Luận văn: Nghiên cứu Graphen oxit bằng phương pháp điện hóa

Chia sẻ: Phung Thanh Quy Ngoc | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

97
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn tiến hành chế tạo vật liệu graphen oxit bằng phương pháp điện hóa; khảo sát tính chất đặc trưng của vật liệu chế tạo được bằng các phương pháp như: nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán xạ Raman, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier - FTIR và kính hiển vi điện tử quét phân giải cao (FE - SEM). Mời các bạn cùng tham khảo luận văn để nắm chi tiết nội dung nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: Nghiên cứu Graphen oxit bằng phương pháp điện hóa

MỤC LỤC CH NG 1: TỔNG QUAN 5 1.1. VẬT LIỆU GRAPHEN 5 1.1.1. Cấu trúc của vật liệu graphen 5 1.1.2. Một số tính chất của graphen 6 1.1.2.1. Tính chất điện 6 1.1.2.2. Tính chất nhiệt 8 1.1.2.3. Tính chất cơ 10 1.1.2.4. Tính chất quang 10 1.1.2.5. Tính chất hóa học 11 1.1.3. Một số phương pháp chế tạo vật liệu graphen 11 1.1.3.1. Graphen tổng hợp từ graphit oxit 11 1.1.3.2. Graphen tổng hợp bằng phương pháp hóa học ướt 15 1.1.3.3. Bóc lớp cơ học 19 1.1.3.4. Phương pháp epitaxy 20 1.1.3.5. Phương pháp CVD 21 1.1.3.6. Phương pháp tách mở ống nano cacbon 22 1.2. VẬT LIỆU GRAPHEN OXIT 23 1.2.1. Cấu trúc của vật liệu graphen oxit (GO) 23 1.2.2. Một số tính chất của graphen oxit 25 1.2.2.1. Tính dẫn điện 25 1.2.2.2. Tính hấp phụ 25 1.2.2.3. Khả năng phân tán 26 1.2.3. Một số phương pháp chế tạo vật liệu graphen oxit 27 1.2.3.1.Chế tạo graphen oxit sử dụng các chất oxi hóa và các axit mạnh 27 1.2.3.2.Chế tạo graphen oxit bằng phương pháp điện ly plasma 32 CH NG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PH NG PHÁP NGHIÊN 35 CỨU
2.1. MỘT SỐ PH NG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐẶC TR NG VẬT LIỆU 35 2.1.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét phân giải cao (FESEM) 35 2.1.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) [45,46] 35 2.1.3. Phương pháp tán xạ Raman 37 2.1.4. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR [47] 38 2.2. LỰA CHỌN PH NG PHÁP 38 2.3. THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT THỰC NGHIỆM 39 2.3.1. Thiết bị và dụng cụ 39 2.3.2. Hóa chất 40 2.4. QUY TRÌNH CHẾ TẠO GRAPHEN OXIT 40 CH NG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1. C CHẾ TỔNG HỢP CỦA GO THEO PH NG PHÁP ĐIỆN HÓA 42 3.2. MỨC ĐỘ KIỂM SOÁT TỔNG HỢP CÁC TẤM GO THEO PH NG PHÁP ĐIỆN HÓA. 43 3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng vật liệu graphit 43 3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng dung dịch chất điện hóa 44 3.2.3. Khảo sát diện tích bề mặt riêng của vật liệu graphen oxit 47 3.3. KẾT QUẢ ẢNH CHỤP HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT PHÂN GIẢI CAO (FE – SEM). 48 3.4. KẾT QUẢ PHỔ TÁN XẠ RAMAN 49 3.5. KẾT QUẢ NHIỄU XẠ TIA X (XRD). 51 3.6. KẾT QUẢ PHỔ HỒNG NGOẠI CHUYỂN DỊCH FOURIER (FTIR). 53 CH NG 4: KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56
MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, graphen và vật liệu trên cơ sở graphen là loại vật liệu nhận được sự quan tâm đặc biệt, kể từ khi lần đầu tiên vật liệu graphen được giới thiệu về các tính chất điện tử từ năm 2004. Cùng với đó, vào năm 2010 giải thưởng Nobel vật l về vật liệu này đã được trao cho hai nhà khoa học Konstantin S.Novoselov và Andre K.Geim thuộc trường đại học Manchester nước Anh. Lần đầu tiên đã tách được những đơn lớp graphen từ vệt liệu khối graphit và mô tả tính chất đặc trưng của chúng [1]. Kể từ đó graphen đã trở thành đối tượng được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu rộng rãi tính chất điện – điện tử, điện hóa, quang học, cơ học và khả năng hấp phụ. Là một tiền thân quan trọng và dẫn xuất của vật liệu graphen, graphen oxit (GO) đã nhận được sự chú rộng rãi trong những năm gần đây. Graphen oxit (GO) là dạng oxi hóa của graphen tồn tại các nhóm chức chứa oxi, trong đó có 4 nhóm chức chủ yếu là hidroxy, epoxy tại trên bề mặt và các nhóm cacboxyl, cacbonyl tại biên ở mép của các đơn lớp làm cho vật liệu GO có tính ưa nước và phân tán tốt trong môi trường chất lỏng [2]. Nhờ các gốc nhóm chức này, vật liệu GO dễ dàng lắp ghép với các cấu trúc v mô, nhưng GO vẫn giữ nguyên dạng cấu trúc lớp ban đầu của graphit [36]. Hơn nữa các nhóm chức chứa oxi giúp GO dễ dàng hoạt động và tương tác mạnh với các loại vật liệu khác mang lại vật liệu GO hoàn chỉnh và một loạt ứng dụng công nghệ. Graphen oxit, thường được sử dụng như một tiền chất để tổng hợp graphen. Tuy nhiên nhờ có nhiều tính chất độc đáo [7], vật liệu này thường được sử dụng trong một số l nh vực in ấn thiết bị điện tử, xúc tác, lưu trữ năng lượng, màng tách sinh học và vật liệu tổng hợp [8]. Hiện nay, các phương pháp tổng hợp vật liệu GO phụ thuộc vào phản ứng của than chì với các chất oxi hóa hỗn hợp mạnh, chứa đựng nhiều rủi ro về an toàn cháy nổ, ô nhiễm môi trường và thời gian phản ứng lâu tới hàng trăm giờ. Trong luận văn này, chúng tôi trình bày một phương pháp có thể mở rộng, an toàn và thân thiện với môi trường để tổng hợp vật liệu graphen oxit với hiệu suất cao dựa trên quá trình oxi hóa của tấm graphit. Tấm graphit bị oxi hóa hoàn toàn trong vài giây, graphen oxit thu được có tính chất đạt được
tương tự như graphen oxit chế tạo bằng các phương pháp hiện tại. Vì vậy, chúng tôi chọn đề tài: Trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu các nội dụng sau: Chế tạo vật liệu graphen oxit bằng phương pháp điện hóa. Khảo sát tính chất đặc trưng của vật liệu chế tạo được bằng các phương pháp như: nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán xạ Raman, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR và kính hiển vi điện tử quét phân giải cao (FE SEM).
