KR20130045996A - 그래핀 산화물 스폰지 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀 산화물 스폰지 및 이를 포함하는 유기물 흡착 물질 - Google Patents

그래핀 산화물 스폰지 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀 산화물 스폰지 및 이를 포함하는 유기물 흡착 물질 Download PDF

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Abstract

그래핀 산화물 스폰지 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀 산화물 스폰지 및 이를 포함하는 유기물 흡착 물질이 제공된다.
본 발명에 따른 그래핀 산화물 스폰지 제조방법은 그래핀 산화물 시트가 분산된 용액을 상압 미만의 진공 상태에서 원심회전시켜 그래핀 산화물 스폰지를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

그래핀 산화물 스폰지 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀 산화물 스폰지 및 이를 포함하는 유기물 흡착 물질{Method for manufacturing graphene-oxide sponge, graphene-oxide sponge manufactured by the same and absorption material for organic material comprising the same}
본 발명은 그래핀 스폰지 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀 스폰지 및 이를 포함하는 유기물 흡착 물질에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 방식으로 제조되어 수용액 상태에 존재하는 염료 등과 같은 유기물질을 제거하는데 유용한 그래핀 산화물 스폰지의 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀 산화물 스폰지 및 이를 포함하는 유기물 흡착 물질에 관한 것이다.
친환경적인 흡착기술을 통하여 유기 오염원을 제거하고자 하는 연구는 계속되고 있다. 특히, 염료(dye)나 안료(pigment)는 염료 제조 공정이나 섬유 제조 공정 시 발생하는 주요한 환경 오염원으로, 오염된 물로부터 제거되기 어려운 물질 중 하나이다.
이러한 유기물질의 제거를 위하여, 메조포러스 실리카, 활성탄소, 세피오라이트, 흑연 및 탄소나노튜브와 같은 많은 종류의 흡수물질들이 이러한 수용성 유기오염원을 제거하기 위한 후보물질로 연구되고 있다. 또한, 이러한 수용성 유기오염원인 염료로는 프로시온 레드 MX-5B, 메틸블루(MB), 메틸바이올렛(MV) 및 로타민-B 등이 있다. 하지만, 이러한 흡수물질은 여전히 낮은 흡착효율과 제조에 따른 고비용 등의 개선되어야 할 문제가 있다.
따라서 본 발명이 해결하려는 과제는 염료 등과 같은 유기오염원을 효과적으로 흡착시킬 수 있는 물질의 제조방법과 물질을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 이러한 물질을 이용한 유기오염물질의 흡착 소재를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 그래핀 산화물 스폰지 제조방법으로, 상기 방법은 그래핀 산화물 시트가 분산된 용액을 상압 미만의 진공 상태에서 원심회전시켜 그래핀 산화물 스폰지를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물 스폰지 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 그래핀 산화물 시트 표면에는 음이온 산소 기능기가 결합된 상태이며, 상기 용액은 수용액이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제조는 튜브에서 진행되며, 상기 원심회전에 따라 상기 튜브의 측벽에 그래핀 산화물 스폰지가 제조된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 그래핀 산화물 시트는 흑연으로부터 박리된 그래핀 산화물 시트이다.
본 발명은 상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 상술한 방법에 의하여 제조된 그래핀 산화물 스폰지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 그래핀 산화물 스폰지는 기공 구조를 가지며, 그래핀 산화물 시트가 3차원으로 네트워크 구조를 이루며, 또한 본 발명은 그래핀 산화물 스폰지를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착제를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 흡착제의 흡착 대상 물질은 유기물질이며, 상기 유기물질은 상기 그래핀 산화물 스폰지의 그래핀 산화물 시트와 π-π 스태킹을 할 수 있는 방향족기를 포함한다.
본 발명은 또한 상술한 그래핀 산화물 스폰지를 이용한 흡착방법으로, 상기 방법은 유기물질이 용해된 용액에 상술한 그래핀 산화물 스폰지를 혼입시키는 단계; 및 상기 그래핀 산화물 스폰지를 회수하는 단계를 포함하며, 여기에서 상기 용액은 수용액인 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물 스폰지를 이용한 흡착방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 방법은 상기 그래핀 산화물 스폰지를 혼입시킨 후, 상기 용액을 교반시키는 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물 스폰지를 이용한 흡착방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 용액의 pH는 7 이상이며, 상기 유기물질은 방향족기와 양이온기를 포함한다.
