Tổng hợp vật liệu Graphene Aerogel để hấp phụ chất màu hữu cơ

. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 2.1.Tổng quan: graphite, graphite oxit, graphene oxit, graphene aerogel, tính chất, phương pháp tổng hợp graphene aerogel, ứng dụng, chất màu hữu cơ (methylene blue, methyl orange), và cơ chế hấp phụ chất màu hữu cơ. 2.2.Thực nghiệm 2.2.1.Tổng hợp graphene aerogel từ graphene oxit và khảo sát điều kiện tổng hợp 2.2.2.Phân tích hình thái, cấu trúc, và đặc tính của graphene aerogel tổng hợp được 2.2.3.Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu graphene aerogel đối với chất màu hữu cơ: methylene blue, methyl orange.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ LAN

TỔNG HỢP VẬT LIỆU GRAPHENE AEROGEL

ĐỂ HẤP PHỤ CHẤT MÀU HỮU CƠ

(Synthesis of graphene aerogels for organic dyes adsorption)

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC

Mã số: 60520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hữu Hiếu

2 TS Nguyễn Trường Sơn

3 PGS TS Nguyễn Thị Phương Phong

4 TS Hoàng Minh Nam

5 TS Nguyễn Tuấn Anh

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tên tiếng Việt: Tổng hợp vật liệu graphene aerogel để hấp phụ chất màu hữu cơ

Tên tiếng Anh: Synthesis of graphene aerogels for organic dyes adsorption

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

2.1.Tổng quan: graphite, graphite oxit, graphene oxit, graphene aerogel, tính chất, phương pháp tổng

hợp graphene aerogel, ứng dụng, chất màu hữu cơ (methylene blue, methyl orange), và cơ chế hấp phụ chất màu hữu cơ.

2.2 Thực nghiệm

2.2.1 Tổng hợp graphene aerogel từ graphene oxit và khảo sát điều kiện tổng hợp

2.2.2 Phân tích hình thái, cấu trúc, và đặc tính của graphene aerogel tổng hợp được

2.2.3 Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu graphene aerogel đối với chất màu hữu cơ: methylene blue, methyl orange.

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/2018

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN HỮU HIẾU

Họ tên học viên: NGUYỀN THỊ LAN

Ngày, tháng, năm sinh: 01/02/1993

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học

MSHV: 1670195 Nơi sinh: Quảng Nam

Mã số : 60520301

Tác giả Nguyễn Thị Lan

TÓM TẮT

Trong luận văn này, vật liệu graphene aerogel (GA) đuợc tổng hợp từ graphene oxit (GO)bằng phuơng pháp khử hóa học Theo đó, GO đuợc tổng hợp từ graphite (Gi) bằng phuơngpháp Hummers cải tiến Sau đó, GO đuợc khủ tạo thành khối graphene hydrogel (GH) và sấythăng hoa GH để tạo thành GA Quá trình khử GO đuợc thục hiện ở 90 °C trong thời gian 6 giờvới hai loại chất khử axit L-ascorbic (LAA) và ethylenediamine (EDA)

Sản phẩm GAL3 (với luợng chất khử LAA là 0,16 g) và GAE3 (với luợng chất khử EDA là

30 pL) được phân tích hình thái, đặc tính, cấu trúc thông qua khối lượng riêng, phổ hồng ngoạichuyển hóa Fourier, nhiễu xạ tia X, pho Raman, kính hiển vi điện tử, và diện tích bề mặt riêngtheo Brunauer - Emmett - Teller

Đồng thời, GAL3 và GAE3 được khảo sát khả năng hấp phụ đối với chất màu hữu cơ làmethylene blue (MB), methyl orange (MO) thông qua ảnh hưởng của các điều kiện hấp phụnhư thời gian, pH, và nồng độ đầu chất màu lên dung lượng hấp phụ Quá trình hấp phụ đượcđánh giá thông qua các mô hình động học biểu kiến bậc một, hai và mô hình đẳng nhiệtLangmuữ, Freundlich

In this study, GO was synthesized from graphite (Gi) by modified Hummers method.Accordingly, graphene aerogel (GA) was synthesized by chemical-reduction method using L-ascorbic acid (L-AA) and ethylenediamine (EDA) as reducing agents

The structure and morphology of GAL3 (amount of reducing agent LAA of 0,16 g) andGAE3 (amount of reducing agent LAA of 30 pL) were characterized by analyzedmorphologically, Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction, Ramanspectroscopy, scanning electron microscopy, and Brunauer-Emmett-Teller specific surfacearea

At the same time, GAL3, GAE3 were used as an adsorbent for methylene blue (MB) andmethyl orange (MO) from aqueous solutions The effect factors including contact time, pH, andinitial concentration on GAL3, GAE3 were investigated The experimental adsorption datawere well-fitted to first-order, second-order kinetic models and Langmufr, Freundlichtheoretical models

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của cá nhân tác giả và đuợc thục hiện duới sụ huớng dẫn của thầy TS Nguyễn Hữu Hiếu, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Truờng Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM

Số liệu, kết quả nghiên cứu và kết luận trong luận văn này là hoàn toàn trung thục, chua từng đuợc công bo ừong bất cứ một công trình nào khác truớc đây

