吸着剤としての酸化グラフェンナノシートのグリーンな調製

Jun 05, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9314 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

酸化グラフェン (GO) は、グラフェンベースの材料の基本構成要素として、科学研究や産業用途において重要な役割を果たしています。 現在、GO を合成するために多くの方法が使用されていますが、まだ解決する必要がある問題がいくつかあるため、グリーンで安全かつ低コストの GO 調製方法を開発することが重要です。 ここでは、GOを調製するための環境に優しい、安全かつ迅速な方法が設計されました。つまり、黒鉛粉末は、まず酸化剤として過酸化水素（H2O2、30重量％）を使用して希硫酸溶液（H2SO4、6mol/L）中で酸化され、その後、水中での超音波処理によって GO まで剥離されます。 このプロセスでは、H2O2 のみが酸化剤であり、他の酸化剤は使用されないため、従来の方法における GO 生成反応の爆発性を完全に排除することができました。 この方法には、グリーン、高速、低コスト、Mn ベースの残留物がないなどの他の利点もあります。 実験結果は、得られた酸素含有基を有するGOが黒鉛粉末と比較して優れた吸着特性を有することを確認した。 吸着剤としての GO は、水からメチレンブルー (50 mg/L) と Cd2+ (56.2 mg/L) を除去でき、除去能力はそれぞれ 23.8 mg/g と 24.7 mg/g です。 これは、吸着剤などの一部の用途向けに GO を調製するための、グリーンで高速かつ低コストの方法を提供します。

グラフェンは、2004 年に初めて高配向熱分解グラファイトの機械的剥離によって調製されました 1。現在まで、グラフェンは最も重要な新規 2D ナノ材料の 1 つとして広く考えられています 2、3、4。 グラフェンの誘導体 5,6 である GO は、その基底面とエッジに共有結合したいくつかの酸素含有基により、その独特の特性を持っています 7,8。 さらに重要なのは、GO が基本的な構成要素として機能し、GO と他の材料との相互作用を通じてさまざまなグラフェンベースの材料を合成できることです9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19。 したがって、環境に優しく、安全で、迅速かつ低コストの GO の準備が非常に重要であり、この問題には多くの注目が集まっています。

酸化剥離プロセスに基づいて、湿式化学ルート 20 が大規模な調製方法として一般に認識されています。 GO の調製は 1859 年に Brodie 法 21 に基づいて初めて報告されて以来、黒鉛の酸化には塩素酸カリウム (KClO3) と発煙硝酸 (HNO3) の混合物が使用されました。 ほぼ 40 年後、シュタウデンマイヤーは、発煙 HNO3 と濃 H2SO422 の混合物に KClO3 をゆっくりと加えることにより、グラファイトを最適に酸化しました。 1958 年、グラファイトは通常、濃 H2SO4 中の KMnO4 と NaNO3 の混合物を使用する Hummers 法 23 によって酸化されました。 2010 年には、Hummers の方法がさらに最適化され、NaNO3 の代わりに混合系の安定剤として比例リン酸 (H3PO4) を追加することで Tour の方法と呼ばれるようになりました 24。 さらに、Jin et al.25 は、Hummers の方法に基づいて、グラファイトの GO への酸化および GO からの酸素基および水酸基の脱水剥離の触媒として、濃 H2SO4 を挿入分子として使用しました。

研究者らはハマー法を改良するために多大な努力を払ってきたが、長い反応時間、安全上のリスク、困難な品質管理、大量の廃酸液など、解決すべき実用的な問題がいくつかある26。 したがって、GO を合成するために数多くの代替方法が検討されてきました。 例えば、Gao et al.27 は、酸化剤として鉄酸カリウム Fe (VI) (K2FeO4) を使用した鉄ベースの方法を報告しました。このプロセスでは、Mn ベースの金属の不純物が効果的に回避され、濃 H2SO4 が効果的にリサイクルされました。 Yu ら 28 は、50 °C、pH 3 の水中で酸化剤として K2FeO4 と H2O2 を使用して GO を合成する簡単で環境に優しい方法を報告しました。 複合触媒として、Fe(VI) 溶液と H2O2 の混合物は、KMnO4 および強腐食性の酸の代替品です。 しかし、これらの鉄ベースの方法には、鉄ベースの金属の汚染や複雑な後処理などのいくつかの課題があります。