Preparazione verde di nanofogli di ossido di grafene come adsorbente

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9314 (2023) Citare questo articolo

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Essendo un elemento fondamentale dei materiali a base di grafene, l'ossido di grafene (GO) svolge un ruolo importante nella ricerca scientifica e nelle applicazioni industriali. Attualmente sono stati impiegati numerosi metodi per sintetizzare il GO, ma ci sono ancora alcuni problemi che devono essere risolti, quindi è importante sviluppare un metodo di preparazione del GO ecologico, sicuro ed economico. Qui è stato progettato un metodo ecologico, sicuro e veloce per preparare GO, ovvero la polvere di grafite è stata prima ossidata in una soluzione diluita di acido solforico (H2SO4, 6 mol/L) con perossido di idrogeno (H2O2, 30% in peso) come ossidante e poi esfoliato al GO mediante trattamento ad ultrasuoni in acqua. In questo processo, l'H2O2 era l'unico ossidante e non sono stati utilizzati altri ossidanti, pertanto la natura esplosiva della reazione di preparazione del GO nei metodi convenzionali ha potuto essere completamente eliminata. Questo metodo presenta altri vantaggi come verde, veloce, a basso costo e privo di residui a base di Mn. I risultati sperimentali confermano che il GO ottenuto con gruppi contenenti ossigeno ha proprietà di adsorbimento migliori rispetto alla polvere di grafite. Come adsorbente, GO può rimuovere il blu di metilene (50 mg/L) e il Cd2+ (56,2 mg/L) dall'acqua con una capacità di rimozione rispettivamente di 23,8 mg/g e 24,7 mg/g. Fornisce un metodo ecologico, veloce ed economico per preparare GO per alcune applicazioni come adsorbente.

Il grafene è stato preparato per la prima volta mediante esfoliazione meccanica della grafite pirolitica altamente orientata nel 20041. Fino ad ora, il grafene è ampiamente considerato come uno dei nuovi nanomateriali 2D più importanti2,3,4. Come derivato del grafene5,6, il GO ha la sua proprietà unica dovuta a diversi gruppi contenenti ossigeno legati covalentemente ai suoi piani e bordi basali7,8. Ancora più importante, il GO agisce come un elemento costitutivo di base, vari materiali a base di grafene possono essere sintetizzati attraverso le interazioni tra GO e altri materiali9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Pertanto, una preparazione del GO ecologica, sicura, rapida e a basso costo è molto critica e molta attenzione è stata attirata su questo tema.

Sulla base del processo di ossidazione-esfoliazione, il percorso chimico umido20 è generalmente riconosciuto come metodo di preparazione su larga scala. Poiché la preparazione del GO fu documentata per la prima volta nel 1859 sulla base del metodo di Brodie21, per ossidare la grafite fu utilizzata una miscela di clorato di potassio (KClO3) e acido nitrico fumante (HNO3). Quasi quarant'anni dopo, Staudenmaier ossidato in modo ottimale la grafite aggiungendo lentamente KClO3 in una miscela di HNO3 fumante e H2SO422 concentrato. Nel 1958, la grafite veniva solitamente ossidata con il metodo Hummer23 con una miscela di KMnO4 e NaNO3 in H2SO4 concentrato. Nel 2010, il metodo Hummer è stato ulteriormente ottimizzato e chiamato metodo di Tour sostituendo NaNO3 e aggiungendo acido fosforico proporzionato (H3PO4) come stabilizzante per il sistema misto24. Inoltre, Jin et al.25 hanno utilizzato H2SO4 concentrato come molecole intercalate nell'ossidazione della grafite a GO e catalizzatore per l'esfoliazione per disidratazione dei gruppi ossigenati e idrici da GO basata sul metodo di Hummers.

Sebbene i ricercatori abbiano compiuto grandi sforzi per migliorare il metodo Hummer, ci sono alcuni problemi pratici da risolvere, come i lunghi tempi di reazione, i rischi per la sicurezza, il difficile controllo di qualità e una grande quantità di liquidi acidi di scarto26. Pertanto, sono stati esplorati numerosi metodi alternativi per sintetizzare GO. Ad esempio, Gao et al.27 hanno riportato un metodo a base di ferro con ferrato di potassio Fe (VI) (K2FeO4) come ossidante, in questo processo le impurità dei metalli a base di Mn sono state efficacemente evitate e l'H2SO4 concentrato è stato efficacemente riciclato. Yu et al.28 hanno riportato un metodo facile ed ecologico per sintetizzare GO con K2FeO4 e H2O2 come ossidanti in acqua con pH pari a 3 a 50 °C. Come catalizzatore combinato, la miscela di soluzione Fe(VI) e H2O2 sostituisce KMnO4 e acidi fortemente corrosivi. Tuttavia, questi metodi a base di ferro presentano alcuni problemi come l’inquinamento dei metalli a base di Fe e la complessa post-elaborazione.