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. VẬT LIỆU GRAPHEN Cacbon là nguyên tố đóng vai trò quan trọng cho sự sống và là nguyên tố cơ bản của hàng triệu hợp chất hóa học hữu cơ. Trong một nguyên tử cacbon, các electron lớp ngoài cùng có thể hình thành nên nhiều kiểu lai hóa khác nhau. Do đó khi các nguyên tử này liên kết lại với nhau chúng cũng có khả năng tạo nên nhiều dạng cấu trúc tinh thể như: Cấu trúc tinh thể ba chiều (3D), hai chiều (2D), một chiều (1D) và không chiều (0D) [9]. Điều này được thể hiện thông qua sự phong phú về các dạng thù hình của vật liệu cacbon là: Kim cương, graphit, graphen, ống nano cacbon và fullerens. Trong đó, graphen được hai nhà khoa học người Anh gốc Nga là Andre Geim và Konstantin Novoselov khám phá ra vào năm 2004. Cấu tr c c a vật liệu graphen Về mặt cấu trúc graphen là một tấm ph ng dày được cấu tạo từ các nguyên tử cacbon sắp xếp theo cấu trúc lục giác trên cùng một mặt ph ng hay còn được gọi là cấu trúc hình tổ ong. Do chỉ có 6 electron tạo thành lớp vỏ của nguyên tử cacbon nên chỉ có bốn electron phân bố ở trạng thái lai hóa AO 2s và lai hóa AO 2p đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết hóa học giữa các nguyên tử cacbon với nhau. Các trạng thái lai hóa AO 2s và AO 2p của nguyên tử cacbon lai hóa với nhau tạo thành ba trạng thái định hướng trong một mặt ph ng hướng ra ba phương tạo với nhau một góc 1200. Mỗi trạng thái lai hóa AO sp của nguyên tử cacbon này xen phủ với một trạng thái lai hóa AO sp của nguyên tử cacbon khác hình thành một liên kết cộng hóa trị dạng sigma (σ) bền vững. Chính các liên kết sigma này quy định cấu trúc mạng tinh thể graphen dưới dạng cấu trúc hình tổ ong và l giải tại sao graphen rất bền vững về mặt hóa học và trơ về mặt hóa học. Ngoài các liên kết sigma (σ), giữa hai nguyên tử cacbon lân (π) cận còn tồn tại một liên kết pi khác kém bền vững hơn được hình thành do sự xen phủ của các AO pz không bị lai hóa với các AO s. Do π liên kết này yếu và có định hướng không gian vuông góc với các AO
sp nên các electron tham gia liên kết này rất linh động và quy định tính chất điện và quang của graphen. Chiều dài liên kết C – C trong cấu trúc graphen khoảng 0,142 nm.
H nh 1 1: á i n t m i nguy n t on trong m ng gr ph n [9]. Một số t nh chất c a graphen 1 1 2 1 T nh h t i n Graphen có độ linh động điện tử rất cao, graphen có độ linh động điện tử vào khoảng 15.000 cm2/V.s ở nhiệt độ phòng. Trong khí đó Silic vào khoảng 1400 cm2/V.s, ống nano cacbon khoảng 10.000 cm2/V.s, bán dẫn hữu cơ (polymer, oligomer) vào khoảng 10 cm2/V.s. Điện trở suất của graphen khoảng 106 Ω.cm, thấp hơn điện trở suất của bạc (Ag), là vật chất có điện trở suất thấp nhất ở nhiệt độ phòng [10]. Vì vậy graphen được biết đến như là vật liệu có điện trở suất thấp nhất trong các loại vật liệu ở nhiệt độ phòng như thể hiện trong bảng 1. Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn của graphen trong sản xuất các linh kiện điện tử tốc độ cao. Bảng 1: Độ dẫn i n một số vật i u [11]. Vật liệu Độ dẫn điện (S m1) Bạc 6.30×107 Đồng 5.96×107
