Nghiên cứu tổng hợp tấm nano graphene từ oxít graphene bằng phương pháp chiếu xạ gamma co 60

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI PHỊNG THÍ NGHIỆM CƠNG NGHỆ NANO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM THỊ THU HỒNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP TẤM NANO GRAPHENE TỪ OXÍT GRAPHENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾU XẠ GAMMA Co-60 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HCM - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI PHỊNG THÍ NGHIỆM CƠNG NGHỆ NANO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM THỊ THU HỒNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP TẤM NANO GRAPHENE TỪ OXÍT GRAPHENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾU XẠ GAMMA Co-60 Chuyên ngành: VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS TS HÀ THÚC HUY TP HCM - 2015 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Hà Thúc Huy Thầy tận tình, chu đáo hướng dẫn ln sẵn sàng giải đáp cặn kẽ vấn đề liên quan đến luận văn nghiên cứu mà em thắc mắc, hay chưa hiểu Đặc biệt, Em xin bày tỏ kính trọng Thầy truyền đạt tinh thần ham mê nghiên cứu khoa học thái độ làm việc nghiêm túc Em xin cảm ơn đến bạn phòng thí nghiệm I65- Bộ mơn Hóa polymer-Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh nhiệt tình hỗ trợ thời gian em thực thí nghiệm chế tạo Oxít graphite Em xin cảm ơn đến Ban giám đốc, đồng nghiệp Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ Bức xạ tạo điều kiện thuận lợi em tham gia khóa học nơi thực phần lớn thí nghiệm, chiếu xạ mẫu Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám đốc Phòng Thí nghiệm Cơng nghệ Nano tổ chức khóa học Cuối cùng, Tơi xin cảm ơn gia đình làm điểm tựu nguồn động viên to lớn để cố gắng học tập, nghiên cứu khoa học hoàn thành luận văn Tp.Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 12 năm 2015 Phạm Thị Thu Hồng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, thực hướng dẫn khoa học PGS TS Hà Thúc Huy Các số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực Tp.Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 12 năm 2015 Phạm Thị Thu Hồng MỤC LỤC MỞ ĐẦU .7 Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài Mục tiêu đề tài Nội dung nghiên cứu Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Graphite .9 1.2 Graphene 10 1.2.1 Giới thiệu 10 1.2.2 Cấu trúc tính chất hóa – lý Graphene 11 1.2.4 Ứng dụng Graphene [1] .12 1.2.5 Các phương pháp tổng hợp Graphene 14 Biến tính graphite 15 1.2.6 Các phương pháp khử Oxít graphite .16 1.3 Chất biến tính monoglyceride 18 1.4 Các phương pháp phân tích .20 Chương 2: THỰC NGHIỆM .28 2.1 Hóa chất thiết bị 28 2.1.1 Hóa chất 28 2.1.2 Thiết bị .28 2.2 Thực nghiệm 29 2.2.1 Tổng hợp Oxít graphite 29 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 37 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang MỞ ĐẦU Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài Graphene đơn lớp graphite vật liệu kết tinh hai chiều (2D) chế tạo thành công từ graphite hai nhà khoa học Andre K Geim Konstantin S Novoselov vào năm 2004 Graphene có cấu trúc phẳng với độ dày lớp nguyên tử nguyên tử cacbon nối với bẳng liên kết Sp2 tạo thành mạng tinh thể hình tổ ong Graphene có nhiều tính chất ưu việt so với loại vật liệu khác dẫn điện nhanh chất khác (dẫn điện tốt silicon khoảng 10 lần) nhiệt độ bình thường truyền tải điện tốt đồng khoảng 10 lần; vật liệu suốt, mỏng cứng kim cương Vì graphene nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực nhiều loại vật liệu linh kiện khác tranzito hiệu ứng trường (FET), cảm biến khí, cảm biến sinh