Зеленое приготовление нанолистов оксида графена в качестве адсорбента

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9314 (2023) Цитировать эту статью

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Оксид графена (ГО) является основным строительным блоком материалов на основе графена и играет важную роль в научных исследованиях и промышленном применении. В настоящее время для синтеза ГО использовано множество методов, но все еще существуют некоторые проблемы, которые необходимо решить, поэтому важно разработать экологически чистый, безопасный и недорогой метод получения ГО. Здесь был разработан экологичный, безопасный и быстрый метод получения ГО, а именно: порошок графита сначала окисляли в разбавленном растворе серной кислоты (H2SO4, 6 моль/л) перекисью водорода (H2O2, 30 мас.%) в качестве окислителя, и затем отшелушивается до GO ультразвуковой обработкой в ​​воде. В этом процессе единственным окислителем была H2O2, и никакие другие окислители не использовались, что позволило полностью исключить взрывной характер реакции получения ОГ в традиционных методах. Этот метод имеет и другие преимущества, такие как экологичность, быстрота, низкая стоимость и отсутствие остатков Mn. Результаты экспериментов подтверждают, что полученный ОГ с кислородсодержащими группами обладает лучшими адсорбционными свойствами по сравнению с порошком графита. В качестве адсорбента ГО способен удалять из воды метиленовый синий (50 мг/л) и Cd2+ (56,2 мг/л) с удаляющей способностью 23,8 мг/г и 24,7 мг/г соответственно. Он обеспечивает экологически чистый, быстрый и недорогой метод подготовки ОГ для некоторых применений, таких как адсорбент.

Графен был впервые получен путем механического расслоения высокоориентированного пиролитического графита в 2004 году1. До сих пор графен широко считается одним из наиболее важных новых 2D-наноматериалов2,3,4. Будучи производным графена5,6, GO обладает уникальным свойством благодаря нескольким кислородсодержащим группам, ковалентно связанным с его базальными плоскостями и краями7,8. Что еще более важно, ГО действует как основной строительный блок: различные материалы на основе графена могут быть синтезированы посредством взаимодействия между ГО и другими материалами9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Таким образом, экологически чистое, безопасное, быстрое и недорогое приготовление ГО очень важно, и этому вопросу было привлечено много внимания.

На основе процесса окисления-расслоения влажный химический путь20 обычно считается крупномасштабным методом подготовки. Так как о получении ГО впервые было сообщено в 1859 г. по методу Броди21, то для окисления графита использовали смесь хлората калия (KClO3) с дымящей азотной кислотой (HNO3). Почти сорок лет спустя Штауденмайер оптимально окислил графит, медленно добавляя KClO3 в смесь дымящей HNO3 и концентрированной H2SO422. В 1958 г. графит обычно окисляли по методу Хаммерса23 смесью KMnO4 и NaNO3 в концентрированной H2SO4. В 2010 году метод Хаммерса был дополнительно оптимизирован и назван методом Тура путем замены NaNO3 и добавления пропорциональной фосфорной кислоты (H3PO4) в качестве стабилизатора смешанной системы24. Кроме того, Джин и др.25 использовали концентрированную H2SO4 в качестве интеркалированных молекул при окислении графита до GO и катализатора дегидратационного отшелушивания кислородных и водородных групп от GO на основе метода Хаммерса.

Хотя исследователи приложили большие усилия для улучшения метода Хаммерса, есть некоторые практические проблемы, которые необходимо решить, такие как длительное время реакции, риски безопасности, сложный контроль качества и большое количество отработанной кислотной жидкости26. Таким образом, было исследовано множество альтернативных методов синтеза ГО. Например, Гао и др.27 сообщили о методе на основе железа с ферратом калия Fe (VI) (K2FeO4) в качестве окислителя, в этом процессе эффективно избегались примеси металлов на основе Mn и эффективно перерабатывалась концентрированная H2SO4. Ю и др.28 сообщили о простом и экологичном методе синтеза ГО с K2FeO4 и H2O2 в качестве окислителей в воде с pH 3 при 50 °C. В качестве комбинированного катализатора смесь раствора Fe(VI) и H2O2 является заменителем KMnO4 и сильнокоррозионных кислот. Однако эти методы на основе железа имеют некоторые проблемы, такие как загрязнение металлами на основе железа и сложная последующая обработка.