Nâng cao hiệu suất chế tạo graphene oxide từ lõi pin cũ

Chất thải điện tử là những thiết bị điện và điện tử đã qua sử dụng được xử lý, tạo ra nguồn chất thải có chứa các vật liệu ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người nhưng có giá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

LÊ ĐÔNG NGHI

S K L0 1 1 7 9 5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NÂNG CAO HIỆU SUẤT CHẾ TẠO GRAPHENE OXIDE

TỪ LÕI PIN CŨ

GVHD: TS ĐỖ HUY BÌNH SVTH: NGUYỄN TIẾN LUẬT MSSV: 19130031

SVTH: LÊ ĐÔNG NGHI MSSV: 19130035

Khóa: 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NÂNG CAO HIỆU SUẤT CHẾ TẠO GRAPHENE OXIDE

TỪ LÕI PIN CŨ

GVHD: TS ĐỖ HUY BÌNH SVTH: NGUYỄN TIẾN LUẬT MSSV: 19130031

SVTH: LÊ ĐÔNG NGHI MSSV: 19130035

Khóa: 2019

Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2023

Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thụy Ngọc Thủy – trưởng bộ môn Công nghệ vật liệu và ThS Huỳnh Hoàng Trung – phó trưởng bộ môn Công nghệ vật liệu đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, rèn luyện và thực hành Xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô khoa Khoa học ứng dụng và toàn thể quý thầy cô tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật đã dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt quá trình chúng tôi theo học tại trường

Xin được gửi lời cảm ơn đến Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai – Khu Công nghệ cao Tp Hồ Chí Minh đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi nhất có thể để chúng tôi hoàn thành báo cáo thực tập và hoàn thiện những kỹ năng thực nghiệm của mình Ngoài ra, không thể không nhắc đến sự hỗ trợ của các đơn vị trong việc đo đạc và phân tích mẫu vật

Bên cạnh đó, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến những tác giả, đồng tác giả của những bài viết khoa học mà chúng tôi đã tham khảo trong quá trình nghiên cứu

Trong quá trình thực nghiệm và nghiên cứu khoa học, không thể không nhắc đến sự

hỗ trợ, giúp đỡ của tất các các anh chị, các bạn và các em khóa dưới trong nhóm nghiên cứu khoa học

Đồng hành cùng chúng tôi trong suốt quá trình học tập và làm việc tại trường cũng không thể nào thiếu đi sự quan tâm và hỗ trợ to lớn về vật chất và cả tinh thần của người thân trong gia đình, các anh chị và bạn bè đồng khóa

Sự hỗ trợ, quan tâm và yêu quý từ tất cả mọi người là động lực to lớn để chúng tôi hoàn thành những mục tiêu đã đề ra, đồng thời hướng đến những thành công mới trong tương lai Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn

Lời cuối cùng, xin dành những điều tốt đẹp nhất sẽ luôn đến với mọi người

Xin chân thành cảm ơn

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp này là thành quả do chính chúng tôi nghiên cứu và hoàn thành Các kết quả, số liệu trong trong khóa luận này do chúng tôi thực hiện và xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Chúng tôi không sao chép bất kỳ một bài nghiên cứu nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kì một sự vi phạm nào, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Kết quả chỉ sử dụng để hoàn thành luận văn tốt nghiệp tại Trường Đại Học Sư Phạm

Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Chỉ TS Đỗ Huy Bình được quyền sử dụng các kết quả nghiên cứu này để công bố khoa học

TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2023

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv

LỜI CẢM ƠN vi

LỜI CAM ĐOAN viii

MỤC LỤC ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiii

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH xiv

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tình hình nghiên cứu 3

1.1.1 Tình hình rác thải điện tử, rác thải pin 3

1.1.2 Tình hình nghiên cứu về vật liệu graphene oxide 4

1.2 Tổng quan graphene 5

1.2.1 Giới thiệu về graphene 5

1.2.2 Cấu trúc graphene 6

1.2.3 Tính chất graphene 7

1.2.4 Ứng dụng graphene 7

1.3 Tổng quan graphene oxide 8

1.3.1 Giới thiệu về graphene oxide 8

1.3.2 Cấu trúc graphene oxide 8

1.3.3 Tính chất graphene oxide 9

1.3.4 Phương pháp tổng hợp graphene oxide 10

1.3.5 Tổng quan reduced graphene oxide 12

1.3.6 Ứng dụng graphene oxide, reduced graphene oxide 13

1.4.1 Vật liệu graphene pha tạp 14

1.4.2 Vật liệu graphene oxide pha tạp 15

1.4.3 Các phương pháp tổng hợp 16

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18

2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 18

2.1.1 Hóa chất 18

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị 18

2.2 Nội dung nghiên cứu 21

2.2.1 Sơ đồ nghiên cứu 21

2.2.2 Quy trình thực nghiệm 22

2.3 Các phương pháp phân tích 26

2.3.1 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 26

2.3.2 Phương pháp tán xạ Raman 27

2.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 27

2.3.4 Phương pháp đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 28

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30

3.1 So sánh hiệu quả các dung dịch điện hóa 30

3.1.1 Khảo sát nồng độ NaOH 30

3.1.2 Khảo sát nồng độ KOH 33

3.1.3 So sánh dung dịch điện hóa giữa NaOH và KOH 34

3.2 Kết quả chế tạo graphene oxide, graphene oxide dạng khử 35

3.2.1 Ảnh SEM 35

3.2.2 Phổ Raman 37

3.2.3 Phổ hồng ngoại (FTIR) 41

3.2.4 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 43

3.3 Kết quả pha tạp boron vào graphene oxide 46

3.3.1 Phổ Raman 46

3.3.2 Phổ hồng ngoại (FTIR) 48

3.3.3 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 49

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

4.1 Kết luận 51

4.2 Kiến nghị 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

GO Graphene Oxide Graphen oxit

H-GO The graphene oxide by the

standard Hummers method

GO sản xuất bằng phương pháp Hummers cải tiến

B-GO The boron functionalized

graphene oxide GO pha tạp boron rGO Reduced Graphene Oxide Graphene oxide dạng khử

