Surface modification of magnesium ferrite nanoparticles for selective adsorption of dyes and catalytic reduction of nitroaromatics

การดัดแปรผิวของอนุภาคนาโนแมกนีเซียมเฟร์ไรต์สำหรับการดูดซับแบบคัดเลือกของสีย้อมและการเร่งปฏิกิริยารีดักชันของไนโตรแอโรแมติก

Name: Supawitch Hoijang

LCSH: Magnesium Ferrite

LCSH: Dyes and dyeing

LCSH: Nitroaromatic compounds Link Source

Abstract: In this study, magnesium ferrite nanoparticles were developed for use as nanoadsorbents and nanocatalysts in the remediation of organic dyes and nitroaromatics. The primary focus was modifying the surfaces of magnesium ferrite nanoparticles with suitable active sites to achieve nanoadsorbents possessing high selectivity for specific dye adsorption and effective nanocatalysts for reduction of nitroaromatics. Amine-functionalized magnesium ferrite nanoparticles (MgFe2O4 NPs) synthesized via a one-pot coprecipitation method were evaluated for their adsorption behaviors towards cationic, anionic, and neutral dyes in single-component and binary dye solutions. The study revealed that the MgFe2O4 NPs efficiently removed anionic dyes, specifically indigo carmine (IC) and Congo Red (CR), from both single-component and binary dye solutions. However, the MgFe2O4 NPs preferably adsorbed CR rather than IC from binary IC/CR solutions, suggesting low selectivity for adsorption of CR. To improve the selectivity, the MgFe2O4 NPs were encapsulated within a silica shell and functionalized with 3-aminopropyltriethoxysilane to obtain APTES-modified MgFe2O4@SiO2 NPs (designated as MgFe2O4@SiO2 NPs). Combination of XRD, FTIR, XPS, SEM, and zeta potential analyses indicated the successful surface modification of MgFe2O4 NPs. The adsorption study demonstrated that the MgFe2O4@SiO2 NPs exhibited high selectivity for the adsorption of CR, attributed to the presence of appropriate functional groups on nanoadsorbents and chemical structure of CR molecules. To synthesize MgFe2O4-based nanocatalysts, the surfaces of MgFe2O4 and MgFe2O4@SiO2 NPs were modified by depositing bimetallic gold/silver nanoparticles (Ag/Au) via a seed-mediated growth method. The synthesized nanocatalysts, i.e., MgFe2O4/Au/Ag and MgFe2O4@SiO2/Au/Ag NPs, were used in the reduction of 4-nitrophenol (4-NP) using sodium borohydride as a reducing agent. Several characterization techniques, such as XRD, XPS, TEM, SEM, EDS, and VSM were employed to confirm the depositing Au/Ag metals on the surfaces of MgFe2O4 and MgFe2O4@SiO2 NPs. The catalytic test revealed that the catalytic activity of the MgFe2O4/Au/Ag NPs was slightly higher than that of the MgFe2O4@SiO2/Au/Ag NPs. However, both nanoparticles exhibited rapid catalytic reduction for 4-NP within 1.5 minutes, due to the presence of bimetallic Au/Ag nanoparticles onto the nanocatalyst surfaces. The reusability test revealed that MgFe2O4@SiO2/Au/Ag NPs maintained ~85% 4-NP removal after consecutive uses for 10 cycles, while the MgFe2O4/Au/Ag NPs provided 7 cycles with ~85% removal. Furthermore, both nanocatalysts efficiently catalyzed the reduction of other representative nitroaromatics, such as 4-nitroaniline and 4-nitrobenzaldehyde.

