Tài liệu Phân tích đặc trưng cấu trúc, tính chất của graphen oxit biến tính

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC –––––––––––––––––––––––– NGUYỄN THỊ HẰNG PHÂN TÍCH ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA GRAPHEN OXIT BIẾN TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2019 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC –––––––––––––––––––––––– NGUYỄN THỊ HẰNG PHÂN TÍCH ĐẶC TRƢNG CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA GRAPHEN OXIT BIẾN TÍNH Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 8.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Tô Thị Xuân Hằng THÁI NGUYÊN - 2019 LỜI CẢM ƠN Bản luận văn này được thực hiện và hoàn thành tại phòng nghiên cứu sơn bảo vệ, Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã tiếp nhận và cho phép tôi được làm thực nghiệm tại Viện. Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lời chân thành cảm ơn đến PGS.TS Tô Thị Xuân Hằng, người đã hướng dẫn và chỉ đạo tận tình, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn đến Chị Nguyễn Thùy Dương cùng các thầy cô, anh chị làm việc và nghiên cứu tại phòng đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo giúp tôi hiểu biết sâu thêm về những kiến thức đã được học ở trường và những kiến thức ở ngoài thực tế. Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Phạm Thế Chính, Thầy Vương Trường Xuân cùng các thầy, cô giáo trong bộ môn hóa phân tích Trường Đại học Khoa học- Đại Học Thái Nguyên đã trang bị kiến thức và tạo điều kiện tốt nhất để tôi tiếp cận với đề tài được giao. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã luôn cổ vũ, động viên tôi trong suốt thời gian qua. Trong quá trình thực hiện luận văn do còn hạn chế về mặt thời gian, kinh phí cũng như trình độ chuyên môn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Nguyễn Thị Hằng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ hóa học ―Phân tích đặc trưng cấu trúc, tính chất của graphen oxit biến tính‖ là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn là PGS. TS. Tô Thị Xuân Hằng. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đây. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng, cũng như kết quả khóa luận của mình. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019 Học Viên Nguyễn Thị Hằng MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................a DANH MỤC SƠ ĐỒ ....................................................................................... b DANH MỤC HÌNH ..........................................................................................c DANH MỤC BẢNG BIỂU ..............................................................................e MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1 2. Mục đích của đề tài ....................................................................................... 1 3. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................... 2 4. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài .................................................................... 2 5. Phương pháp tiến hành nghiên cứu ............................................................... 2 Chƣơng 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 3 1.1. Graphen ...................................................................................................... 3 1.1.1. Giới thiệu chung về graphen ................................................................... 3 1.1.2. Một số tính chất của graphen .................................................................. 5 1.2. Graphen oxit ............................................................................................... 7 1.2.1. Giới thiệu chung về graphen oxit (GO) .................................................. 