본 발명에 따르면, 간단한 공정인 원심 진공 증발 방식에 따라 그래핀 산화물 스폰지를 제조하므로, 제조공정이 경제적이다. 아울러 제조된 그래핀 산화물 스폰지는 수용액 상에서 분산되어, 염료와 같은 유기오염물질을 효과적으로 흡착, 제거한다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 그래핀 산화물 스폰지는 유기물질의 흡착제로 유용하다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 산화물 스폰지 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 1b는 본 발명에 따라 제조된 그래핀 산화물 스폰지의 유연성을 보이는 이미지이다.
도 1c 는 저배율 SEM 이미지이고, 1d는 3차원 그래핀 산화물 스폰지의 내부의 고배율 이미지이다.
도 2a는 MB, MV 및 그래핀 산화물의 화학 구조를 나타내는 도면이다.
도 2b의 좌측은 MB 염료 용액의 원래 이미지이고, 중간은 MB가 흡착된 그래핀 산화물 스폰지가 함유된 옅은 색 용액의 이미지이고, 우측은 MB-흡착 그래핀 산화물 스폰지가 여과된 후의 맑은 용액의 이미지이다.
도 2c는 여과된 염료-흡착 그래핀 산화물 스폰지의 디지털 이미지이다.
도 2d와 2e는 각각 저배율 및 고배율 MB 흡착 그래핀 산화물 스폰지의 SEM 이미지이다.
도 3은 MB와 MV 염료의 흡착 속도와 교반 속도 사이의 관계 그래프이다.
도 4는 교반속도, 온도 및 pH 조건에 따른 흡착 속도를 분석한 그래프이다.
도 5는 그래핀 산화물 스폰지에서의 MB 및 MV 흡착의 분석 결과 그래프이다.
이하, 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 표시되는 약어는 본 명세서 내에서 별도의 다른 지칭이 없다면 당업계에서 통용되어, 이해되는 수준으로 해석되어야 한다.
본 발명은 상술한 바와 같이 염료와 같은 유기오염원의 흡착물질로 그래핀 산화물 스폰지를 이용한다.
그래핀은 2차원 sp2 탄소네트워크의 벌집 결정구조를 가지며, 특이한 전기적, 기계적 특성을 갖는다. 이러한 독특한 특성에 기인하여 그래핀은 나노전자소자와 센서의 활성물질로 활용되고 있다. 또한, 그래핀은 일반적으로 알려진 탄소구조체에 비하여 매우 넓은 비표면적(2,630 m2·g-1)을 갖는다. 하지만, 현재까지 넓은 비표면적의 그래핀을 흡수제로 사용하는 시도는 아직까지 개시되지 않고 있다. 최근 연구에 따르면, 개별 그래핀 산화물 시트는 저렴한 물질인 흑연을 박리시킴으로써 제조될 수 있다고 보고되고 있다. 이때 이들 표면은 π-π 스태킹 상호작용과 반데르발스 힘을 통하여 유기 또는 바이오 분자로 개질된 상태이다. 더 나아가, 현탁된 그래핀 산화물 용액은 다시 응집되어, 다양한 차원의 구조체를 형성하는데, 본 발명은 이러한 응집 구조체를 유기 또는 무기, 바이오 물질을 흡착하기 위한 흡착제 구조로 활용한다.
이를 위하여 본 발명은 최초로 그래핀 물질이 가지는 매우 넓은 표면적과 표면에서의 π-π 상호작용을 이용, 그래핀을 환경오염물질을 흡착, 제거하기 위한 소재로 활용한다.
즉, 본 발명은 간단한 원심 진공 증발 방식을 통하여 그래핀 산화물 현탁액으로부터 3차원 구조의 신규한 그래핀 산화물 스폰지를 제조하며, 상기 제조된 그래핀 산화물 스폰지를 메틸 바이올렛(MV), 메틸 블루(MB) 등과 같은 염료를 제거하기 위한 흡착제로 활용한다.
이하 실험예 등을 통하여 본 발명은 상세히 설명한다.
실험예
물질
MB [C16H18N3OS, MW: 333.6 gmol-1, λmax: 630 nm], MV [C25H30N3Cl, MV: 393.96 gmol-1, λmax: 584 nm]와 흑연 플레이크를 Sigma-Aldrich사로부터 구입하였다. 모든 MB 및 MV 수용액은 MB 및 MV를 탈이온수에 용해시킴으로써 제조되었다. 염료 흡착 전, 후의 3D 그래핀 산화물 스폰지에 대한 모폴로지는 주사전자현미경(SEM)을 통하여 분석되었다.