IPA Isopropyl alcohol

DI Deionized

ACE Acetone

PVDF Polyvinylidene fluoride

FWHM Full width at half maximum Độ rộng nửa cực đại

SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét

FTIR Fourier-transform infrared

spectroscopy

Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X

CVD Chemical vapor deposition Lắng đọng hơi hóa học

2D Two dimensional Hai chiều

DC Direct Current Nguồn điện một chiều

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng trong quá trình thực nghiệm 18

Bảng 2.2 Nồng độ NaOH và (NH4)2SO4 trong dung dịch điện hóa 24

Bảng 3.1 Vị trí các đỉnh trong phổ Raman của H-GO 38

Bảng 3.2 Vị trí các nhóm chức có trong phổ FTIR 41

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu trúc vật liệu carbon graphene (2D), fullerene (0D), ống nano (1D) và than

chì (3D) [11] 6

Hình 1.2 Một số mô hình cấu trúc của graphene oxide [12] 9

Hình 1.3 Cơ chế tạo graphene oxide từ than chì bằng phương pháp bóc tách điện hóa có hỗ trợ plasma [11] 11

Hình 1.4 Cấu trúc graphene oxide dạng khử (rGO) [13] 12

Hình 1.5 Các ứng dụng hiện tại và triển vọng của GO và rGO [16] 14

Hình 1.6 Quy trình tổng hợp GO pha tạp boron bằng phản ứng thủy nhiệt [25] 17

Hình 2.1 Máy quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD) EMPYREAN 19

Hình 2.2 Máy đo quang phổ hồng ngoại NICOLET 6700 20

Hình 2.3 Kính hiển vi điện tử quét S-4800 20

Hình 2.4 Máy đo quang phổ Raman Micro Raman Xplora Plus 21

Hình 2.5 Sơ đồ tóm tắt nội dung thực nghiệm 22

Hình 2.6 Quy trình chuẩn bị lõi than chì điện hóa 23

Hình 2.7 Sơ đồ tổng hợp GO bằng phương pháp điện hóa 24

Hình 2.8 Sơ đồ quy trình Hummers 25

Hình 3.1 Phổ Raman của bột than chì (vạch đen) và graphene oxide (vạch đỏ) 30

Hình 3.2 Phổ Raman của GO khi thay đổi nồng độ NaOH trong dung dịch điện hóa 32

Hình 3.3 Tỷ lệ ID/IG, I2D/IG của GO khi thay đổi nồng độ NaOH trong dung dịch điện hóa 32

Hình 3.4 Phổ Raman của GO khi thay đổi nồng độ KOH trong dung dịch điện hóa 33

Hình 3.5 Tỷ lệ ID/IG, I2D/IG của GO khi thay đổi nồng độ KOH trong dung dịch điện hóa 33

Hình 3.6 Phổ Raman GO khi sử dụng KOH 2.5% và NaOH 5% trong dung dịch điện hóa 34

Hình 3.7 Ảnh SEM của bột than chì 35

Hình 3.8 Ảnh SEM của GO thu được sau quá trình điện phân hóa học có sự hỗ trợ plasma

ở các độ phóng đại khác nhau 36

Hình 3.9 Ảnh SEM của GO sau quá trình Hummers ở các độ phóng đại khác nhau 36

Hình 3.10 Phổ Raman của mẫu H-GO và mẫu GO 37

Hình 3.11 Phổ Raman của H-GO sau quá trình phân tách phổ 38

Hình 3.12 Phổ Raman của H-GO và rGO 40

Hình 3.13 Phổ FTIR của GF, H-GO và rGO 41

Hình 3.14 Phổ nhiễu xạ tia X của GF, GO, H-GO, và rGO 44

Hình 3.15 Phổ Raman của H-GO và B-GO 46

Hình 3.16 Phổ Raman của graphene oxide pha tạp boron ở các nồng độ khác nhau 47

Hình 3.17 Phổ FTIR của H-GO và B-GO 48

Hình 3.18 Phổ XRD của H-GO và B-GO 49

LỜI MỞ ĐẦU

Dưới sự phát triển ngành công nghiệp điện tử, lượng rác thải điện tử ngày một gia tăng nhanh chóng Xử lý rác thải điện tử trở thành mối quan tâm của toàn thế giới Tái chế rác thải, thu hồi nguồn nguyên vật liệu hiện đang là phương pháp được sử dụng làm giảm rác thải điện tử và tái sử dụng nguồn tài nguyên Pin đã qua sử dụng chiếm phần lớn trong rác thải điện tử và là một trong những loại rác thải có giá trị thu hồi tài nguyên lớn với nhiều kim loại quý

Tại Việt Nam, phần lớn pin đã qua sử dụng không được tái chế theo đúng quy trình, chúng chỉ được xử lý thô thông qua việc chôn lấp hoặc đốt Điều này ảnh hưởng rất lớn đến môi trường và con người khi các kim loại nặng tồn tại trong pin phát tán vào môi trường, ảnh hưởng nghiêm trọng đến con người và sinh vật

Trong các loại pin đang có mặt trên thị trường hiện nay, pin kẽm – carbon (Zn-C) với chi phí sản xuất thấp nên được bán rẻ và có thể dễ dàng mua ở bất cứ đâu, phù hợp với các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp như đồ chơi, đồng hồ, thiết bị điều khiển từ xa Đối với pin Zn-C đã qua sử dụng, lõi than chì trong pin có thể được coi là nguồn tái chế graphite tiềm năng

Bên cạnh đó, graphene và graphene oxide là những vật liệu có những tính chất đặc biệt được ứng dụng nhiều trong cuộc sống Graphene có những đặc tính ấn tượng do cấu trúc hóa học và hình học độc đáo của nó Những tính năng này làm cho graphene trở thành một lựa chọn thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau Graphene oxide (GO) có ưu điểm

là chi phí sản xuất thấp, sản xuất quy mô lớn và dễ xử lý Ngoài ra vật liệu này cũng có các đặc tính tuyệt vời với các nhóm chức giàu oxy hoạt tính Vì thế, GO đã được ứng dụng trong các lĩnh vực xúc tác, pin mặt trời, lưu trữ năng lượng, chăm sóc sức khỏe