Abstract: งานวิจัยนี้ได้ทำการพัฒนาอนุภาคนาโนแมกนีเซียมเฟร์ไรต์เพื่อใช้เป็นตัวดูดซับและตัวเร่งปฏิกิริยาในการกำจัดสีย้อมอินทรีย์และไนโตรแอโรแมติก โดยมีวัตถุประสงค์หลัก คือ การดัดแปรผิวของอนุภาคนาโนแมกนีเซียมเฟร์ไรต์ให้มีองค์ประกอบทางเคมีที่เหมาะสมเพื่อให้สามารถดูดซับสีย้อมแบบคัดเลือกและเร่งปฏิกิริยารีดักชันของไนโตรแอโรแมติกได้อย่างมีประสิทธิภาพ จากการศึกษาพฤติกรรมการดูดซับสีย้อมที่แสดงประจุบวก สีย้อมที่แสดงประจุลบ และสีย้อมที่ไม่แสดงประจุในสารละลายสีย้อมเชิงเดี่ยวและสารละลายสีย้อมคู่ผสมโดยอนุภาคนาโนแมกนีเซียมเฟร์ไรต์ที่ดัดแปรผิวด้วยหมู่เอมีน (MgFe2O4) ที่สังเคราะห์ได้จากวิธีการตกตะกอนร่วม พบว่า อนุภาคนาโน MgFe2O4 สามารถดูดซับสีย้อมที่แสดงประจุลบได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะสีย้อมอินดิโก คาร์มีน (IC) และสีย้อมคองโก เรด (CR) อย่างไรก็ตาม ในสารละลายสีย้อมคู่ผสม IC/CR นั้น อนุภาคนาโน MgFe2O4 เลือกดูดซับ CR ได้มากกว่า IC ซึ่งบ่งชี้ว่า อนุภาคนาโน MgFe2O4 มีความสามารถในการดูดซับแบบคัดเลือก CR ต่ำ งานวิจัยนี้จึงได้ทำการเคลือบผิวของอนุภาคนาโน MgFe2O4 ด้วยซิลิกาและดัดแปรผิวต่อด้วย 3-อะมิโนโพรพิลไตรเอทอกซีไซเลน (APTES) เพื่อสังเคราะห์เป็นอนุภาคนาโน APTES-modified MgFe2O4@SiO2 (หรือเรียกว่า อนุภาคนาโน MgFe2O4@SiO2) จากผลการตรวจสอบด้วยเทคนิคต่าง ๆ ได้แก่ XRD FTIR XPS SEM และการวัดศักย์ซีต้า พบว่า งานวิจัยนี้สามารถทำการสังเคราะห์อนุภาคนาโน MgFe2O4@SiO2 ได้สำเร็จ และจากการศึกษาการดูดซับพบว่า อนุภาคนาโนที่สังเคราะห์ได้มีความสามารถในการดูดซับแบบคัดเลือก CR สูงขึ้น คาดว่าเนื่องจากการมีหมู่ฟังก์ชันที่เหมาะสมอยู่บนผิวของตัวดูดซับนาโน รวมทั้งยังเป็นผลมาจากโครงสร้างทางเคมีของโมเลกุล CR อีกด้วย นอกจากนี้ งานวิจัยนี้ยังได้ทำการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยานาโนเพื่อใช้เร่งปฏิกิริยารีดักชันของ 4-ไนโตรฟีนอล (4-NP) โดยมีโซเดียมโบโรไฮไดร์ดเป็นตัวรีดิวซ์ โดยการดัดแปรผิวของอนุภาคนาโน MgFe2O4 และอนุภาคนาโน MgFe2O4@SiO2 ด้วยการตรึงอนุภาคนาโนโลหะเชิงคู่ของทองและเงิน (Au/Ag) ลงบนผิวของอนุภาคดังกล่าวด้วยวิธี Seed-mediated growth จากผลการตรวจสอบด้วยเทคนิคต่าง ๆ ได้แก่ XRD XPS TEM SEM EDS และ VSM พบว่า งานวิจัยนี้สามารถทำการสังเคราะห์อนุภาคนาโน MgFe2O4/Au/Ag และอนุภาคนาโน MgFe2O4@SiO2/Au/Ag ได้สำเร็จ ซึ่งจากการทดสอบประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาแสดงให้เห็นว่า อนุภาคนาโน MgFe2O4/Au/Ag สามารถเร่งปฏิกิริยาได้เร็วกว่าการเร่งปฏิกิริยาด้วยอนุภาคนาโน MgFe2O4@SiO2/Au/Ag เล็กน้อย โดยอนุภาคนาโนทั้งสองชนิดสามารถเร่งปฏิกิริยารีดักชันของ 4-NP ให้เสร็จสมบูรณ์ได้อย่างรวดเร็วภายใน 1.5 นาที เนื่องจากมีองค์ประกอบทางเคมีที่สำคัญ คือ อนุภาคนาโนโลหะ Au/Ag อยู่บนผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าว และจากผลการทดสอบความสามารถในการใช้ซ้ำ พบว่า อนุภาคนาโน MgFe2O4@SiO2/Au/Ag ยังคงมีประสิทธิภาพในการกำจัด 4-NP ประมาณร้อยละ 85 หลังจากการนำมาใช้ซ้ำอย่างต่อเนื่องเป็นจำนวน 10 รอบ ในขณะที่อนุภาคนาโน MgFe2O4/Au/Ag แสดงประสิทธิภาพการกำจัด 4-NP ที่ใกล้เคียงกัน (ประมาณร้อยละ 85) หลังจากการนำมาใช้ซ้ำอย่างต่อเนื่องเป็นจำนวน 7 รอบ นอกจากนี้ ยังพบอีกว่าตัวเร่งปฏิกิริยานาโนทั้งสองชนิดสามารถเร่งปฏิกิริยารีดักชันของไนโตรแอโรแมติกชนิดอื่น ๆ ได้แก่ 4-ไนโตรอะนิลีน และ 4-ไนโตรเบนซาลดีไฮด์ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Laongnuan Srisombat

Role: Advisor

Name: Supon Ananta

Role: Advisor

Name: Jeeranan Nonkumwong

Role: Advisor

Created: 2024

Modified: 2024-08-31

Issued: 2024-08-31

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	640555916.pdf	1.3 MB

ใช้เวลา

0.04265 วินาที