Preparación verde de nanoláminas de óxido de grafeno como adsorbente

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9314 (2023) Citar este artículo

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Como componente básico de los materiales a base de grafeno, el óxido de grafeno (GO) desempeña un papel importante en la investigación científica y las aplicaciones industriales. En la actualidad, se han empleado numerosos métodos para sintetizar GO, todavía hay algunos problemas que deben resolverse, por lo que es importante desarrollar un método de preparación de GO verde, seguro y de bajo costo. En este documento, se diseñó un método verde, seguro y rápido para preparar GO, a saber, el polvo de grafito se oxidó primero en una solución diluida de ácido sulfúrico (H2SO4, 6 mol/L) con peróxido de hidrógeno (H2O2, 30% en peso) como oxidante, y luego exfoliado a GO por tratamiento ultrasónico en agua. En este proceso, el H2O2 era el único oxidante y no se utilizaron otros oxidantes, por lo que la naturaleza explosiva de la reacción de preparación de GO en los métodos convencionales podría eliminarse por completo. Este método tiene otras ventajas, como verde, rápido, de bajo costo y sin residuos a base de manganeso. Los resultados experimentales confirman que el GO obtenido con grupos que contienen oxígeno tiene una mejor propiedad de adsorción en comparación con el polvo de grafito. Como adsorbente, GO puede eliminar azul de metileno (50 mg/L) y Cd2+ (56,2 mg/L) del agua con una capacidad de eliminación de 23,8 mg/g y 24,7 mg/g, respectivamente. Proporciona un método ecológico, rápido y de bajo costo para preparar GO para algunas aplicaciones, como adsorbente.

El grafeno se preparó por primera vez mediante la exfoliación mecánica de grafito pirolítico altamente orientado en 20041. Hasta ahora, el grafeno se considera uno de los nanomateriales 2D novedosos más importantes2,3,4. Como derivado del grafeno5,6, GO tiene su propiedad única debido a varios grupos que contienen oxígeno unidos covalentemente a sus planos basales y bordes7,8. Más importante aún, GO actúa como un bloque de construcción básico, se pueden sintetizar varios materiales basados ​​en grafeno a través de las interacciones entre GO y otros materiales9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Por lo tanto, una preparación ecológica, segura, rápida y de bajo costo de GO es muy crítica, y este tema ha atraído mucha atención.

Sobre la base del proceso de oxidación-exfoliación, la ruta química húmeda20 generalmente se reconoce como un método de preparación a gran escala. Dado que la preparación de GO se informó por primera vez en 1859 con base en el método de Brodie21, y se utilizó una mezcla de clorato de potasio (KClO3) en ácido nítrico fumante (HNO3) para oxidar el grafito. Casi cuarenta años después, Staudenmaier oxidó el grafito de manera óptima agregando lentamente KClO3 a una mezcla de HNO3 humeante y H2SO422 concentrado. En 1958, el grafito se oxidaba habitualmente por el método de Hummers23 con una mezcla de KMnO4 y NaNO3 en H2SO4 concentrado. En 2010, el método de Hummers se optimizó aún más y se denominó método de Tour al reemplazar NaNO3 y agregar ácido fosfórico proporcional (H3PO4) como estabilizador para el sistema mixto24. Además, Jin et al.25 utilizaron H2SO4 concentrado como moléculas intercaladas en la oxidación de grafito a GO y catalizador para la exfoliación por deshidratación de grupos oxíge- nos e hídricos de GO basados ​​en el método de Hummers.

Aunque los investigadores han realizado grandes esfuerzos para mejorar el método de Hummers, existen algunos problemas prácticos por resolver, como el tiempo de reacción prolongado, los riesgos de seguridad, el control de calidad difícil y una gran cantidad de residuos líquidos ácidos26. Por lo tanto, se han explorado numerosos métodos alternativos para sintetizar GO. Por ejemplo, Gao et al.27 reportaron un método basado en hierro con ferrato de potasio Fe (VI) (K2FeO4) como oxidante, en este proceso, las impurezas de los metales basados ​​en Mn fueron efectivamente evitadas y el H2SO4 concentrado fue efectivamente reciclado. Yu et al.28 reportaron un método fácil y verde para sintetizar GO con K2FeO4 y H2O2 como oxidantes en agua con pH de 3 a 50 °C. Como catalizador combinado, la mezcla de solución de Fe(VI) y H2O2 es un sustituto de KMnO4 y ácidos fuertemente corrosivos. Sin embargo, estos métodos a base de hierro tienen algunos problemas, como la contaminación de los metales a base de hierro y el procesamiento posterior complejo.

