Tài liệu Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ chế biến dầu khí Nghiên cứu tổng hợp Graphene và Oxit Graphene

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn LỜI CẢM ƠN Đồ án tốt nghiệp là những gì được đúc kết lại sau một quá trình học tập, nghiên cứu của sinh viên dưới sự hướng dẫn của các thầy cô. Sau ba tháng làm việc, chúng tôi đã hoàn thành đề tài theo đúng thời hạn được giao. Thành quả đạt được hôm nay là do sự nỗ lực của bản thân dưới sự hướng dẫn giúp đỡ tận tình của các thầy cô, cùng sự động viên nhiệt tình từ gia đình và bạn bè. Về phía nhà trường, chúng tôi chân thành cám ơn lãnh đạo nhà trường cùng các thầy cô thuô ôc Bộ môn Công nghệ Hóa học Dầu và Khí, Khoa Hóa – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã tạo điều kiê n cũng như trang bị cho chúng tôi những kiến ô thức nền tảng trước khi được nhâ n đồ án tốt nghiệp. Đặc biệt, chúng tôi gửi lời cảm ô ơn sâu sắc nhất đến “TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn” đã hướng dẫn đề tài và tận tình giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Về phía bạn bè, cảm ơn tất cả những người bạn đã giúp đỡ về mă t tinh thần ô cũng như vâ ôt chất trong quá trình làm đồ án. Chúng tôi trân trọng gửi đến quý thầy cô, gia đình và bạn bè những lời chúc tốt đẹp nhất! Đà Nẵng, tháng 05 năm 2015 Sinh viên thực hiện LÊ MINH THUYẾT NGUYỄN VĂN HIẾU SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn TÓM TẮT ĐỒ ÁN Tìm hiểu về cấu trúc, đặc tính và ứng dụng của graphene oxide, graphene và graphite tróc nở. Từ đó, tiến hành tổng hợp graphene oxide bằng phương pháp Hummer. Đánh giá graphene oxide tổng hợp được thông qua các kỹ thuật phân tích như FT-IR, SEM,… Sau khi tổng hợp được graphene oxide, tiến hành dùng hệ phân tán chứa graphene oxide để ổn định hệ phân tán của graphene trong nước. Từ đó, đánh giả được khả năng ổn định của graphene SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN………………………………………………………….I TÓM TẮT ĐỒ ÁN......................................................................................................II MỤC LỤC..................................................................................................................III DANH MỤC HÌNH.....................................................................................................V DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT..........................................................................VII LỜI MỞ ĐẦU..............................................................................................................1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN........................................................................2 1.1 GRAPHENE OXIDE.........................................................................................2 1.1.1 Graphene Oxide...........................................................................................2 1.1.2 Cấu trúc của Graphene Oxide.....................................................................2 1.1.3 Đặc tính và ứng dụng của graphene oxide.................................................2 1.2 EXPANDED GRAPHITE..................................................................................3 1.2.1 Expanded graphite......................................................................................3 1.2.2 Ứng dụng của expanded graphite..............................................................4 1.3 GRAPHENE......................................................................................................5 1.3.1 Định nghĩa Graphene :................................................................................5 1.3.2 Tính chất của Graphene:..........................................................................5 1.3.3 Ứng Dụng:................................................................................................6 1.3.4 Các phương pháp sản xuất