Tiểu luận Động học xúc tác chủ Đề graphene

Graphene là một dạng của carbon bao gồm một lớp (đơn lớp) nguyên tử carbon được sắp xếp, liên kết chặt chẽ với nhau trong một mạng tổ ong hai chiều. Mỗi nguyên tử cacbon trong tấm graphene liên kết chặt chẽ với ba nguyên tử khác ở các góc giống hệt nhau, tạo thành một cấu trúc phẳng giống như tổ ong. Tương tự như kim cương - graphene là một tinh thể carbon ba chiều, nguyên tử được kết nối với bốn nguyên tử khác - những liên kết bền chặt này mang lại cho cấu trúc độ bền đáng kể. Hình 5 là giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu EG, có thể thấy tất cả các mẫu đều có đỉnh đặc trưng sắc nhọn với cường độ mạnh tại góc nhiễu xạ 2q quanh 26,40 (tương ứng với khoảng cách 3,35Å của mặt tinh thể 002 của graphite). Ngoài đỉnh đặc trưng này ra, ta còn thấy một đỉnh mở rộng với cực đại tại góc 22,80 tương ứng với khoảng cách mặt tinh thể 3,72Å, do bị giãn ra sau khi gây sốc nhiệt, đây được coi là đỉnh đặc trưng cho graphene đa lớp. So sánh về cường độ của hai đỉnh này, chúng tôi nhận thấy có sự khác nhau giữa các mẫu, cường độ đỉnh đặc trưng cho graphite lớn nhất thể hiện ở mẫu EG 200 và EG 80, trong khi nó khá thấp đối với mẫu EG 150.

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hình 1 Cấu trúc grapheneCác lớp graphene xếp chồng lên nhau tạo thành graphite, với khoảng cách giữa các mặt phẳng là 0,335 nanomet Các lớp graphene riêng biệt trong graphite được giữ với nhau bằng lực van der Waals, lực này có thể bị tách ra trong quá trình tách graphene khỏi graphite.

Có khoảng 3 triệu lớp graphene trong một tấm graphit dày 1 mm Theo thuật ngữ khoa học: Các đặc điểm đặc biệt của graphene bắt nguồn từ các obitan 2p, tạo thành các dải trạng thái π phân chia vị trí trên tấm cacbon cấu thành nên graphene

II Phương pháp điều chế

1 Phân cắt vi cơ {5}Phân cắt vi cơ là phương pháp sản xuất vật liệu dựa trên graphene, bao gồm việc bóc táchgraphite nhiệt phân được sắp xếp theo thứ tự có hệ thống Đây là một phương pháp sản xuất graphene bằng cách tách graphene ra khỏi các tinh thể graphite

Sau khi hoàn thành việc bóc tách, nhiều lớp graphene vẫn còn trên mặt băng được cắt thành nhiều mảnh khác nhau Đây là phương pháp sản xuất đơn giản dễ dàng để sản xuất

vật liệu graphene, nhưng nó không thích hợp cho việc phát triển vật liệu graphene trên quy mô lớn.

Hình 2 Phương pháp tách vi cơ2 LPE {5}

Là phương pháp sản xuất vật liệu graphene bằng cách sử dụng dung môi như axit axetic, axit sulfuric và hydrogen peroxide Phương pháp Sonication được sử dụng trong LPE để tách graphene khỏi vật liệu graphite, vì graphite chứa các lớp graphene khác nhau được gắn bởi lực Van der Waals

Phương pháp này được sử dụng để tạo ra các băng nano graphene, nhưng việc phát triển graphene trên quy mô lớn cũng là một nhiệm vụ khó khăn trong khi sử dụng phương pháp này

Hình 3 Tẩy tế bào chết pha lỏng (LPE)3 Lắng đọng hơi hóa học (CVD) {3}

Ngày nay, graphene được sản xuất phổ biến thông qua phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (Chemical Vapour Deposition –CVD) Các tiền chất hóa học sẽ được hóa hơi ở nhiệt độ cao, sau đó lắng đọng và phản ứng trên bề mặt một vật liệu đế để tạo ra lớp màng mỏng graphene