Con el respeto al medio ambiente y el bajo costo, los procesos electroquímicos se han desarrollado ampliamente para preparar GO29,30. Por ejemplo, Pei et al.31 utilizaron H2SO4 concentrado (98 % en peso) como agente de intercalación de grafito con una corriente continua de 1,6 V, luego emplearon H2SO4 diluido (50 % en peso) como medio ácido para oxidar el grafito intercalado con una corriente continua. de 5 V, y finalmente contrató ultrasonidos para exfoliar el grafito oxidado intercalado. En este proceso, H2SO4 se utilizó principalmente como agente de control para ajustar la reacción de evolución de oxígeno del agua para la oxidación de la red de grafito, por lo que se recicló H2SO4 y no se necesitó ningún otro oxidante. Desafortunadamente, el proceso de electrólisis de agua/disolvente que lo acompaña agrava la expansión y la deslaminación de los materiales grafíticos, lo que conduce a un suministro de corriente ineficaz o a un circuito roto29,30. Además, la estructura y propiedades de los productos obtenidos son muy diferentes a las del GO preparado por los métodos mejorados de Hummers5,6,7,8,9,10, quizás debido al bajo grado de oxidación y exfoliación32,33,34,35.

Al mismo tiempo, se han realizado grandes esfuerzos para descubrir el mecanismo de formación de GO36. Por ejemplo, Lee et al.37 exfoliaron y dispersaron materiales 2D en agua pura debido a la presencia de cargas superficiales como resultado de la funcionalización de los bordes o la polaridad intrínseca, que pueden inducir el ataque del oxígeno. Li et al.38 exfoliaron grandes cristales de grafito en pequeñas escamas de grafeno debido a la sonicación que condujo a la ruptura y estrías de bandas torcidas en las superficies de las escamas, el subsiguiente ataque oxidativo y la intercalación del solvente. Más recientemente, Zhu et al. Láminas GO exquisitamente preparadas mediante la oxidación microfluídica de grafito con KMnO4 en H2SO4 concentrado en una botella sellada con tapa de rosca debido a la transferencia de masa mejorada y al intercambio de energía extremadamente rápido39.

Sobre la base del desarrollo de métodos de preparación de GO y la exploración del mecanismo de formación de GO mencionado anteriormente, estamos tratando de encontrar una forma ecológica, segura y de bajo costo para preparar GO. En este trabajo se diseñó un método verde, seguro y de bajo costo para sintetizar GO mediante la oxidación de polvo de grafito en una solución diluida de H2SO4 con H2O2 como oxidante, y posterior tratamiento ultrasónico en agua. Los resultados experimentales prueban que GO puede prepararse por este método. Curiosamente, el GO obtenido con grupos que contienen oxígeno se puede utilizar como adsorbente para eliminar el azul de metileno y el Cd2+ del agua.

El polvo de grafito (99,8 % en peso de pureza, malla 200), H2SO4 (18 mol/L) y H2O2 (30 % en peso en agua) se adquirieron de National Pharmaceutical Reagent Company. Todos los químicos fueron usados ​​sin purificación adicional. Se usó agua desionizada (una resistencia de 18 MΩ) hecha de un sistema de solvente Milli-Q en todos los experimentos.

Como proceso típico, el polvo de grafito se oxidaba primero en una mezcla de H2SO4 y H2O2, y luego se exfoliaba en agua para obtener GO.