Vàng 4.10×107 Nhôm 3.5×107 Canxi 2.98×107 Vonfram 1.79×107 Kẽm 1.69×107 Niken 1.43×107 Liti 1.08×107 Iron 1.00×107 Platin 9.43×106 Tin 9.17×106 Thép 1.43×107 Titan 2.38×106 Mangan 2.07×106 Thép không gỉ 1.45×106 Nichrome 9.09×105 GaAs 5×10−8 đến 103 Cacbon vô định hình 1.25 đến 2×103 Kim cương −13 10 Germanium 2.17 Nước biển 4.8
Nước cương 5×10−4 đến 5×10−2 Silicon 1.56×10−3 Gỗ 10−4 đến 103 Nước khử ion 5.5×10−6 Glass 10−11 đến 10−15 Hard rubber 14 10 Air 3×1015 đến 8×1015 Teflon 1025 đến 1023 1 1 2 2 T nh h t nhi t Độ dẫn nhiệt của vật liệu graphen được đo ở nhiệt độ phòng vào khoảng 5000 W/mK [12] cao hơn các dạng cấu trúc khác của cacbon là ống nano cacbon, than chì và kim cương như thể hiện trong bảng 2. Graphen dẫn nhiệt theo các hướng trong cùng mặt ph ng là như nhau. Khi mà các thiết bị điện tử ngày càng được thu nhỏ và mật độ mạch tích hợp ngày càng tăng thì yêu cầu tản nhiệt cho các linh kiện càng quan trọng. Với khả năng dẫn nhiệt tốt, graphen hứa h n sẽ là một vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng đặc biệt trong các linh kiện điện tử công suất. Bảng 2: Độ dẫn nhi t một số vật i u [13] Vật liệu Độ dẫn nhiệt (W/mK) Kim cương 1000 Bạc 406.0 Đồng 385.0 Vàng 314
Đồng thau 109.0 Nhôm 205.0 Sắt 79.5 Thép 50.2 Chì 34.7 Thủy ngân 8.3 Đá băng 1.6 Thủy tinh 0.8 Bê tông 0.8 Nước ở 200C 0.6 Amiăng 0.08 Sợi thủy tinh 0.04 Gạch chịu nhiệt 0.15 Gạch thô 0.6 Tấm xốp gỗ 0.04 Gỗ rỉ 0.04 Bông khoáng 0.04 Nhựa PE 0.033 Nhựa PU 0.02 Gỗ 0.120.04
Không khí ở 00C 0.024 Silica aerogel 0.003 1 1 2 3 T nh h t ơ Để xác định độ bền của vật liệu graphen các nhà khoa học đã sử dụng một kỹ thuật đó là kính hiển vi lực nguyên tử cụ thể người ta sử dụng một đầu típ có đường kính khoảng 2nm bằng kim cương làm lõm một tấm graphen đơn lớp. Kết quả đo và tính toán cho thấy vật liệu graphen có Young’s modulus khoảng 1.100 GPa, có độ bền kéo 125 Gpa, là vật liệu rất cứng (hơn kim cương và cứng hơn thép 300 lần. Trong khi đó tỉ trọng của graphen tương đối nhỏ 0,77 mg/m2 [12]. Hình 1.2: Kỹ thuật o ặ t nh ơ [14] 1 1 2 4 T nh h t qu ng Graphen đơn hầu như trong suốt, nó hấp thụ chỉ 2,3% cường độ ánh sáng và hầu như độc lập với bước sóng trong vùng quang học. Vì thế màng
mỏng trong suốt, dẫn điện cao làm bằng vật liệu graphen đang được tích cực nghiên cứu và thử nghiệm [15]. 1 1 2 5 T nh h t hó họ Tương tự như bề mặt graphit, bề mặt graphen có thể hấp thụ và giải hấp thụ các nguyên tử và phân tử và nhóm chức khác nhau (ví dụ NO2, NH3, K và OH). Các chất hấp thụ liên kết yếu thể hiện vai trò như các chất cho và nhận và làm thay đổi nồng độ các hạt tải vì thế graphen có tính dẫn điện cao. Điều này có thể được khai thác cho các ứng dụng làm cảm biến hóa học. Một số phƣơng pháp ch t o vật liệu graphen Cho đến nay đã có nhiều phương pháp vật l , hóa học được sử dụng để chế tạo vật liệu graphen. Dưới đây là một số phương pháp: 1 1 3 1 Gr ph n tổng hợp từ gr phit oxit Graphen có thể thu được từ graphen oxit thông qua phản ứng khử. Dưới đây là sơ đồ chuyển hóa graphit thành rGO ở hình 1.3. Vi sóng Hình 1.3: Sơ ồ huyển hó từ gr phit thành rGO [16]