Tác giả xin chịu ttách nhiệm về nghiên cứu của mình

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2018

Tác giả Nguyễn Thị Lan

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

LỜI CAM ĐOAN iv

TÓM TẮT V ABSTRACT vi

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH xiii

DANH MỤC BẢNG xiii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv

MỞ ĐÀU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Graphite 2

1.2 Graphite oxit 2

1.3 Graphene oxit 3

1.4 Graphene aerogel 4

1.4.1 Định nghĩa 4

1.4.2 Tính chất của GA 5

1.4.2.1 Khối lượng riêng 5

1.4.2.2 Tính chất nhiệt 5

1.4.2.3 Tính chất cơ 5

1.4.3 Phương pháp tổng hợp GA 6

1.4.3.1 Ph ương pháp liên kết ngang 6

1.4.3.2 Phương pháp thủy nhiệt 6

1.4.3.3 Phương pháp khử hóa học 7

1.4.4 ứng dụng của GA 13

1.4.4.1 GA ứng dụng trong vật liệu xúc tác .14

1.5.1 Methylene blue 16

1.5.2 Methyl orange 16

1.6 Quá trình hấp phụ 17

1.6.1 Định nghĩa và phân loại 17

1.6.2 Cơ chế hấp phụ của GA đối với MB, MO 17

1.6.3 Thông số đánh giá quá trình hấp phụ 18

1.6.4 Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ 19

1.6.4.1 Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 19

1.6.4.2 Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 20

1.6.5 Mô hình động học hấp phụ 21

1.6.5.1 Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc một 21

1.6.5.2 Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai 22

1.7 Tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu và tính mới của đề tài 22

1.7.1 Tính cấp thiết 22

1.7.2 Mục tiêu nghiên cứu 23

1.7.3 Nội dung nghiên cứu 23

1.7.4 Phương pháp nghiên cứu 23

1.7.4.1 Tổng hợp GA 23

1.7.4.2 Khảo sát hình thái, cấu trúc, đặc tính của GA 24

1.7.4.3 Khảo sát khả năng hấp phụ của GA 24

1.7.5 lình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 29

1.7.5.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 29

1.7.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 29

1.7.6 Tính mới của đề tài 29

CHƯƠNG 2: THựC NGHIỆM 30

2.1 Hóa chất, dụng cụ, và địa điểm thí nghiệm 30

2.1.1 Hóa chất 30

2.1.2 Dụng cụ thí nghiệm 30

2.2.1 Tổng hợp graphene oxit 31

2.2.2 Tổng hợp GA 32

2.2.2.1 Tổng hợp GA bằng chất khử LAA 32

2.2.2.2 Tổng hựp GA bằng chất khử EDA 34

2.2.3 Khảo sát hình thái, cấu trúc, đặc tính 35

2.2.3.1 Khối lượng riêng 35

2.2.3.2 Giản đồ XRD 35

2.2.3.3 Phổ Raman 35

2.2.3.4 Phổ FTIR 36

2.2.3.5 Ảnh SEM 36

2.2.3.6 Bề mặt riêng BET 36

2.2.3.7 UV-VIS 36

2.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện hấp phụ 36

2.2.4.1 Thời gian hấp phụ 36

2.2.4.2 pH 37

2.2.4.3 Nồng độ chất màu ban đầu 37

2.2.4.4 Hấp phụ đồng thời MB và MO 37

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 38

3.1 Điều kiện tổng hợp vật liệu GA 38

3.1.1 Đối với chất khử LAA 38

3.1.2 Đối với chất khử EDA 39

3.2 Hình thái, đặc tính, cấu trúc vật liệu GA 40

3.2.1 Đối với chất khử LAA 40

3.2.1.1 Kh ối lượng riêng 40

3.2.1.2 Phổ FTIR 41

3.2.1.3 Giản đồ XRD 42

3.2.1.4 Phổ Raman 43

3.2.1.5 Ảnh SEM 44

3.2.2.1

Khối lượng riêng 45

3.2.2.2 Phổ Raman 46

3.2.2.3 Phổ FTIR 47

3.2.2.4 Giản đồ XRD 48

3.2.2.5 Ảnh SEM 49

3.2.2.6 Bề mặt riêng BET 49

3.3 Khả năng hấp phụ của GA 50

3.3.1 Ảnh hưởng của điều kiện hấp phụ lên dung lượng hấp phụ của vật liệu GAL3 50

3.3.1.1 Thời gian hấp phụ 50

3.3.1.2 pH 52

3.3.1.3 Nồng độ MB, MO ban đầu 53

3.3.2 Ảnh hưởng của điều kiện hấp phụ lên dung lượng hấp phụ của vật liệu GAE3 55

3.3.2.1 Thời gian hấp phụ 55

3.3.2.2 pH 57

3.3.2.3 Nồng độ MB, MO ban đầu 58

3.3.3 Khả năng hấp phụ đồng thời MB và MO của GAL3, GAE3 60

3.3.4 So sánh khả năng hấp phụ giữa GAL3 và GAE3 61

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

CÔNG TRÌNH CÔNG BÔ

DANH MỤC HÌNH

•

Hình 1.1: cấu trúc Gi 2

Hình 1.2: Quy trình tổng hợp GO tù Gi 3

Hình 1.3: cấu trúc GO 4

Hình 1.4: Graphene aerogel 5

Hình 1.5: Cơ chế tác dụng của axit H3PO4 đối với quá trình oxy hóa 8

Hình 1.6: Liên kết giữa phân tử nước và các nhóm chức chứa oxy của GO 9

Hình 1.7: cấu trúc của LAA 10

Hình 1.8: Cơ chế khử nhóm epoxy và diol bằng LAA 10

Hình 1.9: cấu trúc của EDA 10

Hình 1.10: Cơ chế khử epoxy của EDA 11

Hình 1.11: Quá trình sấy CO2 siêu tới hạn để tạo ra aerogel 12

Hình 1.12: Giản đồ pha của lưu chất 12

Hình 1.13: Cơ chế của quá trình sấy thăng hoa để tạo ra aerogel 13

Hình 1.14: GA hấp phụ dầu diesel (Sudan III được thêm vào để dễ quan sát hơn) 14

Hình 1.15: Hiện ừạng ô nhiễm nguồn nước do thuốc nhuộm hữu cơ 15

Hình 1.16: cấu trúc MB 16

Hình 1.17: cấu trúc MO 16

Hình 1.18: Cơ chế hấp phụ của GA đối với MB và MO 18

Hình 1.19: Sơ đồ nguyên lý máy đo XRD 24

Hình 1.20: Các tín hiệu điện tử và sóng điện từ phát xạ từ mẫu do tán xạ 26

Hình 2.1: Sơ đồ quy trình tổng hợp GO 31

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình tổng hợp GA từ GO sử dụng chất khử LAA 32