học, vật liệu dẫn truyền thuốc, dây dẫn điện suốt, chíp máy tính, màng hình tivi cảm ứng, linh kiện lưu trữ lượng pin, tụ điện Đặc biệt graphene sử dụng chất độn gia cường vật liệu polymer nanocomposit nhằm cải thiện tính chất hóa lý vật liệu mơđun đàn hồi, độ bền kéo đứt, độ dẫn điện tính ổn định nhiệt Hiện nay, phương pháp hóa học phương pháp phổ biến dùng để chế tạo graphene từ graphite thường phải trải qua ba cơng đoạn: oxi hóa graphite thành GO, tiếp đến biến tính GO thành oxít graphene cuối khử hóa học oxít graphene tác nhân khử hydrazine, NaBH axít HI để tạo thành graphene graphene tạo có độ dẫn điện từ vài trăm đến hàng ngàn S/m [1,11,40,50] Trên thực tế, ngồi phương pháp khử hóa học người ta thực khử oxít graphene thành graphene phương pháp vật lý với tác nhân nhiệt , tia cực tím, tia gamma hay chùm tia điện tử ,… Qua thực tế từ kết nghiên cứu cho thấy, qui trình khử tác nhân vật lý qui trình sản xuất xanh, sạch, nhanh đơn giản nên nhóm nghiên cứu tiếp cận đề tài nghiên cứu tổng hợp nano graphene từ oxít graphene phương pháp chiếu xạ gamma Co-60 Đây hướng nghiên cứu Việt Nam sản phẩm sản xuất qui mơ lớn với máy chiếu xạ gamma SVST-Co-60/B qui mô công nghiệp hoạt động Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ Bức xạ (VINAGAMMA) Mục tiêu đề tài Sử dụng xạ ion hóa – xạ gamma Co-60 để khử Oxít graphene Oxít graphene /Monoglyceride nhằm chế tạo vật liệu graphene Nội dung nghiên cứu  Chế tạo GO từ graphite phương pháp Hummers [40]  Tổng hợp graphene phương pháp chiếu xạ gamma Co-60 - Khảo sát khả khử Oxít graphene nước cất - Khảo sát khả khử Oxít graphene ethanol-nước cất - Khảo sát khả khử Oxít graphene Monoglyceride-ethanolnước cất  Xác định tính chất đặc trưng graphite, Oxít graphite graphene quang phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis), quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FTIR), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ Raman độ dẫn điện Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Graphite Graphite hay than chì dạng thù hình carbon Graphite chất dẫn điện Trong cấu trúc tinh thể graphite, nguyên tử cacbon chiếm hữu obitan lai hóa Sp2 Graphite có thuộc tính âm học nhiệt học khơng đẳng hướng, phonon lan truyền nhanh dọc theo mặt phẳng liên kết chặt chẽ, lại chậm lan truyền từ mặt phẳng sang mặt phẳng khác Graphite thường ứng dụng làm điện cực đèn hồ quang, chất bôi trơn dạng khô, vỏ bọc (khuôn) lò phản ứng hạt nhân [3] 10 Hình 1 Mẫu than chì Hình Các dạng thù hình carbon [35] 1.2 Graphene 1.2.1 Giới thiệu Trước đây, Graphene xem loại vật liệu có lý thuyết với cấu trúc đơn lớp hình tổ ong hoàn hảo nguyên tử carbon sử dụng mơ hình lý thuyết để mơ tả tính chất vật liệu khác từ carbon than chì, fulleren, ống carbon nano (Hình 1.2) Các dự đoán trước cho thực tế thay đổi nhiệt cản trở xếp trật tự tinh thể vùng rộng nhiệt độ định nên Graphene không bền Mãi đến đầu kỉ XXI, Graphene trở thành vật liệu có thật thực tế Khơi ngòi cơng trình nghiên cứu tác giả Geim Novoselov tạo Graphene đơn lớp phương pháp sử dụng băng dính (scotch tape) Kể từ đó, nhiều nghiên cứu tượng vật lý Graphene tiến hành tạo hàng 56 3.7 Độ ổn định nước cất Mẫu GO, RGOE (50kGy) nghiền mịn phân tán nước cất nồng độ 0,1 mg/ml đánh siêu âm sau để n nhiệt độ phòng theo dõi độ ổn định theo thời gian Sau siêu âm Sau tuần GO RGOE Hình 19 Ảnh chụp dung dịch GO, RGOE (50 kGy) để ổn định sau tuần, nồng độ mẫu 0,1 mg/ml Quan sát ảnh dung dịch GO RGOE nước cất để ổn định (Hình 3.19) sau tuần cho thấy, dung dịch GO giữ màu vàng nhạt ban đầu chứa nhiều nhóm chứa phân cực nên GO phân tán tốt nước Ngược lại, phần