Graphene/montmorillonite and graphene oxide/montmorillonite hybrids as functional nanomaterials: a view in the current literature

Nunes Filho, F. G.; Alves, A. P. M.; Nascimento, T. R. L.; Castellano, L. R. C.; Fonseca, M. G.

doi:10.1590/0366-69132021673823063

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Sumário

Articles • Cerâmica 67 (382) • Apr-Jun 2021 • https://doi.org/10.1590/0366-69132021673823063 copy

Graphene/montmorillonite and graphene oxide/montmorillonite hybrids as functional nanomaterials: a view in the current literature

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Abstract

In hybrids derived from graphene or graphene oxide and montmorillonite (MMT) clay, the phyllosilicate matrix of MMT provides stability to the carbonaceous layer structure of graphene. The formation of hybrids improves the physicochemical properties and biocompatibility of the individual components. In addition to enhancing the chemical reactivity of MMT, the synthesis of hybrids with graphene or its derivatives may offer enhanced properties. The synergistic properties of the organic and inorganic components of the hybrids result in functional materials, as demonstrated in various fields, such as environmental remediation, adsorption, catalysis, materials science, biology, and biomedical sciences. In this review, we present the main routes for synthesizing the hybrids of graphene and its derivatives with MMT. We discuss the effects of the structure and interactions between the constituents on the formation of composites. Furthermore, major characterization techniques and material properties, such as structural, morphological, textural, and thermal properties, are discussed.

Keywords:
montmorillonite; graphene; graphene oxide; hybrids

Tabela I Exemplos de obtenção de híbridos de grafeno/MMT e seus derivados pelo tratamento térmico de MMT modificada com diferentes precursores orgânicos.

Agente modificador	Híbrido precursor	Tratamento térmico	Características do híbrido resultante	Ref.
Carboidrato e biopolímero	MMT modificada com sacarose	600-900 °C com ou sem ativação ácida prévia com H₂SO₄; ar ou atmosfera inerte (Ar)	MMT com monocamadas de grafeno	¹¹⁷117 A. Bakandritsos , T. Steriotis , D. Petridis, Chem. Mater. 16, 8 (2004) 1551.
	MMT modificada com sacarose	≤600 °C com ou sem ativação ácida prévia com H₂SO₄; ar ou atmosfera inerte (Ar)	MMT com monocamadas de grafeno	²⁸28 A. Bakandritsos, E. Kouvelos, T. Steriotis, D. Petridis, Langmuir 21, 6 (2005) 2349.
	MMT modificada com sacarose	700 °C, 1 h, 15 °C.min^-1, N₂	MMT com multicamadas de grafeno	²⁸28 A. Bakandritsos, E. Kouvelos, T. Steriotis, D. Petridis, Langmuir 21, 6 (2005) 2349.
	MMT modificada com sacarose	800 °C, 3 h, atmosfera oxidante	MMT com multicamadas de grafeno e carvão mineral	¹¹⁸118 B. Mico-Vicent, M. Lopez, A. Bello, N. Martinez, M.V. Francisco, J. Sol. Energy Eng. Trans. ASME 139, 3 (2017) 310051.
	MMT modificada com CMC	300-600 °C, 2 h, N₂	MMT com monocamadas de grafeno	¹⁰⁷107 S. Liu , Y. Liu, L. Jiang, G. Zeng, Y. Li , Z. Zeng, X. Wang , Q. Ning, J. Environ. Manage. 236 (2019) 25.
Polímero	MMT e OMMT¹ modificadas com polipropileno (PP)	700 °C, N₂	MMT com multicamadas de grafeno	⁹⁶96 J. Gong, J. Liu , X. Wen, Z. Jiang, X. Chen , E. Mijowska, T. Tang, Ind. Eng. Chem. Res. 53, 11 (2014) 4173.
	MMT modificada com poliacrilonitrila	700 °C, 3 h, N₂	MMT com folhas grafíticas	³⁶36 N. Sonobe, T. Kyotani, A. Tomita, Carbon 26, 4 (1988) 573.
	PFA-PVAC/MMT²	700 °C, 3 h, N₂	MMT com folhas grafíticas	¹¹⁹119 N. Sonobe , T. Kyotani , A. Tomita, Carbon 28, 4 (1990) 483.
Corante e fármaco	MMT modificada com cristal de violeta⁴	600-800 °C, 3 h, N₂	MMT com monocamadas de grafeno dopado com N	¹¹⁶116 Q. Chen, R. Zhu, W. Deng, Y. Xu , J. Zhu, Q. Tao, H. He, Appl. Clay Sci. 100 (2014) 112.
	MMT modificada com azul de metileno	600-1000 °C, 3 h, 10 °C.min^-1, N₂	MMT com grafeno codopado com N e S	¹²⁰120 Q. Chen , H. Liu, R. Zhu , X. Wang , S. Wang, J. Zhu , H. He, Micropor. Mesopor. Mater. 225 (2016) 137.
	MMT modificada com tetraciclina (TC)	600-900 °C, 3 h, a 5 °C.min^-1, N₂	MMT com monocamadas de grafeno dopado com N	⁹⁵95 S. Yang, P. Wu, L. Chen, L. Li, Z. Huang, S. Liu , L. Li, Appl. Clay Sci. 132-133 (2016) 731.
	MMT modificada com FeOOH e TC	700 °C, 3h, 5 °C.min^-1, N₂	MMT com pilares de α-Fe₂O_3-x e com camadas de grafeno	¹²¹121 S. Yang , Z. Huang , P. Wu , Y. Li , X. Dong, C. Li , N. Zhu, X. Duan , D.D. Dionysiou, Appl. Catal. B Environ. 260 (2020) 118129.