Hình 2.3: Sơ đồ quy trình tổng hợp GA từ GO sử dụng chất khử EDA 34

Hình 3.1: (a) Graphite, (b) Graphite oxide, (c) GO ưong quá trình tổng hợp GO 38

Hình 3.2: GO sau khi được khử bằng các hàm lượng LAA khác nhau 38

Hình 3.3: Sản phẩm GAL3 39

Hình 3.4: GO sau khi được khử bằng các thể tích EDA khác nhau 39

Hình 3.7: Giản đồ XRD của GO và GAL3 42

Hình 3.8: Phổ Raman của GO và GAL3 43

Hình 3.9: Ảnh SEM của GAL3 44

Hình 3.10: Phổ Raman của GO, GAE3, GAE4, và GAE5 46

Hình 3.11: Sản phẩm GAE3 được tổng hựp ttong luận văn này 47

Hình 3.13: Phổ FTIR của GO và GAE3 47

Hình 3.13: Giản đồ XRD của GO và GAE3 48

Hình 3.14: Ảnh SEM của GAE3 49

Hình 3.15: Ảnh hưởng của thời gian lên dung lượng hấp phụ của vật liệu GAL3 50

Hình 3.16 Đường biểu diễn động học biểu kiến bậc 2 51

Hình 3.17: Ảnh hưởng của pH lên dung lượng hấp phụ của vật liệu GAL3 52

Hình 3.18 Đường cong đẳng nhiệt hấp phụ Langmuữ của vật liệu GAL3 53

Hình 3.19: Nồng độ cân bằng MB, MO theo mô hình Langmuữ của GAL3 54

Hình 3.20: Nồng độ cân bằng MB, MO theo mô hình Freunlich của GAL3 54

Hình 3.21: Ảnh hưởng của thời gian lên dung lượng hấp phụ của vật liệu GAE3 55

Hình 3.22 Đường biểu diễn động học biểu kiến bậc 2 56

Hình 3.23: Ảnh hưởng của pH lên dung lượng hấp phụ của vật liệu GAE3 57

Hình 3.24 Đường cong đẳng nhiệt hấp phụ Langmuữ của vật liệu GAE3 58

Hình 3.25: Nồng độ cân bằng MB, MO theo mô hình Langmuữ của GAE3 59

Hình 3.26: Nồng độ cân bằng MB, MO theo mô hình Freunlich của GAE3 59

Hình 3.27: Dung lượng hấp phụ đồng thời MB, MO của vật liệu GA 60

DANH MỤC BẢNG • Bảng 1.1: So sánh hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học 17

Bảng 2.1: Các hóa chất sử dụng 30

Bảng 2.2: Lượng chất khử LAA được sử dụng 33

Bảng 2.3: Lượng chất khử EDA được sử dụng 35

Bảng 3.1: So sánh khối lượng riêng của GAL3 với các kết quả nghiên cứu khác 41

Bảng 3.2: So sánh diện tích bề mặt riêng của GAL3 45

Bảng 3.3: Khối lượng riêng của các mẫu GAE 45

Bảng 3.4: Đặc tính vật liệu của GAL3 và GAE3 48

Bảng 3.5: Hệ số tương quan của các quá trình hấp phụ - GAL3 55

Bảng 3.6: Hệ số tương quan của các quá trình hấp phụ - GAE3 60

Bảng 3.7: Dung lượng hấp phụ cực đại qm (mg/g) của một số vật liệu đối với MB 61

Bảng 3.8: Dung lượng hấp phụ cực đại q (mg/g) của một số vật liệu đối với MO 62

Bảng 3.9: Điều kiện hấp phụ của GAL3, GAE3 đối với MB, MO và đồng thời 62

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TÁT

FTIR

Fourier Transform Infrared

Spectrocopy

Phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của nền kinh tế là những hệ lụy nghiêm trọng

về các vấn đề ô nhiễm môi trường không khí, đất, nguồn nước, Theo đó, ô nhiễm nguồn nướcđang ngày càng có diễn biến phức tạp và ảnh hưởng nhiều đến đời sống con người Chất màu hữu

cơ chính là một trong những thành phần chiếm tỉ tệ nhiều trong nước thải công nghiệp hiện nay

Do đó, việc xử lý chất màu hữu cơ trong nguồn nước là một vấn đề cấp thiết Trong số các phươngpháp xử lý chất màu hữu cơ như: keo tụ, lọc màng, oxy hóa, thì hấp phụ là phương pháp được sửdụng phổ biến hơn bởi ưu điểm tốc độ nhanh, quy trình đơn giản, và có độ chọn lọc hơn

Ngoài các vật liệu hấp phụ truyền thống như than củi, cacbon hoạt tính, hay tiên tiến hơn nhưcacbon nanotube thì graphene aerogel với cấu trúc không gian ba chiều cùng các tính năng ưu việtnhư khối lượng riêng nhỏ, độ xốp, diện tích bề mặt cao đã và đang nhận được sự quan tâm rất lớncủa các nhà khoa học hiện nay

Với khối lượng riêng dưới 0,5 g/cm3, aerogel là vật liệu rắn có khối lượng riêng thấp, thànhphần chất lỏng ưong khối vật liệu được thay bằng chất khí Hiện nay, có nhiều loại aerogel khácnhau như silica aerogel, cacbon aerogel, oxit kim loại, cellulose aerogel, Kết hợp giữa cấu trúcaerogel và các tính chất nổi bật của graphene về độ bền cơ, độ dẫn điện, graphene aerogel ừởthành vật liệu tiềm năng trong các lĩnh vực như: vật liệu xúc tác, dẫn truyền thuốc sinh học, lưu trữnăng lượng, và hấp phụ

Vì vậy, trong luận văn này, vật liệu graphene aerogel được chọn để nghiên cứu và ứng dụnghấp phụ chất màu hữu cơ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Graphite

Graphite (Gi) hay than chì là một ttong ba dạng thù hình của cacbon (kim cương, graphite,fullerene), cấu trúc Gi bao gồm các đơn lớp graphene phẳng liên kết vói nhau bằng

lực liên ket yeu Van der Waals vói khoảng cách giữa các lớp là 0,34 nm như ở hình 1.1 Ở mỗiđơn lớp graphene, các nguyên tử cacbon sắp xếp theo hình lục giác đều vói khoảng cách là 0,142

nm, ở trạng thái lai hóa sp2 liên kết cộng hóa ưị vói 3 nguyên tử cacbon bao quanh nằm ừong cùngmột lớp tạo thành mạng lưói lục giác hình tổ ong [1,2]

đặc điểm cấu trúc làm cho bề mặt của GiO xuất hiện các nhóm chức phân cực (-COOH, -OH, o, )nên GiO ưa nước hom so với graphite ban đầu GiO được siêu âm tách lớp tạo thành graphene oxitnhư hình 1.2.

