Préparation verte de nanofeuilles d'oxyde de graphène comme adsorbant

Jun 05, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9314 (2023) Citer cet article

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En tant qu'élément de base des matériaux à base de graphène, l'oxyde de graphène (GO) joue un rôle important dans la recherche scientifique et les applications industrielles. À l’heure actuelle, de nombreuses méthodes ont été utilisées pour synthétiser le GO, mais certains problèmes restent encore à résoudre. Il est donc important de développer une méthode de préparation du GO écologique, sûre et peu coûteuse. Ici, une méthode verte, sûre et rapide a été conçue pour préparer GO, à savoir que la poudre de graphite a d'abord été oxydée dans une solution diluée d'acide sulfurique (H2SO4, 6 mol/L) avec du peroxyde d'hydrogène (H2O2, 30 % en poids) comme oxydant, et puis exfolié au GO par traitement ultrasonique dans l'eau. Dans ce processus, H2O2 était le seul oxydant et aucun autre oxydant n'était utilisé, ce qui permet d'éliminer complètement la nature explosive de la réaction de préparation du GO dans les méthodes conventionnelles. Cette méthode présente d’autres avantages tels qu’elle est verte, rapide, peu coûteuse et sans résidus à base de Mn. Les résultats expérimentaux confirment que le GO obtenu avec des groupes contenant de l'oxygène possède de meilleures propriétés d'adsorption par rapport à la poudre de graphite. En tant qu'adsorbant, GO peut éliminer le bleu de méthylène (50 mg/L) et le Cd2+ (56,2 mg/L) de l'eau avec une capacité d'élimination de 23,8 mg/g et 24,7 mg/g, respectivement. Il fournit une méthode verte, rapide et peu coûteuse pour préparer GO pour certaines applications telles que les adsorbants.

Le graphène a été préparé pour la première fois par exfoliation mécanique de graphite pyrolytique hautement orienté en 20041. Jusqu'à présent, le graphène est largement considéré comme l'un des nouveaux nanomatériaux 2D les plus importants2,3,4. En tant que dérivé du graphène 5,6, GO possède une propriété unique due à plusieurs groupes contenant de l'oxygène liés de manière covalente à ses plans et bords basaux 7,8. Plus important encore, GO agit comme un élément de base, divers matériaux à base de graphène peuvent être synthétisés grâce aux interactions entre GO et d'autres matériaux9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Par conséquent, une préparation écologique, sûre, rapide et peu coûteuse du GO est très essentielle, et de nombreuses attentions ont été attirées sur cette question.

Basée sur le procédé d'oxydation-exfoliation, la voie chimique humide20 est généralement reconnue comme méthode de préparation à grande échelle. Depuis que la préparation du GO a été signalée pour la première fois en 1859 sur la base de la méthode de Brodie21, un mélange de chlorate de potassium (KClO3) et d'acide nitrique fumant (HNO3) a été utilisé pour oxyder le graphite. Près de quarante ans plus tard, Staudenmaier a oxydé le graphite de manière optimale en ajoutant lentement du KClO3 à un mélange de HNO3 fumant et de H2SO422 concentré. En 1958, le graphite était généralement oxydé par la méthode Hummers23 avec un mélange de KMnO4 et NaNO3 dans du H2SO4 concentré. En 2010, la méthode Hummers a été encore optimisée et appelée méthode de Tour en remplaçant NaNO3 et en ajoutant de l'acide phosphorique proportionné (H3PO4) comme stabilisant pour le système mixte24. De plus, Jin et al.25 ont utilisé du H2SO4 concentré comme molécules intercalées dans l'oxydation du graphite en GO et comme catalyseur de l'exfoliation par déshydratation des groupes oxygénés et hydriques de GO sur la base de la méthode de Hummers.

Bien que les chercheurs aient déployé de gros efforts pour améliorer la méthode des Hummers, certains problèmes pratiques restent à résoudre, tels que le long temps de réaction, les risques de sécurité, les contrôles de qualité difficiles et la grande quantité de liquides acides résiduaires26. Ainsi, de nombreuses méthodes alternatives ont été explorées pour synthétiser GO. Par exemple, Gao et al.27 ont signalé une méthode à base de fer avec du ferrate de potassium Fe (VI) (K2FeO4) comme oxydant. Dans ce processus, les impuretés des métaux à base de Mn ont été efficacement évitées et le H2SO4 concentré a été efficacement recyclé. Yu et al.28 ont rapporté une méthode simple et écologique pour synthétiser GO avec K2FeO4 et H2O2 comme oxydants dans une eau avec un pH de 3 à 50 °C. En tant que catalyseur combiné, le mélange de solution de Fe(VI) et de H2O2 remplace le KMnO4 et les acides fortement corrosifs. Cependant, ces méthodes à base de fer présentent certains problèmes tels que la pollution des métaux à base de Fe et un post-traitement complexe.