Tabela II Exemplos de síntese de híbridos baseados em MMT e GO e suas aplicações.

Material híbrido	Síntese GO	Síntese do compósito	Aplicação	Ref.
GO/MMT	Método Hummers	Adição gota a gota de suspensão de MMT sob agitação em dispersão de GO sonicada; sonicação por 2 h; redução com ácido ascórbico	Adsorção de Cr (VI)	¹³⁴134 Z. Zhang , H. Luo, X. Jiang, Z. Jiang , C. Yang, RSC Adv. 5, 59 (2015) 47408.
CS/GO/MMT	Método Hummers	Dispersão de MMT e GO tratada com ultrassom, adição de CS em agitação magnética, liofilização	Adsorção de Cr (VI)	¹²⁸128 P. Yu, H.Q. Wang, R.Y. Bao, Z. Liu , W. Yang, B.H. Xie, M.B. Yang, ACS Sustain. Chem. Eng. 5, 2 (2017) 1557.
GO-AO/MMT-APTES1	Método Hummers e intercalação com OA	Dispersões de diferentes proporções de GO-AO e MMT-APTES em butanol tratadas com ultrassom por 1 h separadamente e em contato	Adsorção de Cr (VI)	¹³¹131 W. Chen , X. Zhang , M. Mamadiev, C. Zhao, Z. Wang , H. Xu, Adv. Powder Technol. 28, 2 (2017) 521.
GO/Na-MMT	Método Hummers	Dispersão de GO e Na-MMT em banho de ultrassom por 30 min	Adsorção de U (VI)	⁴⁵45 W. Wang, H. Xu, X. Ren, L. Deng, J. Mol. Liq. 276 (2019) 919.
GO/bentonita e nanopartículas de Fe	Comercial	Suspensão aquosa de GO (diferentes proporções), ultrassom por 1 h; adição de 0,7 g de bentonita, agitação por 12 h, adição de FeCl₂.4H₂O; ultrassom e agitação; etanol anidro adicionado à mistura, tratada com ultrassom; agitação e redução com NaBH2 em pH 11; produto separado, liofilizado e mantido sob refrigeração (-85 °C)	Adsorção de Pb²⁺	¹³²132 C. Yu , J.C. Shao, W.J. Sun, X.N. Yu, Arab. J. Chem. 13, 1 (2020) 3474.
GO/MMT	Método Hummers	Adição gota a gota de suspensão aquosa de MMT modificada com OTAB² em dispersão de GO tratada com ultrassom; mistura agitada por 24 h, separada e liofilizada	Adsorção de Pb²⁺, Cd²⁺ e As⁴⁺	¹³⁰130 J. Wei , M.F. Aly Aboud, I. Shakir, Z. Tong, Y. Xu, ACS Appl. Nano Mater. 3, 1 (2020) 806.
GO/bentonita	Método Hummers	Sonicação do GO por 2 h em água deionizada; mistura com bentonita e ativada com ácido, sonicação por 10 min; agitação	Adsorção do corante azul de toluidina	⁴⁴44 W. Xu, Y. Chen , W. Zhang , B. Li, Adv. Powder Technol. 30, 3 (2019) 493.
GO/APTES-MMT	Método Hummers	Dispersão de GO e A-MMT tratada com ultrassom por 30 min; tratamento com HCl e redução com hidrazina	Adsorção de azul de metileno (MB)	¹⁷17 Y. Yang, W. Yu, S. He, S. Yu, Y. Chen, L. Lu, Z. Shu, H. Cui, Y. Zhang, H. Jin, Appl. Clay Sci. 168 (2019) 304.
GO/MMT	Comercial	Dispersão de GO e MMT, agitação e ultrassom por 15 min individualmente; mistura e reticulação com éter butano-1,4-dioldiglicidil e liofilização a vácuo por 24 h	Adsorção de Pb²⁺ e p-nitrofenol em sistema binário	¹⁸18 C. Zhang, J. Luan, X. Yu, W. Chen, J. Hazard. Mater. 378 (2019) 120739.