lớn mẫu RGOE lắng xuống lọ sau tuần phần dung dịch trở nên sáng bóng chứng tỏ mẫu RGOE khó phân tán nước GO Bởi vì, sau chiếu xạ nhóm chức phân cực RGOE bị khử nhiều làm độ phân cực RGOE giảm dẫn đến khả solvat hóa nước RGOE giảm RGOE có xu hướng kết tụ lại lắng xuống lọ 57 3.8 Độ dẫn điện Độ dẫ n điệ n (S/ m) Khơng dẫn điện Liều xạ (kGy) Hình 20 Độ dẫn điện RGOE theo liều xạ 0; 23,5; 38,8 50 kGy Kết độ dẫn điện RGOE tăng theo tăng liều xạ thể Hình 3.20, độ dẫn điện mẫu đo thiết bị bốn mũi dò 14,5 S/m mẫu RGOE -23,5 kGy; 60,5 S/m với mẫu RGOE -38 kGy 70,8 S/m mẫu RGOE -50 kGy Mặc dù mẫu RGOE có độ dẫn thấp RGO chế tạo phương pháp khử hóa chất [1,10] hay sốc nhiệt [45] mẫu khử RGOE phương pháp chiếu xạ có độ tinh khiết cao tương đối kỵ nước trình bày Hình 3.19 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Từ kết nghiên cứu đề tài rút số kết luận: 58 - Hỗn hợp Oxít graphene/nước cất khơng bị khử xạ gamma liều xạ ≤ 57,8 kGy - Monolyceride thể chưa rõ vai trò hỗ trợ giảm liều xạ khử Oxít graphene, nhờ Monolyceride mà Oxít graphene phân tán tốt dung dịch Để khẳng định vai trò hỗ trợ Monolyceride q trình khử Oxít graphene gamma cần có thêm nghiên cứu - Khử xạ Oxít graphene dung dịch ethanol tạo sản phẩm RGOE có cấu trúc nano, mang độ dẫn điện bền nhiệt GO nhiều Tuy RGOE có độ dẫn điện thấp RGOE có độ tinh khiết cao với qui trình tổng hợp đơn giản, sạch, sản phẩm sản xuất lượng lớn Mặc dù, kết nghiên cứu đề tài đạt khiêm tốn lĩnh vực mà đề tài nghiên cứu có ý nghĩa khoa học thực tiễn Đề tài mở hướng nghiên cứu việc áp dụng công nghệ xạ chế tạo vật liệu graphene từ GO: ▪ Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite có khả dẫn điện từ q trình khử Oxít graphene với polymer xạ gamma hay chùm tia điện tử ▪ Dùng số chất ổn định khác ngồi Monoglyceride q trình khử Oxít graphene xạ hay kết hợp khử xạ ủ nhiệt, từ tổng hợp Graphene có độ dẫn điện mong muốn DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 59  Bài báo tham gia Hội nghị KH CN Hạt nhân Toàn quốc lần thứ XI, Đà Nẵng 05-07/8/2015 PHẠM THỊ THU HỒNG, NGUYỄN THÀNH ĐƯỢC, ĐỒN BÌNH, LƯU ANH TUN, NGUYỄN NGỌC MINH THẢO, HÀ THÚC HUY, Ảnh hưởng xạ gamma lên q trình khử oxít graphene dung dịch monoglyceride, (2015) TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 60 Nguyễn Phương Tố Linh, Khảo sát q trình tổng hợp graphene từ graphite oxide thơng qua hai giai đoạn biến tính khử 2014, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Mai Thanh Tâm, Biến tính đất sét hợp chất nonion ứng dụng tổng hợp nanocomposite thermoplastic urethan (TPU) 2009, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Bách khoa tồn thư mở Wikipedia Than chì http://vi.wikipedia.org/wiki/Than_ch%C3%AC Available from: Tài liệu tiếng Anh A Esaeili, M.H.Entezari (2014), “Facile and fast synthesis of graphene oxide nanosheets via bath ultrasonic irradiation”, Journal of Colloid and Interface Science 432, pp 19-25 Ansón-Casaos, A., et al (2014), “The effect of gamma-irradiation on fewlayered graphene materials”, Applied Surface Science 301, pp 264-272 An, S.J (2010), “Thin film fabrication and simultaneous anodic reduction of deposited graphene oxide platelets by electrophoretic deposition”, J Phys Chem Lett ,1, pp 1259-1263 Arco, L.G.D (2010), “Continuous, highly flexible, and transparent graphene films by chemical vapor deposition for organic photovoltaics”, ACS Nanomaterials and their Applications 4, pp 2865 Attila Ve´ rtes, Sa´ndor Nagy, Zolta´n Klencsa´r, Rezso˝ G Lovas, Frank Roă sch (2011), Handbook of Nuclear Chemistry, Springer, USA Bowu Zhang, Linfan Li., et al (2012), “Radiation