3D 그래핀 산화물 ( Graphene Oxide , GO ) 스폰지 제조
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 산화물 스폰지 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 1a를 참조하면, 변형 Hummers 방식에 따라 수용액에서 흑연 산화물을 초음파 처리하여, 균일하게 분산된 단일층 그래핀 산화물 시트를 제조하였다. 이때 그래핀 산화물 시트에는 카르복실기, 에폭시 기와 같은 음이온 산소 기능기가 결합된 상태이며, 본 발명에 따른 그래핀 산화물 스폰지는 진공상태에서 진행되는 원심회전에 따라 제조되었다. 이를 상세히 설명하면, 콜로이드 현탁액 상태의 그래핀 산화물 용액 1 mL를 2 mL의 에펜도르프 튜브에 넣고, 튜브를 진공 챔버에 고정된 회전자 플레이트(rotor plate)에 두었다. 이후, 상온, 1 x 10-4 torr 압력 조건 하에서 1800rpm속도로 원심 진공 증발기를 6시간 동안 동작시켜, 그래핀 산화물 스폰지를 제조하였다.
3D 그래핀 산화물 스폰지에 의한 염료 흡착
본 발명에 따라 제조된 그래핀 산화물 스폰지 10 mg과 염료 용액(1.2ｘ10-3 또는 2.4ｘ10-3 M 농도) 5mL를 혼합하였다. 상기 혼합용액의 온도는 수조에서 298, 323 및 343 K로 조절되었고, 100, 200 및 300rpm으로 교반속도를 조절하였다. 또한, 염산 또는 수산화나트륨을 이용하여 혼합용액의 pH 를 3, 7 및 10으로 고정하였다. 시료 20 ㎕를 연속적으로 취하여, 580 ㎕ 탈이온수로 희석하였다. 이후, UV-Vis 스펙트로스코피를 사용하여 얻은 630 nm에서의 MB 흡수피크, 584nm에서의 MV 흡수피크에 따라, 흡수된 염료의 양을 계산하였다. 흡착 후, 그래핀 산화물 스폰지에 흡착된 염료는 셀룰로스 아세테이트 멤브레인 상에서 여과되었으며, 여과물의 전체 탄소양은 CS-800 탄소/황 determinator에 의하여 결정되었다(CS800, ELTRA).
3D 그래핀 산화물 합성 및 분석
3D 그래핀 산화물의 합성방법은 도 1에 도시되었다.
도 1에 따르면, 그래핀 산화물 수용액(10 mg·mL-1 농도) 1 mL를 2mL 에펜도르프 튜브에 넣은 후 진공 증발 방식에 따라 상기 그래핀 산화물 수용액은 3차원 구조의 그래핀 산화물 스폰지를 제조하였다. 본 발명에서 콜로이드 현탁액의 그래핀 산화물 시트는 수직으로의 증발과 바깥쪽으로의 원심력 조합에 따라 응집된다. 또한, 진공 증발 공정이 저온에서 진행되면, 원심력이 증발력을 압도하게 되어, 튜브 측벽에 자기조립된 그래핀 산화물 덩어리가 형성된다. 갈색을 보이며, 면화 같이 부드러운 모폴로지의 그래핀 산화물 스폰지는 집게를 통하여 에펜도로프 튜브 측벽에서 기계적으로 분리되었다. 도 1b는 본 발명에 따라 제조된 그래핀 산화물 스폰지의 유연성을 보이는 사진으로, 도 1b를 참조하면 짧은 시간 동안 그래핀 산화물 스폰지가 원 형태로 회복하는 것을 알 수 있다.
도 1c 는 저배율 SEM 이미지이고, 1d는 3차원 그래핀 산화물 스폰지의 내부의 고배율 이미지이다.
도 1c 및 1d를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 그래핀 산화물 스폰지는 그래핀 산화물 시트들이 잘 조립되어, 수십 마이크로미터 크기의 비교적 균일한 기공으로 상호 연결되었음을 알 수 있다. 또한, 수평방향으로 200nm 내지 5 ㎛ 인 단일층 그래핀 산화물 시트가 조립되어 30 ㎛ 크기의 플레이크를 형성하며, 상기 플레이크는 주로 에지-에지 결합, 부분적으로는 에지-표면 결합을 통하여 상호 연결되었음을 알 수 있다. 또한, 진공 증발 과정에서 인가된 원심력에 의하여 배열된 스택킹 구조로부터, 그래핀 산화물 내부 또한 평행한 그래핀 산화물 시트 연결 구조를 갖는 균일 크기의 다공 구조를 갖는다. (도 2 참조)
도 1d를 참조하면, 매우 부드럽고, 20 ㎛ 보다 넓은 면적의 그래핀 산화물 스폰지의 단일 표면을 알 수 있다.
