Preparação verde de nanofolhas de óxido de grafeno como adsorvente

Jun 05, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9314 (2023) Citar este artigo

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Como elemento básico de materiais à base de grafeno, o óxido de grafeno (GO) desempenha um papel importante na pesquisa científica e em aplicações industriais. Atualmente, inúmeros métodos têm sido empregados para sintetizar GO, ainda existem alguns problemas que precisam ser resolvidos, por isso é importante desenvolver um método de preparação de GO verde, seguro e de baixo custo. Aqui, um método verde, seguro e rápido foi projetado para preparar GO, ou seja, o pó de grafite foi primeiramente oxidado em uma solução diluída de ácido sulfúrico (H2SO4, 6 mol/L) com peróxido de hidrogênio (H2O2, 30% em peso) como oxidante, e em seguida esfoliado para GO por tratamento ultrassônico em água. Neste processo, o H2O2 foi o único oxidante, e nenhum outro oxidante foi utilizado, assim a natureza explosiva da reação de preparação do GO nos métodos convencionais pôde ser completamente eliminada. Este método apresenta outras vantagens como verde, rápido, de baixo custo e sem resíduos à base de Mn. Os resultados experimentais confirmam que o GO obtido com grupos contendo oxigênio possui melhor propriedade de adsorção em comparação ao pó de grafite. Como adsorvente, GO pode remover azul de metileno (50 mg/L) e Cd2+ (56,2 mg/L) da água com capacidade de remoção de 23,8 mg/ge 24,7 mg/g, respectivamente. Ele fornece um método ecológico, rápido e de baixo custo para preparar GO para algumas aplicações, como adsorvente.

O grafeno foi preparado pela primeira vez pela esfoliação mecânica de grafite pirolítica altamente orientada em 20041. Até agora, o grafeno é amplamente considerado como um dos mais importantes novos nanomateriais 2D . Como derivado do grafeno5,6, o GO possui sua propriedade única devido a vários grupos contendo oxigênio ligados covalentemente aos seus planos basais e bordas7,8. Mais importante ainda, o GO atua como um bloco de construção básico, vários materiais à base de grafeno podem ser sintetizados através das interações entre o GO e outros materiais9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Portanto, uma preparação de GO verde, segura, rápida e de baixo custo é muito crítica, e muitas atenções têm sido atraídas para esta questão.

Com base no processo de oxidação-esfoliação, a rota química úmida é geralmente reconhecida como método de preparação em larga escala. Já a preparação do GO foi relatada pela primeira vez em 1859 com base no método de Brodie21, e uma mistura de clorato de potássio (KClO3) em ácido nítrico fumegante (HNO3) foi usada para oxidar a grafite. Quase quarenta anos depois, Staudenmaier oxidou de forma otimizada a grafite adicionando lentamente KClO3 a uma mistura de HNO3 fumegante e H2SO422 concentrado. Em 1958, a grafite era normalmente oxidada pelo método de Hummers23 com uma mistura de KMnO4 e NaNO3 em H2SO4 concentrado. Em 2010, o método Hummers foi ainda mais otimizado e denominado método de Tour, substituindo o NaNO3 e adicionando ácido fosfórico proporcional (H3PO4) como estabilizador do sistema misto24. Além disso, Jin et al.25 utilizaram H2SO4 concentrado como moléculas intercaladas na oxidação de grafite a GO e catalisador para a esfoliação por desidratação de grupos oxigenados e hídricos de GO com base no método de Hummers.

Embora os pesquisadores tenham feito grandes esforços para melhorar o método Hummers, existem algumas questões práticas a serem resolvidas, como longo tempo de reação, riscos de segurança, difícil controle de qualidade e grande quantidade de resíduos líquidos ácidos26. Assim, numerosos métodos alternativos foram explorados para sintetizar GO. Por exemplo, Gao et al.27 relataram um método à base de ferro com ferrato de potássio Fe (VI) (K2FeO4) como oxidante, neste processo, as impurezas dos metais à base de Mn foram efetivamente evitadas e o H2SO4 concentrado foi efetivamente reciclado. Yu et al.28 relataram um método fácil e ecológico para sintetizar GO com K2FeO4 e H2O2 como oxidantes em água com pH 3 a 50 °C. Como catalisador combinado, a mistura de solução de Fe(VI) e H2O2 é um substituto do KMnO4 e de ácidos fortemente corrosivos. No entanto, esses métodos à base de ferro apresentam alguns problemas, como a poluição de metais à base de Fe e o pós-processamento complexo.