СОРБЦИЯ КАТИОНОВ МЕДИ (II) ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ТЕРМОВОССТАНОВЛЕННЫМ ОКСИДОМ ГРАФЕНА
Аннотация
Электрохимическим методом синтезированы образцы многослойного оксида графена в электролитах на основе H2SO4. Результаты дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрического анализа полученных образцов выявляют эндотермический пик в интервале сканирования до 100 °С, сопровождающийся потерей массы порядка 7%. Этот эффект может быть обусловлен десорбцией и испарением некоторого количества удерживаемой воды в образцах. Другой эндотермический пик появляется при 252 °С на кривой ДТА и потерю массы 15%, можно объяснить разложением лабильных гидроксильных, эпоксидных и карбоксильных кислородсодержащих функциональных групп. Термическая эксфолиация при 250 °С многослойного оксида графена приводит к удалению кислородсодержащих функциональных групп, значительному увеличению размера частиц (KV = 1490 см3·г-1) и формированию червеобразных структур с большим количеством V-образных пор с размером 1-10 мкм и толщиной полиграфеновых плоскостей до 0,01 мкм. Удельная поверхность порошка термовосстановленного оксида графена составляет 400-500 м2г-1, диапазон распределения частиц в воде составляет 0,3-1400 мкм, модальный размер 211 мкм. При ультразвуковом воздействии на водную дисперсию оксида графена размер частиц дисперсной фазы значительно уменьшается до 0,2-400 мкм, с модальным размером 143 мкм. По ИК спектрам термовосстановленного оксида графена установлено наличие sp2-гибридизации C=C в структуре графена (пик при 1627 см-1), эпоксигрупп -C-O-C- (полоса между 1106 см-1 и 1005 см-1), карбоксильных групп -СООН- (полоса при 1384 см-1). Пик при 2300 см-1 соответствует пику поглощенных молекул СО2. После экспонирования термовосстановленного оксида графена в растворах, содержащих катионы меди, на ИК спектрах в области 690 - 1130 см-1 наблюдаются полосы поглощения, которые можно рассматривать как колебания группировок, образовавшихся на поверхности в результате взаимодействия катионов меди с атомами кислорода в составе функциональных групп. Изотермы адсорбции Cu2+ на термовосстановленном оксиде многослойного графена имеют вид характерный для изотерм класса H2 и характеризуются прямолинейным крутовосходящим начальным участком, что свидетельствует о большом сродстве адсорбата к адсорбенту и образовании химичсеких соединений. Вероятно, происходит взаимодействие ионов Cu2+ с карбоксильными функциональными группами, что подтверждается незначительным понижением pH раствора. Изотерма аппроксимирована прямой линией, что позволяет использовать для описания процесса адсорбции модель Ленгмюра. Максимальная сорбционная способность термовосстановленного оксида многослойного графена к Cu2+ составила ≈ 25 мг г-1, что заметно выше, чем сорбционная способность активированных углеродных волокон.
Литература
Vardhan K.H., Kumar P.S., Panda R.C. A review on heavy metal pollution, toxicity and remedial measures: Cur-rent trends and future perspectives. J. Molec. Liq. 2019. V. 290. P. 111-197. DOI: 10.1016/j.molliq.2019.111197.
Zhao J., Ren W., Cheng H.-M. Graphene sponge for efficient and repeatable adsorption and desorption of water contaminations. J. Mater. Chem. 2012. V. 22. P. 20197–20202. DOI: 10.1039/C2JM34128J.
Kucherova A.E., Burakova I.V., Burakov A.E., Bryankin K.V. Isotherms of adsorption of lead (II) ions by gra-phene nanocomposites. Vestn. TGTU. 2017. V. 23. N 4. P. 698-706 (in Russian). DOI: 10.17277/vestnik.2017.04.pp.698-706.
Peng W., Li H., Liu Y., Song S. A review on heavy metal ions adsorption from water by graphene oxide and its composites. J. Molec. Liq. 2017. V. 230. P. 496-504. DOI: 10.1016/j.molliq.2017.01.064.
Gu D., Fein J.B. Adsorption of metals onto graphene oxide: Surface complexation modeling and linear free energy relationships. Colloids Surf. A: Physicochem. and Eng. Asp. 2015. V. 481. P. 319-327. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2015.05.026.
Liu L., Liu S., Zhang Q., Li C., Bao C., Liu X., Xiao P. Adsorption of Au(III), Pd(II), and Pt(IV) from Aqueous So-lution onto Graphene Oxide. J. Chem. Eng. 2013. V. 58. P. 209–216. DOI: 10.1021/je300551c.
Jun B.-M., Kim S., Kim Y., Her N., Heo J., Han J., Jang M., Park C. M., Yoon Y. Comprehensive evaluation on re-moval of lead by graphene oxide and metal organic framework. Chemosphere. 2019. V. 231. P. 82-92. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2019.05.076.
Sitko R., Turek E., Zawisza B., Malicka E., Talik E., Heimann J., Gagor A., Feist B., Wrzalik R. Adsorption of divalent metal ions from aqueous solutions using graphene oxide. Dalton Trans. 2013. V. 42. P. 5682-5689. DOI: 10.1039/C3DT33097D.
Babkin A.V., Neskoromnaya E.A., Burakov A.YE., Burakova I.V. Kinetics of sorption of copper (II) ions from aqueous solutions with graphene oxide. Vestn. TGTU. 2018. V. 24. P. 79-86 (in Russian). DOI: 10.17277/vestnik.2018.01.pp.079-086.
White R.L., White C.M., Turgut H., Massoud A., Ryan Tian Z. Comparative studies on copper adsorption by graphene oxide and functionalized graphene oxide nanoparticles. J. Taiwan. Inst. Chem. Eng. 2018. V. 85. P. 18-28. DOI: 10.1016/j.jtice.2018.01.036.
