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Cost-Effective, High-Yield Production of Biotemplated Catalytic Tubular Micromotors as Self-Propelled Microcleaners for Water Treatment

材料科学 催化作用 过氧化氢 产量(工程) 化学工程 制作 高锰酸钾 分解 纳米技术 废水 纳米颗粒 无机化学 化学 环境工程 复合材料 有机化学 环境科学 工程类 病理 替代医学 医学
作者
Ling Chen,Hao Yuan,Shuqin Chen,Chan Zheng,Xiukai Wu,Ziqiao Li,Chunyan Liang,Pinqiang Dai,Qianting Wang,Xing Ma,Xiaohui Yan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (26): 31226-31235 被引量:55
标识
DOI:10.1021/acsami.1c03595
摘要

Micro/nano-motors (MNMs) that combine attributes of miniaturization and self-propelled swimming mobility have been explored for efficient environmental remediation in the past decades. However, their progresses in practical applications are now subject to several critical issues including a complicated fabrication process, low production yield, and high material cost. Herein, we propose a biotemplated catalytic tubular micromotor consisting of a kapok fiber (KF, abundant in nature) matrix and manganese dioxide nanoparticles (MnO2 NPs) deposited on the outer and inner walls of the KF and demonstrate its applications for rapid removal of methylene blue (MB) in real-world wastewater. The fabrication is straightforward via dipping the KF into a potassium permanganate (KMnO4) solution, featured with high yield and low cost. The distribution and amount of MnO2 can be easily controlled by varying the dipping time. The obtained motors are actuated and propelled by oxygen (O2) bubbles generated from MnO2-triggered catalytic decomposition of hydrogen peroxide (H2O2), with the highest speed at 615 μm/s (i.e., 6 body length per second). To enhance decontamination efficacy and also enable magnetic navigation/recycling, magnetite nanoparticles (Fe3O4 NPs) are adsorbed onto such motors via an electrostatic effect. Both the Fe3O4-induced Fenton reaction and hydroxyl radicals from MnO2-catalyzed H2O2 decomposition can account for the MB removal (or degradation). Results of this study, taken together, provide a cost-effective approach to achieve high-yield production of the MNMs, suggesting an automatous microcleaner able to perform practical wastewater treatment.
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