Nhận thấy tiềm năng của vật liệu graphene/graphene oxide, đồng thời có thể sử dụng lại nguồn tài nguyên graphite từ lõi pin Zn-C đã qua sử dụng, chúng tôi chọn đề tài “Nâng cao hiệu suất chế tạo graphene oxide từ lõi pin cũ” để thực hiện dự án tái chế pin Zn-C bằng

cách sử dụng lõi than chì làm điện cực cho hệ điện phân, sản phẩm của quá trình này là graphene oxide

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu

1.1.1 Tình hình rác thải điện tử, rác thải pin

Rác thải điện tử: Ngày nay, việc tiêu thụ các thiết bị điện và điện tử có mối liên kết chặt chẽ với sự phát triển kinh tế toàn cầu Những thiết bị này đã trở nên không thể thiếu trong xã hội hiện đại và đang gia tăng nhằm cải thiện chất lượng cuộc sống Đi cùng với sự phát triển của chúng, lượng rác thải điện tử thải ra môi trường cũng tăng theo Chất thải điện tử là những thiết bị điện và điện tử đã qua sử dụng được xử lý, tạo ra nguồn chất thải

có chứa các vật liệu ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người nhưng có giá trị kinh

tế Trong xã hội hiện đại ngày nay, lượng rác thải điện tử đang ngày càng gia tăng nhanh chóng và còn đa dạng về chủng loại Mặc dù trong rác thải điện tử có chứa rất nhiều hợp chất khác nhau, tuy nhiên chúng cũng là nguồn tài nguyên to lớn nếu có các giải pháp thu gom, tái chế hiệu quả

Tình hình rác thải pin: Trong những năm vừa qua, khi thời đại công nghệ phát triển, việc tiêu thụ pin đã tăng lên đáng kể chính bởi tính linh hoạt, chi phí và nhu cầu của ngành công nghiệp điện tử ngày một tăng cao Xử lý pin đã qua sử dụng trở thành một trong những vấn đề trọng yếu chính vì mỗi một loại pin mang những hàm lượng thành phần hóa học khác nhau Pin đã qua sử dụng được coi là một loại chất thải nguy hiểm, ảnh hưởng và tác động trực tiếp đến môi trường, việc xử lý loại rác thải này còn khá bất cập khi chi phí cho việc xử lý an toàn chất thải, khả năng lưu trữ và tái chế ở các nhà máy có hạn so với con số pin được thải ra là quá lớn [1]

Trong suốt một thời gian dài, việc nghiên cứu hướng giải quyết rác thải điện tử nói chung và pin đã qua sử dụng nói riêng đã luôn là một bài toán khó giải quyết Để xử lý loại rác thải đặc biệt này, có các hướng giải quyết như: cải tiến, tăng dung lượng lưu trữ, tái sử dụng nhiều lần bằng cách sạc, cung cấp năng lượng để pin có thể kéo dài thời gian sử dụng Việc này hạn chế phần nào nguồn rác thải từ pin, hạn chế được sự chênh lệch về số lượng pin được xử lý và pin được thải ra Đồng thời, việc tái chế pin cũ, sử dụng lại các nguồn tài nguyên vật liệu cũng là một hướng để giải quyết vấn đề này Việc này hướng đến tiết kiệm

nguồn tài nguyên có hạn, hạn chế tối thiểu nguồn chất thải Để giải quyết có hiệu quả không chỉ các loại pin đã qua sử dụng mà còn với hầu hết các loại rác thải điện tử, hai hướng xử

lý trên đã dần dần được áp dụng đồng thời và ngày càng trở nên khả quan

Pin kẽm - carbon hiện nay: Xuất hiện lần đầu tiên từ hơn 150 năm trước [2], đến ngày nay pin Zn-C đã không còn được sử dụng phổ biến chính bởi hiệu suất, khả năng tái

sử dụng và khả năng lưu trữ năng lượng không còn vượt trội Tuy nhiên, nguồn rác thải từ loại pin này rất đáng kể Chỉ riêng ở Úc, khoảng 350 triệu pin được sử dụng mỗi năm [3] Thông thường các pin được sử dụng cho các thiết bị cầm tay di động (khoảng 98%) và khoảng 19% trong số này là pin Zn-C [3] Loại pin này thường được sử dụng trong các thiết

bị như điều khiển từ xa, radio và đồng hồ báo thức, các thiết bị điện tử gia dụng Tuy nhiên, pin Zn-C không thể tái sử dụng, vòng đời ngắn dẫn đến một số lượng lớn trở thành rác thải điện tử

Lõi than chì graphite: Phần lõi trong pin Zn-C làm từ carbon, là một vật liệu phổ biến và ít có giá trị Chính vì vậy, trong quy trình tái chế, hầu hết các tài nguyên kim loại được thu hồi và xử lý phần lõi graphite hầu như không được đề cập đến

1.1.2 Tình hình nghiên cứu về vật liệu graphene oxide

Hiện nay các nghiên cứu ngoài nước tập trung sử dụng phương pháp Hummers cải tiến, loại bỏ các hóa chất độc hại trong quá trình thực hiện để tổng hợp graphene oxide

Năm 2010, Daniela C Marcano cùng cộng sự đã tổng hợp graphene oxide bằng phương pháp Hummers cải tiến, thay thế việc sử dụng NaNO3 bằng H2SO4, H3PO4 và tăng lượng KMnO4 Phương pháp này làm giảm thiểu các khí độc hại thải ra so với khi sử dụng NaNO3 [4]

Năm 2014, nhóm nghiên cứu của thầy Đặng Văn Thanh đã tổng hợp tấm graphene bằng phương pháp điện hóa với sự hỗ trợ của plasma [5]

Năm 2017, Roksana Muzyka và cộng sự đã tổng hợp graphene oxide với các hàm lượng oxy và thông số kỹ thuật khác nhau được điều chế từ graphite thương mại bằng các phiên bản khác nhau của phương pháp Hummers và bằng cách oxy hóa với natri dichromate [6]

Năm 2020, Arash Mazinani và cộng sự đã tổng hợp các hạt graphene oxide có mức độ oxy hóa cao bằng phương pháp Hummers cải tiến [7]

Năm 2022, A Loudiki và cộng sự đã chế tạo graphene oxide (GO) từ các thanh carbon của pin kẽm đã qua sử dụng (Zn-C) bằng cách sử dụng phương pháp tối ưu hóa mới trong các ứng dụng điện hóa [8]

