DOI:10.1016/j.carbon.2020.05.031
本研究制備了電紡聚丙烯腈/硝酸鐵（PAN/Fe（NO3）3）納米纖維，并將其用作通過碳化工藝生產碳/鐵納米纖維的前驅體。仔細研究了金屬鐵對碳化過程中及碳化后的形態、化學結構、石墨碳生長以及熱性能的催化作用。硝酸鐵的存在可以增大纖維尺寸，將無紡布的形態轉變為自對準組件。催化鐵的存在有助于PAN纖維的穩定化和碳化，從而導致碳產率的提高，同時使石墨微晶更有序和更大。開發的碳/鐵納米纖維可用作超高效的納米吸附劑，用于去除水中有毒的六價鉻，這是潛在的應用之一。納米吸附劑在還原和吸附方面表現出快速而強大的Cr（VI）去除性能（最大去除量為445.3 mg/g）。碳納米纖維表面上的α-Fe納米粒子首先被氧化，以迅速將流動的Cr（VI）還原為靜態的Cr（III）。隨后，碳基體內的鐵與Cr（VI）之間的擴散控制氧化還原反應實現了持續60天的Cr（VI）去除。此外，這種多用途的材料具有磁性，這使得分離和回收更容易進行。
圖1.靜電紡絲裝置的示意圖。
圖2.PAN和PAN/Fe（NO3）3PNFs的SEM圖像。（a，b）：PF-0，（c，d）：PF-20，（e，f）：PF-30，（g，h）：PF-50。（h）中的插圖是兩根交叉的PF-50纖維中Fe的EDS映射。
圖3.碳/鐵納米纖維的SEM圖像。（a，b）：CF-0，（c，d）：CF-20，（e，f）：CF-50，（g，h）：CF-50中Fe元素的EDS圖譜。
圖4.描述（a）纖維取向角、（b）理想無紡網、（c）和完全對齊的纖維的DA的示意圖。從（d）到（i）的直方圖顯示了（d）PF-0、（e）PF-20、（f）PF-30、（g）PF-50、（h）CF-20和（i）CF-50單根纖維取向分布。
圖5.PNFs（PF-0、PF-5、PF-10、PF-20、PF-30和PF-50）和CNFs（CF-20和CF-50）的FT-IR光譜。
圖6.（a）CNFs（CF-0，CF-5，CF-10，CF-20，CF-30，CF-50）的XRD圖。（b-e）通過ICDD-PDF或COD覆蓋層對CF-50的完全相識別：（b）石墨相，（c）α-Fe相，（d）γ-Fe相，（e）滲碳體（碳化鐵，Fe3C）相。與參考文獻相比，（f）CF-50和（g）CF-10的XRD圖譜。（h）CNFs的石墨相。
圖7.（a）碳/鐵納米纖維的拉曼光譜。（b）碳/鐵納米復合纖維的反卷積一階拉曼光譜。
圖8.純PAN和PAN/Fe（NO3）3PNFs的TGA和DSC熱分析圖。（a）TGA熱分析圖，（b）PAN氧化穩定性的DSC熱分析圖。
圖9.（a）處理18小時、（b）30天后不同納米吸附劑（CF-0、CF-5、CF-10、CF-20、CF-30和CF-50）的Cr（VI）去除率和去除能力。（初始Cr（VI）濃度：100 mg/L，pH=1，納米吸附劑劑量：0.667 mg/L）
圖10.（a）在具有不同初始Cr（VI）濃度（pH=1，處理時間：18小時，納米吸附劑劑量：0.667 mg/L）的溶液中，CF-50和CF-0的Cr（VI）去除率和（b）去除能力。（c）CF-50和CF-0在300 mg/L Cr（VI）溶液中延長時間段（pH=1，納米吸附劑劑量：0.667mg/L）的Cr（VI）去除性能。不帶括號的值是去除能力，單位為mg/g，帶括號的值是去除率。
圖11.（a）在不同pH值下CF-50和CF-0對溶液的Cr（VI）去除率和（b）去除能力（初始Cr（VI）濃度：50 mg/L；處理時間：18小時，納米吸附劑劑量：0.667 mg/L）。
圖12.CF-50和CF-0的Cr（VI）去除性能與接觸時間的關系：（a）剩余的Cr（VI）濃度和（b）CF-50和CF-0的Cr（VI）去除能力。通過（c）CF-50處理1至9660分鐘和（d）CF-0處理1至13440分鐘，溶液中剩余的Cr（VI）濃度。用擬二階模型擬合CF-50對Cr（VI）的吸附動力學，（e）最初的180分鐘，以及（f）從180到9660分鐘。（初始Cr（VI）濃度：100 mg/L；pH：1.0；納米吸附劑劑量：0.667 mg/L）
圖13.處理300 mg/L Cr（VI）溶液18小時后，CF-50的碳1s（a）和鉻2p（b）的XPS光譜。
圖14.碳/鐵納米纖維的Cr（VI）去除機理示意圖。
