흡착제로서 그래핀 옥사이드 나노시트의 친환경 제조

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9314(2023) 이 기사 인용

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그래핀 기반 재료의 기본 구성 요소인 산화 그래핀(GO)은 과학 연구 및 산업 응용에서 중요한 역할을 합니다. 현재 GO를 합성하기 위해 수많은 방법이 사용되었지만 여전히 해결해야 할 몇 가지 문제가 있으므로 친환경적이고 안전하며 저렴한 GO 준비 방법을 개발하는 것이 중요합니다. 여기서는 GO를 제조하기 위해 친환경적이고 안전하며 빠른 방법이 고안되었습니다. 즉, 흑연 분말을 먼저 과산화수소(H2O2, 30wt%)를 산화제로 사용하여 묽은 황산 용액(H2SO4, 6mol/L)에서 산화시켰습니다. 그런 다음 물에서 초음파 처리하여 각질을 제거하여 GO로 만듭니다. 이 공정에서는 H2O2가 유일한 산화제였으며 다른 산화제는 사용되지 않았으므로 기존 방법에서 GO 제조 반응의 폭발성 특성을 완전히 제거할 수 있었습니다. 이 방법은 친환경적이고 빠르며 저비용이며 Mn 기반 잔류물이 없다는 등의 다른 장점도 있습니다. 실험 결과는 산소 함유 그룹을 사용하여 얻은 GO가 흑연 분말에 비해 흡착 특성이 더 우수하다는 것을 확인합니다. 흡착제로서 GO는 각각 23.8mg/g 및 24.7mg/g의 제거 용량으로 물에서 메틸렌 블루(50mg/L) 및 Cd2+(56.2mg/L)를 제거할 수 있습니다. 이는 흡착제와 같은 일부 응용 분야에 GO를 준비하기 위한 친환경적이고 빠르고 저렴한 방법을 제공합니다.

그래핀은 20041년 고배향 열분해 흑연의 기계적 박리를 통해 처음으로 제조되었습니다. 지금까지 그래핀은 가장 중요한 신규 2D 나노물질 중 하나로 널리 간주됩니다2,3,4. 그래핀5,6의 파생물인 GO는 기저 평면과 가장자리7,8에 공유 결합된 여러 산소 함유 그룹으로 인해 독특한 특성을 가지고 있습니다. 더 중요한 것은 GO가 기본 빌딩 블록 역할을 하며 GO와 다른 재료 간의 상호 작용을 통해 다양한 그래핀 기반 재료를 합성할 수 있다는 것입니다9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. 따라서 친환경적이고 안전하며 빠르고 저렴한 GO 준비가 매우 중요하며 이 문제에 많은 관심이 모아졌습니다.

산화-박리 공정을 기반으로 하는 습식 화학 경로20은 일반적으로 대규모 제조 방법으로 인식됩니다. GO의 제조는 Brodie의 방법21을 기반으로 1859년에 처음으로 보고되었으며, 발연 질산(HNO3)에 염소산칼륨(KClO3)을 혼합한 혼합물을 사용하여 흑연을 산화시켰습니다. 거의 40년 후 Staudenmaier는 발연 HNO3와 농축된 H2SO422의 혼합물에 KClO3를 천천히 첨가하여 흑연을 최적으로 산화시켰습니다. 1958년에 흑연은 일반적으로 농축된 H2SO4에 KMnO4와 NaNO3를 혼합한 Hummers의 방법23에 의해 산화되었습니다. 2010년에는 Hummers의 방법이 더욱 최적화되어 NaNO3를 대체하고 혼합 시스템의 안정제로 비례 인산(H3PO4)을 추가하여 Tour의 방법으로 불렸습니다24. 더욱이, Jin et al.25은 Hummers의 방법에 기초하여 흑연을 GO로 산화시키는 과정에서 삽입된 분자와 촉매로서 농축된 H2SO4를 사용하여 GO로부터 산소 및 수산기의 탈수 박리를 수행했습니다.

연구자들이 Hummers의 방법을 개선하기 위해 많은 노력을 기울였음에도 불구하고 긴 반응 시간, 보안 위험, 어려운 품질 관리 및 다량의 폐산성 액체 등 해결해야 할 몇 가지 실질적인 문제가 있습니다26. 따라서 GO를 합성하기 위해 수많은 대체 방법이 연구되었습니다. 예를 들어 Gao 등27은 철산칼륨 Fe(VI)(K2FeO4)을 산화제로 사용하는 철 기반 방법을 보고했는데, 이 공정에서 Mn 기반 금속의 불순물을 효과적으로 방지하고 농축된 H2SO4를 효과적으로 재활용했습니다. Yu 등28은 50°C에서 pH 3인 물에서 산화제인 K2FeO4 및 H2O2를 사용하여 GO를 합성하는 간편하고 친환경적인 방법을 보고했습니다. 결합촉매로서 Fe(VI) 용액과 H2O2의 혼합물은 KMnO4와 부식성이 강한 산을 대체합니다. 그러나 이러한 철 기반 방법은 Fe 기반 금속의 오염, 복잡한 후처리 등의 문제를 안고 있습니다.