[論文レビュー] Effect of the degree of oxidation of graphene oxide on As(III) adsorption

Ana Cecilia Reynosa-Martínez, Gabriela Navarro Tovar+7 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2019

Arsenic contamination and mitigation参考文献 61被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、酸化グラフェン中の酸化度がAs(III)の吸着容量に与える影響を調査し、酸化度が高いほどAs(III)の吸着が顕著に向上することを示した。pH 7における最大吸着容量は288 mg/gに達し、報告された中で最も高い値の一つである。そのメカニズムは主に表面に存在するヒドロキシル基およびエポキシ基との水素結合に起因し、DFT計算によりそれぞれ378および361 kcal/molの強い相互作用エネルギーが確認された。

ABSTRACT

The study of the interaction between graphene oxide and arsenic is of great relevance towards the development of adsorbent materials and as a way to understand how these two materials interact in the environment. In this work we show that As(III) adsorption, primarily H3AsO3, by graphene oxide is dependent on its degree of oxidation. Variations in the concentration of potassium permanganate resulted in an increase on the C/O ratio from 1.98 to 1.35 with C-OH and C-O-C concentrations of 18 and 32%, respectively. Three oxidation degrees were studied, the less oxidized material reached a maximum As(III) adsorption capacity of 124 mg/g, whereas the graphene with the highest degree of oxidation reached a value of 288 mg/g at pH 7, to the authors knowledge, the highest reported in the literature. The interaction between graphene oxide and As(III) was also studied by Density Functional Theory (DFT) computer models showing that graphene oxide interacts with As(III) primarily through hydrogen bonds, having interaction energies with the hydroxyl and epoxide groups of 378 and 361 kcal/mol, respectively. Finally, cytotoxicity tests showed that the graphene oxide had a cellular viability of 57% with 50 μg/ml, regardless of its degree of oxidation.

研究の動機と目的

• 酸化グラフェンの酸化度がAs(III)の吸着容量に与える影響を特定すること。
• As(III)の吸着に寄与する主要な表面官能基を同定すること。
• 密度汎関数理論（DFT）を用いた計算モデルによる吸着メカニズムの評価。
• 酸化度の異なる状態における酸化グラフェンの細胞接着毒性の評価。

提案手法

• 酸化度を制御した酸化グラフェンの合成には、カリウムマンガン酸カリウムの濃度を変化させた。
• C/O比を1.98から1.35へと系統的に変化させ、C-OH（18%）およびC-O-C（32%）官能基の濃度を変化させた。
• pH 7でバッチ吸着実験を実施し、3つの酸化度レベルにおけるAs(III)の吸着容量を測定した。
• As(III)と表面官能基の相互作用をモデル化するため、密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 酸化状態に関係なく、50 µg/mLで細胞生存率試験を実施し、酸化グラフェンの細胞接着毒性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酸化グラフェンの酸化度が、As(III)の吸着容量にどのように影響を与えるか？
• RQ2 酸化グラフェンの表面官能基の中で、As(III)の吸着に主に寄与しているのはどれか？
• RQ3 分子レベルでのAs(III)と酸化グラフェンの間の相互作用の性質および強度は何か？
• RQ4 酸化度の変化が、酸化グラフェンの細胞接着毒性に影響を与えるか？

主な発見

• 最も酸化度の高い酸化グラフェン試料は、pH 7でAs(III)の吸着容量が288 mg/gに達し、文献に報告された中で最高値となった。
• 最も酸化度が低い試料の最大吸着容量は124 mg/gであった。酸化度に強く依存していることが示された。
• DFT計算により、ヒドロキシル基およびエポキシ基との水素結合が確認され、それぞれの結合エネルギーは378 kcal/molおよび361 kcal/molであった。
• カリウムマンガン酸カリウムの濃度を増加させることで、C/O比は1.98から1.35に低下し、酸化度の制御が成功したことが確認された。
• 細胞接着毒性試験の結果、50 µg/mLで細胞生存率が57%であったが、酸化度にかかわらず差は認められず、毒性に顕著な差はなかった。