En primer lugar, se agregaron 2,0 g de polvo de grafito a un vaso de precipitados con 50 ml de solución diluida de H2SO4 (6 mol/l) y se agregaron lentamente 20 ml de H2O2 (30 % en peso) a la dispersión mixta en condiciones de agitación electromagnética. Luego, la dispersión mixta se calentó a 40 ℃ a través de un baño de agua con control de temperatura durante 3 h. Como experimentos de control, se agregó otro vaso de precipitados con 2,0 g de polvo de grafito y 50 mL de solución de H2SO4 sin agregar H2O2, siguiendo la misma operación experimental que la del primer vaso de precipitados.

En segundo lugar, después de enfriarse naturalmente a temperatura ambiente, la dispersión resultante se filtró y limpió con agua desionizada varias veces hasta un pH de 7. La solución diluida de H2SO4 se recogió y almacenó para su reutilización.

En tercer lugar, una porción de la muestra se trató con ultrasonido en agua desionizada durante 30 min, luego de la filtración, el GO obtenido se secó al vacío a 60 °C para las caracterizaciones.

En este proceso, solo el H2O2 fue oxidante y no se utilizó ningún otro oxidante. La solución diluida de H2SO4 se usó principalmente como medio ácido28,31 y agente de control para ajustar la reacción de radicales de oxígeno, por lo que se recicló el H2SO4. El proceso de preparación dura menos de 4 h, incluidas 3 h de baño de agua a 40 °C para la reacción de oxidación y 30 min de decapado ultrasónico a temperatura ambiente.

Las microestructuras de polvo de grafito, GO intermedio y obtenido se detectaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM, Hitachi S-4800), microscopía electrónica de transmisión (TEM, JEM-2100) y microscopía de fuerza atómica (AFM, Nanoscope V, Bruker Instruments) . El difractómetro de rayos X (XRD, difractómetro Bruker D8), la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR, Nicolet5700), el espectrómetro Raman (LabRAM HR800) y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS, K-alpha1063) se utilizaron para analizar la composición estructural de IR.

Las microestructuras de polvo de grafito, grafito oxidado (marcado como intermedio) y GO se muestran en la Fig. 1. El polvo de grafito tiene una estructura irregular y apilada apretadamente (Fig. 1b), mientras que la estructura del intermedio está suelta (Fig. 1c), muy diferente de la del polvo de grafito, y se puede dispersar fácilmente en el agua desionizada (el recuadro de la Fig. 1c). Después del tratamiento con ultrasonido en agua desionizada, el intermedio se puede exfoliar para GO (Fig. 1d), y el color de la solución GO es amarillo claro (el recuadro de la Fig. 1d).

(a) Fotografía óptica de polvo de grafito. Imágenes SEM (b) de polvo de grafito, (c) intermedio y (d) GO. El recuadro de (c) es una dispersión de intermedio, y el recuadro de (d) es una solución de GO (0,5 mg/mL).

La figura 2a revela además que el polvo de grafito tiene una estructura irregular y apilada con tamaños en un rango de decenas de micras. Por el contrario, el intermedio tiene una estructura suelta con tamaños más pequeños, como se muestra en la Fig. 2b. Además, las imágenes SEM de la sección transversal del polvo de grafito y el intermedio muestran su diferencia más claramente. En comparación con el polvo de grafito (Fig. 2c), el intermedio (Fig. 2d) tiene un espaciado de capa más amplio. Después del proceso ultrasónico, el polvo de grafito se puede separar en láminas grandes con un tamaño de varios micrones (Fig. 2e), mientras que el intermedio se puede pelar en nanoláminas GO (Fig. 2f).

Imágenes SEM de polvo de grafito (a, c) y el intermedio (b, d) con diferentes aumentos. Imágenes SEM de (e) hojas grandes derivadas de polvo de grafito y (f) nanohojas GO derivadas del intermedio.

Las imágenes TEM revelan que el GO obtenido con estructura plegada es de una sola capa o multicapa, como se muestra en la Fig. 3. Por lo tanto, se puede confirmar que las nanoláminas GO se pueden preparar a partir de polvo de grafito mediante este método.

Imágenes TEM de (a, b) GO nanosheets con diferentes aumentos.