이와 같이 조직화되고, 3차원으로 연결된 그래핀 시트는 높은 기계적 강도와 구조적 안정성을 가지며, 노출된 그래핀 표면은 환경오염물질을 흡착 제거할 수 있는 흡착제로 기능할 수 있다.
오염원인 MB 와 MV 흡착의 동력학적 분석
도 2a는 MB, MV 및 그래핀 산화물의 화학 구조를 나타내는 도면이다.
도 2a 도시된 바와 같이 MB와 MV는 풍부한 방향족 링과 양이온(MB 의 S+ MB 및 MV 의 N+)을 갖는다.
도 2b의 좌측은 MB 염료 용액의 원래 이미지이고, 중간은 MB가 흡착된 그래핀 산화물 스폰지가 함유된 옅은 색 용액의 이미지이고, 우측은 MB-흡착 그래핀 산화물 스폰지가 여과된 후의 맑은 용액의 이미지이다.
도 2 b를 참조하면, MB 염료 용액(농도 1.2 ｘ3 M)은 처음 매우 짙은 청색을 보이나, 본 발명에 따라 제조된 그래핀 산화물 스폰지 10 mg을 첨가함에 따라 상온에서 2분후 매우 옅은 색 용액으로 변하였다. 다시 진공 여과에 따라 깨끗하고 무색의 물이 도 2b의 우측에서와 같이 얻어졌다. 표면이 산소기능기로 개질된 그래핀 산화물이 가지는 친수성 특성과 그래핀 특유의 3차원 고밀도 구조로 인하여, MB와 같은 수용성 유기물질과의 혼합 시 그래핀 스폰지는 수용액에 잘 분산되어 흡착 효율이 극대화된다. 그래핀 산화물 스폰지에 흡착된 침전 염료를 여과시키고, 여과물의 TC를 측정하였다. 그 결과 원 MB 용액의 0.3671 중량% 대비 여과물의 TC는 0.0461 중량%로 측정되었다.
도 2c는 여과된 염료-흡착 그래핀 산화물 스폰지의 디지털 이미지이다.
도 2c를 참조하면, 회수된 그래핀 산화물 스폰지의 모폴로지는 진공 여과 공정에 따라 덩어리에서 밀리미터 크기의 그래핀 산화물 입자로 변화된다.
도 2d와 2e는 각각 저배륭 및 고배율 MB 흡착 그래핀산화물 스폰지의 SEM 이미지이다. 도 2d 및 2e를 참조하면, 염료가 흡착된 그래핀 산화물 입자의 SEM 이미지는 붕괴된 기공구조를 가지며, 더 얇고 거친 표면의 그래핀 산화물층이 나타난다. 또한 그래핀 산화물의 용해도로부터 얻어지는 그래핀 산화물층의 응집된 형태뿐만 아니라, 흡착된 염료분자에 의하여 그래핀 산화물층의 보다 향상된 π-π 스태킹 효과를 발생시킨다. 이러한 결과는 친수성 그래핀 산화물 스폰지가 수용성 염료 용액에서 매우 빨리 용해되어, 우수한 흡착 플랫폼 기능을 수행하여, π-π스태킹이 가능한 방향족기를 갖는 유기염료를 π-π상호작용과 음이온-양이온 상호작용에 의하여 흡착시킬 수 있음을 증명한다.
교반속도를 달리한 흡착속도의 비교실험 결과, MB와 MV(1.2ｘ10-3 M 농도) 모두 본 발명에 따른 그래핀 산화물 스폰지에 상당히 빠른 시간동안 흡착되었으며(MB(99.5 mg·g-1·min-1) 및 MV (116.5 mg·g-1·min-1)), 대부분의 염료는 2분 내에 제거된다(도 3 참조). 도 3은 MB와 MV 염료의 흡착 속도와 교반 속도 사이의 관계 그래프이다. 도 3을 참조하면, MB 의 경우, 200 내지 300rpm에서의 흡착속도가 유사하였으나, 100rpm에서는 그 속도가 낮았으나(도 3a), MV의 경우, 교반속도와 상관없이 비슷한 결과를 보였다 (도 3 b).