GO/MMT	Método Hummers	Dispersão de MMT e GO em água tratada com ultrassom por 8 h a 60 °C	Coadsorção de íons Pb²⁺ e MB em sistema binário	¹³⁸138 L. Liu, Y. Zhang , Y. He , Y. Xie, L. Huang, S. Tan, X. Cai, RSC Adv. 5, 6 (2015) 3965.
GO/MMT	Método Hummers	Dispersão do GO e MMT por ultrassom e impregnação simples por via úmida	Coadsorção do corante RhB e de Ni²⁺ em sistema binário	¹⁶16 M. Neelaveni, P.S. Krishnan, R. Ramya, G.S. Theres, K. Shanthi, Adv. Powder Technol. 30, 3 (2019) 596.
GO/MMT	Método Hummers	Dispersão de GO e MMT e tratamento com ultrassom por 8 h em água destilada	Adsorção do corante cristal de violeta	¹⁰¹101 C. Puri, G. Sumana, Appl. Clay Sci. 166 (2018) 102.
GO-MMT/AS	-	Dispersões de MMT e GO (1:1 e 1:40); agitadas por 2 h e misturadas à solução de AS³ a 2%; mistura tratada com CaCl₂ (3%); formação de esferas de hidrogel, lavadas e liofilizadas	Adsorção de MB, rodamina B e laranja de metila	¹²⁷127 Tao E., D. Ma, S. Yang , X. Hao, J. Alloys Compd. 832 (2020) 154833.
rGO/MMT-PPA rGO/AMMT	Método Hummers	Dispersão de MMT modificada com ácido polifosfórico ou aminopropriltrietossilano e ocatedilamina (AMMT) em THF, tratada e sonicada; redução térmica em autoclave forrada com Teflon a 100 °C por 7 h	Adsorção de CO₂	¹³⁵135 S. Stanly, E.J. Jelmy, C.P.R. Nair, H. John, J. Environ. Chem. Eng. 7, 5 (2019) 103344.
PVA/GO/ Na-MMT	Método Hummers	Dispersões de 0,25 g de Na-MMT e 0,50 g de GO em 50 mL de água ultrapura, esfoliadas individualmente por sonicação por 1 h, misturadas e submetidas a agitação; produto misturado com 10 mL de dispersão do polímero PVA (0,1 g em 50 mL) e sonicado; mistura seca a vácuo a 50 °C por 24 h	Adsorção do corante verde malaquita (MG)	¹²⁹129 P. Arabkhani, A. Asfaram, M. Ateia, J. Water Process Eng. 38 (2020) 101651.
Poliacrilamida-ágar/GO/bentonita	Método Hummers	Dispersões de GO e Cloisite 30B (bentonita comercial organomodificada com sais quaternários de amônio) tratadas individualmente com ultrassom; suspensão de GO gotejada na de argila sob agitação; material híbrido seco, reduzido e polimerizado in situ; formação de rede polimérica dupla com poliacrilamida e ágar	Adsorção de MB e RhB	¹⁵⁹159 N. Sarkar , G. Sahoo , S.K. Swain, Nano-Struct. Nano-Objects 23 (2020) 100507.
GO-PEG/nanobentonita	Método Hummers	Bentonita tratada com ultrassom por 4 h e submetida ao contato com GO em PEG; secagem e tratamento térmico para formação de peneiras	Dessalinização e adsorção de poluentes em águas residuais e corantes CV, MB e SA	¹⁰⁰100 P. Banerjee, A. Mukhopadhyay, P. Das, Desalination 451 (2019) 231.