7 1.2.2. Cấu trúc graphen oxit .............................................................................. 7 1.2.3. Tâm hoạt động của graphen và graphen oxit .......................................... 9 1.2.4. Phương pháp chế tạo graphen oxit ........................................................ 10 1.3. Ức chế ăn mòn kim loại ........................................................................... 10 1.3.1. Khái niệm .............................................................................................. 10 1.3.2. Phân loại ức chế ăn mòn ....................................................................... 11 1.3.3. Ức chế ăn mòn thân thiện với môi trường ............................................ 13 1.4. Nghiên cứu sử dụng axit ascorbic làm ức chế ăn mòn ............................ 16 1.4.1. Giới thiệu chung .................................................................................... 16 1.4.2. Ứng dụng axit ascorbic làm ức chế ăn mòn .......................................... 16 Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM ....................................................................... 17 2.1. Dụng cụ, hóa chất ..................................................................................... 17 2.1.1. Dụng cụ ................................................................................................. 17 2.1.2. Hóa chất................................................................................................ 17 2.2. Chế tạo graphen oxit ................................................................................ 17 2.3. Chế tạo GO biến tính bằng axit ascobic................................................... 18 2.4. Xác định hàm lượng ASA trong GO-ASA .............................................. 19 2.5. Xác định khả năng giải phóng ASA từ GO-ASA .................................... 19 2.6. Chế tạo màng polyuretan chứa GO-ASA ................................................ 19 2.7. Các phương pháp nghiên cứu................................................................... 20 2.7.1. Phương pháp phổ hồng ngoại ............................................................... 20 2.7.2. Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis) ..................................... 21 2.7.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................... 23 2.7.4. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ...................................................... 23 2.7.5. Phương pháp tổng trở điện hóa ............................................................. 24 2.7.6. Thử nghiệm mù muối ............................................................................ 27 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 28 3.1. Phân tích cấu trúc của graphen oxit biến tính bằng axit ascobic ............. 28 3.1.1. Phân tích cấu trúc của graphen oxit ...................................................... 28 3.1.2. Phân tích cấu trúc của graphen oxit biến tính bằng ascobic axit .......... 30 3.1.3. Xác định hàm lượng axit ascobic trong graphen oxit biến tính ............ 32 3.2. Nghiên cứu sự giải phóng axit ascobic từ graphen oxit biến tính ........... 34 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ NaCl đến khả năng giải phóng axit ascobic .. 35 3.2.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến khả năng giải phóng axit ascobic... 38 3.3. Đánh giá khả năng bảo vệ chống ăn mòn của màng polyuretan chứa GO-ASA .................................................................................................. 41 3.3.1.Đánh giá khả năng bảo vệ chống ăn mòn của màng màng polyuretan chứa GO-ASA bằng phổ tổng trở .......................................................... 