MỤC LỤC
CH NG 1: T NỔG QUAN 5
1.1. VẬT LIỆU GRAPHEN 5
1.1.1. C uấ trúc của vật li uệ 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 nhi tệ8
1.1.2.3. Tính chất cơ10
1.1.2.4. Tính chất quang 10
1.1.2.5. Tính chất hóa học 11
1.1.3. Một số phương pháp ch ết oạ vật li uệ graphen 11
1.1.3.1. Graphen t nổg hợp từ graphit oxit 11
1.1.3.2. Graphen t nổg hợp bằng phương pháp hóa học ưtớ15
1.1.3.3. Bóc l pớ c ơhọc 19
1.1.3.4. Phương pháp epitaxy 20
1.1.3.5. Phương pháp CVD 21
1.1.3.6. Phương pháp tách m ởnốg nano cacbon 22
1.2. VẬT LIỆU GRAPHEN OXIT 23
1.2.1. C uấ trúc của vật li uệ 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 phụ25
1.2.2.3. Khả năng phân tán 26
1.2.3. Một số phương pháp ch ết oạ vật li uệ graphen oxit 27
1.2.3.1.Ch ết oạ graphen oxit sử dụng các ch tấ oxi hóa và các axit mạnh 27
1.2.3.2.Ch ết oạ graphen oxit bằng phương pháp điện ly plasma 32
CH NG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PH NG PHÁP NGHIÊN
CỨU
35
2.1. MỘT SỐ PH NG PHÁP NGHIÊN C UỨ TÍNH CHẤT ĐẶC T
R
VẬT LIỆU
NG
35
2.1.1. Phương pháp hi nể vi đi nệ tử quét phân giải cao (FE-SEM) 35
2.1.2. Phương pháp nhiễu x ạtia X (XRD) [45,46] 35
2.1.3. Phương pháp tán x Raạman 37
2.1.4. Phương pháp phổ h nồg ngo iạ bi nế đổi Fourier- FTIR [47] 38
2.2. L AỰ CHỌN PH NG PHÁP 38
2.3. THIẾT B ,Ị DỤNG CỤ VÀ HÓA CH TẤ TH C ỰNGHIỆM 39
2.3.1. Thiết bị và d nụg c ụ 39
2.3.2. Hóa ch t ấ 40
2.4. QUY TRÌNH CHẾ TẠO GRAPHEN OXIT 40
CH NG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42
3.1. C CHẾ T NỔG HỢP CỦA GO THEO PH NG PHÁP ĐIỆN HÓA 42
3.2. M CỨ ĐỘ KIỂM SOÁT T NỔG 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 ch tấ điện hóa
44
3.2.3. Khảo sát diện tích b ềm tặ riêng của v tậ li uệ 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 H NỒG NGOẠI CHUYỂN D CHỊ FOURIER (FTIR). 53
CH NG 4: KẾT LUẬN 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO 56
MỞ ĐẦU
Trong nh nữg năm g nầ đây, graphen và vật li uệ trên cơ sở graphen
là loại vật li uệ nhận đưcợ sự quan tâm đcặ biệt, kể từ khi lần đầu tiên vật
liệu graphen đưcợ gi iớ thi uệ về các tính ch tấ điện tử từ năm 2004. Cùng
với đó, vào năm 2010 giải thưởng Nobel vật l về v tậ liệu này đã đưcợ
trao cho hai nhà khoa học Konstantin S.Novoselov và Andre K.Geim thuộc
trường đại học Manchester nước Anh. L nầ đuầ tiên đã tách đưc ợnh nữg
đơn l pớ graphen t ừv tệ liệu khối graphit và mô tả tính chất đcặ trưng của
chúng [1]. Kể t ừđó graphen đã trở thành đối tượng đưcợ nhi uề nhà khoa
học quan tâm, nghiên cứu rộng rãi tính chất đi nệ – điện tử, điện hóa,
quang học, cơ học và khả năng hấp ph .ụ
Là một ti nề thân quan trọng và dẫn xuất của v tậ li uệ graphen,
graphen oxit (GO) đã nhận đưcợ sự chú r nộg rãi trong nh nữg năm g nầ
đây. Graphen oxit (GO) là dạng oxi hóa của graphen tồn tại các nhóm chức
chứa oxi, trong đó có 4 nhóm chức chủ y uế là hidroxy, epoxy t iạ trên bề
mặt và các nhóm cacboxyl, cacbonyl t iạ biên ở mép của các đnơ l pớ làm
cho v tậ li uệ GO có tính ưa nưcớ và phân tán tốt trong môi trường chất
l nỏg [2]. Nhờ các gốc nhóm chức này, v tậ li uệ GO dễ dàng l pắ ghép v iớ
các cấu trúc v mô, nh nưg GO v nẫ gi ữnguyên dạng cấu trúc lớp ban đầu
của graphit [3-6]. H nơ nữa các nhóm chức chứa oxi giúp GO dễ dàng ho tạ
động và tương tác mạnh v iớ các loại vật liệu khác mang lại v t ậli uệ GO
hoàn ch nỉh và một lo t ạ ứng d nụg công ngh .ệ Graphen oxit, thường đưcợ sử
dụng nh ưmột tiền chất để tổng h p ợgraphen. Tuy nhiên nhờ có nhi uề tính
ch tấ độc đáo [7], v tậ li uệ này thường đưcợ sử d nụg trong một số l nh
vực in ấn thiết bị điện tử, xúc tác, lưu tr ữnăng lượng, màng tách sinh
học và v tậ li uệ t ngổ hợp [8].
