TỔNG QUAN về vật LIỆU GRAPHENE

Ngoài ra, graphen có nhiều đặc tính lạ thường so với nhiều vật liệu khác như:  độ dẫn điện đặc biệt cao ~5000 W.m-1.K-1, dẫn điện tốt hơn bất kì vật liệu nào được biết ở nhiệt độ thường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

Khoa hóa học

BÁO CÁO BÀI TẬP MÔN HỌC

Đề tài TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GRAPHENE

Giảng viên hướng dẫn : Ths Phùng Thị Lan Sinh viên : Vũ Quỳnh Mai

Lớp : K63B

Hà Nội - 2016

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GRAPHENE

1 Lý do chọn đề tài

Những năm gần đây, graphene và các vật liệu tổng hợp từ gaphene được đặc biệt quan tâm Theo giáo sư Khoa Vật lý và Thiên văn Vanderbilt, Kirill Bolotin, có hai đặc tính khiến graphene trở nên đặc biệt:

 Thứ nhất, cấu trúc phân tử của nó khó bị khiếm khuyết đến mức các nhà nghiên cứu phải tự tạo ra chúng để nghiên cứu những hiệu ứng của nó

 Thứ hai, các điện tử mang điện tích di chuyển rất nhanh và thường hoạt động như thể chúng có khối lượng nhỏ hơn nhiều so với khi ở trong các kim loại thường hay siêu dẫn

Ngoài ra, graphen có nhiều đặc tính lạ thường so với nhiều vật liệu khác như:

 độ dẫn điện đặc biệt cao (~5000 W.m-1.K-1), dẫn điện tốt hơn bất kì vật liệu nào được biết ở nhiệt độ thường

 độ linh động của electron trên bề mặt graphen cực lớn (200.000 cm2.V

-1.s-1) và ít phụ thuộc vào nhiệt độ

 Graphene có tính chất hấp phụ vượt trội, hơn nữa chi phí để sản xuất graphene từ graphit tự nhiên thấp hơn so với vật liệu nano, cacbon ống Với những đặc điểm ưu việt như vậy, graphene - loại vật liệu nano mới này đã mang lại những kết quả bất ngờ khi được ứng dụng vào các lĩnh vực khác nhau

2 Tổng quan về graphene

2.1 Cấu trúc hóa học

Người ta đã biết rõ rằng graphite gồm những tấm carbon hình lục giác xếp chồng lên nhau, nhưng họ lại tin rằng một tấm đơn lẻ như vậy không thể nào chế tạo được ở dạng tách rời

Vì thế, thật bất ngờ khi vào năm 2004, hai nhà khoa học Konstantin Novoselo, Andre Geim cùng các cộng sự của họ cho biết rằng một lớp đơn như vậy có thể tách rời ra được và nó còn bền nữa Lớp đơn carbon đó chính là graphene

Vậy graphene có cấu trúc hóa học thế nào

Hình ảnh cấu trúc của graphene

Phân tử phẳng được cấu tạo từ các nguyên tử carbon sắp xếp theo các vòng lục giác hình tổ ong Graphene có cấu trúc “phi lập thể” bởi bề dày chỉ bằng một nguyên tử carbon (khoảng 1-1,6 nm), là vật liệu mỏng nhất trong số tất

cả các dạng vật liệu và là chất liệu kết tinh hai chiều thực sự đầu tiên Nó đại diện cho một họ hàng hoàn toàn mới của các chất liệu 2D

Hình thái cũng

như cấu trúc của

graphene được

đặc trưng bởi hình

TEM khẳng định

graphene có cấu

trúc tấm mỏng

trong suốt Miếng

graphene lơ lửng

không có màu sắc

Hình TEM của graphene

Graphene có bề mặt riêng rất lớn (~2630 m2.g-1), độ bền cơ rất cao gấp 200 lần thép, độ bền chống đứt gãy cũng cao (130 Gpa) và độ trong suốt gần như hoàn toàn (~97,7%).Graphene cũng có thể được xem là cấu trúc cơ bản hình thành nên các loại vật liệu carbon khác nhau như:

 Graphite có cấu trúc là các lớp graphene xếp chồng và dễ trượt lên nhau

 Ống nano carbon có cấu trúc như một tấm graphene cuộn tròn lại thành hình trụ liền

 Trong khi đó, carbon fullerene được xem như cái lồng gồm 60 nguyên tử, kết nối với nhau theo các hình lục giác kiểu như lá graphen nhưng gói lại như mặt ngoài của quả bóng đá

(1) – carbon fullerene C60 (2) - ống nano cacbon (3) – graphit

2.2 Ứng dụng của graphene

2.2.1 Ứng dụng chung

Điểm qua các chương trình hội nghị cũng như mục lục của các tạp chí khoa học hàng đầu trên thế giới, có thể thấy các nhà khoa học đã công bố vô số công trình nghiên cứu về các tính chất cơ bản của graphen và những báo cáo về các ứng dụng của vật liệu này trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Đồng thời, các tạp chí và phương tiện truyền thông đại chúng khác cũng thường đăng tải những câu chuyện về việc graphen sẽ cách mạng hóa ngành sản xuất dụng

cụ điện tử cá nhân cũng như các lĩnh vực công nghệ khác như thế nào

Nhưng liệu có phải thực tế hay không khi chúng ta mong chờ graphen và các sản phẩm đi từ graphen sẽ sớm được thương mại hóa Câu trả lời là có, vì các sản phẩm graphen hiện đã có mặt trên thị trường

Một số khả năng ứng dụng của graphene

1 Mạch máy tính

Khi độ dẫn điện của graphene được phát hiện lần đầu tiên, đã có những hy vọng graphene có thể thay thế chip bằng silicon ngày nay – một sự thay đổi mở ra một

kỷ nguyên mới cho đồ điện tử rẻ hơn, hiệu năng cao hơn

Nhưng hơn 10 năm sau đó, chúng ta vẫn sử dụng chip silicon vì các nhà khoa học vẫn chưa tìm thấy cách để kiểm soát dòng điện trên chip graphene – một tính năng rất quan trọng trong việc điều hành cách mạng máy tính

Tháng 1/2014, các nhà nghiên cứu tại IBM đã công bố một bước đột phá lớn trong lĩnh vực này, họ đã thiết kế và xây dựng một mạch tích hợp làm bằng graphene Lần đầu tiên xuất hiện một máy tính thử nghiệm thực hiện bài kiểm tra so sánh với công nghệ silicon

2 Làm thay đổi công nghệ chiếu sáng và màn hình LED

Tháng 3 /2015, các nhà khoa học tại Đại Học Manchester và công ty Graphene Lighting đã công bố họ đã thiết kế một bóng đèn Graphene Các nhà khoa học lấy một đi-ốt, hoặc LED và sơn lên một lớp graphene lên nó.

Bởi vì Graphene có tính dẫn điện tốt, các nhà khoa học báo cáo rằng các bóng đèn

có thể đạt hiệu suất tốt hơn 10% và kéo dài tuổi thọ hơn so với bóng LED hiện nay trên thị trường

3 "Siêu" pin

Một trong những đặc tính hứa hẹn nhất của graphene là khả năng tích điện Trong khi vấn đề lớn đối với hầu hết các thiết bị di động hiện nay là việc chúng cần sạc lại liên tục

 Thì từ năm 2011, khi mà các kĩ sư trường đại học Northwestern phát hiện ra rằng các cực dương của graphene giữ điện tốt hơn cực dương của than chì – với thời lượng nạp nhanh hơn đến 10 lần – các nhà nghiên cứu đã tích cực thí nghiệm với hợp chất graphene để có thể áp dụng vào công nghệ pin

 Cuối tháng 5/2015, các nhà khoa học tại đại học Rice của Mỹ đã phát hiện ra graphene trộn lẫn với vanadi oxit (một giải pháp tương đối rẻ tiền) có thể tạo

ra cực âm pin, có thể sạc tới 90% dung lượng chỉ trong 20 giây , và giữ khả năng đó ngay cả sau 1000 chu kì sử dụng