Después de que el intermedio se exfoliara a una solución acuosa de GO (0,5 mg/mL) mediante tratamiento ultrasónico, y luego la solución de GO se goteó sobre un sustrato de Si recién limpio después del secado al vacío para la caracterización de AFM. La Figura 4 muestra que GO con una estructura arrugada tiene un espesor de pocas capas40.

(a) imagen AFM de GO y (b) los perfiles de altura correspondientes de la superficie GO.

Una solución acuosa de GO (1,0 mg/mL) tiene un claro efecto Tyndall (Fig. 5a). El espectro UV-Vis de esta solución GO tiene un pico principal a 231 nm y un hombro ancho a alrededor de 300 nm (Fig. 5b), lo que sugiere que algunos grupos funcionales que contienen oxígeno están unidos a los planos basales y los bordes de GO24.

Fotografía óptica (a) y espectro UV-Vis (b) de la solución GO (1,0 mg/mL).

Los espectros XRD, FTIR y Raman del polvo de grafito y las nanoláminas GO obtenidas se analizaron para revelar su diferencia estructural. Como se muestra en la Fig. 6a, el pico XRD del polvo de grafito se ubica en 2θ = 26,4°, mientras que el pico de las nanoláminas GO se ubica en 2θ = 10,0°, y sus picos son consistentes con informes anteriores41,42, lo que indica un mayor espacio entre GO capas en comparación con el polvo de grafito.

(a) patrones XRD, (b) patrones FTIR, (c) espectros Raman de polvo de grafito y nanoláminas GO, y (d) ajustes de pico Raman 2D de polvo de grafito. El recuadro de (a) es el patrón XRD de las nanoláminas GO, y el recuadro de (d) son los ajustes de pico Raman 2D de las nanoláminas GO.

Según los análisis de espectros FTIR, las nanoláminas GO obtenidas tienen algunos grupos funcionales41,42, como la vibración de estiramiento O–H (3430 cm−1), la vibración de estiramiento C=O (1720 cm−1), la vibración C=C (1620 cm−1 −1), vibraciones C–O (1400 cm−1, 1050 cm−1) y vibraciones C–OH (1240 cm−1), mientras que los espectros FTIR del polvo de grafito son diferentes a los del GO obtenido (Fig. 6b) .

También se utilizaron análisis Raman para probar su cambio estructural (Fig. 6c). Se puede observar que ambos tienen pico D (∼ 1320 cm−1), pico G (∼ 1580 cm−1) y banda 2D (∼ 2650 cm−1). Además, la relación de intensidad de la banda D (∼ 1320 cm−1) a la banda G (∼ 1580 cm−1) (ID/IG) aumenta ligeramente de 0,38 para el polvo de grafito a 0,45 para las nanoláminas GO obtenidas, lo que indica que la los defectos cristalinos y el desorden aumentan en las nanoláminas GO obtenidas41,42. Además, sus accesorios de pico Raman 2D tienen una clara diferencia, como se muestra en la Fig. 6d.

Se realizaron los espectros XPS de polvo de grafito y nanoláminas GO para analizar su composición. Como se muestra en la Fig. 7, ambos espectros de sondeo XPS tienen dos picos claros de carbono (C1s) y oxígeno (O1s), mientras que la intensidad del pico de O1s en GO aumenta significativamente, en comparación con el polvo de grafito (Fig. 7a). Los espectros C1s de alta resolución revelan que ambos tienen grupos C=C/C–C (284,7 eV), C–O (285,8 eV) y C=O (286,7 eV)41,42, respectivamente. Sus espectros O1s XPS de alta resolución tienen dos picos principales ubicados en 531,8 eV (C–O) y 533,0 eV (C=O), respectivamente. Además, la intensidad máxima de C=O para el polvo de grafito (Fig. 7b, c) es más baja que la de las nanoláminas GO (Fig. 7e, f), tal vez debido a la intercalación de oxidación de H2O2.

