TỔNG QUAN về vật LIỆU GRAPHENE

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 Lý chọn đề tài Những năm gần đây, graphene vật liệu tổng hợp từ gaphene đặc biệt quan tâm Theo giáo sư Khoa Vật lý Thiên văn Vanderbilt, Kirill Bolotin, có hai đặc tính khiến graphene trở nên đặc biệt:   Thứ nhất, cấu trúc phân tử khó bị khiếm khuyết đến mức nhà nghiên cứu phải tự tạo chúng để nghiên cứu hiệu ứng Thứ hai, điện tử mang điện tích di chuyển nhanh thường hoạt động thể chúng có khối lượng nhỏ nhiều so với 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 vật liệu biết nhiệt độ thường độ linh động electron bề mặt graphen cực lớn (200.000 cm 2.V1 -1 s ) phụ thuộc vào nhiệt độ Graphene có tính chất hấp phụ vượt trội, chi phí để sản xuất graphene từ graphit tự nhiên thấp so với vật liệu nano, cacbon ống Với đặc điểm ưu việt vậy, graphene - loại vật liệu nano mang lại kết bất ngờ ứng dụng vào lĩnh vực khác Tổng quan graphene 2.1 Cấu trúc hóa học Người ta biết rõ graphite gồm carbon hình lục giác xếp chồng lên nhau, họ lại tin đơn lẻ chế tạo dạng tách rời Vì thế, thật bất ngờ vào năm 2004, hai nhà khoa học Konstantin Novoselo, Andre Geim cộng họ cho biết lớp đơn tách rời bền Lớp đơn carbon graphene Vậy graphene có cấu trúc hóa học Hình ảnh cấu trúc graphene Phân tử phẳng cấu tạo từ nguyên tử carbon xếp theo vòng lục giác hình tổ ong Graphene có cấu trúc “phi lập thể” bề dày nguyên tử carbon (khoảng 1-1,6 nm), vật liệu mỏng số tất dạng vật liệu chất liệu kết tinh hai chiều thực Nó đại diện cho họ hàng hoàn toàn chất liệu 2D Hình thái cấu trúc graphene đặc trưng hình TEM khẳng định graphene có cấu trúc mỏng suốt Miếng graphene lơ lửng màu sắc Hình TEM graphene Graphene có bề mặt riêng lớn (~2630 m2.g-1), độ bền cao gấp 200 lần thép, độ bền chống đứt gãy cao (130 Gpa) độ suốt gần hoàn toàn (~97,7%).Graphene xem cấu trúc hình thành nên loại vật liệu carbon khác như:    (1) Graphite có cấu trúc lớp graphene xếp chồng dễ trượt lên Ống nano carbon có cấu trúc graphene cuộn tròn lại thành hình trụ liền Trong đó, carbon fullerene xem lồng gồm 60 nguyên tử, kết nối với theo hình lục giác kiểu graphen gói lại mặt bóng đá – carbon fullerene C60 (2) - ống nano cacbon (3) – graphit 2.2 Ứng dụng graphene 2.2.1.Ứng dụng chung Điểm qua chương trình hội nghị mục lục tạp chí khoa học hàng đầu giới, thấy nhà khoa học công bố vô số công trình nghiên cứu tính chất graphen báo cáo ứng dụng vật liệu nhiều lĩnh vực khác Đồng thời, tạp chí phương tiện truyền thông đại chúng khác thường đăng tải câu chuyện việc graphen cách mạng hóa ngành sản xuất dụng cụ điện tử cá nhân lĩnh vực công nghệ khác Nhưng liệu có phải thực tế hay không mong chờ graphen sản phẩm từ graphen sớm thương mại hóa Câu trả lời có, sản phẩm graphen có mặt thị trường Một số khả ứng dụng graphene Mạch máy tính Khi độ dẫn điện graphene phát lần đầu tiên, có hy vọng graphene thay chip silicon ngày – thay đổi mở kỷ nguyên cho đồ điện tử rẻ hơn, hiệu cao Nhưng 10 năm sau đó, sử dụng chip silicon nhà khoa học chưa tìm thấy cách để kiểm soát dòng điện chip graphene – tính quan trọng việc điều hành cách mạng máy tính Tháng 1/2014, nhà nghiên cứu IBM công bố bước đột phá lớn lĩnh vực này, họ thiết kế xây dựng mạch tích hợp làm graphene Lần xuất máy tính thử nghiệm thực kiểm