Hình 1.2: Quy trình tổng hợp GO từ Gi [2]

1.3 Graphene oxit

Graphene oxit (GO) là GĨO đom lớp, sản phẩm trung gian của quá trình tổng hợp graphene(Ge) từ Gi [4], Các đom lớp của Gi được gắn thêm các nhóm chức chứa oxy như hydroxyl (-OH),cacbonyl (-C=O), cacboxylic (-COOH), epoxy (-0) trên bề mặt cơ bản và bên mép của mạngnguyên tử cacbon để tạo thành GO như trình bày ở hình 1.3 [5] Sự có mặt của các nhóm chức tíchđiện âm đính vào mạng lưới cacbon bền vững là cơ sở cho những tính chất của GO

Hình 1.3: cấu trúc GO [4]

Với nhiều ưu điểm như: phân tán tốt trong nước, độ hoạt động hóa học cao do sự có mặt củacác nhóm chức có oxy ưên bề mặt, sự di động tốt của các hạt mang điện, diện tích bề mặt riêng lớn[6], GO được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xúc tác, năng lượng mặt ưòi, cảm biến sinhhọc, hình ảnh tế bào, dẫn truyền thuốc [7],

GO chính là tiền chất để tổng hợp graphene aerogel

1.4 Graphene aerogel

1.4.1 Định nghĩa

Graphene aerogel (GA) là các lớp Ge tự lắp ráp với nhau thành mạng lưới ba chiều (3D) qua

sự xen phủ 71-71, tương tác Van der Waals hoặc liên kết với nhau qua các tương tác ion, tương táclưỡng tính vói sự hỗ ượ của các chất kết dính [8], GA được tổng hợp ưong luận văn được trình bày

ở hình 1.4

Hình 1.4: Graphene aerogel [75]

Do GA sở hữu cấu trúc mạng lưói 3D với độ xốp cao nên vật liệu này có nhiều tính chất đặcbiệt về khối lượng riêng, tính chất điện, tính chất cơ, tính chất nhiệt,

1.4.2 Tính chất của GA

ỉ 4.2 ỉ Khối lượng riêng

GA có khối lượng riêng khoảng 0,16 - 500 mg/m3 và diện tích bề mặt khoảng 400 - 1200 m2/gvói độ xốp cao lên đến trên 80 % [9] Ngoài ra, GA còn có tính đàn hồi, dễ dàng giữ lại hình dạngban đầu Vói các tính chất ừên, GA có khả năng hấp phụ cao lên đến hơn 850 lần ừọng lượng của

GA [9]

ỉ 4.2.2 Tính chất nhiệt

Tính chất nhiệt của GA được mô tả thông qua một số phương pháp đo lường như: Kỹ thuật đosteady-state, kỹ thuật đèn flash laser và phổ hồng ngoại (IR) Kỹ thuật laser cho thấy, độ dẫn nhiệtcủa GA còn giới hạn GA có độ dẫn nhiệt là 2,18 W/mK [10]

ỉ 4.2.3 Tính chất cơ

GA thường dễ gãy và võ do độ bền của GA thấp hơn so với các đơn lớp graphene bởi GAđược xây dựng từ các tấm Ge riêng lẻ [11], Do đó, trong quá trình điều chế GA cần có chất kết

mà độ bền của GA có sụ khác biệt Với chất khử là L-ascorbic axit và quy trình điều chế sử dụngphương pháp sấy thăng hoa, GA có thể chịu đuợc lục nén gấp 3300 lần trọng luợng của nó [13].Mặt khác, với quy trình điều chế sử dụng phương pháp sấy CƠ2 siêu tới hạn, GA có thể chịu đuợclục nén gấp 14000 lần ttọng luọmg của nó với sụ biến dạng nhỏ, gấp 4 lần so vói quá trình sấythăng hoa [13] Vói khối luợng riêng thấp và cơ tính đặc biệt ttên, GA ttở thành một vật liệu đặcbiệt.

1.4.3 Phương pháp tổng hợp GA

GA được tổng hựp bằng nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp đều có ưu nhượcđiểm riêng và đang được cải thiện dần theo thòi gian

ỉ 4.3 ỉ Phương pháp liên kết ngang

Đây là một trong những phương pháp đầu tiên được sử dụng để tổng hợp GA Trong phươngpháp này, GO được phân tán trong dung dịch của resorcinol (R) và formaldehyde (F) [14,15], Sauquá trình hao đổi dung môi tiến hành sấy thăng hoa hoặc sấy siêu tới hạn, thu được GO-RFaerogel Ngoài RF còn có một số tác chất khác cũng có thể đóng vai trò như chất kết dính để ổnđịnh GO tạo thành GA như polyvinyl alcohol/poly styrenesulfonate, copolyme pluronic [16,17],Phương pháp liên kết ngang ít được sử dụng do hầu hết các chất kết dính để tạo liên kết giữacác tấm graphene là các polymer yêu cầu điều kiện nhiệt độ cao hơn 1000 °C

/ 4.5.2 Phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt là phương pháp tổng hợp GA không sử dụng chất liên kết như phươngpháp đã nêu ở trên [18] Huyền phù GO được gia nhiệt 180 °C trong 12 giờ trong autoclave teflontạo graphene hydrogel (GH) Sau đó, GH được sấy siêu tới hạn hoặc sấy thăng hoa để tạo thành

GA [19]

Nồng độ của GO và thời gian thủy nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến hình thái, đặc tính, cấu trúccủa GA Diện tích bề mặt riêng và tổng thể tích lỗ xốp tăng lên khi nồng độ GO tăng nhưng giảmkhi thời gian thủy nhiệt tăng [20]

Phương pháp thủy nhiệt đơn giản, dễ thực hiện, thân thiện môi trường Tuy nhiên, nhược điểmcủa phương pháp này là điều kiện thực hiện ở nhiệt độ, áp suất cao nhưng hiệu suất thấp và chỉtiến hành ở quy mô nhỏ.

ỉ I ự Ji Phương pháp khử hóa học

Phương pháp khử hóa học trong điều chế GA là một phương pháp điều chế vói quy trình đơngiản GO sẽ được khử bằng một số chất khử khác nhau như: L-ascorbic axit (LAA),ethylenediamine (EDA), hydrazine, NaBH4, ure, để thu được sản phẩm là GA Quá trình tổnghợp GA từ Gi ttải qua 3 giai đoạn bao gồm:

Ngày nay, phương pháp Hummers được các nhà khoa học thay đổi để quá trình oxy hóa xảy rahiệu quả hơn Phương pháp Hummers cải tiến tăng lượng KMnO4 lên gấp đôi, không sử dụngNaN03 nhưng dùng thêm H3PO4 để hỗ trợ cho quá trình oxy hóa với tỉ lệ giữa H2SO4/H3PO4 là9:1 [21,22],

Trong quá trình này, cơ chế của phản ứng là phản ứng oxy hóa alkene bởi KMnO4 trong môi

quá trình khử không thể phục hồi lại được như hình 1.5 Ngược lại, nếu có H3PO4, vòng nămcạnh được hình thành bảo vệ nhóm diol, giảm thiểu việc oxy hóa quá mức tạo ra dione [21,23].