( a ) espectros de encuesta XPS, ( b ) espectro C1s XPS de alta resolución y ( c ) espectro O1s XPS de alta resolución de polvo de grafito. ( d ) espectros de encuesta XPS, ( e ) espectro C1s XPS de alta resolución y ( f ) espectro O1s XPS de alta resolución de nanohojas GO.

Para analizar el proceso de preparación de GO por este método, se deben tener en cuenta algunos factores importantes de la siguiente manera.

En el sistema de H2SO4/H2O2, solo el H2O2 actúa como un oxidante verde fuerte y una solución diluida de H2SO4 (6 mol/L) es un medio ácido. En este proceso, se pueden producir algunos radicales de oxígeno (como ·OH y ·OH2) a partir de H2O2 en condiciones ácidas, y luego los radicales de oxígeno atacan selectivamente las arrugas y los defectos en la superficie del grafito37,38. Como resultado, el ataque selectivo dotó a GO de algunos grupos que contienen oxígeno, lo que se confirma mediante los espectros FTIR y XPS del polvo de grafito y las nanoláminas de GO. La solución diluida de H2SO4 se utiliza principalmente como medio ácido28,31 y agente de control para ajustar la reacción de radicales de oxígeno, por lo que se recicla el H2SO4.

El contenido de oxidante y la temperatura de reacción son factores de influencia muy críticos. En este proceso, si el contenido de oxidante es bajo, no se logrará el efecto de oxidación deseado. Por otro lado, si la temperatura de la reacción es demasiado alta y la aceleración de la reacción de descomposición del H2O2 da como resultado un tiempo de reacción insuficiente. Después de la optimización, la dispersión mixta (que incluye 2,0 g de polvo de grafito, 50 ml de una solución de H2SO4 de 6 mol/l y 20 ml de H2O2 al 30 % en peso) se colocó en un vaso de precipitados y se calentó a 40 °C durante 3 h, por lo que el grafito superficie fue atacada por suficientes radicales de oxígeno derivados de la descomposición de H2O2 durante suficiente tiempo.

El GO fue preparado por este método que involucra dos procesos principales: la intercalación de oxidación y la delaminación ultrasónica. La intercalación de la oxidación se logró mediante el ataque selectivo de los radicales de oxígeno en una solución diluida de H2SO4, lo que genera una superficie GO con muchos grupos funcionales que contienen oxígeno. La deslaminación se completó mediante tratamiento ultrasónico en agua desionizada y no se requirió ningún otro agente de intercalación en este proceso.

De acuerdo con el análisis anterior, solo se usó H2O2 como oxidante sin subproductos nocivos, la solución diluida de H2SO4 se usó como medio ácido y se recicló. El intermedio que contenía la dispersión no era viscoso, y el intermedio se filtró y limpió fácilmente para la deslaminación, por lo que el proceso de preparación fue ecológico, seguro y de bajo costo.

Se analizó la microestructura del intermedio para confirmar la viabilidad de este método. Como se muestra en la Fig. 8a, el intermedio muestra una estructura suelta, en comparación con el polvo de grafito (Fig. 1b). Las partes ampliadas de su área seleccionada muestran claramente algunos rastros después del ataque selectivo (Fig. 8b-d). Además, el espacio entre las capas se amplió notablemente en el intermedio (Fig. 8e), y quedaron muchos rastros en los bordes después del ataque selectivo (Fig. 8f), por lo que las nanoláminas GO se prepararon con éxito a partir de polvo de grafito a intermedio después de la oxidación. intercalación de H2O2 y tratamiento ultrasónico en agua desionizada.

Imágenes SEM de (a-d) el intermedio con diferentes aumentos, y (e, f) la sección transversal del intermedio.

Las nanoláminas GO obtenidas con abundantes grupos funcionales se pueden utilizar como adsorbente para eliminar el azul de metileno (MB) y el Cd2+ del agua. En general, MB se utilizó como compuesto modelo para verificar la propiedad de adsorción del adsorbente. El proceso experimental general se describió de la siguiente manera: se agregaron 110 mg de adsorbente a 50 mL de solución de MB (50 mg/L), seguido de agitación a 200 rpm a temperatura ambiente. A intervalos de tiempo de 10 min, se separó el adsorbente por filtración y se calculó la concentración de MB residual en el filtrado mediante la ley de Beer en base al pico de absorción a 662 nm con un espectrofotómetro UV-Vis (Shimadzu UV-2450)43,44 .