tra so sánh với công nghệ silicon Làm thay đổi công nghệ chiếu sáng hình LED Tháng /2015, nhà khoa học Đại Học Manchester công ty Graphene Lighting công bố họ thiết kế bóng đèn Graphene Các nhà khoa học lấy đi-ốt, LED sơn lên lớp graphene lên Bởi Graphene có tính dẫn điện tốt, nhà khoa học báo cáo bóng đèn đạt hiệu suất tốt 10% kéo dài tuổi thọ so với bóng LED thị trường "Siêu" pin Một đặc tính hứa hẹn graphene khả tích điện Trong vấn đề lớn hầu hết thiết bị di động việc chúng cần sạc lại liên tục  Thì từ năm 2011, mà kĩ sư trường đại học Northwestern phát cực dương graphene giữ điện tốt cực dương than chì – với thời lượng nạp nhanh đến 10 lần – nhà nghiên cứu tích cực thí nghiệm với hợp chất graphene để áp dụng vào công nghệ pin  Cuối tháng 5/2015, nhà khoa học đại học Rice Mỹ phát graphene trộn lẫn với vanadi oxit (một giải pháp tương đối rẻ tiền) tạo cực âm pin, sạc tới 90% dung lượng 20 giây , giữ khả sau 1000 chu kì sử dụng  Trong thử nghiệm khác lưu trữ lượng, nhà khoa học Đại học Tổng hợp Texas (Mỹ) phát triển phương pháp xử lý KOH vi sóng để chuyển hóa oxit graphit thành dạng graphen xốp với diện tích bề mặt đặc biệt cao Về mặt lượng mật độ công suất, siêu tụ làm vật liệu có hiệu vượt trội siêu tụ cacbon hoạt tính có bán thị trường Thiết bị điện tử gập lại Một đặc điểm hấp dẫn graphen uốn cong cuộn tròn giữ nguyên tính chất dẫn điện đảm bảo tính linh hoạt với hình cảm ứng Các nhà khoa học Đại học quốc gia Hàn Quốc áp dụng tính chất để chế tạo graphen lớn (đường chéo 30 insơ) theo phương pháp lăn cuộn sử dụng điện cực mềm hình cảm ứng với đầy đủ chức 5 Chấm dứt tình trạng khan nước toàn giới Khoảng 783 triệu người giới không tiếp cận với nước sạch, Graphene thay đổi điều Cuối tháng 3/2015, nhóm nghiên cứu phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge công bố họ chế tạo màng mỏng Graphene loại bỏ muối khỏi nước mặn hiệu quả, trình gọi khử muối Theo lý thuyết, nước qua Graphene cấu tạo lưới đan chặt chẽ với nhau, lại sức mạnh tuyệt với nó.Các khe hở lưới nguyên tử Graphene đủ lớn để phân tử nước qua, đủ nhỏ để ngăn chặn phân tử muối lớn Khi đưa vào thử nghiệm, màng Graphene loại bỏ gần 100% phân tử muối Các tế bào lượng Graphene giúp khai thác lượng tốt Ngoài pin cho điện thoại đồng hồ thông minh, loại vật liệu mang tới nhiều lợi ích cho điện quang Năm ngoái, đại học công nghệ Michigan Mỹ phát graphane thay platinum, thành phần quan trọng có giá thành đắt (khoảng 1500 USD/ounce) tế bào lượng mặt trời Nhờ vào cấu trúc phân tử mình, graphene có độ dẫn hoạt động xúc tác cần thiết để khai thác chuyển đổi lượng từ mặt trời với hiệu suất cao Các ứng dụng mô sống Gần giáo sư Aravind Vijaraghavan trường đại học Manchester lại cho graphene tương tác tới hệ thống sinh học người – hay "giao tiếp với tế bào người" cách ông miêu tả – mà cuối đưa " Internet of Things " lên tầm cao Graphene sử dụng lớp phospholipid tổng hợp, tính linh hoạt giúp hoạt động tốt với hệ thống sinh học thể Bên cạnh thiết bị điện tử tiêu dùng, phạm vi ứng dụng graphene thực tế vô tận Vì đặc tính graphene khai thác kết hợp với thành phần khác gas, kim loại nguồn carbon khác, nhà nghiên cứu thử nghiệm graphene để tạo nên anten, lọc nước biển, cửa sổ, sơn, cánh máy bay, vợt tennis, thiết bị chuỗi DNA, mực nhiều 2.2.2 Ứng dụng xử