ. J. Gen. Chem. 2011. V. 81. № 9. P. 1972.)https://doi.org/10.1134/S107036321109043X
- Мясоедова Г.В., Молочникова Н.П., Ткачев А.Г., Туголуков Е.Н., Мищенко С.В., Мясоедов Б.Ф. Сорбционное концентрирование радионуклидов углеродным наноструктурным материалом “Таунит” // Радиохимия. 2009. Т. 51. № 2. С. 138. (Myasoedova G.V., Molochnikova N.P., Tkachev A.G., Tugolukov E.N., Mishchenko S.V., Myasoedov B.F. Sorption preconcentration of radionuclides on Taunit carbon nanostructural material // Radiochemistry. 2009. V. 51. № 2. P. 156.)https://doi.org/10.1134/S1066362209020106
- Захарченко Е.А., Маликов Д.А., Мясоедова Г.В., Моходоева О.Б., Молочникова Н.П., Куляко Ю.М. Твердофазные экстрагенты на основе углеродных нанотрубок “Таунит” для концентрирования актинидов и РЗЭ из азотнокислых растворов // Радиохимия. 2012. Т. 54. № 2. С. 148. (Zakharchenko E.A., Malikov D.A., Myasoedova G.V., Mokhodoeva O.B., Molochnikova N.P., Kulyako Y.M. Solid-phase extractants based on taunit carbon nanotubes for actinide and REE preconcentration from nitric acid solutions // Radiochemistry. 2012. V. 54. № 2. P. 159.)https://doi.org/10.1134/S1066362212020117
- Turanov A.N., Karandashev V.K., Evseeva N.K., Kolesnikov N.N., Borisenko D.N. The sorption properties of carbon nanotubes modified with tetraphenylmethylenediphosphine dioxide in nitric acid media // Russ. J. Phys. Chem A: Focus on Chemistry. 2008. V. 82. № 13. P. 2223. https://doi.org/10.1134/S0036024408130116
- Колотов В.П., Жилкина А.В., Широкова В.И., Догадкин Н.Н., Громяк И.Н., Догадкин Д.Н., Зыбинский А.М., Тюрин Д.А. Новый подход к минерализации образцов в открытой системе для анализа геологических образцов методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой с улучшенными метрологическими характеристиками // Журн. аналит. химии. 2020. Т. 75. № 5. С. 394. (Kolotov V.P., Zhilkina A.V., Shirokova V.I., Dogadkin N.N., Gromyak I.N., Dogadkin D.N., Zybinsky A.M., Tyurin D.A. A new approach to sample mineralization in an open system for the analysis of geological samples by inductively coupled plasma mass spectrometry with improved performance characteristics // J. Anal. Chem. 2020. V. 75. № 5. P. 569.)https://doi.org/10.1134/S1061934820050081
- Kolotov V.P., Zhilkina A.V., Khludneva A.O. iPlasmaProQuad: A computer system based on a relational DBMS for processing and monitoring the results of routine analysis by the ICP-MS method / Advances in Geochemistry, Analytical Chemistry, and Planetary Sciences: Special Publication commemorating the 75th Anniversary of the Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the RAS / Eds. Kolotov V.P., Bezaeva N.S. Springer, 2023, P. 555-562. https://doi.org/10.1007/978-3-031-09883-3_1
- Дьячкова Т.П., Мищенко С.В., Ткачев А.Г., Горский С.Ю., Мележик А.В., Аносова И.В. Исследование закономерностей процессов функционализации и модифицирования углеродных нанотрубок // Изв. высш. учебных заведений. Химия и хим. технология. 2013. Т. 56. № 5. С. 82.
- Hai C., Fuji, M., Watanabe H., Wang F., Shirai T., Takahashi M. Evaluation of surfactant-free stabilized vapor grown carbon fibers with ζ-potential and Raman spectroscopy // Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 2011. V. 381. № 1–3. P. 70. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2011.03.026
- Барань Ш., Картель Н., Месарош Р. Электрокинетический потенциал многослойных углеродных нанотрубок в водных растворах электролитов и ПАВ // Коллоидный журн. 2014. Т. 76. № 5. С. 555. (Barany S., Kartel N., Meszaros R. Electrokinetic potential of multilayer carbon nanotubes in aqueous solutions of electrolytes and surfactants // Colloid J. 2014. V. 76. № 5. P. 509.)https://doi.org/10.1134/S1061933X14050020
- Patole S.P., Simões F., Yapici T.F., Warsama B.H., Anjum D.H., Costa P.M. An evaluation of microwave-assisted fusion and microwave-assisted acid digestion methods for determining elemental impurities in carbon nanostructures using inductively coupled plasma optical emission spectrometry // Talanta. 2016. V. 148. P. 94. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2015.10.053
- Ge C., Lao F., Li W., Li Y., Chen C., Qiu Y., Mao X., Li B., Chai Z., Zhao Y. Quantitative analysis of metal impurities in carbon nanotubes: Efficacy of different pretreatment protocols for ICPMS spectroscopy // Anal. Chem. 2008. V. 80. № 24. P. 9426. https://doi.org/10.1021/ac801469b
- Ge C., Li W., Li Y., Li B., Du J., Qiu Y., Liu Y., Gao Y., Chai Z., Chen C. Significance and systematic analysis of metallic impurities of carbon nanotubes produced by different manufacturers // J. Nanosci. Nanotechnol. 2011. V. 11. № 3. P. 2389. https://doi.org/10.1166/jnn.2011.3520
- Yang K.X., Kitto M.E., Orsini J.P., Swami K., Beach S.E. Evaluation of sample pretreatment methods for multiwalled and single-walled carbon nanotubes for the determination of metal impurities by ICPMS, ICPOES, and instrument neutron activation analysis // J. Anal. Atom. Spectrom. 2010. V. 25. № 8. P. 1290. https://doi.org/10.1039/C0JA00012D
- Нгуен Ч.Х., Нгуен М.Т., Раков Э.Г. Исследование кислотной функциализации углеродных нановолокон // Неорганические материалы. 2010. Т. 46. №. 10. С. 1195. (Hung N.T., Tuong N.M., Rakov E.G. Acid functionalization of carbon nanofibers // Inorg. Mater. 2010. V. 46. № 10. P. 1077. https://doi.org/S0020168510100092)
- GeoReM – Database [Электронный ресурс]. URL: http://georem.mpch-mainz.gwdg.de/ (дата обращения: 14.06.2022).