Por otro lado, se preparó una solución acuosa de Cd2+ disolviendo el nitrato de plomo correspondiente en agua desionizada para llegar a una concentración de 5,0 × 10–4 mol/L (56,2 mg/L). Las pruebas de adsorción se llevaron a cabo utilizando 130 mg de adsorbente en 50 ml de solución acuosa de Cd2+. Se llevaron a cabo experimentos discontinuos de adsorción en matraces cónicos con agitación en condiciones ambientales. A intervalos de tiempo dados de 10 min, se obtuvo 1 ml del filtrado filtrando la solución mixta. La concentración de Cd2+ en el filtrado se determinó mediante oscilopolarografía de barrido único (JP-303E)45,46.

En contraste, el polvo de grafito y las nanoláminas GO adsorbieron MB (50 mg/L) a temperatura ambiente, sus equilibrios de adsorción se alcanzaron alrededor de los 50 min (Fig. 9a), su eficiencia de eliminación es 75,0% y 95,0%, respectivamente. Además, su capacidad de adsorción se evaluó en 18,8 mg/g y 23,8 mg/g, respectivamente.

Eficiencia de eliminación de MB (a) y Cd2+ (b) de polvo de grafito y nanoláminas GO.

Por otro lado, el polvo de grafito y las nanoláminas GO adsorbieron Cd2+ (56,2 mg/L) del agua a temperatura ambiente, sus equilibrios de adsorción se alcanzaron alrededor de los 50 min (Fig. 9b), su eficiencia de eliminación fue del 46,0 % y 88,0 %, respectivamente. . Así como su capacidad de adsorción se evaluó en 12,9 mg/g y 24,7 mg/g, respectivamente.

A partir de la comparación anterior de propiedades de adsorción, el polvo de grafito y las nanoláminas GO pueden adsorber MB y Cd2+ del agua, especialmente la capacidad de adsorción de las nanoláminas GO es mayor que la del polvo de grafito y se informaron algunos resultados47,48,49,50,51. Los resultados de adsorción también se compararon con la literatura47,48,49,50,51,52,53,54,55. Las características de adsorción de MB y Cd2+ en GO o compuestos GO se muestran en la Tabla 1. En nuestro experimento, GO se usó directamente como adsorbente y se debe mejorar su propiedad de adsorción. En particular, GO se puede hibridar para fabricar materiales compuestos con mejores propiedades de adsorción. Por ejemplo, la esponja GO/quitosana con un contenido de esponja de quitosana del 9 % tiene una capacidad de adsorción de 275,5 mg/g para MB56.

Debido a la abundancia de grupos funcionales y defectos de estructura en sus planos base y bordes, GO tiene una estructura y propiedades únicas (como propiedades fisicoquímicas novedosas, gran área de superficie específica y superficie altamente activa), que desempeña un papel importante en la eliminación de orgánicos y contaminantes inorgánicos del agua57.

En el caso de la adsorción de MB, GO con carga negativa interactúa con el tinte positivo de MB, por lo que la atracción electrostática y las interacciones hidrófobas π-π son responsables de este proceso de adsorción58,59. Además, la cinética de adsorción y la termodinámica de MB en GO se demostraron como un proceso mixto de fisisorción-quimisorción60.

Para eliminar los iones de metales pesados ​​del agua, GO tiene varias interacciones tales como coordinación, quelación, interacción electrostática, interacción π-π, interacción ácido base con varios iones metal/metal, debido a su estructura química única que contiene varios grupos hidrofílicos que contienen oxígeno y diminutos dominios de carbono sp2 rodeados por dominios sp361,62,63. Basado en la literatura reportada64,65,66, el proceso de adsorción de Cd2+ en GO fue consistente con la ecuación de pseudo segundo orden y el modelo de isoterma de Langmuir. Sin embargo, el proceso de adsorción real tiene varios factores que influyen67, como la electronegatividad y el potencial de reducción estándar de los iones de metales pesados.