graphene.........................................................8 1.3.5 Sự ổn định của graphene trong môi trường phân tán..............................10 1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP GRAPHENE OXIDE VÀ ƯU ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP HUMMER.......................................................................12 1.4.1 Các phương pháp tổng hợp graphene oxit................................................12 1.4.2 Ưu điểm của phương pháp Hummer.......................................................14 CHƯƠNG II: TỔNG HỢP GRAPHENE OXIDE BẰNG PHƯƠNG PHÁP HUMMER ……………………………………………………………………….15 2.1 NGUYÊN TẮC TỔNG HỢP GRAPHENE OXIDE BẰNG PHƯƠNG PHÁP HUMMER..............................................................................................................15 2.2 TỔNG HỢP GRAPHENE OXIDE.................................................................15 SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn 2.2.1 Cách tiến hành..........................................................................................15 2.2.2 Giải thích hiện tượng................................................................................18 2.3 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ...................................................................................19 2.3.1 So sánh mẫu GO(H2O) và GO(EtOH) trước và sau khi siêu âm 30 phút: ............................................................................................................................19 2.3.2 Đặc trưng của GO.....................................................................................22 2.3.2.1 Hiệu ứng Tyndall:...............................................................................22 2.3.2.2 Phổ FT- IR:........................................................................................22 2.3.2.3 Kết quả thu được từ SEM :...............................................................24 CHƯƠNG III: TỔNG HỢP HUYỀN PHÙ ỔN ĐỊNH GRAPHENE – GRAPHENE OXIDE……………………………………………………………………………..26 3.1 KHÓ KHĂN TRONG VIỆC ỔN ĐỊNH GRAPHENE..................................26 3.2 ỔN ĐỊNH GRAPHENE BẰNG GRAPHENE OXIDE.................................27 3.2.1 Ưu điểm của GO trong việc ổn định graphene:.......................................27 3.2.2 Cách tiến hành..........................................................................................27 3.2.3 Đánh giá kết quả........................................................................................28 3.2.3.1 Khả năng ổn định của graphene trong nước......................................28 3.2.3.2 Đánh giá sự ổn định của graphene trong môi trường chứa GO........30 3.2.4 Kết luận....................................................................................................37 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN........................................................................................38 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................39 SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn DANH MỤC HÌNH Hình I.1 : Cấu trúc của graphene oxide.....................................................................2 Hình I.2 : Mẫu Expandable Graphite.........................................................................3 Hình I.3 : Mẫu Expanded Graphite............................................................................4 Hình I.4 : Ứng dụng của Expanded Graphite............................................................4 Hình I.5 : Cấu trúc của graphene...............................................................................5 Hình I.6 : Graphene ứng dụng trong chip máy tính...................................................7 Hình I.7 : Ứng dụng của graphene để làm màn hình cảm ứng..................................7 Hình I.8 : Sản xuất graphene bằng cách tách lớp graphite trong dung môi..............9 Hình I.9 : Phương pháp Oxidation – exfoliation - reduction.....................................9 Hình I.10 : Phương pháp intercalation – exfoliation.................................................10 Hình I.11 : Các dung môi hữu cơ để phân tán graphene...........................................11 Hình I.12 : Sử dụng các dẫn suất của benzen để ổn định graphene..........................11 Hình I.13 : Các hợp chất polymer dùng đẻ ổn định graphene...................................12 Hình I.14 : Graphene oxide tổng hợp bằng phương pháp Hummer..........................13 Hình II.1 : Quá trình tổng hợp graphene oxide bằng phương pháp Hummer..........15 Hình II.2 : Cho graphite, NaNO3 và H2SO4 vào khuấy ở 75 ℃ trong 2h.............16 Hình II.3 : Làm lạnh trong bể đá sau khi cho KMnO4 vào.......................................16 Hình II.4 : Hỗn hợp trở nên nhão sau khi khuấy 12h...............................................16 Hình II.5 : Dung dich chuyển sang màu nâu sáng....................................................17 Hình II.6 : Màu dung dịch sau khi cho H2O2 vào.....................................................17 Hình II.7 : Mẫu GO(H2O) và GO(EtOH) trước khi siêu âm....................................19 Hình II.8 : Mẫu GO(H2O) và GO(EtOH) sau khi siêu âm 30 phút..........................20 Hình II.9 : Sự phụ thuộc giữa điện thế Zeta và pH của GO.....................................21 Hình II.10: Hiệu ứng Tyndall của GO phân tán trong H2O.......................................22 Hình II.11: Kết quả phân tích phổ hồng ngoại (FT–IR)............................................23 Hình II.12: GO chụp được trên tấm đồng..................................................................24 Hình II.13: GO chụp được trên tấm Silicon...............................................................24 Hình III.1 : Mẫu EG20 sau khi siêu âm xong và mẫu EG20 để sau 12h..................28 Hình III.2 : Ảnh chụp SEM của graphite...................................................................29 Hình III.3 : Ảnh chụp SEM của Expanded graphite và graphene.............................29 Hình III.4 : Mẫu EG20 phân tán trong GO(H2O)30..................................................30 Hình III.5 : Mẫu EG20 phân tán trong GO(EtOH)30 trước khi siêu âm 10 phút.....30 Hình III.6 : Mẫu EG20 phân tán trong GO(EtOH)30 12h sau khi siêu âm 10 phút. 31 Hình III.7 : Mẫu EG20 phân tán trong GO(EtOH)30 12h sau khi siêu âm 10 phút 32 Hình III.8 : Mẫu EG20 phân tán trong GO(H2O)30 sau khi đem đi ly tâm 500 vòng/phút....................................................................................................................32 SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn Hình III.9 : Mẫu EG20 phân tán trong GO(EtOH)30 sau khi ly tâm 500 vòng/phút .....................................................................................................................................33 Hình III.10 : Mẫu EG20 phân tán trong GO(H2O)30 sau 2 ngày khi đem đi ly tâm 500 vòng/phút.............................................................................................................34 Hình III.11 : Mẫu EG20 phân tán trong GO(EtOH)30 sau khi ly tâm 500 vòng/phút .....................................................................................................................................34 Hình III.12 : Mẫu EG20 phân tán trong GO(H2O)30 sau khi đem đi ly tâm 4000 vòng/phút....................................................................................................................35 Hình III.13 : Mẫu EG20 phân tán trong GO(EtOH)30 sau khi ly tâm 4000 vòng/phút....................................................................................................................35 Hình III.14 : Mẫu EG20 phân tán trong GO(H2O)30 sau khi đem đi ly tâm 10000 vòng/phút....................................................................................................................36 Hình III.15 : Mẫu EG20 