Quá trình khử các nhóm chức có chứa oxy trên bề mặt GO sẽ chuyển các lai hóa C – sp3 thành lai hóa C – sp2. Sản phẩm của phản ứng khử này được gọi bằng một loạt các tên gọi khác nhau như: Graphen oxit bị khử, graphen oxit bị khử về mặt hóa học hay rGO. Các phương pháp khử GO về rGO đã được nghiên cứu rộng rãi trong thập kỷ qua. Quá trình khử hóa học GO đã được thực hiện với các tác nhân hydrazin monohydrat (N2H4.H2O), natri bohidrua khử như: dimethyl hydrazin, axit (NaBH4), hydriodic (HI), khí hidro ở nhiệt độ cao, ancol,… [17]. Mỗi tác nhân khử có hoạt tính với một nhóm chức nhất khử của các tác nhân là khác nhau. Ví dụ đối với tác định và hiệu quả nhân khử là Na NH 3 khử trong 30 phút thu được rGO có tỷ lệ nguyên trong khi tử C:O khoảng 16,61:1, đó với tác nhân khử là hydrazin có hoạt tính khử mạnh với nhóm epoxy và cacboxylic trong điều kiện khử 80 1000C, tỉ lệ nguyên tử C:O khoảng 10,3:1. Cơ chế khử của hydrazin được [18] . minh họa ở hình 1.4 Hình 1.4: Sơ ồ huyển hó từ gr phit thành rGO [19]. Theo hình 1.4 cho thấy hydrazin dễ dàng phản ứng với các nhóm chức epoxy trên bề mặt của GO hình thành nên hydrazin alcohol, các nhóm này không bền sẽ chuyển hóa nhanh thành aminoaziridine, sau đó các nhóm aminoaziridine này được loại bỏ ở nhiệt độ khoảng 80 1000C để hình thành
nên liên kết đôi, nhằm khôi phục lại mạng lưới của rGO tại vị trí đó. Tác nhân khử là NaBH4 cho thấy hiệu quả hơn so với hydrazin, nó quả cao hiệu với nhóm C=O, hiệu quả thấp với nhóm epoxy và cacboxylic, nhiệt độ khử khoảng 800C, tỉ lệ nguyên tử C:O khoảng 13,4:1 cao hơn so với hydrazin C:O khoảng 6,2:1 [19]. Axit HI được sử dụng như một chất khử mạnh trong môi trường axit [17], ion I có hoạt tính mạnh với nhóm epoxy và hydroxyl trên GO, đây là hai nhóm chức chiếm tỷ lệ lớn trong GO, sử dụng khoảng 55% axit HI khử GO về rGO sẽ cho hiệu quả cao, phân tích phổ XPS cho tỉ lệ nguyên tử C:O khoảng 12,0:1. Tuy nhiên, các phương pháp khử hóa học trên cho thấy một số nhược điểm như: tạo ra chất thải độc hại và có hại cho môi trường (hơi hydrazin là chất rất độc). Do đó, việc tìm ra các chất khử hiệu quả cao và thân thiện môi trường là cần thiết để thay thế các phương pháp khử GO truyền thống. Gần đây tác nhân khử thân thiện môi trường, ch ng hạn như được vitamin C, bột nhôm, khử đường, axit amin, Na 2CO3... đã nghiên cứu sử dụng để khử GO về rGO [16]. Khử hóa học là phương pháp phổ biến nhất để khử GO, thay vì sử dụng một chất khử hóa học để loại các nhóm chức chứa oxi từ bề mặt GO thì sự khử nhiệt sử dụng nhiệt để khử graphit oxit hoặc GO trong lò trường khí trơ về mặt hóa nung (môi trường chân không cao hoặc trong môi học như: Ar, H2, N2,…). Bên cạnh quá trình khử còn có quá trình bóc lớp, quá trình bóc lớp xảy ra là do các khí CO, CO2, hơi H2O và các phân tử hidro nhỏ được tạo ra bằng cách nung nóng graphit oxit, GO ở nhiệt độ cao, tạo ra áp lực rất lớn trong các lớp xếp chồng lên nhau (40 MPa tại nhiệt độ 3000C, 130 MPa khi nhiệt độ đạt 10000C) khi áp suất đủ lớn sẽ tách các lớp GO ra xa [19]. Đánh giá của hằng số Hamaker dự đoán rằng áp suất chỉ 2,5 MPa là cần thiết để tách hai tấm GO xếp chồng lên nhau [19]. Ngoài ra, CO cũng đóng vai trò là các tác nhân khử đi các nhóm chức trên bề mặt GO [20].