41 3.3.2. Đánh giá độ bền ăn mòn bằng thử nghiệm mù muối ............................ 45 KẾT LUẬN .................................................................................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 49 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu GO Tên đầy đủ graphen oxit AS axit ascorbic GP Graphit DMA Đimetylanilin PU polyuretan DI nước khử ion IR phổ hồng ngoại UV-Vis phổ tử ngoại khả kiến XRD nhiễu xạ tia X CVD phương pháp lắng đọng hơi SEM phương pháp kính hiển vi điện tử quét a DANH MỤC SƠ ĐỒ Sơ đồ 2.1. Tổng hợp graphen oxit ................................................................... 18 b DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Than chì là tập hợp của các mặt phẳng graphene hình lục giác ....... 3 Hình 1.2: Ba dạng thù hình của cacbon là fulleren, ống nano cacbon và than chì (lần lượt từ trái qua phải) được hình thành từ các tấm graphen ..... 4 Hình 1.3: Cấu trúc graphen ............................................................................... 4 Hình 1.4: Cấu trúc đề xuất của GO bởi các nhà nghiên cứu khác nhau ........... 8 Hình 1.5: Cấu trúc của một số chất ức chế ăn mòn bay hơi ........................... 14 Hình 1.6: Cấu trúc hóa học của axit ascobic ................................................... 16 Hình 2.1: Sơ đồ mạch điện và phổ tổng trở khi màng sơn ngăn cách hoàn toàn kim loại khỏi dung dịch điện ly ............................................. 26 Hình 2.2: Sơ đồ mạch điện và phổ tổng trở khi dung dịch điện li ngấm vào màng sơn nhưng chưa tiếp xúc với bề mặt kim loại .............. 26 Hình 2.3: Sơ đồ mạch điện và phổ tổng trở khi dung dịch điện li tiếp xúc với bề mặt kim loại ........................................................................ 26 Hình 3.1: Phổ hồng ngoại của GO .................................................................. 29 Hình 3.2: Ảnh SEM của GO ........................................................................... 29 Hình 3.3: Giản đồ XRD của GP và GO .......................................................... 30 Hình 3.4: Phổ hồng ngoại của GO-ASA ......................................................... 30 Hình 3.5: Giản đồ XRD của GO-ASA và GO ................................................ 31 Hình 3.6: Ảnh SEM của GO-ASA .................................................................. 32 Hình 3.7: Phổ UV-Vis của dung dịch chứa ASA ở các nồng độ khác nhau .. 33 Hình 3.8: Đường chuẩn biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ và cường độ hấp thụ của dung dịch.................................................................... 34 Hình 3.9: Tỉ lệ phần trăm ASA giải phóng vào nước cất tại các thời gian ngâm khác nhau ............................................................................. 36 Hình 3.10: Tỉ lệ phần trăm ASA giải phóng vào dung dịch NaCl 0.1M tại các thời gian ngâm khác nhau ....................................................... 36 c Hình 3.11: Tỉ lệ phần trăm ASA giải phóng vào dung dịch NaCl 0,5M tại các thời gian ngâm khác nhau. ...................................................... 38 Hình 3.12: Tỉ lệ phần trăm ASA giải phóng vào dung dịch NaCl 0,1M có pH=5 tại các thời gian ngâm khác nhau ........................................ 39 Hình 3.13: Tỉ lệ phần trăm ASA giải phóng vào dung dịch NaCl 0,1M có pH=10 tại các thời gian ngâm khác nhau ...................................... 40 Hình 3.14: Phổ tổng trở của các màng sơn sau 1 ngày ngâm trong dung dịch NaCl 3% ................................................................................ 42 Hình 3.15: Phổ tổng trở của các màng sơn sau 7 ngày ngâm trong dung dịch NaCl 3% ................................................................................ 