phân tán trong GO(EtOH)30 sau khi ly tâm 500 vòng/phút .....................................................................................................................................36 SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT GO : Graphene Oxide EG : Expanded Graphite CCG : Chemical Converted Graphene ITO : Indium Tin Oxide SEM : Scan Electron Microscope FT-IR : Fourier Transform –Infrared DNA : Deoxyribonucleic Acid NMP : N – Methyl Pyrrolidone DMF : DiMethylFormamide o- DCB : Octho - dichlorobenzen SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn LỜI MỞ ĐẦU Với sự phát triển của khoa học công nghệ như ngày nay đã đem lại một diện mạo hoàn toàn mới cho cuộc sống của con người. Đi đầu cho sự tương tác và phát triển vượt bậc đó chính là công nghệ Nano, đây là nền công nghệ đang phát triển và mang lại nhiều triển vọng thay đổi cả thế giới. Từ khi áp dụng những công nghệ hoàn toàn mới đó đã tạo điều kiện cho việc sản xuất phát triển theo chiều sâu, giảm hẳn tiêu hao năng lượng và nguyên liệu, giảm tác hại đến môi trường, nâng cao chất lượng sản phẩm và dịch vụ, thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của sản xuất.. Đặc biệt để chứng minh cho điều này, từ khi vật liệu “Graphene” được ra đời thì các nhà khoa học trên thế giới đã dự báo rằng “Đây là một loại vật liệu của thế kỉ trong tương lai gần“ với nhiều ứng dụng siêu việc mà nó có được như :độ cứng, khả năng dẫn điện ,siêu nhẹ….vv. Riêng đối với nước ta đây là một vật liệu rất mới đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Vì thế, chúng tôi quyết định thực hiện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP với đề tài :”Nghiên cứu tổng hợp Graphene và Oxit Graphene” nhằm bước đầu đánh giá tính chất của loại vật liệu này.. Trong quá trình thực hiên đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót ,rất mong được sự quan tâm đánh giá và góp ý của các thầy cô giáo và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn và đăc biệt gửi lời trân trọng cám ơn thầy “Nguyễn Đình Minh Tuấn “ người đã hướng dẫn chúng tôi thực hiên đồ án này. Đà nẵng, tháng 05 năm 2015 Sinh viên thực hiện LÊ MINH THUYẾT NGUYỄN VĂN HIẾU SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 GRAPHENE OXIDE 1.1.1 Graphene Oxide Trong nữa thập kỷ qua, Graphene được nghiên cứu để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như vật liệu polymer composite, vật liệu liên quan đến năng lượng, cảm biến,…1. Và để thu được graphene thì người ta tiến hành khử các nhóm chức chứa oxy của Graphene Oxide (GO). GO được xem là đơn lớp của graphite oxide. Bằng cách sử dụng tác nhân oxy hóa mạnh để oxy hóa graphite tạo thành graphite oxide. Graphite oxide chứa các nhóm chức: nhóm carbonyl (C=O), hydroxyl (-OH) , epoxyl (C-O),… Các nhóm này không những làm giãn khoảng cách giữa các lớp trong graphite oxide mà còn làm cho các lớp này dể bị tách ra từng lớp riêng rẻ, phân tán trong nước dưới sự trợ giúp của phương pháp siêu âm. Và các lớp riêng rẻ đó người ta gọi là graphene oxide (GO). 1.1.2 Cấu trúc của Graphene Oxide Cấu trúc của GO là 1 tấm hình phẳng có dạng giống như hình tổ ong với cacbon lai hóa sp3, trên đó gắn các nhóm chức như nhóm carbonyl (C=O), hydroxyl (-OH), epoxyl (C-O),…2 (hình I.1) Hình I.1: Cấu trúc của graphene oxide 1.1.3 Đặc tính và ứng dụng của graphene oxide Một trong những lợi thế của graphene oxide là khả năng phân tán dễ dàng trong nước và trong các dung môi hữu cơ khác do sự có mặt của các nhóm chức chứa oxy. Do đó GO có thể khữ thành graphene để pha trộn với các loại polyme và SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn các vật liệu khác để tăng cường tính chất vật liệu composite như độ bền cơ học, độ đàn hồi,… Ở thể rắn, GO gắn với nhau để tạo thành cấu trúc phẳng mỏng và ổn định mà có thể gấp lại, cuộn lại hay kéo dài. Với cấu trúc như vậy thì GO có thể được dùng để dây dẫn ion và màng lọc nano.3 Các tấm GO có thể được chuyển đổi thành