Por otro lado, las condiciones experimentales juegan un papel importante en el proceso de adsorción específico. En los casos de MB y Cd2+, se deben tener en cuenta algunos factores de influencia importantes (como la dosis de adsorbente, el pH de la solución, el tiempo de contacto y la temperatura) de la siguiente manera. Como se muestra en la Fig. 9, sus equilibrios de adsorción alcanzan alrededor de los 50 min, y se considera que el tiempo de contacto de adsorción se extiende a una hora. Para ahorrar costes operativos, la temperatura de adsorción se mantiene a temperatura ambiente.

Al mismo tiempo, se aumenta gradualmente la dosis de adsorbente de 50 a 70, 90, 110, 130, 150 y 170 mg en 50 mL de solución de MB (50 mg/L) o solución de Cd2+ (56,2 mg/L), y el pH de la solución se ajusta gradualmente de 1 a 12.

La figura 10a muestra que la eliminación de MB por adsorción alcanza el equilibrio cuando la dosis de adsorbente es de 110 mg en 50 ml de solución, mientras que la figura 10b revela que la eliminación de MB por adsorción alcanza un valor máximo a un pH de 10. Por otro lado, la figura 10c muestra que la eliminación por adsorción de Cd2+ alcanza el equilibrio cuando la dosis de adsorbente es de 130 mg en 50 ml de solución, mientras que la Fig. 10d revela que la eliminación por adsorción de Cd2+ alcanza el pico a un pH de 7.

(a, b) Efectos de la concentración de adsorbente y el pH de la solución en MB adsorbido en GO, y (d, f) Efectos de la concentración de adsorbente y el pH de la solución en Cd2+ adsorbido en GO.

En conclusión, desarrollamos un método verde, seguro, rápido y de bajo costo para preparar nanoláminas GO mediante la oxidación de polvo de grafito en una solución diluida de H2SO4 con H2O2 como oxidante y posterior eliminación ultrasónica en agua desionizada. El mecanismo de formación se puede atribuir a los fuertes radicales de oxígeno que atacan las arrugas y los defectos en la superficie de las grandes láminas de grafito, lo que hace que los grupos funcionales intermedios que contienen oxígeno se exfolien fácilmente en nanoláminas mediante tratamiento ultrasónico. Este trabajo proporciona un método ecológico, seguro y de bajo costo para preparar nanoláminas GO para aplicaciones funcionales como adsorbente.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo.

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Este trabajo fue apoyado por el Programa para el Fondo de Puesta en Marcha de Talentos de Alto Nivel (PXY-BSQD2016010) y el Fondo Nacional de Cultivo (PXY-PYJJ2017001) de la Universidad de Pingdingshan, la Fundación de Ciencias Naturales de China (11904092) y la Provincia de Hunan. Fundación de Ciencias Naturales (2019JJ50028).

Escuela de Química e Ingeniería Ambiental, Laboratorio Clave de Innovación de Germoplasma de Henan y Utilización de Plantas Leñosas Eco-Económicas, Universidad de Pingdingshan, Weilai Road, Pingdingshan, 467000, China

Kesheng Cao, Zhengshan Tian y Yabo Wang

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad de Chizhou, Chizhou, 247000, China

Xunyou Zhang

Facultad de Ingeniería Electrónica y de la Información, Universidad de la ciudad de Hunan, Yingbin East Road, Yiyang, 413000, China

Qiuxiang Zhu

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KC concibió la idea, ZT diseñó los experimentos, XZ escribió el texto principal del manuscrito, YW y QZ prepararon las Figs. 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Zhengshan Tian o Xunyou Zhang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Cao, K., Tian, ​​Z., Zhang, X. et al. Preparación verde de nanoláminas de óxido de grafeno como adsorbente. Informe científico 13, 9314 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36595-2

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Recibido: 06 Agosto 2022

Aceptado: 06 junio 2023

Publicado: 08 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36595-2

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