Một vài lớp rGO đã thu được bằng việc khử nhiệt GO trong môi trường khí nitơ trong khoảng nhiệt độ từ 20010000C [21]. rGO được tổng hợp ở 0 800 C có chất lượng cao hơn so với ở nhiệt độ khác, rGO này có diện tích bề mặt riêng lớn (560,6 m2/g) và cấu trúc nanoxốp. Loại bỏ oxi trong quá trình phụ thuộc vào môi trường khí sử dụng (chân không, Ar, khử GO cũng N 2
hoặc H ), tốc độ gia 2 nhiệt và động học như đã trình bày trong tài liệu [21]. Cơ chế của quá trình khử nhiệt được chỉ ra ở hình 1.5. Hình 1.5: Sơ ồ mô tả ơ h h nhi t ho GO hỉ r s phân h y á d ng oxi qu s hơi mào phản gố với: (I) s h nh thành á gố thông
ứng ốt háy (h nh thành á gố hydroxy, hydro, qu á phản và hydrop roxy, (II) S n truyền thông qu phản ứng h r oxy hoặ t n ông vào á nhóm hydroxy ũng như mở á vòng poxy, (III) h m dứt vào phẩm O/ O á gố nzy /ph ny với sản 2 [20]. 1 1 3 2 Gr ph n tổng hợp ằng phương pháp hó họ ướt 1 1 3 2 1 Bó tá h ớp trong ph ỏng Bóc tách lớp trong pha lỏng (LPE) thường liên quan đến sự phân tán của graphit trong một dung môi. Qui trình này dựa trên quá trình sonvat hóa, ngh a là tạo ra sự ổn định enthalpy của những mảng graphen phân tán bởi sự hấp phụ dung môi [22]. Sơ đồ biểu diễn phương pháp LPE cho ở hình 1.6. Hình 1.6: Sơ ồ iểu diễn phương pháp LPE [22] Phương pháp này được thể hiện qua ba giai đoạn: phân tán graphit trong dung môi, bóc tách các lớp graphit thành graphen và cuối cùng là làm sạch sản phẩm graphen. Việc bóc tách các lớp graphit thành công đòi hỏi phải phá vỡ được lực liên kết Vander Waals giữa các lớp liền kề trong graphit. Một
trong những phương pháp hiệu quả nhất và đơn giản để phá vỡ lực liên kết Vander Waals là cho graphit vào một môi trường lỏng. Trong môi trường lỏng thì diện tích bề mặt của các phân tử graphit sẽ giảm đi điều này dẫn đến sự suy giảm của lực phân tán và dẫn đến sự yếu và dễ dàng phá vỡ của lực liên kết Vander Waals. Năng lượng bề mặt của graphen đã được ước tính là 46,7 mJ/m2. Vì vậy, các dung môi với sức căng bề mặt trong khoảng 40mJ/m2, ch ng hạn như N methylpyrolidone (40 mJ/m2), N,N’ đimetylformamide (DMF) (37,1mJ/m2) là các dung môi tốt nhất cho bóc tách các lớp graphit [22]. Trong công bố của nhóm tác giả Paolo Samorı [22] bằng việc sử dụng các dung môi hữu cơ từ dẫn xuất của benzen, toluen, nitrobenzen và pyridine với nồng độ khác nhau khoảng 0,05 0,1 mg/ml để bóc tách thành công graphen từ graphit (hình 1.7). Kết quả thu được rất khả quan, tuy nhiên hiệu suất lại rất thấp (1 2%), hiệu suất cao nhất (2%) khi tác giả sử dụng dung môi pentafluorobenzonitrile với nồng độ 0,1 mg/ml. Hình 1.7: Tổng hợp gr ph n từ gr phit ằng phương pháp LPE s dụng á dung môi khác nhau [22]. 1 1 3 2 2 Bó ớp i n hó gr phit Phương pháp điện hóa là phương pháp sử dụng một chất điện phân lỏng