43 Hình 3.16: Phổ tổng trở của các màng sơn sau 14 ngày ngâm trong dung dịch NaCl 3% ................................................................................ 44 Hình 3.17: Sự thay đổi giá trị Z 100 mHz của các màng sơn theo thời gian thử nghiệm ..................................................................................... 45 Hình 3.18: Ảnh chụp các mẫu trước khi thử nghiệm mù muối ...................... 46 Hình 3.19: Ảnh chụp sau 48 giờ thử nghiệm mù muối của các mẫu .............. 47 Hình 3.20: Ảnh chụp sau 144 giờ thử nghiệm mù muối của các mẫu ........... 47 d DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Hiệu suất ức chế ăn mòn thép trong hệ thống nước làm mát của một số axit hữu cơ ở nồng độ 20 ppm ........................................... 15 Bảng 3.1: Các pic đặc trưng và liên kết tương ứng của GO ........................... 28 Bảng 3.2: Các pic đặc trưng và liên kết tương ứng của GO-ASA .................. 31 Bảng 3.3: Cường độ hấp thụ của các dung dịch ............................................. 33 Bảng 3.4: Cường độ hấp thụ ASA xác định từ phổ UV-Vis, sử nhả ASA trong nước cất tại các thời gian ngâm khác nhau .......................... 35 Bảng 3.5: Cường độ hấp thụ ASA xác định từ phổ UV-Vis, sử nhả ASA trong dung dịch NaCl 0,1 M tại các thời gian ngâm khác nhau .. 37 Bảng 3.6: Cường độ hấp thụ ASA xác định từ phổ UV-Vis, sự nhả ASA trong dung dịch NaCl 0.5M tại các thời gian ngâm khác nhau .... 37 Bảng 3.7: Cường độ hấp thụ ASA xác định từ phổ UV-Vis, sự nhả ASA trong dung dịch NaCl 0,1M có pH=5 tại các thời gian ngâm khác nhau ....................................................................................... 39 Bảng 3.8: Cường độ hấp thụ ASA xác định từ phổ UV-Vis, sự nhả ASA trong dung dịch NaCl 0,1M có pH=10 tại các thời gian ngâm khác nhau ....................................................................................... 40 Bảng 3.9. Giá trị Z107 mHz của các màng sơn sau 1 ngày,7 ngày và 14 ngày ngâm trong dung dịch NaCl 3% .................................................... 45 e MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ăn mòn kim loại gây ra những thiệt hại vô cùng nghiêm trọng, vì vậy chống ăn mòn kim loại là công việc hết sức quan trọng. Có nhiều phương pháp bảo vệ, nhưng lớp phủ bảo vệ hữu cơ được sử dụng rộng rãi do giá thành rẻ và dễ thi công. Graphen là lớp đơn các nguyên tử cacbon sắp xếp theo mạng lục giác, có các tính chất nhiệt, cơ và tính chất điện đặc biệt, vì vậy graphene được nghiên cứu ứng dụng làm phụ gia cho polymer nanocompozit để gia cường các tính chất của vật liệu. Graphen và graphen oxit (GO), có tác dụng gia cường tính chất cơ lý, tính chất nhiệt và khả năng che chắn của lớp phủ hữu cơ. Trong những năm gẫn đây, để giảm thiểu ô nhiễm môi trường, các chất ức chế ăn mòn hữu cơ được sử dụng trong màng sơn để thay thế các chất ức chế độc hại. Tuy nhiên khi sử dụng trực tiếp trong màng sơn các chất ức chế hữu cơ có thế tác dụng với các chất tạo màng, làm giảm hiệu quả ức chế, hoặc gây ảnh hưởng đến mạng liên kết của lớp phủ. Vì vậy các chất ức chế ăn mòn hữu cơ thường được hấp phụ lên các chất mang vô cơ trước khi đưa vào màng sơn. Nhằm kết hợp các tính chất gia cường của GO và ức chế ăn mòn hữu cơ, GO biến tính hữu cơ được quan tâm nghiên cứu trong lớp phủ hữu cơ. Việc nghiên cứu cấu trúc của GO biến tính , xác định hàm lượng ức chế hữu cơ trong GO biến tính và các khả năng tương tác với nền thép của chúng là vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu. Xuất phát từ yêu cầu thực tế nhằm góp phần tạo ra các phụ gia mang ức chế ăn mòn thân thiện môi trường trên cơ sở grpahen oxit, tôi chọn và thực hiện đề tài: ―Phân tích đặc trưng cấu trúc, tính chất của graphen oxit biến tính‖. 