[논문 리뷰] Effect of the degree of oxidation of graphene oxide on As(III) adsorption

Ana Cecilia Reynosa-Martínez, Gabriela Navarro Tovar외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 20.

Arsenic contamination and mitigation참고 문헌 61인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 과도화된 그래핀 옥사이드의 산화도가 As(III)의 흡착 용량에 미치는 영향을 조사하며, 산화도가 높을수록 As(III) 흡착이 크게 향상됨을 입증한다. pH 7에서 최대 흡착 용량은 288 mg/g로 보고된 바 중 가장 높은 수준이며, 주로 표면의 수산기 및 에폭사이드 기와의 수소결합에 의해 이뤄진다. 이는 DFT 계산을 통해 강한 상호작용 에너지(각각 378 및 361 kcal/mol)가 확인됨으로써 뒷받처진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 그래핀 옥사이드의 산화도가 As(III) 흡착 용량에 미치는 영향을 규명하는 것.
• As(III) 결합에 주로 기여하는 표면 기능기들을 특정하는 것.
• 밀도함수이론(DFT)을 이용한 계산 모델링을 통해 흡착 메커니즘을 평가하는 것.
• 다양한 산화 수준에서의 그래핀 옥사이드의 세포독성 여부를 평가하는 것.

제안 방법

• 고정된 산화 수준을 갖는 그래핀 옥사이드 샘플을 과망간산칼륨 농도를 변화시켜 합성하였다.
• C/O 비율을 1.98에서 1.35로 체계적으로 변화시켜, C-OH 기능기 농도를 18%로, C-O-C 기능기 농도를 32%로 조절하였다.
• 세 가지 산화 수준에서 pH 7 조건에서 배치 흡착 실험을 실시하여 As(III) 흡착 용량을 측정하였다.
• As(III)와 표면 기능기 간의 상호작용을 모델링하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 산화 상태에 관계없이 50 µg/mL 농도에서 세포 생존율 측정 실험을 실시하여 그래핀 옥사이드의 세포독성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 옥사이드의 산화도가 As(III) 흡착 용량에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 그래핀 옥사이드 표면에서 As(III) 결합에 주로 기여하는 기능기는 무엇인가?
• RQ3 As(III)와 그래핀 옥사이드 간의 분자 수준에서의 상호작용 성격과 강도는 어떠한가?
• RQ4 산화도가 그래핀 옥사이드의 세포독성에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 가장 산화도가 높은 그래핀 옥사이드 샘플은 pH 7에서 As(III) 흡착 용량이 288 mg/g에 도달하였으며, 문헌에 보고된 바 중 가장 높은 값이다.
• 가장 산화도가 낮은 샘플은 최대 흡착 용량이 124 mg/g로 나타나 산화도에 따라 강한 의존성이 있음을 시사한다.
• DFT 계산 결과, 수산기 및 에폭사이드 기능기와의 수소결합 상호작용이 확인되었으며, 각각의 결합 에너지는 378 kcal/mol 및 361 kcal/mol이었다.
• 과망간산칼륨 농도 증가에 따라 C/O 비율이 1.98에서 1.35로 감소하여 제어된 산화가 이루어졌음을 확인하였다.
• 세포독성 시험 결과, 산화 상태에 관계없이 50 µg/mL 농도에서 세포 생존율이 57%로 나타나, 샘플 간 독성에 유의미한 차이가 없음을 시사하였다.