dây dẫn. Đây là lý do tại sao GO đặc biệt phù hợp trong sản xuất các màng dẫn điện trong suốt, giống như sử dụng cho các thiết bị điện tử, tể bào quang điện, cảm biến hóa học và nhiều hơn thế nữa. GO thậm chí còn được nghiên cứu như ITO thay thế trong pin và màn hình cảm ứng.4 Graphene oxide có diện tích bề mặt cao , do đó nó có thể phù hợp sử dụng như vật liệu điện cực cho pin, tụ điện và pin mặt trời. GO rẻ tiền và dể sản xuất hơn graphene nên có thể đi vào sản xuất hàng loạt và sử dụng sớm hơn.5 GO đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng trong y học, sinh học và được dùng trong cảm biến phát hiện bệnh, DNA, thuốc dẫn, vật liệu kháng khuẩn6 1.2 EXPANDED GRAPHITE 1.2.1 Expanded graphite Expanded graphite (EG) được sản xuất từ graphite. EG được tổng hợp bằng cách ngâm graphite trong dung dịch (chứa H 2SO4 98%, CH3COOH 97%, alcohol 95%, H2O2 30%) đánh siêu âm. Sau đó rửa sạch với nước, tách nước, sấy khô ở 60 ℃ trong 60 phút ta thu được expandable graphite (hình I.2). Tiếp theo đem đi nung ở 900 ℃ thì thu dược expanded graphite (hình I.3). SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn Hình I.2: Mẫu Expandable Graphite Hình I.3: Mẫu Expanded Graphite  Đặc tính của expanded graphite - EG có các tính chất đặc biệt như khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt - Ổn định khi làm việc ở nhiệt độ cao và có hệ số tán xạ nhiệt cao - EG có thể làm việc tại nhiệt độ lên đến 400 ℃ và nếu trong môi trường - trơ thì có thể lên đến 3000 ℃ Khả năng chống lại bức xạ nhiệt tốt Độ bền cơ học cao Không thấm nước, có khả năng chống lão hóa cao Dễ gia công 1.2.2 Ứng dụng của expanded graphite Expanded graphite có thể được sử dụng để làm ra các lá graphite, sử dụng trực tiếp như lớp lót để bảo vệ vật liệu trước tác dụng của nhiệt, giảm thất thoát nhiệt hoặc sử dụng làm đệm hiệu suất cao có thể làm việc ở nhiệt độ cao.7 Hình I.4: Ứng dụng của Expanded Graphite SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn 1.3 GRAPHENE 1.3.1 Định nghĩa Graphene : Hình I.5: Cấu trúc của graphene Graphene là đơn lớp của graphite, bề dày của 1 lớp graphene bằng kích thước lớp nguyên tử, gồm các nguyên tử cacbon với liên kết sp2 tạo thành màng tinh thể hình tổ ong, có cấu trúc 2 chiều. Chiều dài liên kết cacbon-cacbon trong graphene khoảng 0,142 nm. Graphene là phần tử cấu trúc cơ bản của một số thù hình bao gồm than chì, ống nanocacbon và fullerene. 1.3.2 Tính chất của Graphene:  Tỉ trọng của graphene: - Ô đơn vị lục giác của graphene gồm hai nguyên tử carbon và có diện tích 0,052 nm2. Tỉ trọng của nó khoảng 0,77 mg/m2.  Tính trong suốt quang học của graphene: - Graphene hầu như trong suốt và hấp thụ chỉ 2,3% cường độ ánh sáng, độc lập với bước sóng trong vùng quang học.  Sức bền của graphene: - Graphene có sức bền 42 N/m. Thép có sức bền trong ngưỡng 250-1200MPa = 0,25-1,2.109N/m2. Với một màng thép giả thuyết có cùng bề dày như graphene (có thể lấy bằng 3,35 angstrom = 3,35.10-10 m, tức là bề dày lớp trong graphite), giá trị này sẽ tương ứng với sức bền 2D 0,084-0,40N/m. Như vậy, graphene bền hơn loại thép cứng nhất khoảng 100 lần. SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn  Tính kỵ nước: - Graphene là chất không phân cực, khi phân tán graphene trong nước thì sẽ bị keo tụ.  Độ dẫn điện của graphene: - Sử dụng bề dày lớp, ta có độ dẫn khối là 0,96.10 -6 W-1m-1 cho graphene. Giá trị này có phần cao hơn độ dẫn của đồng là 0,60. 10-6 W-1m-1.  Độ dẫn nhiệt: - Sự dẫn nhiệt của graphene được đo xấp xỉ là 5000 Wm -1K-1. Đồng ở nhiệt độ phòng có độ dẫn nhiệt 401 Wm-1K-1. Như thế, graphene dẫn nhiệt tốt hơn đồng 10 lần. 1.3.3 Ứng Dụng: Trong thời gian gần đây, graphene nhanh chóng thu hút được sự chú ý của giới khoa học và công nghệ. Được ca ngợi như một “siêu vật liệu” của tương lai, graphene có thể tạo ra các tấm vật liệu không những vô cùng mỏng, nhẹ mà còn siêu bền và gần như trong suốt. Một số các ứng dụng nổi bật như:  Chế tạo pin: Với thời lượng nạp nhanh hơn đến 10 lần, các nhà nghiên cứu đang tích cực thí nghiệm với hợp chất graphene để có thể áp dụng vào công nghệ pin. - Các nhà khoa học tại đại học Rice của Mỹ đã phát hiện ra rằng graphene trộn lẫn với vanadi oxit (một giải pháp tương đối rẻ tiền) có thể tạo ra cực âm pin, có thể sạc tới 90% dung lượng chỉ trong 20 giây và giữ khả năng đó ngay cả sau 1000 chu kì sử dụng.  