2. Mục đích của đề tài Xác định được hình thái cấu trúc của graphen oxit biến tính, khả năng nhả ức chế của GO biến tính và khả năng ứng dụng trong lớp phủ hữu cơ. 1 3. Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là graphen oxit (GO) mang ức chế ăn mòn. Đề tài tập trung nghiên cứu cấu trúc của graphen oxit biến tính, khả năng nhả ức chế của GO biến tính và ứng dụng trong lớp phủ polyuretan. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài Phân tích cấu trúc, tính chất của GO biến tính bằng axit ascobic 1. Phân tích cấu trúc của GO biến tính 2. Xác định hàm lượng ức chế trong GO biến tính 3. Nghiên cứu sự giải phóng ức chế từ GO biến tính trong các môi trường khác nhau 4. Chế tạo và đánh giá khả năng bảo vệ chống ăn mòn của lớp phủ polyuretan chứa GO biến tính 5. Phƣơng pháp tiến hành nghiên cứu 1- Phương pháp nghiên cứu tài liệu Tổng quan tài liệu về vấn đề nghiên cứu ở trong nước và trên thế giới 2- Phương pháp phân tích + Cấu trúc của GO biến tính được phân tích bằng phổ hồng ngoại, kính hiển vi điện tử quét và nhiễu xạ tia X + Khả năng nhả ức chế của GO biến tính được xác định bằng phổ tử ngoại khả kiến. 3- Phương pháp xử lý số liệu Sử dụng các thuật toán thông kê trên Excel để tính toán kết quả phân tích. 2 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Graphen 1.1.1. Giới thiệu chung về graphen Graphen là tấm phẳng dày gồm một lớp nguyên tử cacbon với liên kết sp2 được bó thành mạng hình tổ ong hai chiều (2D), là khối căn bản cho các vật chất kiểu than chì bất chấp số chiều. Tên gọi của graphen được ghép từ "graphit" (than chì) và hậu tố "-en" (tiếng Anh là "-ene"); trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại. Graphen có thể được bọc lại tạo thành những fulleren 0D, hay cuộn lại thành ống nanô cacbon 1D hoặc xếp thành than chì 3D. Chiều dài liên kết cacbon-cacbon trong graphen khoảng 0,142 nm. Hình 1.1: Than chì là tập hợp của các mặt phẳng graphene hình lục giác Graphen là phần tử cấu trúc cơ bản của một số dạng thù hình như than chì, ống nanô cacbon và fulleren. 3 Hình 1.2: Ba dạng thù hình của cacbon là fulleren, ống nano cacbon và than chì (lần lượt từ trái qua phải) được hình thành từ các tấm graphen Màng graphen được tạo thành từ nguyên tử cacbon sắp xếp theo cấu trúc lục giác trên cùng một mặt phẳng, hay gọi là cấu trúc tổ ong. Trong đó, mỗi nguyên tử cacbon liên kết với ba nguyên tử cacbon gần nhất bằng liên kết , hay trạng thái lai hóa sp2, đặc trưng cho mức độ bền vững của cấu trúc phẳng của màng graphen theo nguyên lý Pauli. Obitan p nằm vuông góc với cấu trúc phẳng của màng, xen phủ bên hình thành liên kết , với mức năng lượng chưa được lấp đầy được gọi là các obitan không định xứ. Màng graphen đóng vai trò quan trọng trong hình thành nên các tính chất điện khác thường của graphen. Hình 1.3: Cấu trúc graphen 4 Năm 2010, hai nhà khoa học Andrei Geim và Konstantin Sergeevich Novoselov khám phá ra graphen đã được trao Giải Nobel Vật lý. Do graphen có cấu trúc độc đáo, tính chất vượt trội, chí phí sản xuất graphen thấp hơn so với vật liệu nano cacbon khác nên ngày càng được nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khác nhau như linh kiện điện tử, vật liệu cảm ứng, vật liệu xúc tác, xúc tác quang học, tế bào năng lượng mặt trời, tăng cường tia Raman, tổng hợp hình ảnh phân tử và ứng dụng trong y học. Có nhiều phương pháp tổng hợp graphen, từ đơn giản như khử nhiệt, hóa chất cho đến phức tạp như các phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD)… Gần đây có nhiều nghiên cứu việc kết hợp khử trong tổng hợp graphene bước đầu cho thấy những kết quả khả quan trong việc bổ sung hiệu quả cho nhau nhất là theo con đường tổng hợp graphene trong pha lỏng [1]. Trong đó có thể thấy gia nhiệt được chứng minh là có hiệu quả trong việc khử các nhóm hydroxyl, carboxyl [2] hoặc tác nhân hydrazine với các nhóm epoxy [3] trên bề mặt graphene oxide. 