Bên cạnh đó, những nghiên cứu gần đây đề cập đến việc pha tạp nguyên tố mới vào các vật liệu dựa trên graphene, giúp tăng cường những tính chất điện của chúng [9]

Tại Việt Nam, nghiên cứu chế tạo graphene oxide chủ yếu thông qua phương pháp Hummers, điện phân hóa học, sử dụng vật liệu ban đầu là graphite Năm 2020, nhóm nghiên cứu của thầy Thầy Nguyễn Văn Hảo, đã tổng hợp GO từ các thanh than chì của pin

cũ bằng cách sử dụng các kỹ thuật tách lớp plasma ở áp suất khí quyển ứng dụng vào việc

cho các ứng dụng về xử lý môi trường, tuy nhiên, chế tạo vật liệu graphene/graphene oxide

từ lõi than chì hướng đến tái chế rác thải vẫn còn khá mới mẻ

1.2 Tổng quan graphene

1.2.1 Giới thiệu về graphene

Graphene lần đầu tiên được phát hiện dưới dạng một cấu trúc tấm được tách cơ học

từ một khối than chì Vật liệu graphene hơn kim cương, dẫn điện tốt hơn đồng và có kích thước nano Graphene chỉ bao gồm các nguyên tử carbon gắn với nhau trong một lớp với

sự sắp xếp dạng tổ ong của mạng tinh thể Nói một cách đơn giản, một lớp than chì siêu mỏng, được gọi là graphene Về mặt hóa học, graphene là một dạng thù hình đơn lớp của các nguyên tử carbon lai hóa sp2 với độ dài liên kết 0.142 nm Cấu trúc phân tử này có thể

có nhiều hình thái khác nhau như: fullerene, ống nano carbon, graphene và than chì Trong cấu trúc than chì, các nguyên tử carbon được gắn với nhau bằng liên kết cộng hóa trị sp2, cùng với liên kết Van der Waals yếu giữ các tấm lại với nhau, làm cho than chì trở thành vật liệu mềm trái ngược với kim cương rất cứng với tất cả các liên kết cộng hóa trị sp3 Graphene có những đặc tính ấn tượng do cấu trúc hóa học và hình học độc đáo của nó Những tính năng này làm cho graphene trở thành một lựa chọn thích hợp trong nhiều ứng

dụng khác nhau: vật liệu tổng hợp nano, nghiên cứu năng lượng, vật lý lượng tử, xúc tác, điện tử nano, vật liệu sinh học [11]

Hình 1.1 Cấu trúc vật liệu carbon graphene (2D), fullerene (0D), ống nano (1D) và than

chì (3D) [11]

1.2.2 Cấu trúc graphene

Nguyên tử carbon ở trạng thái cơ bản có cấu hình electron 1s22s22p2 Có hai electron chưa ghép cặp trong cấu hình này Để tạo nên cấu trúc graphene, cần ba electron để liên kết với ba nguyên tử carbon khác Do đó, để tạo ra các liên kết cần thiết, một trong số các electron trong quỹ đạo 2s2 được kích thích vào quỹ đạo 2p Nguyên tử carbon ở trạng thái kích thích này hiện có cấu hình electron là 1s22s12p3 Lúc này, electron 2s1 và hai electron 2p3, tạo thành ba obitan sp2 cùng với một obitan 2p còn lại Trong graphene, tất cả các nguyên tử được liên kết cộng hóa trị bằng ba liên kết σ trong mặt phẳng (từ quỹ đạo sp2) và một liên kết π (từ quỹ đạo 2p còn lại) vuông góc với mặt phẳng cơ sở [11]

1.2.3 Tính chất graphene

Tính chất cơ học của graphene chỉ có mặt phẳng 2D bao gồm các nguyên tử carbon

sp2 với các liên kết cộng hóa trị, được sắp xếp theo mô hình lục giác gần như không thể phá hủy Graphene cứng, giá trị modul Young lớn, độ bền đứt gãy 80 MPa và có độ bền cực cao [11] Những tính chất cơ học đặc biệt này được nghiên cứu trong việc sử dụng graphene làm chất độn để tăng cường độ bền cơ học

Graphene có tính kỵ nước (góc tiếp xúc với nước 95°–100°) Khả năng chống thấm cao do các nguyên tử carbon dày đặc, độ bền cao, mật độ điện tử cao [11]

Tính chất quang: graphene hầu như trong suốt, nó chỉ hấp thụ 2.3% cường độ ánh sáng Những nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng độ trong suốt của graphene gần như là 97.7% đối với ánh sáng khả kiến và có sự giảm tuyến tính về độ truyền qua khi số lớp graphene tăng lên [11]

Tính dẫn điện của graphene là một đặc tính đang được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau trong điện tử nano Graphene có tính dẫn điện vượt trội, độ linh động điện tử cao đạt từ 10000 cm2/Vs đến 50000 cm2/Vs ở nhiệt độ phòng Tuy nhiên, một số yếu tố đã được tìm thấy để cản trở tính chất điện của graphene, chẳng hạn như số lớp, sự hiện diện của khuyết tật, tạp chất, nhóm chức năng, kích thước Những đặc tính điện tử đầy hứa hẹn của graphene đã thúc đẩy việc nghiên cứu và phát triển để ứng dụng nó trong các thiết bị điện

tử mới, vật liệu cảm ứng quang, cảm biến môi trường, sản xuất và lưu trữ năng lượng [12]

Tính chất nhiệt: ở nhiệt độ phòng, độ dẫn nhiệt của graphene vào khoảng 5000 W/mk, giá trị độ dẫn nhiệt cực cao cho thấy graphene vượt trội hơn các vật liệu khác ở tính dẫn nhiệt Khi các thiết bị ngày càng được thu nhỏ và mật độ mạch tích hợp ngày càng tăng lên thì yêu cầu tản nhiệt càng quan trọng Để hoạt động bình thường trong thời gian dài, nhiệt độ hoạt động ổn định là điều bắt buộc đối với thiết bị điện tử hiệu suất cao [13] Với khả năng dẫn nhiệt tốt, graphene hứa hẹn sẽ là một vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng tương lai