lí môi trường Cùng với phát triển không ngừng ngành công nghiệp việc phát thải môi trường chất ô nhiễm, tác động tiêu cực trực tiếp đến sức khỏe người hệ sinh thái • Nghiên cứu khả hấp phụ Cd(II) nước vật liệu nano composit Fe/Fe3O4/GO Tác giả: Hà Quang Ánh1, Lê Hà Giang2, Nguyễn Kế Quang2, Quản T Thu Trang2, Vũ Đình Ngọ1 Vũ Anh Tuấn2 ( 1Đại học Công nghiệp Việt Trì, 2Viện Hóa học – Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) Cadimi kim loại nặng độc hại môi trường người, chúng phân bố rộng rãi môi trường đất nước Nhiều kết nghiên cứu hạt nano sắt hóa trị không (Fe 0) có khả loại bỏ tốt chất gây ô nhiễm môi trường dung môi clo, thuốc trừ sâu clo hữu cơ, thuốc nhuộm hữu cơ, chất ô nhiễm vô kim loại nặng Mặc dù vậy, vật liệu Fe0 không áp dụng hệ thống dòng chảy liên tục hạt có kích thước nhỏ, dễ bị oxi hóa tiếp xúc với không khí hiệu suất tổng hợp thấp Vì để khắc phục khó khăn này, nhóm nhà nghiên cứu gắn Fe lên bề mặt chất mang graphene oxit (GO) - vật liệu tổng hợp từ graphene Vật liệu graphene có tính dẫn điện cao nên làm tăng hiệu trình trao đổi electron Fe0 chất ô nhiễm Ngoài việc kết hợp trình gắn kết hạt Fe Fe3O4 lên bề mặt GO làm hạt Fe0 ổn định mà dễ dàng tách chúng khỏi nước xử lí đơn giản, nhờ trợ giúp từ trường bên từ tính loại vật liệu Dung lượng hấp phụ Cd(II) số vật liệu Chất hấp phụ Điều kiện thực nghiệm Qmax GO pH=5,6 14,9±1,5 rGO-Fe/Fe3O4 pH=7 1,91 Ponyanilin-vỏ lạc pH=6 21 Fe-Fe3O4-GOVS pH=6 108,6 Fe3O4-GOVS pH=6 52,63 GOVS pH=6 29,41 Các số liệu bảng cho thấy, ba vật liệu GOVS, Fe 3O4-GOVS Fe-Fe3O4GOVS có khả hấp phụ kim loại Cd(II) pH = Trong FeFe3O4-GOVS cho thấy tiềm vật liệu có tính hấp phụ ưu việt, đưa thêm 10% Feo vào Fe3O4-GOVS ta nhận thấy khả hấp phụ Cd(II) cao gấp 2-3 lần so với Fe3O4-GOVS Kết giải thích hình thành tâm hấp phụ mới, Feo, Fe2O3, FeOOH bề mặt vật liệu Fe-Fe3O4- GOVS làm tăng dung lượng hấp phụ.Quá trình hấp phụ Cd(II) Fe-Fe3O4- GOVS phù hợp với mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir với dung lượng cực đại Q max=108,6 mg/g, tuân theo mô hình động học biểu kiến bậc • Chế tạo khảo sát hoạt tính chất xúc tác quang TiO 2-Graphen phản ứng phân hủy metyl da cam Tác giả: Phạm Phát Tân1, Huỳnh Thị Kim Hoàng1, Nguyễn Minh Lý1, Nguyễn Thị Dung2, Trần Mạnh Trí3 (1Khoa Sư Phạm, Trường Đại học An Giang, 2Viện Công nghệ Hóa học, 3Trung tâm Công nghệ Hóa học Môi trường) Chất bán dẫn sử dụng phổ biến cho trình xúc tác quang TiO 2, chúng có số ưu điểm không độc hại, thân thiện với môi trường, có độ bền ổn định hóa học cao, đồng thời giá thành rẻ Tuy vậy, bên cạnh bộc lộ hai nhược điểm chủ yếu là:  Electron quang sinh lỗ trống quang sinh vùng dẫn vùng hóa trị TiO2 tạo tác dụng ánh sáng nhanh chóng tái kết hợp làm giảm đáng kể hoạt tính xúc tác  TiO2 có lượng vùng cấm cao (Ebg=3,2eV), lượng tương đương lượng tia UV, tức TiO2 có khả sử dụng tia UV-A (chiếm phần nhỏ dãy phổ mặt trời) để thực trình xúc tác quang Trong công trình nghiên cứu này, tác giả sử dụng graphen vật liệu để biến tính TiO2 với hi vọng nâng cao hiệu trình xúc tác quang so với kết biến tính TiO2 phương pháp trước Phổ DR (hình dưới) ghi với mẫu TiO2 P25 TiO2 P25 graphen với hàm lượng rGO khác Theo đó, mẫu TiO2 P25 có ngưỡng hấp thụ ánh sáng 400nm, tương ứng với Ebg = 3,10eV, mẫu TiO2 – graphen mở rộng hấp thụ ánh sáng miền khả kiến Theo thứ tự mẫu có hàm lượng graphen từ 0,1 đến 10% có ngưỡng hấp thụ ánh sáng bước sóng tăng dần từ 450nm đến 510nm, tương ứng với Eg giảm dần từ 2,95 đến 2,43eV Phổ DR chất xúc tác: TiO2 P25 TiO2 P25-xrGO Từ kết trên, cho thấy vai trò quan trọng graphen việc làm giảm lượng vùng cấm chất xúc tác tổ hợp TiO P25-xrGO nhờ chất xúc tác tổ hợp có khả hoạt động quang miền ánh sáng khả kiến, khác với chất xúc tác TiO2 P25 - So sánh hoạt tính chất xúc tác TiO2 P25, graphen TiO2 P25-graphen Trường hợp dùng chất xúc tác TiO P25 túy, hiệu suất phân hủy MO sau 180 phút phản ứng đạt 78,3% Trong đó, mẫu xúc tác TiO2-Graphen cho hiệu suất phân hủy tăng cao Độ chuyển hóa MO mẫu xúc tác tổ hợp đạt 90% sau 60 phút phản ứng, gấp lần so với trường hợp dùng TiO2 nguyên thủy (đạt 31,3%) Hàm lượng tối ưu graphen chất xúc tổ hợp TiO2 P25-xrGO khoảng từ 0,1 – 0,5% tăng thêm hàm lượng hoạt tính xúc tác quang có chiều hướng giảm Độ chuyển hóa MO phản ứng quang phân hủy theo thời gian Kết khẳng định vai trò quan trọng graphen việc khắc phục số hạn chế định chất bán dẫn TiO2 từ nâng cao đáng kể hiệu suất trình xúc tác quang • Nghiên cứu hấp phụ Rodamin B dung dịch nước vật liệu graphen oxit graphen Tác giả: Hà Quang Ánh2 , Lê Thị Mai Hoa1 , Lê Hà Giang1 , Nguyễn Kế Quang1 , Đào Đức Cảnh1 , Nguyễn Trung Kiên1, Trần Thị Kim Hoa1 , Đặng Tuyết Phương1 , Vũ Anh Tuấn1 ( 1Viện Hoá học- Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, Đại học Công nghiệp Việt Trì) Do tính tan cao nên thuốc nhuộm tác nhân chủ yếu gây ô nhiễm nguồn nước Hơn nữa, thuốc nhuộm nước thải khó phân hủy chúng có độ bền cao với ánh sáng, nhiệt tác nhân oxy hoá Trong công trình này, tác giả chọn chất màu RodaminB (RhB) làm chất màu mô hình để nghiên cứu khả loại bỏ chất màu động học trình hấp phụ graphen oxit bóc tách lớp kỹ thuật vi sóng (GOVS), graphen oxit bóc tách lớp kỹ thuật siêu âm (GOSA) graphen khử nhiệt từ GOVS pH=6,5 chọn để áp dụng cho trình nghiên cứu hấp phụ Bảng: Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich RhB GOVS, GOSA rGO Langmuir Freudlich Từ bảng trên, dung lượng hấp phụ RhB cực đại GOSA cao đạt Qmax=476,2 mg/g cao so với GOVS (384,6 mg/g) GOSA (322,6mg/g) Kết bảng cho thấy hệ số tương quan phương trình đẳng nhiệt hấp phụ theo mô hình Freundlich (R2= 0,96 - 0,97) thấp so với mô hình đẳng nhiệt Langmuir (R2 = 0,99) Do đó, thấy trình hấp phụ RhB GOVS, GOSA rGO tuân theo mô hình đằng nhiệt Langmuir Hình bên biểu diễn phương trình động học biểu kiến bậc giá trị R2 ứng với đường biểu diễn GOVS rGO xấp xỉ gần Từ số liệu động học hấp phụ biểu kiến bậc bậc 2, tác giả khẳng định động học hấp phụ RhB GOSA, GOVS rGO tuân theo động học biểu kiến bậc Mối quan hệ t/qt theo thời gian (động học biểu kiến bậc 2) Tốc độ dung lượng hấp phụ anion RhB ba vật liệu hấp phụ có chiều hướng tăng dần từ Graphen ˂ GOVS ˂ GOSA hiệu ứng hút nhóm mang điện âm cation RhB Hấp phụ RhB GOVS, GOSA rGO tuân theo đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir (hấp phụ đơn lớp) với mô hình động học biểu kiến bậc • Công nghệ xử lí nước thải graphene trắng Nhóm nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học Deakin, Ôxtrâylia Đại học Marie Curie, Pháp chế tạo vật liệu hệ gọi boron nitride hay graphene