GO/MMT-KSF	Método Hummers	Sonicação prévia de GO, adição gota a gota de suspensão de MMT-KSF expandida, agitação e tratamento térmico a 200 °C por 3 h	Catálise da reação de Biginelli	¹⁰²102 D.P. Narayanan, A. Gopalakrishnan, Z. Yaakob, S. Sugunan, B.N. Narayanan, Arab. J. Chem. 13 (2020) 318.
NC⁴/MGO	Método Hummers	Dispersão de MGO e NC em DMF; agitação por 24 h a 400 rpm e 40 °C; reticulação com aminossilano e 1,4-butanodiol-diglicidiléter sob mesmas condições, adição à resina epóxi	Revestimento de compósitos epóxi com resistência à corrosão	¹⁴³143 M.G. Sari, M. Shamshiri, B. Ramezanzadeh, Corros. Sci. 129 (2017) 38.
GO/bentonita/ galactomana (GM)	Comercial	Dispersão de bentonita e GM (2,4 g.L^-1) por repetidos processos de agitação e sonicação; mistura com dispersão de GO de 0 a 2% em massa e agitada por 24 h; material tratado com solução de tetraborato de sódio para formação de filmes	Materiais para embalagem e revestimento de proteção ao fogo	¹⁴²142 Y. Tao, C. Huang , C. Lai, C. Huang , Q. Yong, Carbohydr. Polym. 245 (2020) 116508.
rGO/MMT	Método Hummers	Dispersão de MMT e GO em água tratada com ultrassom, redução prévia in situ com hidrazina, filtração com membranas e secagem a vácuo	Materiais flexíveis, condutores elétricos e retardantes de chama	¹⁴⁹149 C. Zhang , W.W. Tjiu, W. Fan , Z. Yang , S. Huang, T. Liu, J. Mater. Chem. 21, 44 (2011) 18011.
CS/GO/MMT	Método Hummers	Dispersão de MMT, GO e CS tratada com ultrassom, agitação e secagem a vácuo	Formação de materiais com maior resistência à tração	¹⁰³103 M. Yadav, S. Ahmad, Int. J. Biol. Macromol. 79 (2015) 923.
rGO/PVDF/MMT	Método Hummers	Dispersão de GO e MMT, agitação e tratamento com ultrassom; redução de GO com hidrazina; preparação de filmes GO/MMT/PVDF por sonicação e agitação; secagem	Obtenção de PVDF em fase β	¹⁵⁰150 G. Sahoo, N. Sarkar, S.K. Swain, Appl. Clay Sci. 162 (2018) 69.
CS-gel/GO/MMT	Método Hummers	Dispersão de GO e mistura polimérica reticulada por ultrassom; dispersão em MMT e homogeneização por 24 h	Substrato na engenharia de tecido ósseo	¹⁹19 A. Olad, H.B.K. Hagh, Compos. B Eng. 162 (2019) 692.
MoS₂/rGO/MMT⁵	Método de Hummers	Dispersão de MMT com GO (1 mg.mL^-1); agitação magnética por 24 h a 20 °C, reduzida com NaBH₄; obtenção de MMT/rGO; MoS₂ suportado sobre o MMT/rGO por síntese hidrotermal	Catalisador para reação de evolução química de hidrogênio (HER)	¹³³133 K. Peng, H. Wang , H. Gao, P. Wan, M. Ma, X. Li, Chem. Eng. J. 393 (2020) 124704.
GO/MMT	Método Hummers	Dispersão de MMT com GO, sonicada por 8 h; mistura com solução alcoólica de brometo de cetilpiridínio e agitada por 4 h; sólido lavado e seco a vácuo	Atividade antimicrobiana para E. coli e S. aureus	¹⁶⁰160 H. Wu , Y. Yan , J. Feng , J. Zhang , S. Deng, X. Cai , L. Huang , X. Xie, Q. Shi , S. Tan, Biomed. Mater. 15, 5 (2020) 55002.

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