 Trong một thử nghiệm khác về lưu trữ năng lượng, các nhà khoa học tại Đại học Tổng hợp Texas (Mỹ) đã phát triển phương pháp xử lý bằng KOH và vi sóng để chuyển hóa oxit graphit thành một dạng graphen xốp với diện tích

bề mặt đặc biệt cao

Về mặt năng lượng và mật độ công suất, các siêu tụ làm bằng vật liệu mới này có hiệu quả vượt trội các siêu tụ cacbon hoạt tính hiện đang có bán trên thị trường

4 Thiết bị điện tử có thể gập lại

Một trong những đặc điểm hấp dẫn của graphen là nó có thể uốn cong và cuộn tròn nhưng vẫn giữ nguyên tính chất dẫn điện cũng như đảm bảo tính linh hoạt ngay cả với màn hình cảm ứng

Các nhà khoa học tại Đại học quốc gia Hàn Quốc đã áp dụng tính chất này để chế tạo các tấm graphen lớn (đường chéo 30 insơ) theo phương pháp lăn cuộn và sử dụng như các điện cực mềm trong màn hình cảm ứng với đầy đủ chức năng

5 Chấm dứt tình trạng khan hiếm nước trên toàn thế giới

Khoảng 783 triệu người trên thế giới không được tiếp cận với nước sạch, nhưng Graphene có thể thay đổi được điều đó

Cuối tháng 3/2015, một nhóm nghiên cứu do phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge công bố rằng họ đã chế tạo một tấm màng mỏng Graphene có thể loại bỏ muối ra khỏi nước mặn hiệu quả, quá trình đó được gọi là khử muối

Theo lý thuyết, nước không thể đi qua một tấm Graphene vì cấu tạo lưới đan quá chặt chẽ với nhau, nhưng đó lại là sức mạnh tuyệt với của nó.Các khe hở của lưới nguyên tử Graphene đủ lớn để các phân tử nước đi qua, nhưng đủ nhỏ để ngăn chặn các phân tử muối lớn hơn Khi được đưa vào thử nghiệm, màng Graphene đã loại bỏ gần như 100% các phân tử muối

6 Các tế bào năng lượng

Graphene có thể giúp chúng ta khai thác năng lượng tốt hơn Ngoài pin cho điện thoại và đồng hồ thông minh, loại vật liệu này còn mang tới nhiều lợi ích cho điện năng và quang năng

Năm ngoái, đại học công nghệ Michigan của Mỹ đã phát hiện ra rằng graphane có thể thay thế platinum, một thành phần quan trọng có giá thành rất đắt (khoảng

1500 USD/ounce) trong các tế bào năng lượng mặt trời Nhờ vào cấu trúc phân tử của mình, graphene có độ dẫn và hoạt động xúc tác cần thiết để khai thác và chuyển đổi năng lượng từ mặt trời với hiệu suất cao

7 Các ứng dụng mô sống

Gần đây giáo sư Aravind Vijaraghavan của trường đại học Manchester lại cho rằng graphene có thể tương tác tới các hệ thống sinh học của người – hay "giao tiếp với các tế bào của người" như cách ông miêu tả – mà cuối cùng có thể đưa " Internet of Things " lên một tầm cao mới Graphene sẽ được sử dụng dưới các lớp phospholipid tổng hợp, và tính linh hoạt giúp nó hoạt động tốt với các hệ thống sinh học trong cơ thể

Bên cạnh các thiết bị điện tử tiêu dùng, phạm vi ứng dụng của graphene thực tế là

vô tận Vì các đặc tính của graphene chỉ được khai thác khi nó được kết hợp với các thành phần khác như gas, kim loại hoặc các nguồn carbon khác, các nhà nghiên

cứu đã thử nghiệm graphene để tạo nên anten, bộ lọc nước biển, cửa sổ, sơn, các cánh máy bay, vợt tennis, các thiết bị chuỗi DNA, mực và nhiều hơn nữa

2.2.2 Ứng dụng trong xử lí môi trường

Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành công nghiệp là việc phát thải ra môi trường các chất ô nhiễm, tác động tiêu cực trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái

Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cd(II) trong nước của vật liệu nano composit Fe/Fe 3 O 4 /GO

Tác giả: Hà Quang Ánh 1 , Lê Hà Giang 2 , Nguyễn Kế Quang 2 , Quản T Thu Trang 2 , Vũ Đình Ngọ 1 và Vũ Anh Tuấn 2 ( 1 Đại học Công nghiệp Việt Trì, 2 Viện Hóa học – Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam)