1.2.4 Ứng dụng graphene

Graphene là vật liệu carbon 2D phổ biến trong thời đại ngày nay do các đặc tính: nhẹ, độ bền cơ học cao, độ dẫn điện Chính bởi những ưu điểm này, graphene được kỳ vọng

sẽ nâng cao chức năng của các ứng dụng khác nhau, graphene trở thành chủ đề của nhiều nghiên cứu và được quan tâm rộng rãi trong những năm gần đây Graphene có những ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như pin mặt trời, pin nhiên liệu, pin lithium ion và các nguồn năng lượng khác Bên cạnh đó, các công cụ điện tử, màng lọc nước, ứng dụng khoa học sinh học và cảm biến Cảm biến graphene, bao gồm cảm biến khí

và cảm biến sinh học, có nhiều ứng dụng trong môi trường [14]

1.3 Tổng quan graphene oxide

1.3.1 Giới thiệu về graphene oxide

Graphene oxide lần đầu tiên được tổng hợp bởi Benjamin Brody vào năm 1859 Quá trình này bao gồm quá trình oxy hóa và bóc tách than chì kết tinh tự nhiên [15] Vật liệu này có thể được coi là một lớp than chì đơn phân tử với các nhóm chức chứa oxy khác nhau như các nhóm epoxide, carbonyl, carboxyl và hydroxyl GO có ưu điểm là chi phí sản xuất thấp, sản xuất quy mô lớn và dễ xử lý Nó thường được sử dụng làm tiền chất để điều chế graphene oxide khử (rGO) Graphene oxide cũng có các đặc tính tuyệt vời với các nhóm chức giàu oxy hoạt tính Sự có mặt của các nhóm chứa oxy cũng mở rộng khoảng cách giữa các lớp GO đã được ứng dụng trong các lĩnh vực xúc tác, pin mặt trời, lưu trữ năng lượng, chăm sóc sức khỏe,…[16]

1.3.2 Cấu trúc graphene oxide

Hiện tại không có mô hình chính xác nào về cấu trúc hóa học của GO và vấn đề này

đã gây ra nhiều cuộc thảo luận Một số mô hình cấu trúc của GO đã được đề xuất như mô hình của Hofmann, Ruess, Scholz-Boehm, Nakajima-Matsuo, Lerf-Klinowski, và Dekany

(Hình 1.2) và hiện tại, mô hình được chấp nhận nhất là mô hình Lerf-Klinowski Nó chỉ ra

rằng các nhóm hydroxyl và epoxy được phân bố ngẫu nhiên trên lớp graphene oxide, trong khi các nhóm cacboxyl và carbonyl được đưa vào ở rìa Graphene oxide có vùng vòng benzen không bị oxy hóa và vùng vòng sáu cạnh aliphatic bị oxy hóa, và kích thước tương đối của hai vùng này phụ thuộc vào mức độ oxy hóa và sự phân bố ngẫu nhiên trên graphene oxide Tuy nhiên Erikson và cộng sự đã nghiên cứu các tấm nano graphene oxide thông qua kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phát hiện ra rằng GO không chỉ có vùng bị oxy hóa

với độ hỗn loạn cao và vùng graphene không bị oxy hóa, mà còn có các khuyết tật lỗ do quá trình oxy hóa quá mức và bong tróc lớp [11], [16]

Hình 1.2 Một số mô hình cấu trúc của graphene oxide [11]

1.3.3 Tính chất graphene oxide

Một trong những ưu điểm chính của GO là khả năng tạo thành các dung dịch ổn định trong nước và một số dung môi hữu cơ [17] Các hạt GO rất ưa nước, nó dễ dàng phân tán trong nước do sự hiện diện của các nhóm chức chứa oxy Ngoài ra, GO cũng phân tán

ổn định trong một số dung môi hữu cơ như ethylene glycol, dimethylformamide (DMF), methyl-2-pyrrolidone (NMP), tetrahydrofuran (THF) do liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl trên bề mặt của chúng và dung môi [15]

n-Sự hình thành của các nhóm chức có chứa oxy trên bề mặt các tấm graphene mà một phần liên kết sp2 trong mạng tinh thể của graphene bị oxy hóa và trở thành liên kết sp3, điều này làm giảm điện tích tự do trên bề mặt, nên GO hoạt động giống như chất cách điện Độ dẫn điện của GO được xác định bởi các vùng điện môi của các nguyên tử carbon sp3 liên kết với các nhóm chứa oxy ngăn cách các miền của graphene ban đầu với nhau Kết quả là độ dẫn điện giảm [15]

1.3.4 Phương pháp tổng hợp graphene oxide

Để tổng hợp GO, có thể dùng các chất oxy hóa mạnh như KMnO4, NaNO3 hay KClO3, để oxy hóa than chì trong môi trường acid Năm 1859, Brodie tuyên bố một loại cấu trúc carbon mới đã thu được bằng cách xử lý than chì từ kali clorat và acid nitric Phương pháp này là một ví dụ về phương pháp cơ bản được sử dụng để tổng hợp GO Sau

đó, năm 1898 Staudenmaier đã cố gắng cải thiện phương pháp của Brodie bằng cách thêm

từ từ clorat với hỗn hợp acid sulfuric và acid nitric Đến năm 1958, Hummers và cộng sự

đã chứng minh việc sử dụng hỗn hợp phản ứng gồm KMnO4, NaNO3 trong H2SO4 với mục đích tạo ra vật liệu graphene oxide Kể từ đó, phương pháp này được gọi là phương pháp Hummers Cấu trúc của GO gồm nhiều nhóm chức có chứa oxy, khiến nó trở thành vật liệu được thay đổi chức năng hóa học sử dụng trong các ứng dụng khác nhau Mặc dù phương pháp Hummers được chú ý nhiều vì hiệu quả cao và đáp ứng độ an toàn của phản ứng, tuy nhiên, nó vẫn có hai khuyết điểm Thứ nhất, quá trình oxy hóa giải phóng khí độc như NO2

và N2O4 Thứ hai, các ion Na+ và NO3- dư khó loại bỏ khỏi nước thải hình thành từ quá trình tổng hợp GO Phương pháp Hummers cải tiến không sử dụng NaNO3 có thể tạo ra