induced reduction: an effective and clean route to synthesize funtionalized graphene”, Journal of Materials Chemictry 22, pp 7775-7781 10 Chao Xu, Ru-sheng Yuan, Xin Wang (2014), “Selective reduction of graphene oxide”, New Carbon Materials 29(1), pp 61–66 11 Daniela C Marcano, D.V.K., Jacob M Berlin (2010), “Improved synthesis of graphene oxide”, ACS Nano (8), pp 4806-4814 12 Daniel R Dreyer (2010), “The chemistry of graphene oxide”, Chemical Society Reviews 39(1), pp 228 61 13 Dumée, L.F., et al (2014), “Tuning the grade of graphene: Gamma ray irradiation of free-standing graphene oxide films in gaseous phase”, Applied Surface Science 322, pp 126-135 14 Fan, Z (2010), “An environmentally friendly and efficient route for the reduction of graphene oxide by aluminum powder”, Carbon 48, pp 16861689 15 Han Mai-Xing, Ji Zhuo-Yu, et al (2011), “γ radiation caused graphene defects and increased carrier density”, Chin Phys B 20 (8) 086102 16 Hassan A AbdEl-Rehim, E.-S.A.H., and Ahmed Raafat (2011), “Radiation processing of active biodegradable green nanocomposite materials for packaging purposes” Report of the 1st RCM on Radiation Curing of Composites for Enhancing the Features and Utility in Health Care and Industry, Vienna, pp 62-77 17 Il Tae Kim, A.M., Karl Jacob (2013), “Synthesis and electrochemical performance of reduced graphene oxide/maghemite composite anode for lithium ion batteries”, Carbon 52, pp 56-64 18 Jung, J.-M., et al (2014), “Rapid, facile, and eco-friendly reduction of graphene oxide by electron beam irradiation in an alcohol–water solution”, Materials Letters 126, pp 151-153 19 Kwon, Y.J., et al (2014), “Improvement of gas sensing behavior in reduced graphene oxides by electron-beam irradiation”, Sensors and Actuators B: Chemical 203, pp 143-149 20 Kaner, D.L.A.R.B., Graphene-based meterials Materials Science, 2008 21 Lert, A (1998), “Structure of graphite oxide revisited”, J Phys Chem B, p 102 22 Li, J., et al (2014), “γ-ray irradiation effects on graphene oxide in an ethylenediamine aqueous solution”, Radiation Physics and Chemistry 94, pp 80-83 23 Lin, Y.-M (2010), “100 GHz Transistors from Wafer Scale Epitaxial Graphene”, Science 327, pp 662 24 Liu, J., L Cui, and D Losic (2013), “Graphene and graphene oxide as new nanocarriers for drug delivery applications”, Acta Biomaterialia (12), pp 9243-9257 25 Liu, L.F.A.Z (2011), “Graphene in biomedicine: opportunities and challenges”, Nanomedicine (2), pp 317-324 62 26 Martín, A and A Escarpa (2014), “Graphene: The cutting–edge interaction between chemistry and electrochemistry”, TrAC Trends in Analytical Chemistry 56, pp 13-26 27 Mermin, N.D (1968), “Crystalline order in two dimensions”, Physical Review 176, pp 250-254 28 Noh, Y.-J., et al (2014), “High-performance polymer solar cells with radiation-induced and reduction-controllable reduced graphene oxide as an advanced hole transporting material”, Carbon 79, pp 321-329 29 Novoselov, K.S (2004), “Electric field effect in atomically thin carbon films”, Science 306, pp 666 30 Novoselov, K.S (2005), “Two-Dimensional Gas of Massless Dirac Fermions in Graphene”, Nature Communications 438, pp 197-200 31 Park, M., et al (2013), “Facile preparation of graphene induced from electron-beam irradiated graphite”, Materials Letters 105, pp 236-238 32 Pierson, H.O (1993), Handbook of carbon, graphite, diamond and fullerenes - Properties, processing and applications, Noyes 43-67, p 226242 33 Pierson, H.O (1993), Handbook of carbon, graphite, diamond and fullerenes -Properties, processing and applications, Noyes 43-67: p 226242 34 