Comparative Study of Ni(II) and Cu(II) Adsorption by As-Prepared and Oxidized Multi-Walled N-Doped Carbon Nanotubes

Abstract

Abstract. The laws and mechanisms of adsorption of Ni(II) and Cu(II) ions by wellcharacterized as-prepared and oxidized N-doped multi-walled carbon nanotubes (N-CNTs) are described and discussed. The samples are synthesized by catalytic chemical vapour deposition method using n-butylamine as carbon source and Ni(NO3 )2  MgO as catalyst and purified by treatment with HCl. The surface functionalization is performed using oxidation with mixture of concentrated H2SO4 and HNO3 . As shown, adsorption of Ni(II) and Cu(II) reaches equilibrium value within 20–30 min; adsorption results in a moderate decrease in the suspension pH for pristine N-CNTs (1.0–1.5 pH unit) and a considerable lowering the pH for oxidized sample (up to 2.5 pH unit); the adsorption isotherms are described by the Langmuir equation; the plateau amounts of adsorption (25–30 mg/g for Cu and 35– 40 mg/g for Ni) are almost the same for both as-prepared and oxidized samples; at pH 8.0 and higher for Ni and pH 6.5 and higher for Cu ions, a sharp increase in adsorption is observed that is caused by the hydroxides’ precipitation. The spectroscopic, adsorption, electrophoretic and pH measurements’ data testify that below pH of hydroxide precipitation, the major mechanism of adsorption by as-prepared N-CNTs is the donor– acceptor interaction between the free electron pair of N atoms incorporated into nanotubes’ lattice and vacant d-orbital of the adsorbing Ni(II) or Cu(II) ions. For the oxidized N-CNTs, ion-exchange processes with a release of H may play minor role.

Резюме. В роботі розглянуто закони та механізми адсорбції йонів Ni(II) та Cu(II) охарактеризованими вихідними та окисненими N-леґованими багатостінними вуглецевими нанорурками (N-CNT). Зразки синтезували методою каталітичного хемічного осадження пари n-бутиламіну як джерела Карбону та Ni(NO3 )2 + MgO як каталізатора з подальшою очисткою їх HCl. Функціоналізацію поверхні N-CNT проводили за допомогою окиснення сумішшю концентрованих H2 SO4 та HNO3 . Було показано, що: адсорбція йонів Ni(II) та Cu(II) досягає рівноважного значення протягом 20–30 хв.; адсорбція приводить до помірного зменшення рН суспензії для вихідних (1,0–1,5 одиниці pH) та значного пониження рН (до 2,5 одиниць рН) для окиснених N-CNT-зразків; ізотерми адсорбції описуються Ленґмюровим рівнянням; положення плато адсорбції (25-30 мг/г для Cu та 35–40 мг/г для Ni) майже однакове як для вихідних, так і для окиснених зразків; при рН ≥ 8,0 для йонів Ni та рН ≥ 6,5 для йонів Cu спостерігається різке збільшення величини адсорбції за рахунок осадження гідроксидів.