Để đạt được một màng graphene chất lượng cao bằng phương pháp này, vật liệu đế sử dụng phải đạt độ mịn lớn Đó là lí do tại sao chỉ có các vật liệu đắt đỏ được chọn như platin, niken hoặc titan được xử lí với độ tinh khiết cao Mặc dù một nhóm các nhà khoa học đã bắt đầu sử dụng đồng để làm đế cho graphene (những lá đồng phổ thông đã và đang được sản xuất quy mô lớn để tạo ra pin lithium-ion mà chúng ta sử dụng hàng ngày)

Hình 4 Lắng đọng hơi hóa học (CVD)

III.Đặc trưng

1 Cấu trúc, hình thái của các mẫu EG {4} Hình 5 là giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu EG, có thể thấy tất cả các mẫu đều có đỉnh đặc trưng sắc nhọn với cường độ mạnh tại góc nhiễu xạ 2q quanh 26,40 (tương ứng với khoảng cách 3,35Å của mặt tinh thể 002 của graphite) Ngoài đỉnh đặc trưng này ra, ta

còn thấy một đỉnh mở rộng với cực đại tại góc 22,80 tương ứng với khoảng cách mặt tinh thể 3,72Å, do bị giãn ra sau khi gây sốc nhiệt, đây được coi là đỉnh đặc trưng cho

graphene đa lớp So sánh về cường độ của hai đỉnh này, chúng tôi nhận thấy có sự khác nhau giữa các mẫu, cường độ đỉnh đặc trưng cho graphite lớn nhất thể hiện ở mẫu EG 200 và EG 80, trong khi nó khá thấp đối với mẫu EG 150

Hình 5 Giản đồ nhiễu xạ XRD của các mẫu: EG50, EG80, EG150 và EG200

Kết quả chụp ành SEM của các mẫu graphene EG (Hình 3), tương tự trong báo cáo 10], các mẫu graphene EG cho thấy cấu trúc dạng lá mỏng, sự tách lớp khá tốt Ảnh SEMvới độ phóng lớn của mẫu EG50 cho thấy bề dày lá graphen đa lớp vào khoảng 50 nm

Hình 6 Ảnh chụp SEM của các mẫu EG sau khi nung sốc nhiệt ở 5500C

Kết quả đo diện tích bề mặt riêng (BET) của các mẫu EG được thể hiện trong Bảng 1 dưới đây Từ kết quả này cho thấy rằng với các hạt GIC có kích thước lớn hơn sẽ cho phép chế tạo được các graphen đa lớp có diện tích bề mặt riêng lớn hơn, hay nói cách khác là tạo ra các lá có bề dày mỏng hơn

Bảng 1 Thông số liên quan tới các mẫu EG

a đường cong XRD thử nghiệm của graphene với đỉnh đặc trưng

cho mặt phẳng tinh thể 002 được định vị ở 2 θ = 26,4°b Tính toán đường cong lý thuyết phù hợp với phổ XRD xung

quanh cùng một đỉnh

Hình 7 Tính toán đường cong XRD lý thuyết và đường cong XRD thực nghiệm của graphene

IV Ứng dụng

1 Graphene là chất xúc tác cacbon {1}

Việc sử dụng vật liệu cacbon không đồng nhất để chuyển hóa hoặc tổng hợp các chất hữu cơ hoặc vô cơ thường được gọi là chất xúc tác cacbon Gần đây, việc sử dụng chất xúc tác không chứa kim loại trên cơ sở vật liệu chứa cacbon đang thu hút rất nhiều sự quan tâm Các vật liệu dựa trên graphene như graphene oxit (GO) được coi là một loại chất xúc tác cacbon mới và mở ra một loạt khả năng ứng dụng mới trong tổng hợp hóa học Các nhóm chức năng oxy hóa liên kết bề mặt trên giàn thơm của GO được cho là cho phép tương tác ion và không ion với nhiều loại phân tử Nhiều quá trình biến đổi, bao gồm quá trình oxy hóa rượu và anken thành aldehyd và xeton tương ứng của chúng, cũng như quá trình hydrat hóa ankin đã được thực hiện bằng cách sử dụng graphene làm chất xúc tác cacbon

Hình 8: Các biến đổi hữu cơ khác nhau được xúc tác bởi chất xúc tác cacbon dựa trên graphene.