1.1.2. Một số tính chất của graphen [2- 4]. 1.1.2.1. Graphen là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu Graphen là vật liệu rất mỏng, dày bằng một phần triệu của giấy in báo thông thường và bằng 1/200000 sợi tóc. Mắt người không thể quan sát được màng graphen, chỉ có kính hiển vi điện tử tối tân mới quan sát dược độ dày của màng. Ta có màng graphen dày gấp 100 lần nguyên tử cacbon màu vàng, 30 - 40 lần lớp màu xanh lơ, 10 lần lớp màu hồng và graphen màu hồng rất nhạt, một màng graphen trong suốt chỉ dày bằng một nguyên tử khi quan sát dưới kinh hiển vi. 1.1.2.2. Độ bền cơ học của graphen Sức bền nội tại là sức căng lớn nhất mà một chất nguyên khối có thể chịu được trước khi tất cả các nguyên tử trong một tiết diện cho trước bị kéo ra khỏi nhau đồng thời. 5 Khi ấn lõm màng graphen bằng một kính hiển vi lực nguyên tử có đầu nhọn kim cương với bán kính 20nm. Phản ứng lực dịch chuyển của màng graphen đơn lớp giúp xác định tính chất đàn hồi của màng graphen. Để tính được sức bền nội tại của graphen ta dựa vào lực mà tại đó màng bị vỡ và phân bố thống kê lực phá vỡ của nhiều màng. Màng này không có khiếm khuyết vì chúng quá nhỏ. Do đó sức bền nội tại của graphen được coi là một ―giới hạn trên‖ cho sức bền của vật liệu - giống như kim cương là cứng nhất. Từ kết quả trên cho thấy graphen bền hơn thép 200 lần. Một sợi dây thép dài 28km sẽ tự đứt nếu được treo theo phương thẳng đứng, trong khi một sợi graphen chỉ đứt trong điều kiện tương tự khi ở độ dài trên 1000 km. 1.1.2.3. Độ cứng của graphen Graphen có cấu trúc bền vững, ở cả nhiệt độ thường. Độ cứng của graphen ―lệch khỏi biểu đồ‖ so với các chất liệu khác do nhờ liên kết cacbon cacbon trong graphen và sự không có mặt của bất cứ khiểm khuyết nào trong độ căng cao nhất của màng graphen. Ngày nay, các nhà nghiên cứu đã đo được độ cứng thực chất của graphen, đặc biệt là nghiên cứu của hai giáo sư cơ khí Jeffrey Kysar và James Hone thuộc trường Đại học Columbia và họ khẳng định đây là loại vật liệu cứng nhất từng được kiểm tra. 1.1.2.4. Độ mềm dẻo của graphen Graphen có cấu trúc mềm dẻo, có thể bẻ cong, gập hay cuộn lại, có nhiều đặc tính ống nano, graphen dễ chế tạo và dễ thay đổi đặc tính hơn ống nano nên được sử dụng nhiều trong việc chế tạo các vật dụng cần các chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn. Các nhà Vật lý sử dụng graphen trong phòng thí nghiệm để chế tạo chất dẫn và thử nghiệm các hiện tượng lượng tử ở nhiệt độ bình thường. 1.1.2.5. Ứng dụng của graphen[5,6]. - Dây dẫn và điện cực trong suốt: Graphene là vật liệu trong suốt và có tính dẫn điện tốt nên được dùng làm dây dẫn trong suốt trong các tấm pin mặt trời và các thiết bị điện tử gia dụng khác. 6 - Chip máy tính: Các nhà nghiên cứu đã tạo ra được chiếc bóng bán dẫn nhỏ nhất trên thế giới, có bề dày chỉ bằng một nguyên tử và rộng bằng 10 nguyên tử từ Graphene. Và về bản chất là một công tắc bật tắt, là thiết bị quan trọng của một bảng vi mạch, là nền tảng của bất cứ thiết bị điện tử nào. - Màn hình ti vi cảm ứng: Các nhà nghiên cứu người Anh đã chế tạo ra một màn hình tinh thể lỏng tí hon bằng cách sử dụng Graphene. - Ứng dụng trong cảm biến: Graphene được sử dụng trong các cảm biến khí, cảm biến sinh học. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự thay đổi độ dẫn của graphene khi hấp thụ các nguyên tử, phân tử lên bề mặt của nó. 1.2. Graphen oxit 1.2.1. Giới thiệu chung về graphen oxit (GO) Graphen oxit (GO) là một dạng biến đổi của graphen, nguyên tử cacbon lai hóa sp2 trong graphen bị oxi hóa lên cacbon sp3, xuất hiện các nhóm chức bề mặt như -COOH, -OH, -C-O-C-, -C=O,… GO là một chất rắn màu nâu xám với tỉ lệ C:O trong khoảng 2:1 và 2:9 có khả năng phân tán tốt trong nước và nhiều dung môi khác. GO được tổng hợp cách đây hơn 150 năm bằng cách oxi hóa than chì nhờ tác nhân oxi hóa mạnh là KClO3 và HNO3 và đến năm 2004, được gọi là graphen oxit. Graphen oxit là một đơn lớp của oxit graphit (cũng tương tự như graphen là đơn lớp của graphit). Graphen oxit có tính chất cơ bản giống như graphen, vì vậy nó được nghiên cứu làm chất hấp phụ loại bỏ các chất gây ô nhiễm môi trường nước. 1.2.2. Cấu trúc graphen oxit Cấu trúc của GO phụ thuộc vào phương pháp tổng hợp và có nhiều cấu trúc được đưa ra bởi nhiều nhà nghiên cứu, trong đó mô hình của LerfKlinowski phổ biến nhất [7]. 7 Hình 1.4: Cấu trúc đề xuất của GO bởi các nhà nghiên cứu khác nhau Graphit sau khi bị oxi hóa, trên mặt phẳng các lớp có chứa các nhóm hydroxyl, epoxy và trên các góc mặt phẳng hình thành các nhóm cacbonyl hoặc cacboxylic. Năm 2013, Ayrat M và cộng sự đã đề xuất một mô hình GO mới, tên gọi là DSM (Dynamic Structural Model) [8]. Trong GO, các nhóm chức mới liên tục phát triển và biến đổi. Động lực của quá trình biến đổi là sự tích tụ điện tích âm trên lớp GO, được ổn định bằng sự cộng hưởng và hình thành của một lớp điện tích kép. Các vòng thơm, nối đôi, nhóm epoxy nằm trên mạng lưới cacbon gần như phẳng, còn cacbon nối với nhóm –OH hơi lệch so với cấu trúc tứ diện làm cho cấu trúc lớp hơi cong. Lực đẩy giữa các lớp và nhóm chức có oxi tích điện tích âm làm cho GO ưa nước và trương được nước. Diện tích GO tăng lên so với graphen do tạo liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl, epoxi và nước của các lớp graphen oxit (tăng 0,65 - 0,75 nm so với 0,34 nm, được xác định thông qua giản đồ XRD) [9]. 8 Độ dày của đơn lớp tấm GO xấp xỉ 1- 2 nm [8], xấp xỉ 4 lần độ dày của một lớp graphen 0,34nm[10]. Điểm đẳng điện pHpzc = 3,9, điện tích bề mặt GO trong nước mang điện tích âm và GO là chất ưa nước kỵ dầu [11]. 1.2.3. Tâm hoạt động của graphen và graphen oxit Hợp chất hữu cơ được hấp phụ trên các hạt nano hay vật liệu cấu trúc nano qua các tương tác sau: tương tác điện tử, liên kết hydro, sự xếp chồng liên kết π- π, lực phân tán, liên kết cho - nhận và hiệu ứng kị nước . Graphen có vai trò trong hình thành liên kết tương tác π- π của sự chồng xếp với một số chất hữu cơ có chứa vòng thơm do có tương tác điện tử π bất đối xứng đóng. Tương tác cation - π cũng đóng góp vào quá trình hấp phụ . Tương tác này bị chi phối bởi sự phân cực cation, lực tĩnh điện giữa các cation và cấu trúc điện tử aromatic giàu electron π . GO có nhiều nhóm chức nên sự hình thành các liên kết hydro hoặc sự tương tác điện tử với các hợp chất hữu cơ có chứa oxy và nitơ. Các nhóm chức chứa oxy phân cực của GO làm cho vật liệu ưa nước. GO phân tán tốt trong nước và có thể bị tách lớp trong nhiều loại dung môi [12]. Nhóm chức hoạt động như cacbonyl, epoxy, hydroxyl trên bề mặt của tương tác với các phân tử nằm trên bề mặt biến tính, có thể liên kết với các ion kim loại nặng có mặt trong dung dịch thông qua phức bề mặt, hoặc tương tác tĩnh điện giữa bề mặt âm GO và các cation kim loại, chất mầu… Nên được sử dụng để tách các ion từ dung dịch [13]. Quá trình hấp phụ các ion kim loại và hợp chất hữu cơ trên graphen và GO thường phụ thuộc nhiều vào pH và bản chất của các chất hữu cơ (số vòng thơm trong cấu trúc) [8,14]. pH thấp thuận lợi cho ion hóa của các nhóm chức chứa oxi trên bề mặt GO. Tương tác tĩnh điện giữa ion kim loại và GO mạnh hơn do điện tích trên bề mặt GO âm. pH cao, hình thành kết tủa các hyđroxit kim loại hoặc nhóm anion chiếm ưu thế, xảy ra hiệu ứng đẩy giữa anion và bề mặt GO. Vì vậy, tìm giá trị pH tối ưu nâng cao hiệu quả của quá trình hấp phụ. 9