도 4는 교반속도, 온도 및 pH 조건에 따른 흡착 속도를 분석한 그래프이다. 염료 농도를 2배로 증가시킨 고농도에서의 그래핀 산화물의 흡착능을 분석하였다. 도 4a 및 4b는 100rpm 내지 300rpm의 교반 속도에서 측정된 MB 및 MV 흡착 동역학 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 비록 200 내지 300 rpm 사이에서의 흡착속도 차이가 적었지만, 교반 속도가 커짐에 따라 흡착 속도는 빨라지는 경향을 보였다. 100rpm일 때, 교반이 없는 경우 MB 및 MV 는 60분 후 흡착속도가 포화수준에 이르렀으나, 300 rpm으로 혼합시키는 경우, 20분 이후 흡착속도가 포화상태에 도달하였다. 이것은 혼합 속도가 염료의 제거에 큰 영향을 주는 요인임을 암시하며, 따라서, 본 발명의 실시예에서는 그래핀 산화물 스폰지와 염료 용액의 혼합 속도(교반 속도)를 300 rpm으로 고정하였다.
298, 323 및 343K의 온도에서의 흡착 속도에 대한 온도 효과를 분석하였다(도 4c 및 4d). 이때 염료 농도는 2.4 x 10-3 M이었고, pH는 7, 혼합 속도는 300 rpm 이었다. 반응 온도가 298K에서 343K 증가함에 따라, 그래핀 산화물에 흡착된 염료의 양은 MB의 경우 387에서 396 mg·g- 1으로, MV의 경우 424에서 455 mg·g- 1으로 증가하였다 (도 4c 및 4d 참조). 이것은 본 발명에 따른 그래핀 산화물 스폰지에 대한 염료의 흡착 반응이 흡열반응이라는 것을 나타낸다. 흡착반응에서 제공된 열 에너지는 흡착물질이 외부 경계층으로부터 내부의 다공 구조로 확산되게 하며, 이로써 흡착되는 염료 양을 증가시킨다.
그래핀 산화물의 MB 및 MV 흡착속도에 대한 pH 영향을 분석하기 위하여 pH 농도를 3 에서 10까지 변화시키며, 흡착속도를 측정하였다(2.4ｘ10-3 M, 300 rpm 및 298 K). 그래핀 산화물 표면은 높은 pH일 때 음이온 전하의 기능기가 풍부해지므로, π-π 스태킹 상호작용뿐만 아니라, 이온 상호작용이 증가하여, 양이온의 염료 분자를 표면에 효과적으로 결합시킨다.
도 4e 및 4f는 그래핀 산화물에 흡착된 염료의 양이 pH 증가에 따라 증가하는 결과를 보여주는데, 이것은 그래핀 산화물 표면의 증가된 음이온과 양이온 염료 간의 증가된 상호작용에 기인한다.
pH가 3인 경우와 비교하여 볼 때, pH가 10인 경우 MB는 14%로 흡착량이 증가하며, MV는 21%로 그래핀 산화물 스폰지에 대한 흡착량이 증가한다(MB: pH 3일 때 328 mg·g-1, pH 10일 때 374 mg·g-1, MV: pH 3일 때 380 mg·g-1, pH 10일 때, 460 mg·g-1. 하지만, 본 발명에 따라 제조된 그래핀 산화물 스폰지에 대한 염료의 흡착속도는 pH값과 상관없이 매우 빨랐으며, 20분 내에 속도 평형을 이루었다.
그래핀산화물 스폰지에서의 MB 및 MV 흡착 메커니즘 및 열역학적 분석
3D 그래핀산화물에서의 MB와 MV 흡착 메커니즘을 분석하였고, 도 5는 그래핀 산화물 스폰지에서의 MB 및 MV 흡착의 분석 결과 그래프이다.
상기 분석을 위하여 298, 323 및 343K의 온도, pH 7 및 300rpm 교반 속도의 조건하에서 염료흡착실험을 수행하였고, 얻어진 실험결과를 분석하였다. 슈도 1차원 모델이 적용되는 경우, MB와 MV의 흡착 상관 계수는 0.03071에서 0.59684로, 0.08247에서 0.66257까지 각각 변화되었다. 하지만, 슈도 2차원 동역학식에 따르면, 도 5a, 5b와 표 1에 도시된 바와 같이 상관계수는 0.03%의 차이 이내에서 1에 가까웠으며, 스폰지에서의 염료흡착이 2차원 동역학식과 일치함으로 나타낸다.