Cadimi là một trong những kim loại nặng độc hại nhất đối với môi trường và con người, chúng phân bố rộng rãi trong cả môi trường đất và nước

Nhiều kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng các hạt nano sắt hóa trị không (Fe0) có khả năng loại bỏ tốt các chất gây ô nhiễm môi trường như các dung môi clo, thuốc trừ sâu clo hữu cơ, thuốc nhuộm hữu cơ, các chất ô nhiễm vô cơ và các kim loại nặng Mặc dù vậy, vật liệu Fe0 không áp dụng được trong các hệ thống dòng chảy liên tục do các hạt có kích thước nhỏ, dễ bị oxi hóa khi tiếp xúc với không khí và hiệu suất tổng hợp thấp

Vì vậy để khắc phục khó khăn này, nhóm các nhà nghiên cứu đã gắn Fe0 lên bề mặt chất mang là graphene oxit (GO) - vật liệu tổng hợp từ graphene

Vật liệu graphene có tính dẫn điện cao nên làm tăng hiệu quả quá trình trao đổi electron giữa Fe0 và các chất ô nhiễm

Ngoài ra việc kết hợp quá trình gắn kết các hạt Fe0 và Fe3O4 lên bề mặt GO không những làm các hạt Fe0 ổn định hơn mà còn dễ dàng tách chúng ra khỏi nước xử lí đơn giản, nhờ sự trợ giúp của từ trường bên ngoài do từ tính của loại vật liệu này

Dung lượng hấp phụ Cd(II) của một số vật liệu

Chất hấp phụ Điều kiện thực nghiệm Q max

Các số liệu trong bảng cho thấy, cả ba vật liệu GOVS, Fe3O4-GOVS và Fe3O4-GOVS đều có khả năng hấp phụ các kim loại Cd(II) tại pH = 6 Trong đó Fe-Fe3O4-GOVS cho thấy tiềm năng là vật liệu có tính hấp phụ ưu việt, khi đưa thêm 10% Feo vào trong Fe3O4-GOVS ta nhận thấy khả năng hấp phụ Cd(II) cao gấp 2-3 lần so với Fe3O4-GOVS

Kết quả này có thể giải thích là do sự hình thành các tâm hấp phụ mới, Feo, Fe2O3, FeOOH trên bề mặt vật liệu Fe-Fe3O4- GOVS làm tăng dung lượng hấp phụ.Quá trình hấp phụ Cd(II) trên Fe-Fe3O4- GOVS phù hợp với mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir với dung lượng cực đại là Qmax=108,6 mg/g, tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc 2

Chế tạo và khảo sát hoạt tính chất xúc tác quang TiO 2 -Graphen trong phản ứng phân hủy metyl da cam

Tác giả: Phạm Phát Tân 1 , Huỳnh Thị Kim Hoàng 1 , Nguyễn Minh Lý 1 , Nguyễn Thị Dung 2 , Trần Mạnh Trí 3 ( 1 Khoa Sư Phạm, Trường Đại học An Giang, 2 Viện Công nghệ Hóa học, 3 Trung tâm Công nghệ Hóa học và Môi trường)

Chất bán dẫn được sử dụng phổ biến hiện nay cho quá trình xúc tác quang là TiO2, chúng có một số ưu điểm rất cơ bản như không độc hại, thân thiện với môi trường,

có độ bền và ổn định hóa học cao, đồng thời giá thành rẻ Tuy vậy, bên cạnh đó còn bộc lộ hai nhược điểm chủ yếu là:

 Electron quang sinh và lỗ trống quang sinh trên vùng dẫn và vùng hóa trị của TiO2 được tạo ra dưới tác dụng của ánh sáng nhanh chóng tái kết hợp làm giảm đáng kể hoạt tính xúc tác

 TiO2 có năng lượng vùng cấm khá cao (Ebg=3,2eV), năng lượng này tương đương năng lượng tia UV, tức TiO2 chỉ có khả năng sử dụng tia UV-A (chiếm một phần rất nhỏ trong dãy phổ mặt trời) để thực hiện quá trình xúc tác quang