Sản xuất vi mạch máy tính: - Các kĩ sư học viện công nghệ MIT và Harvard đã thành công trong việc sử dụng các mẫu DNA để mô hình hóa Graphene thành các cấu trúc nano, mà cuối cùng có thể được chế tác thành các mạch điện. Mặc dù vậy, các nhà khoa học vẫn cần cải thiện thêm sự chính xác trong vận hành trước khi nó có thể thay thế silicon trong các con chip máy tính. SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn Hình I.6: Graphene ứng dụng trong chip máy tính - Các phương pháp này vẫn còn đang được thử nghiệm và rất tốn kém, nhưng với những tính năng của graphne thì tiềm năng cho các thiết bị điện tử làm từ vật liệu này là quá lớn.  Linh kiện smartphone - Graphene là chất liệu tổng hợp có rất nhiều điểm vượt trội so với các chất liệu thông thường: siêu bền nhưng cũng siêu mỏng. Nhờ có các đặc tính này, graphene được coi là một loại chất liệu " trong mơ " cho cả ngành công nghiệp điện tử lẫn các lĩnh vực khác. Hình I.7: Ứng dụng của graphene để làm màn hình cảm ứng - Theo một tuyên bố của Samsung, hãng này cho biết đã tìm ra một biện pháp sản xuất mới có thể giúp đẩy mạnh quá trình thương mại hóa graphene, cho phép sử dụng loại vật liệu hoàn hảo này trên "màn hình dẻo, các thiết bị SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn thời trang công nghệ và các sản phẩm điện tử tân tiến". Trong tương lai, có thể chúng ta sẽ được thấy những chiếc smartphone có màn hình uốn cong được, hay những thiết bị thông minh mới màn hình dẻo có thể đeo trên người như một chiếc vòng tay.  Các tế bào năng lượng - Graphene có thể giúp chúng ta khai thác năng lượng tốt hơn. Ngoài pin cho điện thoại và đồng hồ thông minh, loại vật liệu này còn mang tới nhiều lợi ích cho điện năng và quang năng. - Đại học công nghệ Michigan của Mỹ đã phát hiện ra rằng graphene có thể thay thế platinum, một thành phần quan trọng có giá thành rất đắt (khoảng 1500 USD/ounce) trong các tế bào năng lượng mặt trời. Nhờ vào cấu trúc phân tử của mình, graphene có độ dẫn và hoạt động xúc tác cần thiết để khai thác và chuyển đổi năng lượng từ mặt trời với hiệu suất cao.  Các ứng dụng mô sống: - Gần đây giáo sư Aravind Vijaraghavan của trường đại học Manchester lại cho rằng Graphene có thể tương tác tới các hệ thống sinh học của người hay “giao tiếp với các tế bào của người” như cách ông miêu tả mà cuối cùng có thể đưa “ Internet of Things “ lên một tầm cao mới. Graphene sẽ được sử dụng dưới các lớp phospholipit tổng hợp, và tính linh hoạt giúp nó hoạt động tốt với các hệ thống sinh học trong cơ thể. - Bên cạnh các thiết bị điện tử tiêu dùng, phạm vi ứng dụng của Graphene thực tế là vô tận. Vì các đặc tính của Graphene chỉ được khai thác khi nó được kết hợp với các thành phần khác như gas, kim loại hoặc các nguồn carbon khác, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm Graphene để tạo nên anten, bộ lọc nước biển, cửa sổ, sơn, các cánh máy bay, vợt tennis, các thiết bị chuỗi DNA, mực và nhiều hơn nữa. SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn 1.3.4 Các phương pháp sản xuất graphene Tách lớp graphite thành graphene là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp hiên nay. - Angstron Materials the United States và Thomas Swan in the United Kingdom là 2 nhà sản xuất sử dụng phương pháp tách lớp trong dung môi lỏng để sản xuất graphene với chất lượng cao 8. Phương pháp này sử dụng siêu âm để tách lớp graphite trong dung môi NMP, DMF, H 2O,.. thành các tấm graphene (hình I.8). Mặc dù, phương pháp này dễ dàng thực hiện được và có thể mở rộng quy mô để sản xuất ra các tấm graphene