GO như phương pháp Hummers thông thường Sự cải tiến này không làm giảm năng suất sản phẩm, mà còn loại bỏ được sự sinh ra khí độc NO2 và N2O4, giúp đơn giản hóa việc xử

lý nước thải do không tồn tại ion Na+ và NO3- Phương pháp này còn cải tiến hơn ở việc thực hiện phản ứng trong hỗn hợp H2SO4/H3PO4 theo tỷ lệ thể tích 9:1 Cải tiến này thành công trong việc tăng hiệu suất phản ứng và giảm khí độc hại Đồng thời, sử dụng gấp đôi lượng KMnO4, gấp 5.2 lần lượng H2SO4 so với phương pháp Hummers và cũng đưa một thành phần mới H3PO4 vào phản ứng [11], [18]

Phương pháp điện phân hóa học có sự hỗ trợ của plasma là một phương pháp bóc tách có hiệu quả cao nhờ vào cực âm than chì để tạo ra plasma nhằm sản xuất các tấm graphene/graphene oxide từ các điện cực trong dung dịch điện phân với thời gian phản ứng ngắn Khi cực dương thanh than chì chìm trong chất điện phân, cực âm thanh than chì được mài nhọn nên diện tích tiếp xúc bề mặt của cực âm trong chất điện phân nhỏ hơn nhiều so với diện tích của cực dương, vì thế điện trường cực cao được tạo ra gần bề mặt cực âm tiếp

nước trong chất điện phân gần khu vực tiếp xúc bề mặt của đầu cực âm, dẫn đến sự ion hóa tức thời các bong bóng khí hydro bởi sự hiện diện của điện trường cao gần đầu cực âm, tạo

ra plasma Sự giải phóng mạnh khí hydro trên đầu cực âm bề mặt thanh than chì dẫn đến

mở ra các cạnh ở bề mặt than chì và tạo điều kiện thuận lợi cho sự xen kẽ của khí hydro vào các lớp than chì, tạo thành các hợp chất xen kẽ than chì Do quá trình giãn nở của các lớp than chì, lực Van der Waals giữa các tấm yếu đi Đồng thời, trong quá trình phóng điện nhiệt độ plasma có thể đạt ngay lập tức trên 2000oC trong một khoảng thời gian rất ngắn ở đầu cực âm, gây các ứng suất cơ nhiệt trên bề mặt này Sự kết hợp của hai yếu tố này tạo

ra sự giãn nở và bóc tách tuần tự các lớp bề mặt của cực âm than chì dày thành các tấm graphene nhỏ hơn và mỏng hơn Hơn nữa, các phản ứng điện hóa trên bề mặt cực dương

có thể tạo ra sự bóc tách trực tiếp từ điện cực than chì, tạo ra một phần nhỏ các tấm graphene

từ than chì ban đầu [5]

Hình 1.3 Cơ chế tạo graphene oxide từ than chì bằng phương pháp bóc tách điện

hóa có hỗ trợ plasma [10]

1.3.5 Tổng quan reduced graphene oxide

Hình 1.4 Cấu trúc graphene oxide dạng khử (rGO) [12]

Graphene oxide dạng khử (rGO) là dạng GO được xử lý bằng phương pháp hóa học,

nhiệt và các phương pháp khác để giảm hàm lượng oxy (Hình 1.4) Việc giảm hàm lượng

oxy nhằm khôi phục cấu trúc và tính chất của graphene Phần đáng kể của các nhóm chức chứa oxy có thể dễ dàng được loại bỏ khỏi mặt phẳng cơ bản của GO do khả năng phản ứng bề mặt cao của nó [15] Mặc dù quá trình khử GO có thể loại bỏ phần lớn hàm lượng oxy của nó, nhưng quá trình khử hoàn toàn GO là một thách thức Quan trọng hơn, quá trình này dẫn đến cấu trúc hóa học bị thay đổi, các chỗ trống carbon, hàm lượng oxy còn lại, các cấu trúc carbon hình ngũ giác và hình lục giác được nhóm lại Do những khiếm khuyết này, quá trình khử GO chỉ cho thấy sự phục hồi một phần tính chất cơ học và điện

tử của nó so với graphene ban đầu Cấu trúc hóa học bị thay đổi này được phân biệt với graphene và được gọi là graphene oxide dạng khử Hiểu được quá trình khử GO và tổng hợp rGO có các đặc tính cấu trúc gần với graphene sẽ thể hiện các bước quan trọng trong quá trình phát triển vật liệu dựa trên graphene [12] Nhiều nghiên cứu đã đề xuất nhiều phương pháp đa dạng để tổng hợp rGO, trong đó phương pháp hóa học và nhiệt là hai phương pháp phổ biến [15]

Đặc điểm chung của các phương pháp nhiệt là làm nóng GO trực tiếp hoặc bằng cách chiếu xạ (sóng điện từ, tia hồng ngoại, hoặc tia cực tím (UV)) trong môi trường chân

không, trơ hoặc khử Quá trình chuyển đổi GO thành rGO diễn ra ở nhiều mức nhiệt độ khác nhau Quá trình khử nhiệt liên quan trực tiếp đến tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ khử và thời gian phản ứng [16] Ưu điểm rõ ràng của quá trình khử nhiệt là loại bỏ đồng thời các nhóm chứa oxy và khôi phục cấu trúc của GO bằng cách ủ nhiệt Quá trình này thúc đẩy sự phục hồi các khuyết tật oxy hóa của mặt phẳng cơ sở GO trong quá trình tái tổ hợp sp3-sp2 của các nguyên tử carbon [15]

Quá trình khử GO thành rGO còn được thực hiện bằng phương pháp hóa học, sử dụng các chất phản ứng khác nhau Chất hóa học sử dụng thường xuyên để khử GO là hydrazine hydrate Ngoài ra còn có thêm một số chất khác như sodium borohydride, hydroquinone, hydroiodic acid, hexamethylenetetramine, dung dịch kiềm natri và kali Nó

có thể được thực hiện trong môi trường lỏng hoặc môi trường hơi ở nhiệt độ vừa phải hoặc thậm chí ở nhiệt độ phòng [15]