[표 1]
Figure pat00001
흡착 메커니즘을 살펴보면, 경계층, 내부-입자 확산 및 그래핀 표면에서의 염료 흡착을 통한 연속적인 염료 확산 공정으로 설명될 수 있다. Weber-Morrison 이론에 따르면, 흡착 용량(qt)과 시간 제곱근(t0 .5) 사이의 그래프는 직선을 나타내어야 한다. 표 2는 298, 323 및 323K에서의 내부-입자 확산 파라미터를 보여준다.
[표 2]
Figure pat00002
상이한 선형 기울기가 나타나는 도 5c 및 5d는 298 및 323K에서의 흡착과정 중에 발생하는 2 단계를 보여준다. 도 2 내지 4를 참조하면, 이들 두 기울기는 두 개의 구별되는 확산 현상으로 설명될 수 있다. 먼저, 염료 분자는 그래핀 산화물 스폰지의 거대기공(macropore)을 관통하며, 20분까지 외부 표면에서의 흡착이 포화된다. 다시, 기공은 감소되어, 염료확산 속도는 감소하게 된다. 하지만, 343K에서의 단일 기울기는 확산 속도가 전체 흡착 공정 중에 크게 영향 받지 않는다는 것을 의미하며, 이것은 감소된 그래핀 산화물 기공 간격(캐비티)를 통과하기 위한 에너지 장벽을 극복하기에 충분한 열적 에너지를 갖는다는 것을 의미한다.
아레니우스 식에 따라 MB와 MV 흡착의 아레니우스 인자 및 활성화 에너지를 분석하였다. 도 5e에 도시된 바와 같이, MB와 MV의 활성화에너지는 각각 50.3 및 70.9 kJ·mol-1이었다. 화학적 흡착은 40 내지 800 kJ·mol-1의 높은 활성화 에너지를 가지므로, 본 발명에 따라 제조된 그래핀 스폰지 상에서의 MB와 MV 흡착은 강한 π-π스태킹과 음이온-양이온 상호작용을 통한 화학 흡착으로 설명된다.
정리하면, 본 발명에 따른 그래핀 스폰지는 원심 진공 증발 방식에 의하여 제조되며, 유기 염료와 같은 유기 물질의 제거에 매우 유용하다. 따라서, 본 발명에 따른 그래핀 스폰지는 수용액 상에 존재하는 유기물질을 제거하는 활성물질로 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 그래핀 산화물 스폰지 제조방법으로, 상기 방법은
    그래핀 산화물 시트가 분산된 용액을 상압 미만의 진공 상태에서 원심회전시켜 그래핀 산화물 스폰지를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물 스폰지 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 그래핀 산화물 시트 표면에는 음이온 산소 기능기가 결합된 상태이며, 상기 용액은 수용액인 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물 스폰지 제조방법.
  3. 제 2에 있어서,
    상기 제조방법은 튜브에서 진행되며, 상기 원심회전에 따라 상기 튜브의 측벽에 그래핀 산화물 스폰지가 제조되는 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물 스폰지 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 그래핀 산화물 시트는 흑연으로부터 박리된 그래핀 산화물 시트인 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물 스폰지 제조방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 그래핀 산화물 스폰지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 그래핀 산화물 스폰지는 기공 구조를 가지며, 그래핀 산화물 시트가 3차원으로 네트워크 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물 스폰지.
  7. 제 5항에 따른 그래핀 산화물 스폰지를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착제.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 흡착제의 흡착 대상 물질은 유기물질이고, 상기 유기물질은 상기 그래핀 산화물 스폰지의 그래핀 산화물 시트와 π-π 스태킹을 할 수 있는 방향족기를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착제.
  9. 제 5항에 따른 그래핀 산화물 스폰지를 이용한 흡착방법으로, 상기 방법은
    유기물질이 용해된 용액에 제 5항에 따른 그래핀 산화물 스폰지를 혼입시키는 단계; 및
    상기 그래핀 산화물 스폰지를 회수하는 단계를 포함하며, 여기에서 상기 용액은 수용액인 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물 스폰지를 이용한 흡착방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 방법은
    상기 그래핀 산화물 스폰지를 혼입시킨 후, 상기 용액을 교반시키는 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물 스폰지를 이용한 흡착방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 용액의 pH는 7 상인 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물 스폰지를 이용한 흡착방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 유기물질은 방향족기와 양이온기를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 산화물 스폰지를 이용한 흡착방법.
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