đơn lớp hoặc một vài lớp nhưng dễ gây nhiễm bẩn bề mặt của graphene bởi dung môi. Hình I.8: Sản xuất graphene bằng phương pháp Liquid exfoliation - Các nhà sản xuất graphene Trung Quốc thì hầu hết sử dụng 2 phương pháp là oxidation – exfoliation - reduction 9 (hình I.9) và intercalation – exfoliation 10 (hình I.10). The Sixth Element (Changzhou) Materials và Tianjin Plannano Technology sử dụng tác nhân oxy hóa mạnh để hình thành các nhóm chức chứa oxy liên kết trên bề mặt của các lớp graphene, từ đó làm suy yếu liên kết giữa các lớp của graphite. Quá trình oxy hóa khiến cho graphene oxide khó xử lý và làm sạch, dẫn đến hiệu quả thấp, đồng thời cũng gây tổn thương cấu trúc nghiêm trọng cho các lớp graphene. Việc đánh siêu âm và khuấy trong nước, sau đó khử graphene oxide thành graphene khá dể dàng để sử dụng cho nhiều ứng dụng. SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn Hình I.9: Phương pháp Oxidation – exfoliation – reduction Ngược lại phương pháp intercalation – exfoliation sử dụng các chất như K,Cs, NaK2, H2SO4,… có tác dụng đan xen vào các lớp của graphite, làm giãn khoảng cách giữa các lớp dưới tác dụng của điện hóa, nhiệt và khuấy. Tiếp theo tiến hành phản ứng với H2O, Ethanol,.. để tạo thành expanded graphite sau đó đánh siêu âm để thành các tấm graphene riêng lẽ. Với phương pháp này thì hiệu suất cao nhưng graphene thu được thường dày và có kích thước không đồng nhất. Hình I.10: Phương pháp intercalation – exfoliation 1.3.5 Sự ổn định của graphene trong môi trường phân tán Graphene sau khi tổng hợp nếu không phân tán trong môi trường phân tán thì sẽ bị kết tụ lại tạo thành graphite, làm giảm đi các đặc tính mong muốn của graphene. Do đó, khi tổng hợp grapphene thì phải phân tán trong môi trường phân tán để tránh các tấm graphene kết tụ lại với nhau.  Một số phương pháp chế tạo huyền phù graphene ổn định: Từ EG thông qua siêu âm để graphene phân tán ổn định trong dung môi hữu cơ, chất hoạt động bề mặt, polymer … - Phân tán graphene trong môi trường phân tán là dung môi hữu cơ: Việc phân tán trong dung môi hữu cơ với sức căng bề mặt lí tưởng như: DMF 37.1mJ m-2, NMP 40-mJ m-2, o-DCB 37mJ m-2 đây là những dung môi rất thích hợp cho việc ổn định graphene trong huyền phù nhưng do ở chúng có những tính chất bất lợi như: là chất kích thích mắt, có thể độc hại đối với cơ SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn quan sinh sản, khó tách ra trong quá trình làm sạch… nên việc ứng dụng các dung môi này là hạn chế. Hình I.11: Các dung môi hữu cơ để phân tán graphene - Có thể phân tán trong các dẫn xuất thơm Perfluorinated của benzene, toluene, nitrobenzene và pyridine. Người ta nhận thấy rằng thông qua siêu âm trong một thời gian ngắn các dẫn xuất này có sự phân tán khác nhau , phụ thuộc vào loại dung môi, nồng độ phân tán (khoảng 0.05 - 0.1 mg/mL).... Hiệu quả của dung môi được sắp xếp theo thứ tự tăng dần như sau: octafluorotoluene ~ Pentafluoropyridine < Hexafluorobenzene < Pentafluorobenzonitrile. Hình I.12: Sử dụng các dẫn suất của benzen để ổn định graphene - Ngày nay người ta còn phân tán graphene nhằm ổn đinh chúng trong dung môi phân cực như acetonitrile (CH3 – C ≡ N) nhờ tương tác lưỡng cực giữa SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn chúng với graphene mà tạo điều kiện dễ dàng cho sự tách lớp và phân tán của graphene.  Sử dụng chất hoạt động bề mặt để ổn định graphene trong môi trường H 2O và dung môi hữu cơ: - Trong môi trường H2O: sử dụng các dẫn xuất của Pyrenes như: Pyrenebutyrate, Pyrenesulfonic acid sodium salt (Py–SAH) dùng ổn định graphene trong nước.  Sử dụng các hợp chất polymer như : Hình I.13: Các hợp chất polymer dùng đẻ ổn định graphene - Các dung môi này hỗ trợ khả năng tách lớp của graphite thông qua siêu âm, trong đó dung môi Pluronic P-123 cho thấy khả năng hỗ trợ tách lớp và phân tán của graphene trong nước lên đến 1 mg mL-1 sau 2h siêu âm.. SVTH: Lê Minh Thuyết – Nguyễn Văn Hiếu – 10H5 13