R Muszynski, B.S., and P V Kamat (2008), “Decorating graphene sheets with gold nanoparticles”, J Phys Chem C 112, pp 5263-5266 35 Royal Swedish Academy of Sciences (2010), Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2010 GRAPHENE, 36 Stankovich, S (2006), “Graphene-based composite materials”, Nature Communications 442, pp 282–286 37 S Ruoff, S.P.A.R (2009), “Chemical methods for the production of graphenes”, Nat Nanotech 4, pp 217-224 38 Virendra Singh (2011), “Graphene based materials: Past, present and future”, Progress in Materials Science 56(8), pp 1178-1271 39 Wang, Z.-g., et al (2014), “The green synthesis of reduced graphene oxide by the ethanol-thermal reaction and its electrical properties”, Materials Letters 116, pp 416-419 63 40 William S Haummers, J., Richard E Offeman (1958), “Preparation of graphitic oxide”, J Am Chem Soc 80 (6), pp 1339 41 Wu, J.Q., et al (2013), “Effects of X-ray irradiation on the structure and field electron emission properties of vertically aligned few-layer graphene”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 304, pp 49-56 42 Wang, G.X (2008), “Facile synthesis and characterization of graphene nanosheets” J Phys Chem C 112, pp 8192-8195 43 Sampath, G.K.R.A.S (2009), “Electrochemical reduction of oriented graphene oxide films: An in situ Raman spectroelectrochemical study”, J Phys Chem C 113, pp 7985-7989 44 Stobinski, L.(2014), “ Graphene oxide and reduced graphene oxide studied by the XRD, TEM and electron spectroscopy methods”, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 195, pp 145-154 45 Shichoon Lee, Sung Hun Eom, et al (2013), “Large-scale production of high-quality reduced graphene oxide”, Chemical Engineering Journal 233, pp 297-304 46 Vorrada Loryuenyong, Krit Totepvimarn, et al (2013), “Preparation and Characterization of Reduced Graphene Oxide Sheets via Water-Based Exfoliation and Reduction Methods”, Advances in Materials Science and Engineering, pp 1-5 47 Yang, N (2010), “Two-dimensional graphene bridges enhanced photoinduced charge transport in dye-sensitized solar cells”, ACS Nanomaterials and their Applications 4, pp 887 48 Zhu, Y (2010), “Graphene and Graphene Oxide: Synthesis, Properties, and Applications”, Advanced Materials 22(35), pp 3906-3924 49 Zhu, Y (2010), “Graphene and graphene oxide: Synthesis, properties, and application”, Advanced Materials xx, pp 1-19 50 Tam T Mai, Chi Nhan Ha Thuc and Huy Ha Thuc (2014), “Preparation of Graphene Nano-Layer by Chemical Graphitization of Graphite Oxide from Exfoliation and Preliminary Reduction”, Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures 23, pp 742-749 PHỤ LỤC Phổ Raman Graphite 64 Oxít Graphite RGOE50-23,5 kGy 65 RGOE12,5-23,5 kGy 66 RGOE25-23,5 kGy RGOE25-38,8 kGy 67 RGOE25-50 kGy XRD Graphite Oxít Graphite 68 RGOE-23,5 kGy RGOE-50 kGy 69 Giản đồ TGA Graphite Oxít Graphite 70 RGOE (38,8kGy) ... CƠNG NGHỆ NANO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM THỊ THU HỒNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP TẤM NANO GRAPHENE TỪ OXÍT GRAPHENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾU XẠ GAMMA Co-60 Chuyên ngành: VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Mã... tài nghiên cứu tổng hợp nano graphene từ oxít graphene phương pháp chiếu xạ gamma Co-60 Đây hướng nghiên cứu Việt Nam sản phẩm sản xuất qui mơ lớn với máy chiếu xạ gamma SVST -Co-60/ B qui mô công... dung nghiên cứu  Chế tạo GO từ graphite phương pháp Hummers [40]  Tổng hợp graphene phương pháp chiếu xạ gamma Co-60 - Khảo sát khả khử Oxít graphene nước cất - Khảo sát khả khử Oxít graphene