[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究探讨了氧化石墨烯的氧化程度对其吸附 As(III) 能力的影响，表明更高的氧化水平显著增强了 As(III) 的吸附能力，在 pH 7 时最大吸附容量达到 288 mg/g，为目前报道的最高值。其机理主要由表面羟基和环氧基团之间的氢键驱动，DFT 计算证实这两种基团与 As(III) 的相互作用能分别为 378 和 361 kcal/mol。

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.

研究动机与目标

• 确定氧化石墨烯的氧化程度对 As(III) 吸附容量的影响。
• 识别主要负责 As(III) 结合的表面功能基团。
• 通过密度泛函理论（DFT）计算模拟评估吸附机理。
• 评估不同氧化水平下氧化石墨烯的细胞毒性。

提出的方法

• 通过改变高锰酸钾浓度，制备了氧化程度可控的氧化石墨烯样品。
• C/O 比率系统性地从 1.98 变化至 1.35，改变了 C-OH（18%）和 C-O-C（32%）功能基团的浓度。
• 在 pH 7 条件下进行批量吸附实验，测量三种氧化水平下的 As(III) 吸附容量。
• 采用密度泛函理论（DFT）计算，模拟 As(III) 与表面功能基团之间的相互作用。
• 在 50 µg/mL 浓度下进行细胞活力测定，评估氧化石墨烯的细胞毒性，无论其氧化状态如何。

实验结果

研究问题

• RQ1 氧化石墨烯的氧化程度如何影响其对 As(III) 的吸附容量？
• RQ2 氧化石墨烯表面哪些功能基团主要负责 As(III) 的结合？
• RQ3 As(III) 与氧化石墨烯在分子层面的相互作用性质和强度如何？
• RQ4 氧化程度是否影响氧化石墨烯的细胞毒性？

主要发现

• 最高度氧化的氧化石墨烯样品在 pH 7 时实现了 288 mg/g 的 As(III) 吸附容量，为文献中报道的最高值。
• 氧化程度最低的样品最大吸附容量为 124 mg/g，表明吸附能力强烈依赖于氧化水平。
• DFT 计算显示，As(III) 与羟基和环氧基团之间存在氢键作用，结合能分别为 378 kcal/mol 和 361 kcal/mol。
• 随着高锰酸钾浓度增加，C/O 比率从 1.98 降低至 1.35，证实了氧化过程的可控性。
• 细胞毒性测试显示，在 50 µg/mL 浓度下细胞活力为 57%，无论氧化水平如何，均无显著差异，表明各样品间毒性无明显区别。