Trong công trình nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng graphen như một vật liệu mới để biến tính TiO2 với hi vọng nâng cao hơn nữa hiệu quả của quá trình xúc tác quang so với những kết quả biến tính TiO2 bằng các phương pháp trước đây

Phổ DR (hình dưới) ghi được với các mẫu TiO2 P25 và TiO2 P25 trên nền graphen với hàm lượng rGO khác nhau

Theo đó, mẫu TiO2 P25 có ngưỡng hấp thụ ánh sáng ở 400nm, tương ứng với Ebg = 3,10eV, trong khi các mẫu TiO2 – graphen đều mở rộng sự hấp thụ ánh sáng về miền khả kiến Theo thứ tự mẫu có hàm lượng graphen từ 0,1 đến 10% có ngưỡng hấp thụ ánh sáng ở bước sóng tăng dần từ 450nm đến 510nm, tương ứng với Eg giảm dần từ 2,95 đến 2,43eV

Phổ DR của các chất xúc tác: TiO2 P25 và TiO2 P25-xrGO

Từ kết quả trên, cho thấy vai trò quan trọng của graphen trong việc làm giảm năng lượng vùng cấm của chất xúc tác tổ hợp TiO2 P25-xrGO và nhờ đó chất xúc tác tổ hợp có khả năng hoạt động quang trong miền ánh sáng khả kiến, khác với chất xúc tác TiO2 P25

- So sánh hoạt tính của chất xúc tác TiO2 P25, graphen và TiO2 P25-graphen

Trường hợp dùng chất xúc tác TiO2 P25

thuần túy, hiệu suất phân hủy MO sau 180

phút phản ứng đạt 78,3% Trong khi đó, các

mẫu xúc tác TiO2-Graphen cho hiệu suất

phân hủy tăng cao

Độ chuyển hóa MO trên các mẫu xúc tác

tổ hợp này đều đạt hơn 90% ngay sau 60

phút phản ứng, gấp 3 lần so với trường hợp

dùng TiO2 nguyên thủy (đạt 31,3%)

Hàm lượng tối ưu của graphen trong

chất xúc tổ hợp TiO2 P25-xrGO khoảng từ

0,1 – 0,5% và nếu tăng thêm hàm lượng này

thì hoạt tính xúc tác quang có chiều hướng

giảm đi

Độ chuyển hóa MO trong phản ứng quang phân hủy theo thời gian

Kết quả này đã khẳng định vai trò rất quan trọng của graphen trong việc khắc phục một số hạn chế nhất định của chất bán dẫn TiO2 và từ đó nâng cao đáng kể hiệu suất của quá trình xúc tác quang

Nghiên cứu sự hấp phụ Rodamin B trong dung dịch nước trên vật liệu graphen oxit và graphen

Tác giả: Hà Quang Ánh 2 , Lê Thị Mai Hoa 1 , Lê Hà Giang 1 , Nguyễn Kế Quang 1 , Đào Đức Cảnh 1 , Nguyễn Trung Kiên 1 , Trần Thị Kim Hoa 1 , Đặng Tuyết Phương 1 , Vũ Anh Tuấn 1 ( 1 Viện Hoá học- Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, 2 Đại học Công nghiệp Việt Trì)

Do tính tan cao nên các thuốc nhuộm là tác nhân chủ yếu gây ô nhiễm các nguồn nước Hơn nữa, thuốc nhuộm trong nước thải rất khó phân hủy vì chúng có độ bền cao với ánh sáng, nhiệt và các tác nhân oxy hoá

Trong công trình này, tác giả chọn chất màu RodaminB (RhB) làm chất màu mô

hình để nghiên cứu khả năng loại bỏ chất màu cũng như động học quá trình hấp phụ tại trên graphen oxit bóc tách lớp bằng kỹ thuật vi sóng (GOVS), graphen oxit bóc tách lớp bằng kỹ thuật siêu âm (GOSA) và graphen khử nhiệt từ GOVS pH=6,5 được chọn để áp dụng cho quá trình nghiên cứu hấp phụ

Bảng: Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich của RhB trên

GOVS, GOSA và rGO