有機機能化グラフェン酸化物の水中での挙動

Organic Functionalized Graphene Oxide Behavior in Water.

• Changwoo Kim
• Junseok Lee
• Will Wang
• John Fortner

抄録

表面改質グラフェン酸化物（GO）は、センサー、膜、吸着剤などの環境用途のプラットフォーム材料として注目されていますが、親（未改質）のGOと比較して、その後に改質されたGOの挙動に関する情報はほとんどありません。しかし、親（未修飾）グラフェン酸化物と比較して、バルクの天然有機物（NOM）コーティング以外の二次修飾グラフェン酸化物の挙動に関する情報はほとんどありません。ここでは、水中でのGOの安定性に関する有機官能基化の重要な役割を系統的に調べています。具体的には、慎重に選択された範囲の結合有機分子（疎水性コーティング：プロピルアミン、tert-オクチルアミン、1-アダマンチルアミン；親水性コーティング。親水性コーティング：3-アミノ-1-プロパノールと3-アミノ-1-アダマンタノール）、化学構造と官能基を直接比較できるようにしました。また、酸化度の異なるGO（有機官能基化なし）も比較のために含まれていた。材料マトリックスは、pH 7.0での様々なイオン強度と種類（NaCl、CaCl、MgCl、およびMgSO）の関数として臨界凝固濃度（CCC）を比較することにより、水系安定性を評価しました。表面誘導体化なし（すなわち、原始的なGO）では、GOの酸化状態の増加に伴って安定性が向上することが観察され、プレートプレートDerjaguin, Landau, Verwey and Overbeek（DLVO）エネルギー相互作用分析によって支持されています。誘導体化されたGOについては、親水性添加物（phi-GO）の方が疎水性有機コーティングされたGO（pho-GO）よりも比較的安定であることが観察されました。我々は、アダマンタン-x構造（3-アミノ-1-アダマンタノール対1-アダマンチルアミン）における単一のOH基を変化させることによって、このことをさらに調査しました。予想通り、Caと1価のコイオンは高酸化GO（HGO）とファイGOの凝集に重要な役割を果たしていますが、2価の陽イオンとコイオンの効果はファイGOではあまり重要ではありませんでした。以上のことから、本研究は、表面の官能基化（表面エネルギー）と、共イオンや対イオンの種類、価数、濃度などのイオン条件との関係から、水中でのGO系材料の安定性の複雑なダイナミクスについての新たな知見を提供するものである。

Surface modified graphene oxide (GO) has received broad interest as a potential platform material for sensors, membranes, and sorbents, among other environmental applications. However, compared to parent (unmodified) GO, there is a dearth of information regarding the behavior of subsequently (secondary) modified GO, other than bulk natural organic matter (NOM) coating(s). Here, we systematically explore the critical role of organic functionalization with respect to GO stability in water. Specifically, we synthesized a matrix of GO-based materials considering a carefully chosen range of bound organic molecules (hydrophobic coatings: propylamine, tert-octylamine, and 1-adamantylamine; hydrophilic coatings: 3-amino-1-propanol and 3-amino-1-adamantanol), so that chemical structures and functional groups could be directly compared. GO (without organic functionalization) with varying oxidation extent(s) was also included for comparison. The material matrix was evaluated for aqueous stability by comparing critical coagulation concentration (CCC) as a function of varied ionic strength and type (NaCl, CaCl, MgCl, and MgSO) at pH 7.0. Without surface derivatization (i.e., pristine GO), increased stability was observed with an increase in the GO oxidation state, which is supported by plate-plate Derjaguin, Landau, Verwey and Overbeek (DLVO) energy interaction analyses. For derivatized GO, we observed that hydrophilic additions (phi-GO) are relatively more stable than hydrophobic organic coated GO (pho-GO). We further explored this by altering a single OH group in the adamantane-x structure (3-amino-1-adamantanol vs. 1-adamantylamine). As expected, Ca and monovalent co-ions play an important role in the aggregation of highly oxidized GO (HGO) and phi-GO, while the effects of divalent cations and co-ions were less significant for pho-GO. Taken together, this work provides new insight into the intricate dynamics of GO-based material stability in water as it relates to surface functionalization (surface energies) and ionic conditions including type of co- and counter-ion, valence, and concentration.