Hình 1.5: Cơ chế tác dụng của axit H3PO4 đối với quá trình oxy hóa [23]

GO là sản phẩm của quá trình tách lớp GiO Sự gắn thêm các nhóm chức chứa oxy thu đượckhi oxy hóa Gi bằng các tác nhân oxy hóa mạnh như KCIO3, KMnƠ4, CIO2, sẽ tạo nên GiO[24]

Sự có mặt của các nhóm chức chứa oxy làm cho GO có sự thay đổi đáng kể về tính chất hóa lý

so vói tiền chất Gi ban đầu [25,26] Liên kết hydro giữa các lớp GO thông qua các nhóm hydroxyl,epoxy và nước làm tăng khoảng cách giữa các lớp GO (0,65 - 0,75 nm) so với Gi (0,34 nm) [27],

Hình 1.6: Liên kết giữa phân tử nước và các nhóm chức chứa oxy của GO [28]

GO được phân tán trong môi trường nước tạo huyền phù Sau đó, cho chất khử vào huyền phùkhử các nhóm chức trên GO tạo Ge

b Quá trình khử GO tạo graphene hydrogel (GH)

Sự cân bằng giữa lực hút Van der Waals từ các tấm GO và lực đẩy tĩnh điện của các nhómchức trên bề mặt GO là nguyên nhân giúp cho GO phân tán tốt trong nước Với sự có mặt của chấtkhử cân bằng bị phá vỡ, các tấm GO tụ lại vói nhau nhau tạo thành 3D GO hydrogel và tiếp tụcđược khử hình thành cấu trúc 3D GH [29,30]

Các nghiên cứu trước đây, một số tác nhân khử đã được thử nghiệm sử dụng ừong quy trìnhkhử GO tạo graphene GH như EDA, NH3, glutathione và các amin hữu cơ khác [31-34], Trong cácloại chất khử, LAA và EDA là hai loại chất khử ít độc hại và chi phí thấp nên được chọn để tổnghợp GA ttong luận văn này

Trong phân tử có hệ liên hợp p-71,71-71 từ o của nhóm O-H và c=o làm cho H của nhóm O-Hgắn trên c có nối đôi trở nên linh động Hình 1.8 cho thấy cơ chế khử nhóm epoxy và diol bằngLAA trong quá trình tổng hợp GA.

Hình 1.8: Cơ chế khử nhóm epoxy và diol bằng LAA [31]

Trong quá tình khử các nhóm epoxy liên kết yếu trên bề mặt GO được thay thế bằng nhóm CH2 và -NH Phản ứng mở vòng epoxy để EDA tạo liên kết cộng hóa ttị ttên bề mặt GO EDA cóthể thúc đẩy liên kết cộng hóa ttị giữa những tấm GO, ttong khi liên kết hydro giữa nhóm chứcamin thúc đẩy liên kết giữa các tấm và các nhóm chức vói nhau được thể hiện ở hình 1.10.

-Hình 1.10: Cơ chế khử epoxy của EDA

c Quá trình sấy GH thu GA

Quá tình sấy GH cần được thực hiện để loại bỏ nước và các phân tử hữu cơ có trong các lỗxốp của GH để thành GA Trong quá tình sấy, tại nhiệt độ phòng, nước bay hơi dẫn đến sụp đổcấu trúc xốp của GA, nguyên nhân là do sức căng bề mặt của nước gây nên Hai phương pháp sấythường được sử dụng nhiều là sấy thăng hoa và sấy siêu tói hạn Vì đây là hai phương pháp thuậntiện và hiệu quả nhất để loại bỏ các phần tử hấp phụ và không bị phá huỷ cấu trúc graphene 3D[32],

Phương pháp sấy bằng CO2 siêu tới hạn

Phương pháp sấy siêu tói hạn được sử dụng để duy tì cấu trúc xốp trong aerogel Hỗn hợp khílỏng trong vùng siêu tới hạn tạo thành chất lỏng siêu tới hạn Phương pháp này được sử dụng tránh

sự gãy võ cấu trúc gel do sức căng bề mặt gây ra Phương pháp này có điều kiện vận hành tươngđối phức tạp và có thể gây ra sự phá hủy các gel hữu cơ [33] Quá tình sấy CO2 siêu tói hạn để tạo

ra aerogel được mô tả ở hình 1.11

Hình 1.11: Quá tình sấy CƠ2 siêu tói hạn để tạo ra aerogel

Vì CO2 kỵ nước nên cần có quá trình trung gian để thay đổi dung môi Giản đồ pha của CO2 được tình bày ở hình 1.12 Sức căng bề mặt của chất lỏng bay hoi gây ra biến dạng và co rút mạng gel Quá tình sấy siêu tói hạn cho phép các pha lỏng đi qua vùng tới hạn thay vì qua ranh giới lỏng/khí Tại khu vực siêu tới hạn, sự khác biệt giữa pha lỏng và khí không còn tồn tại, do đó không có sức căng bề mặt gây ra phá vỡ các cấu trúc gel [34],

Hình 1.12: Giản đồ pha của lưu chất [35]

Quá tình sấy CO2 siêu tói hạn có ưu điểm rút ngắn thời gian sấy, đảm bảo cấu trúc aerogel củavật liệu tuy nhiên phương pháp này tốn chi phí cao

Phuo'ng pháp sấy thăng hoa

Sấy thăng hoa là một phương pháp phổ biến, đon giản để loại bỏ chất lỏng ttong hydrogel.Trong phương pháp này, hydrogel được đông đặc trước và đặt ưong môi trường chân không Saukhi hoàn tất quá trình đóng băng, hydrogel được đun nóng khi vẫn ở trong môi trường chân không,

