Determination of functional groups in graphite and graphene oxide

Accurate and selective quantification of phenols, lactones, and carboxylates via Boehm titration

概要

ベーム滴定は、NaHCO₃（pKa = 6.4）、Na₂CO₃（pKa = 10.3）、およびNaOH（pKa = 15.7）の塩基性溶液との反応に基づく、炭素材料表面の官能基の定量分析です。これは、表面上の主に酸素を含む利用可能な官能基について、高精度な絶対値を与える、コスト効率の高い手法です。ベーム滴定はもともと、導電性カーボンブラック（CCB）、活性炭、多孔質炭素、黒鉛といった炭素材料向けに開発されました。グラフェン、酸化グラフェン（GO）、カーボンナノチューブといった現代の炭素系材料も、この方法により分析することができます。GOは、多量の官能基を含む炭素系二次元ナノ材料です。これは主に、還元型酸化グラフェン（RGO）（剥離グラフェンなど）を形成するために使用され、これは優れた機械的・電気的特性を持つ現代の高性能材料として、ナノセル、検出器、ナノスケール導電デバイス、電池などに応用されています。

Sample and sample preparation

試料材料は、異なるガラスビーカーに秤取され、加えられた炭酸水素塩、炭酸塩、または水酸化ナトリウム溶液と2日間反応させます。それぞれの塩基溶液について、ブランク試料も調製する必要があります。

Experimental

OMNIS titrator with the digital pH electrode and a dosing module.

図 1. デジタルpH電極とドージングモジュールを備えたOMNIS titrator。

ブランクおよび試料の一定量を、最後の当量点を過ぎるまで塩酸溶液に対して滴定しました（図2）。

Results

Exemplary titration curve of an aliquot of GO in NaOH solution with HCl as titrant.

図2. NaOH溶液中のGOの一定量を、HClを滴定剤として滴定した滴定曲線の例。

**表1.** 黒鉛およびGOのベーム滴定による官能基測定のまとめ結果。
塩基溶液 (n = 3)	黒鉛中の官能基 (mmol/g)	GO中の官能基 (mmol/g)
水酸化ナトリウム	0.1982	5.7354
炭酸ナトリウム	0.0628	4.1399
炭酸水素ナトリウム	0.0452	3.6967

Conclusion

ベーム滴定は、炭素材料上の官能基数を定量化するための、最も簡便かつコスト効率の高い方法です。予想通り、GO上で確認された官能基量は、黒鉛と比較して著しく多く（30倍）なっています。そのため、本手法により炭素系材料の品質管理が可能となり、ハイエンドなOMNISプラットフォームを使用することで、結果を直接算出・表示することができます。さらに、分析を自動化することも可能であり、ヒューマンエラーの要因を低減し、より高いサンプルスループットを実現します。

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