trắng, có khả xử lý chất ô nhiễm hữu hóa chất công nghiệp dầu động Vật liệu dễ làm tái sử dụng so với vật liệu khác Các nhà nghiên cứu bắt đầu cách tạo nano boron nitride xốp, lớp đơn nguyên tử, dạng sóng vật liệu với nhiều lỗ bên Các xốp tạo thành bột trắng thô, hấp thu 33 lần trọng lượng riêng số hóa chất công nghiệp 29 lần trọng lượng riêng dầu động Vật liệu mặt nước sau hút chất ô nhiễm Nung nóng vật liệu lò công nghiệp đơn giản đốt cháy để tách chất ô nhiễm khỏi xốp, tái sử dụng vật liệu Trong báo cáo nghiên cứu đăng Tạp chí Nature Communications, tác giả cho graphene trắng thích hợp cho nhiều ứng dụng lọc xử lý nước • Nghiên cứu hấp thụ metyl xanh vật liệu graphene oxit Tác giả : Chin hua chia, Nur Fazlinda Razali, Mohd Shaiful Sajab, Sarani Zakaria, Nay Ming Huang & Hong Ngee Lim Graphene oxit có bề mặt riêng lớn với số lượng lớn nhóm chức hidroxi, epoxi cacboxyl, có khả cố định nhiều loại hợp chất hữu vô Graphene oxit tổng hợp dựa phương pháp Hummer Trong công trình này, tác giả dùng graphene tổng hợp để nghiên cứu khả hấp thụ metyl xanh dung dịch điều kiện khác bao gồm : pH, nồng độ metyl xanh, thời gian nhiệt độ Hình bên biểu diễn hấp thụ metyl xanh graphene oxit giá trị pH khác nhau, nhiệt độ 200C Thí nghiệm cho thấy khả hấp thụ GO tăng từ 28,5 mg/g đến 542 mg/g pH dung dịch tăng từ đến Giá trị pH tăng làm giảm tranh chấp phân tử MB ion H+ tới tâm hấp phụ bề mặt GO Không có ghi hấp thụ pH=9 Mặt khác, giá trị pH cao gây thay đổi cấu trúc phân tử MB khử gốc metyl Ảnh hưởng pH đến hấp phụ động học metyl xanh GO Do đó, pH=7 lựa chọn áp dụng thực nghiệm Sự hấp phụ metyl xanh GO nồng độ MB thấp cao Khả hấp phụ GO tăng theo tăng nồng độ đầu MB, với khoảng thời gian lớn để đạt cân hấp phụ Các thông số đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich MB GO nhiệt độ khác Dữ liệu bảng cho thấy hấp phụ MB GO tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir Kết luận Mặc dù bắt đầu phát triển từ năm 2004, vật liệu graphene trở thành tâm điểm cho nghiên cứu khoa học giới khả khoa học kĩ thuật dường không giới hạn loại vật liệu Với đặc điểm bật nêu trên, graphene ứng dụng bước đầu nhiều lĩnh vực khác Graphene vật liệu tổng hợp từ graphene mở cánh cửa cho lĩnh vực điện tử hay mang lại kết tích cực xử lí môi trường, thể tiềm hấp phụ kim loại nặng tác nhân gây ô nhiễm khác môi trường nước nghiên cứu trình bày Các nhà khoa học cho rằng, graphen có nhiều tính chất đặc biệt hữu ích, kể tính linh động cao điện tử độ bền học cao, nhiều giá trị cực trị với graphen tách riêng Vì vậy, công việc nghiên cứu tính chất graphen điều kiện phức tạp tương ứng điều kiện áp dụng thực tế cần phải tiếp tục tiến hành phát triển ...TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GRAPHENE Lý chọn đề tài Những năm gần đây, graphene vật liệu tổng hợp từ gaphene đặc biệt quan tâm Theo giáo sư Khoa Vật lý Thiên văn Vanderbilt,... 1-1,6 nm), vật liệu mỏng số tất dạng vật liệu chất liệu kết tinh hai chiều thực Nó đại diện cho họ hàng hoàn toàn chất liệu 2D Hình thái cấu trúc graphene đặc trưng hình TEM khẳng định graphene. .. phục khó khăn này, nhóm nhà nghiên cứu gắn Fe lên bề mặt chất mang graphene oxit (GO) - vật liệu tổng hợp từ graphene Vật liệu graphene có tính dẫn điện cao nên làm tăng hiệu trình trao đổi electron