ít nhất là dưới điểm bội ba (triple point) của nước, ở áp suất 0,006 atm Băng trực tiếp thăng hoathành hơi và cuối cùng thu được aerogel Làm lạnh nhanh là cần thiết để cấu trúc gel tốt hơn, vìcàng có nhiều tinh thể đá nhỏ hình cùng một lúc tạo thành mạng lưới băng, càng bảo toàn đượccấu trúc của aerogel [36]

Cơ chế của quá trình sấy thăng hoa để tạo ra aerogel được thể hiện ttong hình 1.13

ŨH

Hình 1.13: Cơ chế của quá trình sấy thăng hoa để tạo ra aerogel

So với phương pháp siêu tói hạn, phương pháp sấy thăng hoa ít tốn kém hơn, nhưng cần nhiềuthời gian thực hiện hơn Trong luận văn này, sấy thăng hoa được chọn để sấy GH thu được GA

1.4.4 ứng dụng của GA

GA là một vật liệu mói có nhiều tính chất đặc biệt như: cơ tính cao, dẫn điện tốt, ổn định nhiệt,diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc xốp cao, nên GA đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vựcnhư: vật liệu xúc tác, dẫn truyền thuốc sinh học, lưu trữ năng lượng, [37], Đặc biệt hơn, GA cókhả năng hấp phụ tốt đối với dầu, các ion kim loại và các chất màu hữu cơ

ì 4.4.1 GA ứng dụng trong vật liệu xúc tác

Các chất xúc tác dựa ừên Ge được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực tổng hợp hữu cơ, cảm

các tấm graphene tạo nên nhiều hạn chế trong việc ứng dụng chúng Vì thế sự tạo thành cấu trúc3D của GA với mạng lưới kết nối có tính chất xốp có lọi cho sự khuếch tán và trao đổi ion cungcấp một môi trường phản ứng vi mô và ghép kênh một cách nhanh chóng [38].

1.4.4.2 GA ứng dụng làm vật liệu hẩp phụ

Vói diện tích bề mặt riêng lớn và độ xốp cao GA có khả năng hấp phụ cao [39] GA được ứngdụng nhiều trong lĩnh vực hấp phụ ion kim loại, loại bỏ dầu, dung môi hữu cơ, chất màu hữu cơ rakhỏi nước thải [40-43]

Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu chứng minh được khả năng hấp phụ kim loại của GA Dodiện tích bề mặt và độ xốp cao nên GA có thể hấp phụ nhiều ion kim loại khác nhau như: Cd2+,

Pb2+, Cu2+, Ni2+, Ag+, Au3+ Thông qua lực Van der Waals giữa bề mặt của chất hấp thụ và chất bịhấp phụ, sự hấp phụ các kim loại này được xảy ra trên bề mặt cacbon và là kết quả của quá trìnhphân ly [44],

Ngoài hấp phụ kim loại, vói độ xốp cao, cơ tính ổn định và kỵ nước, GA đã trở thành vật liệu

lý tưởng cho sự hấp phụ dầu và các chất ô nhiễm hữu cơ khác GA có khả năng hấp phụ dầu ngaylập tức và khiến dầu hoàn toàn biến mất ừong vài giây, như trong hình 1.14 [45] Qua đó cho thấyhiệu quả của GA ttong việc hấp phụ dầu và một số dung môi hữu cơ

Hình 1.14: GA hấp phụ dầu diesel (Sudan III được thêm vào để dễ quan sát hơn) [45]

Trong luận văn này, vật liệu GA được ứng dụng để hấp phụ chất màu hữu cơ là methyleneblue và methyl orange

1.5 Chất màu hữu cơ

Công nghiệp dệt nhuộm là một ừong những ngành công nghiệp trọng điểm ưong nền kinh tếViệt Nam hiện nay Tuy nhiên, đây cũng là ngành được đánh giá có chứa nhiều tác nhân gây ô

nhiễm cho môi trường nước Theo ước tính của Sở Tài nguyên - Môi trường, mỗi ngày TP Hồ ChíMinh phát sinh khoảng khoảng 1,2 triệu m3 nước thải sinh hoạt và 500.000 m3 nước thải côngnghiệp Trong đó, nước thải trong ngành dệt nhuộm bên cạnh các hóa chất ừợ nhuộm thì khoảng

10 - 30% lượng thuốc nhuộm và hóa chất sử dụng bị thải ra ngoài cùng với nước thải [46] Độmàu cao do lượng thuốc nhuộm dư đi vào nước thải gây màu cho dòng tiếp nhận, ảnh hưởng tớiquá trình quang hợp của các loài thủy sinh, ảnh hưởng xấu tới cảnh quan Hàm lượng ô nhiễm cácchất hữu cơ cao sẽ làm giảm oxy hòa tan trong nước ảnh hưởng tới sự sống của các loài thủy sinh

Hình 1.15: Hiện trạng ô nhiễm nguồn nước do chất màu hữu cơTrong lượng nước thải, chất thải hằng ngày của các nhà máy dệt nhuộm chứa một lượng lớncác chất màu hữu cơ chưa được loại bỏ MB và MO là hai trong số đó

1.5.1 Methylene blue

Methylene blue (MB) là chất màu hữu cơ mang điện dương có công thức phân tử

C16ĨỈ18CIN3S được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1876 [49] Đây là một ưong những loại thuốc nhuộm có lịch sử lâu đời và được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực dệt nhuộm

Hình 1.17: cấu trúc MO

MO có đặc tính gây đột biến gen do đó việc tiếp xúc trực tiếp, thường xuyên với MO đem đến nhiều tác hại cho hệ nhiễm sắc thể trên cơ thể người [48],

MB và MO đều là những chất màu được sử dụng phổ biến và có ảnh hưởng trực tiếp đến sứckhỏe của con ngưòi Việc loại bỏ MB, MO ra khỏi môi trường nước đã được ứng dụng bằng nhiềuphương pháp khác nhau như vi lọc, thẩm tách, oxy hóa cải tiến, hấp phụ [43] Phương pháp hấpphụ với chất hấp phụ là GA để loại bỏ MB, MO ưong nước sẽ được áp dụng và tiến hành khảo sátưong luận văn này.