1.3.6 Ứng dụng graphene oxide, reduced graphene oxide

Gần đây, GO/rGO đã trở thành nền tảng đầy hứa hẹn cho các vật liệu tiên tiến trong các công nghệ liên quan đến năng lượng Các ứng dụng rộng rãi của rGO đã được khám phá trong nhiều công nghệ chuyển đổi và lưu trữ năng lượng điện hóa (ví dụ: pin nhiên liệu, pin không khí kim loại, siêu tụ điện) Các ứng dụng đầy triển vọng, chủ yếu là do các tính chất vật lý và hóa học độc đáo của chúng như diện tích bề mặt cao, khả năng tiếp cận với số lượng lớn, độ dẫn điện tử/ion có thể điều chỉnh được, cấu trúc mặt phẳng cơ sở graphite độc đáo và dễ dàng sửa đổi hoặc chức năng hóa GO/rGO đã thể hiện hiệu suất tuyệt vời trong các siêu tụ điện với mật độ điện dung theo thể tích và trọng lượng tuyệt vời cũng như tính khả thi trong thiết kế và chế tạo Ngoài ra, rGO hứa hẹn sẽ là vật liệu cực dương hiệu suất cao trong pin lithium-ion do tương tác thuận lợi của nó với Li [19]

Vật liệu GO và rGO có phạm vi ứng dụng rộng rãi và tương lai đầy hứa hẹn Hình

1.5 cho thấy sự đa dạng của các ứng dụng hiện tại và tương lai của GO và rGO Trong

những năm gần đây, các nghiên cứu ứng dụng của GO và các dẫn xuất của nó trong lĩnh vực khai thác, lưu trữ năng lượng, bảo vệ môi trường, sinh học, và y học Ngoài ra, sự phục hồi cấu trúc graphene thông qua tái lai hóa sp3-sp2 trong quá trình khử GO, có lẽ có thể giúp giải quyết vấn đề của các khuyết tật của mặt phẳng graphene Điều này cũng có thể giúp

phát triển phương pháp hóa học hiệu quả để điều chế graphene hiệu quả Trong tương lai,

GO và rGO sẽ mở rộng lĩnh vực ứng dụng và mở ra các ứng dụng hiện đại cho ngành công nghệ graphene [15]

Hình 1.5 Các ứng dụng hiện tại và triển vọng của GO và rGO [15]

1.4 Vật liệu graphene - graphene oxide pha tạp

1.4.1 Vật liệu graphene pha tạp

Như đã đề cập, cấu trúc graphene gồm các nguyên tử carbon có liên kết sp2 thông qua lai hóa các obitan nguyên tử s, px và py, tạo ra 3 liên kết mạnh với 3 nguyên tử liền kề Quỹ đạo pz thứ tư trên mọi nguyên tử carbon tương tác với các nguyên tử gần nhất, tạo ra vùng hóa trị và vùng dẫn [20], [21] Các ứng dụng của graphene đã bị hạn chế ở mức độ lớn trong lĩnh vực điện tử nano, cảm biến, xúc tác điện và lưu trữ năng lượngdo không có bandgap [20] Do đó, ngày càng có nhiều nghiên cứu tìm cách tạo nên một vùng cấm trong graphene

Pha tạp hóa học với các nguyên tử khác loại là một hướng nghiên cứu quan trọng để thay đổi tính chất điện tử, khả năng phản ứng hóa học của graphene, vì kích thước và độ

âm điện của các nguyên tử khác loại có sự khác biệt so với các nguyên tử carbon Sự biến đổi mạng carbon sp2 trong graphene dẫn đến sự hình thành các liên kết cộng hóa trị với các nhóm chức hoặc các phân tử khác [21] Các nghiên cứu lý thuyết về pha tạp graphene chứng minh khả năng tổng hợp các chất bán dẫn loại p và n thông qua việc thay thế carbon bằng các nguyên tử khác loại trong mạng graphene Sự kết hợp của các nguyên tử khác loại mang lại các tính chất mới cho graphene để phục vụ trong nhiều ứng dụng Một số nghiên cứu đã báo cáo rằng graphene được biến đổi về mặt hóa học, cho thấy các đặc tính vượt trội như tính siêu dẫn, hoạt động hóa học và điện hóa nâng cao [22]

Pha tạp pha tạp hóa học là một trong những cách tiếp cận để phục hồi các tính chất điện tử, hóa học và từ tính của vật liệu, và thường có hai loại [23], [24]

+ Pha tạp chuyển giao bề mặt (surface transfer doping): liên quan đến sự hấp phụ của các tác nhân lạ lên bề mặt graphene mà không gây ra các khuyết tật sp3 trong mặt cắt ngang của graphene

+ Pha tạp thay thế (substitutional doping): liên quan đến sự phá vỡ cấu trúc mạng

sp2 bởi các tác nhân lạ tạo ra các vùng khuyết tật sp3 thông qua liên kết cộng hóa trị với graphene

Sự pha tạp hóa học của các nguyên tử khác loại vào graphene chắc chắn sẽ gây ra những thay đổi về cấu trúc và điện tử Những thay đổi này dẫn đến việc thay đổi các tính chất của vật liệu graphene, chẳng hạn như tính ổn định nhiệt, vận chuyển điện tích, thay đổi mức Fermi, vùng cấm, trạng thái điện tử cục bộ, mật độ spin, đặc tính quang học và tính chất từ tính [20]

1.4.2 Vật liệu graphene oxide pha tạp

Ngày nay, vật liệu nano dựa trên graphene đã được nghiên cứu rộng rãi cho những ứng dụng tiềm năng khác nhau Điều đáng quan tâm là nghiên cứu sửa đổi cấu trúc điện tử của chúng thông qua việc pha tạp nguyên tử khác loại hoặc tạo ra các khuyết tật để chế tạo các vật liệu dựa trên graphene, phù hợp với các tính chất vật lý, hóa học và điện tử