2 Graphene đóng vai trò là chất xúc tác hỗ trợ {1}

Các vật liệu dựa trên graphene được sử dụng rộng rãi làm chất hỗ trợ cho các kim loại chuyển tiếp có hoạt tính xúc tác Rất nhiều phản ứng đang được xúc tác bằng cách sử dụng các hạt nano kim loại khác nhau Tuy nhiên, vẫn còn một số trở ngại như sự kết tụ không thể đảo ngược trong chu trình xúc tác điện, dẫn đến mất đáng kể hiệu ứng xúc tác ở cấp độ nano Do đó, cần có chất xúc tác hỗ trợ thích hợp để bảo toàn các đặc tính bề mặt nội tại Nhờ diện tích bề mặt riêng cực cao giúp cải thiện sự phân tán của kim loại xúc tác, cải thiện độ ổn định hóa học và điện hóa ở nhiệt độ hoạt động, tăng cường độ dẫnđiện tử, vật liệu dựa trên graphene đang được lựa chọn làm chất hỗ trợ xúc tác Do đó, graphene cung cấp một nền tảng hoàn hảo cho kỹ thuật phân tử xúc tác

Hình 9: Sơ đồ oxy hóa metanol bằng hạt nano vàng hỗ trợ GO

3 Graphen trong quang xúc tác {1}Một ứng dụng quan trọng khác của vật liệu gốc graphene là quang xúc tác Các phản ứng khác nhau, bao gồm phân hủy các chất ô nhiễm, biến đổi hữu cơ có chọn lọc và tách nướcthành năng lượng hydro sạch đã được thực hiện bằng cách sử dụng graphene làm chất

thuận lợi cho quá trình quang hóa thông qua truyền điện tích qua giao diện graphene để tạo ra hiệu ứng tổng hợp giúp tăng cường chuyển đổi xúc tác.

Hình 10: Công dụng của Graphene

KẾT LUẬN

Với cấu trúc một màng mỏng có bề dày một nguyên tử, Graphene có nhiều tính chất gây bất ngờ và thú vị Graphene mở ra một tiềm năng nghiên cứu khoa học mới trong thang vi mô Cấu tạo của Graphene rất đơn giản nhưng để tạo ra được nó thì không đơn giản chút nào Với lớp Graphene đơn lớp không có khe vùng năng lượng nên nó gây trở ngại cho việc ứng dụng nó vào thực tiễn Tuy nhiên lớp kép Graphene lại có tính chất rất đặc biệt là độ rộng vùng cấm có thể thay đổi bằng điện trường ngoài Trước kia các nhà khoa học cho rằng độ rộng vùng cấm chất bán dẫn cố định, không thể thay đổi được Nhưng với tính chất đặc biệt của lớp kép Graphene mở ra một tầm nhìn mới và hướng nghiên cứu mới cho vật lý bán dẫn Đặc biệt công nghệ điện tử đang tiến đến những giới hạn cuối cùng của kích thước các thiết bị điện tử Silic là chất bán dẫn được sử dụng nhiều nhất trong công nghệ điện tử, nhưng nó không thể tạo ra các thiết bị nhỏ hơn nữa Chất bán dẫn Graphene ra đời mở ra hy vọng mới cho ngành công nghệ điện tử để thay thế cho Silic Công nghệ dùng graphene để sản xuất vi mạch hoàn toàn tương tự như công nghệ dùng silicon nhưng để đến được sự xuất hiện của graphene trong vi mạch điện tử phải mất nhiều năm nữa

Tài Liệu Tham Khảo

 Applications of Graphene in Catalysis by Sunil P Lonkar, Ahmed A Abdala-2014 {1}

 Bài báo: X-ray diffraction analysis on layers in graphene samples obtained by electrolysis in molten salts: a new perspective {2}

graphene-based nanoarchitectures: From synthesis to contemporary applications {3}

 Bài đăng trên Tạp chí Môi trường tiêu đề: Khả năng hấp phụ một số chất thải côngnghiệp của Graphene đa lớp chế tạo bằng phương pháp nung sốc nhiệt {4}

 Bài báo của Vinalab: GRAPHENE LÀ GÌ? ỨNG DỤNG TUYỆT VỜI CỦA VẬTLIỆU CỨNG NHẤT THẾ GIỚI NÀY {5}