Hi nệ nay, các phương pháp tổng hợp v t ậliệu GO ph ụthuộc vào
phản ứng của than chì với các chất oxi hóa hỗn hợp mạnh, chứa đnựg
nhiều rủi ro về an toàn cháy nổ, ô nhi m ễmôi trường và thời gian phản nứg
lâu tới hàng trăm gi .ờ Trong lu nậ văn này, chúng tôi trình bày một phương
pháp có th ểm rở ộng, an toàn và thân thi n ệv iớ môi trường để tổng hợp vật
liệu graphen oxit với hiệu su tấ cao dựa trên quá trình oxi hóa của t mấ
graphit. Tấm graphit b ịoxi hóa hoàn toàn trong vài giây, graphen oxit thu
được có tính chất đtạ đưcợ
tương tự như graphen oxit chế t oạ 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 d nụg sau:
- Ch ết oạ vật liệu graphen oxit bằng phương pháp điện hóa.
- Kh oả sát tính ch tấ đặc trưng của v t ậli uệ ch ếtạo được bằng các
phương pháp như: nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán xạ Raman, ph ổhồng
ngoại biến đổi Fourier - FTIR và kính hiển vi điện tử quét phân giải cao (FE
- SEM).
CH NG 1 T NG QUANƯƠ Ổ
1.1. VẬT LIỆU GRAPHEN
Cacbon là nguyên tố đóng vai trò quan trọng cho sự sống và là
nguyên tố cơ b nả của hàng tri uệ hợp chất hóa học hữu c .ơ Trong một
nguyên t cacbửon, các electron lớp ngoài cùng có thể hình thành nên nhi uề
ki uể lai hóa khác nhau. Do đó khi các nguyên tử này liên kết lại v iớ nhau
chúng cũng có khả năng t oạ nên nhi uề dạng c uấ trúc tinh thể như: Cấu trúc
tinh thể ba chi u (ề3D), hai chiều (2D), một chi uề (1D) và không chiều (0D)
[9]. Đi uề này được th ểhi nệ thông qua sự phong phú về các dạng thù hình
của vật li uệ cacbon là: Kim cương, graphit, graphen, nốg 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 li u gệraphen
Về m tặ c uấ trúc graphen là một t m ấph ng dày đưcợ c uấ t oạ từ các
nguyên tử cacbon sắp x pế theo cấu trúc lục giác trên cùng một m tặ ph ng
hay còn được gọi là c uấ trúc hình tổ ong. Do chỉ có 6 electron tạo thành
lớp v cỏ ủa nguyên t cacbửon 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 v iớ nhau t oạ thành ba trạng thái định
hướng trong một m tặ 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 k tế c nộg hóa trị dạng sigma ( )σ bền v nữg. Chính các liên kết
sigma này quy định cấu trúc mạng tinh thể graphen dưiớ dạng cấu trúc hình
tổ ong và l giải tại sao graphen r tấ bền vững về m tặ hóa học và trơ về
m tặ hóa học. Ngoài các liên k tế sigma ( ),σ giữa hai nguyên tử cacbon lân
cận còn tồn t iạ một liên kết pi ( )π khác kém b nề vững hơn đưcợ hình
thành do sự xen phủ của các AO - pz không bị lai hóa với các AO - s. Do
liên kết π này y uế và có định hướng không gian vuông góc với các AO -