Graphene oxide là loại vật liệu đơn lớp có carbon lai hóa sp2 cùng với miền sp3 và các nhóm chức có chứa oxy cho thấy các đặc tính cơ học, điện và quang điện tử đặc biệt Các tính chất của GO làm cho nó trở thành một vật liệu hấp dẫn để chế tạo các

nanocompozit khác nhau, vật liệu polymer, các thiết bị vi điện tử hiệu suất cao, vật liệu lưu trữ năng lượng và các ứng dụng y sinh [25] Hơn nữa, do đặc tính ưa nước nên GO có thể

dễ dàng phân tán trong nước, cùng với đó là các nhóm chức có chứa oxy trong GO gây ra

sự suy giảm nghiêm trọng về tính chất điện, độ ổn định cơ nhiệt và tính linh động của vật liệu dựa trên carbon [26] Để giảm thiểu những vấn đề này, việc kết hợp các nguyên tố phi kim loại như như boron (B), nitrogen (N), phosphorus (P), sulfur (S), silicon (Si), fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br) và iodine (I) vào lớp GO đã được phát triển để cải thiện tính chất điện của nó

Nhờ vào sự tương thích về kích thước của các nguyên tử boron và carbon, boron có thể dễ dàng được pha tạp bằng cách thay thế nguyên tử carbon trong cấu trúc mạng của GO theo trường hợp pha tạp thay thế [24] Boron thiếu electron, do đó sự pha tạp boron được

dự đoán sẽ tăng cường tính chất dẫn điện loại p của graphene, dẫn đến các ứng dụng trong các thiết bị điện tử nano, cảm biến, tạo năng lượng, lưu trữ, y sinh học, và quang xúc tác [9] Trong quá trình khử hoặc pha tạp với boron, một số khuyết tật được đưa vào và các nhóm chức oxy có thể có mặt trong hoặc trên bề mặt của graphene oxide pha tạp boron

1.4.3 Các phương pháp tổng hợp

Các kỹ thuật được sử dụng phổ biến khác nhau có thể được kể đến như: phản ứng trạng thái rắn ở nhiệt độ cao, tổng hợp thủy nhiệt/dung môi, phản ứng khí-rắn, phương pháp điện hóa, lắng đọng hơi hóa học và phản ứng xúc tác trên bề mặt

Tổng hợp trạng thái rắn

Quá trình pha tạp boron vào graphene được nghiên cứu rộng rãi dựa trên phản ứng

ở trạng thái rắn giữa bột than chì hoặc GO và tiền chất boron, chủ yếu là H3BO3, B2O3 hoặc

B4C Sau đó, than chì pha tạp boron có thể được tách lớp cơ học để thu được các lớp graphene đã được pha tạp boron đơn lẻ [27]

Lắng đọng hơi hóa học (CVD)

CVD là một trong những kỹ thuật hàng đầu để sản xuất vật liệu dựa trên graphene

có chất lượng cao Vật liệu graphene pha tạp boron được tạo ra bằng cách triển khai các quy trình CVD được tối ưu hóa để điều chế graphene tiêu chuẩn với việc bổ sung nguồn

và 4-methoxyphenylboronic acid [22] So với các phương pháp tổng hợp còn lại, CVD cho chất lượng mẫu tốt hơn, tuy nhiên vẫn còn nhiều hạn chế và đòi hỏi những điều hiện phức tạp

Tổng hợp pha lỏng

Các phương pháp thủy nhiệt và dung nhiệt đã được sử dụng rộng rãi để điều chế vật liệu graphene với hình thái đặc biệt và chức năng hóa bề mặt Hướng nghiên cứu này cũng

đã được áp dụng để sản xuất vật liệu pha tạp boron

Năm 2018, Mannan cùng các cộng sự của mình đã đề xuất ra một phương pháp thủy nhiệt đơn giản để tổng hợp graphene oxide pha tạp boron [25] Theo đó, graphene oxide dạng khử được pha tạp boron thông qua quá trình xử lý hỗn hợp GO và dung dịch acid boric bằng điều kiện thủy nhiệt đơn giản trong buồng phản ứng kín Kết quả của cuộc nghiên cứu chỉ ra rằng đã thành công pha tạp boron vào graphene oxide

Hình 1.6 Quy trình tổng hợp GO pha tạp boron bằng phản ứng thủy nhiệt [25]

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị

2.1.1 Hóa chất

Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng trong quá trình thực nghiệm

STT Tên hóa chất Độ tinh khiết Xuất xứ

1 Sodium hydroxide (NaOH) ≥ 99 % Merk, Đức

2 Potassium hydroxide (KOH) > 85 % Ducksan, Hàn Quốc

5 Hydrogen peroxide (H2O2) ≥ 30 % Xilong, Trung Quốc

6 Sulfuric acid (H2SO4) 95 – 98% Xilong, Trung Quốc

7 Phosphoric acid (H3PO4) ≥ 85 % Xilong, Trung Quốc

8 Hydrochloric acid (HCl) 36 - 38% Xilong, Trung Quốc

9 Acetone ≥ 99.5 % Guangdong Guanghua

Sci-Tech Co., Trung Quốc

10 Isopropyl alcohol ≥ 99.7 % Guangdong Guanghua

Sci-Tech Co., Ltd, Trung Quốc

11 Acide borique (H3BO3) 99.8% Merk, Đức

12 Deionized water (DI) _ Phòng thí nghiệm bộ môn

Công nghệ vật liệu, trường ĐH

Sư phạm kỹ thuật TP HCM

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị

2.1.2.1 Dụng cụ và thiết bị dùng trong thực nghiệm

- Becher (50 mL, 100 mL, 250 mL, 500 mL) - Máy ly tâm

- Bộ chuyển đổi nguồn điện

- Bếp khuấy từ gia nhiệt

- Wetbench

- Máy nén khí

2.1.2.2 Thiết bị dùng trong phân tích tính chất vật liệu

- Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu trong luận văn này được đo bằng thiết bị EMPYREAN, hãng Panalytical

Hình 2.1 Máy quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD) EMPYREAN

- Phổ hồng ngoại (FTIR) của các mẫu trong luận văn này được đo bằng thiết bị NICOLET 6700, hãng Thermo

Hình 2.2 Máy đo quang phổ hồng ngoại NICOLET 6700

- Hình ảnh SEM trong trong luận văn này được đo bằng thiết bị S-4800 thuộc hãng Hitachi, Nhật Bản

Hình 2.3 Kính hiển vi điện tử quét S-4800

- Phổ Raman của các mẫu trong luận văn này được đo bằng thiết bị Micro Raman Xplora Plus, hãng Horiba