Thực nghiệm - Tổng hợp và phân tích cau trúc — hình thái — đặc tính của graphene oxit, graphene oxit dạng khử, nano bạc, bac/graphene oxit dạng khử - Thử nghiệm và so sánh khả năng kháng
MỞ DAU
TONG QUAN
Graphite (Gi) là một tinh thé ba chiều, cau trúc đa lớp, các đơn lớp liên kết với nhau bang lực tương tác yếu Van der Waals với khoảng cách giữa các lớp khoảng 0,34 nm như thể hiện ở hình 1.1 [1.2].
Trên mỗi đơn lớp của Gi, các nguyên tử cacbon liên kết với nhau tạo ra cau trúc lục giác dạng tổ ong Trong đó, cứ một nguyên tử cacbon lai hóa sp” liên kết với ba nguyên tử cacbon khác đồng phăng với độ dài liên kết khoảng 0,142 nm, và tao góc liên kết 120° [1,2].
Gi thường được tim thay trong tự nhiên với trữ lượng khá lớn, là một khoáng chat có mau đen bóng Gi được dùng làm điện cực, chất bôi trơn, vật liệu chịu lửa, chất hấp phụ Các ứng dụng dựa vào sự tương tác của Gi với môi trường tiếp xúc như vận chuyền điện tử trên bề mặt Gi — lỏng, liên kết với mạng lưới polyme, hấp phụ các phân tử pha khí hoặc lỏng, chong ma sát bề mặt răn, [2].
Gi sử dụng trong quá trình sản xuât nôi tinh luyện vàng, đê bảo vệ sat khỏi ri sét, trộn với dâu mỡ đề bôi trơn máy móc, và sản xuât bút chì [3] Hiện nay, Gi còn được dùng làm tiên chat cho quá trình tông hợp graphene và các vật liệu trên cơ sở graphene như: graphene oxit, graphene oxit dạng khử, và các vật liệu nanocomposite.
Gi bị oxy hóa, các nhóm chức chứa oxy được hình thành va chèm vào giữa các đơn lớp trong cấu trúc Gi giúp nâng rộng khoảng cách giữa các lớp Sản phẩm của quá trình oxy hóa Gi được gọi là graphite oxit (GiO).
Graphene oxit (GO) được tạo ra từ quá trình tách lớp GiO GO có cau trúc nano hai chiều (2D), với chiều dày bằng một nguyên tử cacbon Theo các nghiên cứu gan đây, cấu trúc của GO được mô ta theo mô hình Lerf — Klinowski như thé hiện ở hình 1.2 [4] Trên bề mặt và các cạnh, GO có chứa những nhóm có oxy như là epoxide (—O-), hydroxyl (COH), carboxylic (-COOH) và carbonyl (CC=O).
Các nhóm chức nay có tinh phân cực giúp cho GO có kha năng phân tán tốt trong nước
1.2.2 Phương pháp tổng hợp Một số phương pháp sử dụng để tổng hợp GO được liệt kê trong bảng 1.1 [6,7].
Bảng 1.1: Một số phương pháp tổng hợp GO
Phương pháp Brodie Staudenmaier Hummers Hummers cai tién
KCIO3, NaClO3 NaNO3 KMnOôg Tác nhân KCIOs3,
HNO3 KMnQ4 H2SO4 oxy hóa HNO3
96 giờ 96 giờ 4 giờ 12 giờ phản ứng
Phương pháp Brodie được công bố vào năm 1859, là phương pháp đầu tiên tong hợp GO sử dụng axit HNO: bốc khói và KCIO3 vừa có tác dụng chèn vào giữa các lớp Gi vừa là tác nhân oxy hóa Gi [8].
Tuy nhiên, phương pháp này có một số hạn chế:
— Cần phải qua nhiều giai đoạn oxy hóa để thu được GO có độ oxy hóa cao
— Thời gian phản ứng kéo dài (khoảng bốn ngày)
— Axit HNO3 bốc khói, cùng với quá trình oxy hóa giải phóng khí NOa và N2Oa độc hại
— Phản ứng dễ gây no do sử dụng KCIO3
Phương pháp này sử dung tác nhân hỗn hop hai axit H2SO4 và HNOs với tỉ lệ 2:1 và sử dụng KCIOa làm chất oxy hóa Kết quả thu được GO có mức độ oxy hóa cao dù chỉ qua một giai đoạn oxy hóa Tuy vậy, thời gian phản ứng vẫn kéo đài trong bốn ngày, phản ứng tạo ra CIO› dễ gây nỗ [8].
Phương pháp nay ra đời năm 1958 và được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay.
Hummers và Offeman đã dùng H2SOx với sự hỗ trợ NaNO3 và sử dụng KMnOa làm chất oxy hóa thay cho KCIOa [8] Phương pháp này đã khắc phục được những hạn chế của các phương pháp trước đây như:
— Khụng tạo ra khớ ClOằ dộ gõy nỗ vỡ khụng dựng KCIOa
— Phản ứng xảy ra nhanh trong vài gid
— Thay thé HNO2 băng NaNOs không gây hiện tượng bốc khói axit Tuy nhiên, phương pháp cũng còn một số hạn chế:
— Giải phóng khí NO2 và N2O4 độc hại trong quá trình oxy hóa
— Khó loại bỏ Na* và NOs trong nước rửa từ quá trình tong hop 1.2.2.4 Phương pháp Hummers cải tiễn.
Năm 2010, phương pháp Hummers cải tiễn ra đời đã khắc phục được những hạn chế của các phương pháp trước đó Quá trình tong hợp đã không sử dụng NaNOs, tăng lượng chất oxy hóa KMnÓ% và sử dụng hỗn hợp axit H2SO4 và H3PO4 đậm đặc với tỉ lệ thể tích 9:1 [8] Phương pháp này có ưu điểm hon các phương pháp truyền thống:
— Nhiệt độ phản ứng không quá cao
— Phản ứng không sinh khí độc
— Mức độ oxy hóa cao hơn những phương pháp trước đây
— Sản phẩm thu được ít khuyết tật
Tổng hợp GO theo phương pháp Hummers cải tiễn có thể chia thành hai giai đoạn như ở hình 1.3 Đầu tiên, oxy hóa Gi tao ra các nhóm chức chứa oxy chèn vào trong cau trúc Gi GiO được tách lớp tao GO.
HERERO HOC FR So C_ >< oo 5 ——