dẫn điện và dòng điện một chiều để làm dãn nở cấu trúc graphit. Có hai loại bóc lớp điện hóa đó là: + Đi n phân s dụng dung môi hông hứ nướ Trong công trình Wang và cộng sự [23] vài lớp graphen đã được phân lập thành công qua việc đan xen điện hóa ion liti (Li) trong một chất điện phân propylen carbonate (PC) bằng cách áp dụng một điện thế âm cao khoảng (15V) kết hợp siêu âm kéo dài trong dung môi DMF. Kết quả, hơn 70% các tấm graphen thu được có độ dày ít hơn năm lớp. Tuy nhiên, hơn 80% graphen lại có kích thước nhỏ hơn 2 mm do thời gian siêu âm dài. Để cải tiến chất lượng graphen tác giả Zhong đã sử dụng một quá trình tổng hợp hai giai đoạn. Đó là: giai đoạn 1 giãn nở các lớp graphit ban đầu bằng môi propylen dung carbonat chứa LiClO4, giai đoạn thứ 2 là bóc tách các lớp graphit trong chất điện phân tetranbutylammonium (TBA) với điện thế là 5V đã được áp dụng cho cả hai giai đoạn (hình 1.8). Cuối cùng là siêu âm nh (khoảng 15 phút) thực hiện để được các lớp graphen [25].
Hình 1.8: Sơ ồ và h nh ảnh s giãn nở i n gr phit s dụng quá tr nh h i gi i o n [24]. + Đi n phân s dụng dung môi hứ nướ : Trong phương pháp này, các điện cực 4 than chì thường hoạt động như một cực dương, nước cung cấp không chỉ như là một dung môi mà còn có 4 thể tạo thành liên kết CO ở phía rìa ngoài graphit ở giai đoạn ban đầu. Sau đó, các anion âm được xen vào và bắt đầu việc giãn nở và bóc lớp. Một điện áp dương tương đối cao (10V) đã được sử dụng cho các điện cực graphit trong axit sunfuric loãng, sự bóc lớp của graphit được thực hiện bằng sự giải điện hóa của các ion sunfat phóng mạnh mẽ các khí thông qua việc khử [22]. Trong quá trình thí nghiệm, một dây bạch kim được sử dụng như một graphit được sử dụng như một điện cực làm việc, và dung điện cực đối, dịch H SO được sử dụng như một dung dịch điện phân 2 4 . Các cơ chế cho quá trình bóc lớp điện hóa graphit được thể hiện như sau: (a) quá trình điện phân nước tại điện cực tạo ra hydroxyl và gốc oxi tự do, (b) các gốc tự do ôxy hóa cạnh hoặc trong các ranh giới của than chì, (c) quá trình oxy hóa ở mép và ranh giới dẫn đến sự khử phân cực và sự mở rộng của các lớp graphit, tạo điều kiện cho các anion sunfat theo cùng với nước đan xen vào bên trong các lớp graphit, (d) sự khử các anion sunfat xen vào giữa các hóa lớp trong graphit và sự tự oxy nước tạo ra các loại khí như SO2 và O2, chúng tác dụng một lực lớn trên lớp graphit do đó làm yếu liên kết giữa các lớp graphit với nhau được thể hiện trên hình 1.9.