Wang H., Yuan X., Wu Y., Huang H., Zeng G., Liu Y., Wang X., Lin N., Qi Y. Adsorption characteristics and be-haviors of graphene oxide for Zn (II) removal from aqueous solution. Appl. Surf. Sci. 2013. V. 279. P. 432-440. DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.04.133.
Guerrero-Fajardo C.A., Giraldo L., Moreno-Piraján J. C. Preparation and Characterization of Graphene Oxide for Pb(II) and Zn(II) Ions Adsorption from Aqueous Solution: Experimental, Thermodynamic and Kinetic Study. Nano-materials. 2020. V. 10. P. 1022. DOI: 10.3390/nano10061022.
Bian Y., Bian Z.-Y., Zhang J.-X., Ding A.-Z., Liu S.-L., Wang H. Effect of the oxygen-containing functional group of graphene oxide on the aqueous cadmium ions removal. Appl. Surf. Sci. 2015. V. 329. P. 269-275. DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.12.090.
Lingamdinne L.P., Koduru J.R., Roh H. Adsorption removal of Co(II) from waste-water using graphene oxide. Hydrometallurgy. 2016. V. 165. P. 90-96. DOI: 10.1016/j.hydromet.2015.10.021.
Li Y., Ju W., Yang L., Zhang L., Sun Y. Adsorption be-haviors and mechanism of graphene oxide for silver complex anion removal. Appl. Surf. Sci. 2020. V. 529. P. 147112. DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.147112.
Jiang T., Liu W., Mao Y., Zhang L., Cheng J., Gong M., Zhao H., Dai L., Zhang S., Zhao Q. Adsorption behavior of copper ions from aqueous solution onto graphene oxide–CdS composite. Chem. Eng. J. 2015. V. 259. P. 603-610. DOI: 10.1016/j.cej.2014.08.022.
Li X., Wang S., Liu Y., Jiang L., Song B., Li M., Zeng G., Tan X., Cai X., Ding Y. Adsorption of Cu(II), Pb(II), and Cd(II) Ions from Acidic Aqueous Solutions by Diethy-lenetriaminepentaacetic Acid-Modified Magnetic Graphene Oxide. J. Chem. Eng. Data. 2017. V. 62. P. 407–416. DOI: 10.1021/acs.jced.6b00746.
Yan J.-A., Chou M.Y. Oxidation functional groups on graphene: Structural and electronic properties. Phys. rev. B. 2010. V. 82. N 12. P. 12-15. DOI: 10.1103/PhysRevB.82.125403.
Song J., Wang X., Chang C.-T. Preparation and Characterization of Graphene Oxide. J. Nanomater.. 2014. V. 2. P. 1-6. DOI: 10.1155/2014/276143.
Solov'ev M.E., Raukhvarber A.B., Savinskii N.G., Ir-zhak V.I. Simulation and synthesis of graphene oxide from expanded graphite. RUGC. 2017. V. 87. P. 805-811. DOI: 10.1134/S1070363217040223.
Sur U.K., Saha A., Datta A., Ankamwar B., Surti F., Dutta Roy S., Roy D. Synthesis and characterization of sta-ble aqueous dispersions of graphene. Bull. Mater. Sci. 2016. V. 39. P. 159–165. DOI: 10.1007/s12034-015-0893-0.
Yakovlev A.V., Yakovleva E.V., Tseluikin V.N., Krasnov V.V., Mostovoy A.S., Rakhmetulina L.A., Frolov I.N. Electrochemical Synthesis of Multilayer Graphene Oxide by Anodic Oxidation of Disperse Graphite. Russ. J. Elec-trochem. 2019. V. 55. N 12. P. 1196–1202. DOI: 10.1134/S102319351912019X.
Yakovlev A.V., Yakovleva E.V., Tseluikin V.N., Kras-nov V.V., Mostovoy A.S., Vikulova M.A., Frolov I.H., Rakhmetulina L.A. Synthesis of Multilayer Graphene Oxide in Electrochemical Graphite Dispersion in H2SO4. Russ. J. Appl. Chem. 2020. V. 93. N 2. P. 219−224. DOI: 10.1134/S1070427220020093.
Yakovleva E.V., Yakovlev A.V., Mostovoy A.S., Tseluikin V.N., Frolov I.N. Electrochemical dispersion of graph-ite in 58% nitric acid to produce multilayer graphene oxide. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 3. P. 59-65. DOI: 10.6060/ivkkt.20216403.6324.
Hammers W.S., Offman R.E. Preparation of Graphitic Oxide. J. Am. Chem. Soc. 1958. V. 80 N 6. P. 1339–1339. DOI: 10.1021/ja01539a017.
Hou D., Liu Q., Wang X., Quan Y., Qiao Z., Yu L., Ding S. Facile synthesis of graphene via reduction of graphene oxide by artemisinin in ethanol. J. Materiomics. 2018. V. 4. Р. 256-265. DOI: 10.1016/j.jmat.2018.01.002.
Johnson D.W., Dobson B.P., Coleman K.S. A manufac-turing perspective on graphene dispersions. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2015. V. 20. P. 367-382.
Tseluikin V.N., Solov'ova N.D., Gun'kin I.F. Elecdtro-deposition of nickel-fullerene C60 composition coatings. Protect. Metals. 2007. V. 43. N 4. P. 388 – 390. DOI: 10.1134/S003317320704012.
Tseluikin V.N., Chubenko I.S., Gun'kin I.F., Pankst'yanov A.Yu. Colloidal dispersion of fullerene C60 free of organic solvents. Russ. J. Appl. Chem. 2006. V. 79. N 2. P. 325 – 326. DOI: 10.1134/S1070427206020315.
