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Graphene Oxide and Its Derivatives as Adsorbents for PFOA Molecules

吸附 全氟辛酸 石墨烯 分子 氧化物 化学 扩散 碳纤维 无机化学 化学工程 材料科学 有机化学 纳米技术 物理 复合数 工程类 复合材料 热力学
作者
Xin Wang,Hongwei Zhang,Seokgyun Ham,Rui Qiao
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:127 (44): 9620-9629 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.3c04762
摘要

Effective, low-cost adsorbents are needed to remove perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances (PFAS) from water sources. Carbon-based materials are promising PFAS adsorbents. Here, we explore the potential of graphite oxide (GO) and its derivatives as PFAS adsorbents by studying the adsorption of perfluorooctanoic acid (PFOA), a model PFAS molecule, on GO surfaces with O/C ratios up to 16.7% using molecular dynamics simulations. An adsorption free energy of approximately −30 kJ/mol (or −310 meV) is obtained for pristine graphene in pure water, and adsorbed PFOA molecules diffuse rapidly. As the O/C ratio increases, hydrophobic interactions' contribution to PFOA adsorption diminishes, but that by electrostatic interactions becomes important. Overall, adsorption is weakened, but favorable adsorption still occurs at an O/C ratio of 16.7%. The in-plane diffusion coefficient of adsorbed PFOA molecules decreases by more than 45 times as the O/C ratio increases to 8.3% but increases significantly when the O/C ratio increases further to 16.7%. Adding salt improves the adsorption owing to the salting-out and screening effects but slows the diffusion of adsorbed PFOA molecules, and these effects are more pronounced at low O/C ratios. These results show that GOs are effective PFOA adsorbents. Such effectiveness, along with GO's potentially low cost and the possibility of regenerating spent GO by removing adsorbed PFOA molecules through a mild electrical potential, makes GO a promising adsorbent for PFOA and similar molecules. The insights from the present study can help the rational design of GOs to realize their full potential.

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