Hebei Messi Biology Co., Ltd. weist darauf hin, dass Magnesiumoxid ein wichtiges anorganisches Funktionsmaterial mit breiten Anwendungsperspektiven ist. Forschungsergebnisse zeigen, dass Magnesiumoxid mit exponierten (111)-Kristallflächen eine höhere Aktivität (z. B. bei der Katalyse und Adsorption) aufweist als solches mit exponierten (100)-Flächen. Die Synthese von Magnesiumoxid mit polaren (111)-Flächen hat in der Forschung großes Interesse geweckt; so wurde bereits über Materialien wie (111)-polare Nanoblättchen und Oktaeder (mit acht exponierten polaren (111)-Flächen) berichtet. Studien zu den Synthesemethoden und Anwendungen von Magnesiumoxid-Nano-Oktaedern sind jedoch noch relativ begrenzt. Folglich stellt die Synthese von Magnesiumoxid-Nano-Oktaedern (N-O-MgO) weiterhin eine bedeutende Herausforderung dar.
Aufbauend auf früheren Arbeiten wurden Magnesiumoxid-Nano-Oktaeder erfolgreich mittels eines solvothermalen Verfahrens synthetisiert. Zudem wurden das Adsorptionsverhalten dieser Nano-Oktaeder sowie die katalytische Aktivität hinsichtlich der Sauerstoffreduktion bei dotierten Kohlenstoffmaterialien untersucht, die unter Verwendung dieser Oktaeder als Templat hergestellt wurden.
(1) Magnesiumoxid-Nano-Oktaeder wurden erfolgreich mittels eines solvothermalen Verfahrens synthetisiert, wobei Ethanol als Lösungsmittel sowie Harnstoff und Magnesiumnitrat als gelöste Stoffe dienten. Die Produkte wurden mittels Verfahren wie XRD, SEM und TEM charakterisiert. Zur weiteren Untersuchung des Bildungsmechanismus wurde unter Verwendung derselben Ausgangsstoffe und desselben Lösungsmittels ein Einkristallwachstum durchgeführt, das Einkristalle von Mg(NO3)2·6CO(NH2)2 lieferte; durch anschließende Kalzinierung konnten erfolgreich Magnesiumoxid-Nano-Oktaeder hergestellt werden. Umfassende Analysen legen nahe, dass das solvothermale Verfahren die Keimbildung von Mg(NO3)2·6CO(NH2)2 im Reaktionssystem beschleunigt und somit eine entscheidende Rolle bei der späteren Bildung der Nano-Oktaeder während der Kalzinierung spielt.
(2) Es wurde das Adsorptionsverhalten der solvothermal synthetisierten Nano-Oktaeder gegenüber Methylorange untersucht. Magnesiumoxid-Nano-Oktaeder wurden als Adsorbens eingesetzt, um ihre Adsorptionseigenschaften für Methylorange zu prüfen. Die Anpassung der experimentellen Daten zeigt, dass die Adsorption von Methylorange an oktaedrischen MgO-Nanopartikeln dem Langmuir-Adsorptionsisothermenmodell sowie der Kinetikgleichung pseudo-zweiter Ordnung folgt, wobei sich eine maximale Adsorptionskapazität von 229,36 mg/g ergibt. Einfache thermodynamische Berechnungen belegen, dass der Adsorptionsprozess spontan abläuft. Durch Adsorptionsversuche mit verschiedenen Farbstoffarten wurde festgestellt, dass Magnesiumionen als Adsorptionszentren auf den oktaedrischen MgO-Nanopartikeln fungieren. Der Adsorptionsmechanismus umfasst die Hydrolyse von Methylorange zu -SO3⁻-MO und Natriumionen, gefolgt von der Adsorption des -SO3⁻-MO an der Adsorbensoberfläche mittels Ionenaustausch und elektrostatischer Wechselwirkungen mit den Magnesiumionen-Zentren. Die Adsorptionszentren auf der Oberfläche des Adsorbens werden bei diesem Prozess effizient genutzt.
(3) Es wurde eine Studie zur Synthese dotierter Kohlenstoffmaterialien durchgeführt, bei der oktaedrische MgO-Nanopartikel sowohl als Adsorbens als auch als Templat dienten; im Anschluss erfolgte eine Hochtemperaturkarbonisierung, nachdem die Nanopartikel durch Methylorange ihre Adsorptionssättigung erreicht hatten. Zur Auswahl einer geeigneten Methylorange-Konzentration – konkret einer gesättigten Lösung – wurden Vorversuche unternommen. Zudem wurde der Einfluss unterschiedlicher Karbonisierungstemperaturen auf die dotierten Kohlenstoffmaterialien untersucht; die Ergebnisse zeigen, dass hohe Temperaturen die Karbonisierung begünstigen und zu einer porösen, lockeren Struktur führen. Die unter Verwendung oktaedrischer MgO-Nanopartikel als Templat hergestellten dotierten Kohlenstoffmaterialien zeigten eine hervorragende katalytische Aktivität bei der Sauerstoffreduktionsreaktion.