1.6 Quá trình hấp phụ

1.6.1 Định nghĩa và phân loại

Định nghĩa: Hấp phụ là quá trình hút khí (hơi) hoặc lỏng ưên bề mặt vật liệu xốp nhờ các lực

bề mặt Chất khí hay lỏng được gọi là chất bị hấp phụ, chất rắn xốp dùng để hút khí (hơi) hay lỏnggọi là chất hấp phụ Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá trình giải hấp phụ Bề mặt càng lớntức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì khả năng hấp phụ càng cao [51-53],

về phân loại, nếu phân loại theo cơ chế hấp phụ gồm có 2 kiểu hấp phụ: Hấp phụ vật lý vàhấp phụ hóa học

Bảng 1.1: So sánh hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

1.6.2 Cơ chế hẩp phụ của GA đổi với MB, MO

Cơ chế hấp phụ đối với MB, MO của GA được thể hiện ở hình 1.18 Quá trình hấp phụ MB,

MO của GA xảy ra nhờ các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt thông qua tương tác tĩnh điện và

của chất màu Đồng thời, khả năng hấp phụ của GA cũng được nâng cao do diện tích bề mặt lớnnên các phân tử chất màu dễ dàng khuếch tán vào cấu trúc xốp, gia tăng hiệu quả hấp phụ [54,55].

Hình 1.18: Cơ chế hấp phụ của GA đối với MB và MO

1.6.3 Thông số đánh giá quá trình hấp phụ

Quá trình hấp phụ trên bề mặt là một quá trình thuận nghịch, khi quá trình đạt tới trạng tháicân bằng vận tốc hấp phụ bằng vận tốc giải hấp Thông số đại diện cho điểm cân bằng là dunglượng hấp phụ cân bằng được xác định bằng công thức:

(C o -C e )v m trong đó: V - thể tích dung dịch chứa chất cần hấp phụ, m là khối lượng chất hấp phụ (g), c o - nồng

độ ban đầu khi chưa hấp phụ (mg/L), c e - nồng độ sau quá trình hấp phụ (mg/L).

(1.1)

Hiệu suất hấp phụ được tính theo công thức:

Langmuữ và Freundlich là hai mô hình được sử dụng phổ biến hiện nay ưong quá trình hấpphụ Mô hình Langmuir được áp dụng nhiều cho các vật liệu có bề mặt đồng nhất Mô hìnhFreundlich được áp dụng nhiều cho hấp phụ chất tan ttong chất lỏng lên ttên các chất hấp phụ có

bề mặt không đồng nhất Tùy thuộc vào bản chất của chất hấp phụ, chất bị hấp phụ mà sử dụngnhững mô hình đẳng nhiệt hấp phụ khác nhau

1.6.4 Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ

ỉ 6.4 Ị Mô hĩnh hẩp phụ đắng nhiệt Langmuir

Phương trình Langmuir sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ một lớp đơn phân tử trên bề mặtvật rắn cần phải có những giả thiết sau [51,53]:

- Sự hấp phụ là chọn lọc

- Các phần tử được hấp phụ đơn lóp ttên bề mặt chất hấp phụ

- Giữa các phần tử chất hấp phụ không có tương tác qua lại với nhau

nào, nhiệt hấp phụ là một giá ttị không đổi

- Giữa các phần tử trên lớp bề mặt và bên trong lớp thể tích có cân bằng động học nghĩa là ởtrạng thái cân bằng tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp

Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được mô tả bởi phương trình sau:

(1.2)

Qe = QmaxhlCe l+kiqC e

19

trong đó: q max dung lượng hấp phụ cực đại trên một đon vị khối lượng chất hấp phụ (mg/g), ki hằng số hấp phụ Lamgmuữ (1/mg), C e - nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong dung dịch (mg/L), q e - dung lượng cân bằng hấp phụ của chất bị hấp phụ (mg/g).

-Phưong trình (1.3) được biến đổi thành dạng sau:

(1-4)

TÙ thực nghiệm xác định được giá trị nồng độ cân bằng C e và từ đó tính được giá trị của dung

lượng hấp phụ cân bằng q e thông qua công thức sau:

7e = - (1-5)

m trong đó: V - thể tích dung dịch chất cần hấp phụ (L), m - là khối lượng chất hấp phụ (g).

Thông qua các phưong trình (1.3), (1.4), và (1.5) cùng các dữ kiện số liệu thực nghiệm thu

được trong quá trình nghiên cứu và phương pháp hồi quy tuyến tính xác định được các gia tn : tnax va ce

q-ỉ 6.4.2 Mô hĩnh hấp phụ đắng nhiệt Freundlich

Khi nghiên cứu về khả năng hấp phụ ửong pha lỏng, ửong trường hợp chất hấp phụ có bề mặtkhông đồng nhất, Freundlich thiết lập được phưong trình đẳng nhiệt trên cơ sở số liệu thựcnghiệm:

trong đó: kf - hằng số hấp phụ Freundlich, đặc trưng cho khả năng hấp phụ của hệ, giá trị Kf lớn

đồng nghĩa vói hệ có khả năng hấp phụ cao

Biến đổi phương trình (1.6), thu được phương trình sau:

Từ phương trình (1.7) và số liệu thực nghiệm, sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính để xác

định được kf và n.

1.6.5 Mô hình động học hấp phụ

Quá trình hấp phụ được phân tích gồm các giai đoạn như sau [56-58]:

- Chất bị hấp phụ chuyển tói bề mặt chất hấp phụ - giai đoạn khuếch tán trong dung dịch

quản - giai đoạn khuếch tán màng

khuếch tán ttong mao quản

- Các phân tử chất bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm hấp phụ - giai đoạn hấp phụ thực sự.Quá trình hấp phụ gồm nhiều giai đoạn và có nhiều thông số nên nghiên cứu đầy đủ, toàn diệnđộng học hấp phụ thực sự rất khó khăn, bị ảnh hưởng nhiều yếu tố như khuếch tán, bản chất cấutrúc xốp, thành phần hóa học của chất hấp phụ Do đó, hiện nay phương trình động học tổng quátbậc một và bậc hai thường được ứng dụng để xác định các hằng số tốc độ biểu kiến

ỉ 6.5.! Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc một

Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc một Lagergren:

Tốc độ quá trình hấp phụ phụ thuộc bậc một vào dung lượng hấp phụ Mô hình này thườngđược sử dụng cho các quá trình hấp phụ vật lý và giai đoạn khuếch tán quyết định đến tốc độ hấpphụ [59]

Lấy tích phân phương trình 1.8 thu được phương trình sau:

f 6.5.2 Phương trình động học hẩp phụ biểu kiến bậc hai

Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai có dạng:

GA là một loại vật liệu mới vói nhiều tính chất lý hóa đặc biệt Vói sự xuất hiện của GA đã mở

ra nhiều bước tiến mói trong việc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như lưu trữ năng lượng,xúc tác, chất hấp phụ xử lý ô nhiễm môi trường,

Đi đôi cùng với sự phát triển không ngừng của kinh tế là sự nghiêm trọng dần của các vấn đề ônhiễm môi trường đang ngày càng đe dọa sự sinh tồn của con người, động thực vật cũng như sựcân bằng sinh thái Với ô nhiễm nước đang ngày càng trở nên nghiêm trọng do lượng nước thải từcác nhà máy sản xuất công nghiệp Có nhiều phương pháp khác nhau để xử lý nước bị ô nhiễmnhư: lắng, lọc, hấp phụ, trao đổi ion, thẩm tách, Trong đó, hấp phụ là một phương pháp đon giản,hiệu quả cao, có khả năng xử lý nhiều chất trong nước thải phù hợp để ứng dụng phổ biến Bên

bề mặt lớn, khối lượng riêng thấp, độ xốp cao đã trở thành một vật liệu hấp phụ đầy hứa hẹn vớikhả năng hấp phụ tốt và có thể thu hồi sau khi sử dụng.

Hiện nay, đã có một số nghiên cứu về tổng hạp GA để ứng dụng ưong các lĩnh vực khác nhau.Nhưng tại Việt Nam, vật liệu GA vẫn còn là loại vật liệu mới và đang thu hút nhiều sự quan tâmnghiên cứu Bên cạnh đó việc đánh giá và khảo sát các điều kiện cũng như khả năng hấp phụ của

GA đối vói chất màu hữu cơ vẫn còn hạn chế Luận văn này tiến hành tổng hợp và khảo sát khảnăng hấp phụ của GA với chất màu hữu cơ là MB, MO

1.7.2 Mục tiêu nghiên cứu

Tổng hợp thành công vật liệu GA có khả năng hấp phụ đối với các chất màu hữu cơ MB, MO

1.7.3 Nội dung nghiên cứu

- Nội dung 2: Khảo sát hình thái, cấu trúc, đặc tính của GA thu được

- Nội dung 3: Khảo sát khả năng hấp phụ của GA đối với MB, MO riêng rẽ và đồng thời

1.7.4 Phương pháp nghiên cứu

L7.4.Í Tổng hợp GA

khác nhau

ì 7 A J Khảo sát hình thái, cẩu trúc, đặc tính của GA

GA sau tổng hợp được đánh giá thông qua khảo sát các hình thái, đặc tính, cấu trúc của vậtliệu như sau:

a Khối lượng riêng biểu kiến

Mau được đo thể tích theo kích thước hình học (chiều dài và đường kính) bằng thước kẹp điện

tử VOREL - 15240 - 150 mm vói độ chính xác 0,01 mm và cân khối lượng bằng cân phân tích bốn

số CPA225D của hãng Sartorius - Đức Khối lượng riêng là tỉ số giữa khối lượng và thể tích mẫutương ứng theo công thức:

trong đó: D - khối lượng riêng (mg/cm3), m - khối lượng mẫu (mg), V - thể tích mẫu (cm3)

b Nhiễu xạ tỉa X (X-ray diffraction - XRD)

Nhiễu xạ tia X là phương pháp phân tích được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể của vậtliệu Phương pháp này có thể tiến hành đo trong môi trường bình thường, ảnh thu được bằng tốc

độ chụp nhanh, rõ nét trên một đầu dò hiện đại có thể đếm tói một photon mà không có nhiễu xạ

và một thuật toán có thể phục hồi lại cả ảnh của mẫu

Nguyên tắc: Cơ sở của phương pháp nhiễu xạ tia X là dựa vào hiện tượng nhiễu xạ của chùm

tia X ừên mạng lưới tinh thể Khi bức xạ tia X tương tác với vật chất sẽ có hiệu ứng tán xạ đàn hồivới các điện tử của các nguyên tử ưong vật liệu có cấu trúc tinh thể dẫn đến hiện tượng nhiễu xạtia X

id.rn- +fl,wợv

m

ứng dụng: Giản đồ XRD xác định cấu trúc của GO và GA.

c Phổ Raman

Phổ Raman là phương pháp dùng để xác định thông tin về mức năng lượng dao động củanguyên tử, phân tử hay mạng tinh thể Các mức năng lượng đặc trưng dùng để phân biệt nguyên tửnày với nguyên tử khác cho phép phân tích thành phần cấu trúc của mẫu vật

Nguyên tắc: Hiệu ứng Raman dựa trên sự biến dạng của phân tử trong điện trường E được

xác định bởi khả năng phân cực a (hệ số phân cực) của phân tử Chùm sáng laser có thể được coi

là một sóng điện từ dao động với vector điện E Khi tương tác với mẫu nó sẽ giảm momen lưỡngcực điện và làm biến dạng phân tử Do hiện tượng biến dạng theo chu kỳ, phân tử sẽ bắt đầu daođộng với tần số đặc trưng Dm

ứng dụng: Phổ Raman được sử dụng để xác định khuyết tật trong cấu trúc của GA

d Phổ hồng ngoại chuyển tiếp Fourier (Fourier transform infrared spectroscopy FTIR)

-Nguyên tắc: Phương pháp này dựa vào hiệu ứng là các hợp chất hay nhóm chức có khả năng

hấp thu chọn lọc nhiễu xạ hồng ngoại Khi xác định được bước sóng hấp thu thì có thể xác địnhđược họp chất hay nhóm chức tồn tại trong vật liệu Nhiễu xạ hồng ngoại với bước sóng khoảng2,5 - 25 pm (vùng có số sóng 4000 - 400 cm1) Vùng này cung cấp thông tin quan trọng về cácnhóm chức

Khi phân tử va chạm với chùm sóng điện từ thì phần tử có thể hấp thu năng lượng, sự hấp thunăng lượng từ bên ngoài này có thể dẫn đến các quá trình thay đổi trong phân tử (quay, dao động,kích thích electton phân tử ) hoặc trong nguyên tử (cộng hưởng spin electron, cộng hưởng từ hạtnhân)

ứng dụng: phổ FTIR của GA cho thấy sự hiện diện của các nhóm chức chứa trong cấu trúc

của các vật liệu GO và GA

e Kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscopy - SEM)

SEM là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu