Graphen oxit (GO) hay còn gọi là axit graphit, là sản phẩm trung gian giữa graphit oxit và graphen, là một tiền thân quan trọng của graphen thu được bằng cách oxi hóa graphit hoặc tách lớp cơ học. GO với tính chất cơ bản giống như graphen như diện tích bề mặt riêng lớn, có nhiều nhóm chức trên bề mặt, khả năng phân tán tốt trong nước đã được nhiều nhóm nghiên cứu làm chất hấp phụ để loại bỏ thuốc nhuộm, cation kim loại, phân tử sinh học và dược phẩm từ nước bị ô nhiễm. Các nhóm chức chứa oxi sẽ liên kêt với các ion kim loại và hợp chất có điện tử dương theo phương pháp hấp thụ điện tích bề mặt.
GO được Brodie tổng hợp lần đầu vào năm 1859, bằng cách xử lý graphit với hỗn hợp kali clorat và acid nitric đậm đặc [62]. Về sau các phương pháp tổng hợp GO đều dựa trên hỗn hợp oxi hoá mạnh mà Brodie đã đưa ra – hỗn hợp chứa một hoặc nhiều axit mạnh và chất oxi hoá đậm đặc.
GO được tổng hợp từ quá trình oxi hóa graphit, là một hợp chất của carbon, oxy, và hydro, thu được bằng cách xử lý graphit với chất oxy hóa mạnh. Các sản phẩm oxy hóa là một lượng lớn hỗn hợp màu vàng rắn với tỉ lệ C: O trong khoảng từ 2.1 đến 2.9. GO có chứa các nhóm chức có chứa oxi, trong đó có 4 nhóm chức chủ yếu là: Hydroxyl (OH), epoxi (-O-) đính ở trên bề mặt, và cacboxyl (-COOH), cacbonyl (-CO-) đính ở mép của các đơn lớp (Hình 1.15), nhưng GO vẫn giữ nguyên dạng cấu trúc lớp ban đầu của graphit [33, 41]. Vì sự hình thành của các nhóm chức có chứa oxi mà một phần liên kết sp2 trong mạng tinh thể đã bị suy thoái và trở thành liên kết sp3, và chính các điện tích âm của các nhóm chức này đã làm xuất hiện lực đẩy tĩnh điện làm cho GO dễ dàng phân tán vào trong các dung môi phân cực, nhất là trong dung môi nước để tạo nên các đơn lớp graphen oxit. Cũng vì lý do này mà tính dẫn điện của graphit giảm dần theo quá trình oxi hóa, thậm chí graphen oxit là một chất cách điện, bởi vì khi này phần lớn carbon trong graphit ban đầu đã bị chuyển đổi từ trạng thái lai hóa sp2 thành lai hóa sp3, làm giảm đáng kể số lượng liên kết π cũng như các điện tử tự do trên bề mặt của nó. Có nhiều cách khác nhau để mô tả cấu trúc của GO, nhưng đến nay thì cấu trúc chính xác vẫn chưa được xác định rõ ràng.
GO được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Do sự có mặt của các nhóm chức, graphen oxit có thể được điều chỉnh thành phần hóa học thông qua các phản ứng với các nhóm chức này để hấp phụ, lưu trữ năng lượng trong các tụ điện. Đặc biệt, trong các dung môi phân cực GO đã được phân tán thành các đơn lớp graphen oxit, nếu sau đó chúng được khử bỏ các nhóm chức có chứa oxi thì khả năng thu được graphen là rất cao. Khi đó với bề dày ở mức độ nguyên tử, graphen sẽ trở thành vật liệu có độ truyền qua cao đối với các ánh sáng nhìn thấy, và kết hợp với độ dẫn điện cao thì nó hoàn toàn có khả năng được sử dụng như các cảm biến, các điện cực trong suốt, ứng dụng làm cửa sổ quang học trong các thiết bị điện tử.
Cấu trúc và tính chất GO
Có nhiều mô hình đưa ra mô tả cấu trúc của graphit oxit nhưng mô hình của Lerf – Klinowski phổ biến hơn cả. Theo đó, graphit sau khi oxi hóa, trên mặt phẳng nằm ngang của các lớp có các nhóm hydroxyl, epoxy.. và trên các góc của mặt phẳng nằm ngang có thể hình thành các nhóm chức carbonyl hoặc carboxylic [51, 86, 101].
Hình 1.16. Cấu trúc của graphen oxit (GO) theo mô hình của Lerf – Klinowski
Các vòng thơm, các nối đôi, các nhóm epoxi được cho là nằm trên mạng lưới cacbon gần như phẳng, trong khi carbon nối với nhóm –OH hơi lệch so với cấu trúc tứ diện dẫn đến cấu trúc lớp hơi cong. Các nhóm chức được cho là nằm cả trên lẫn dưới các lớp GO. Vì mỗi lớp đều chứa các nhóm chức có oxygen mang điện tính âm, do đó có lực đẩy xuất hiện giữa các lớp, đồng thời làm cho GO thể hiện tính ưa nước và trương được trong nước. Hơn nữa, việc tạo liên kết hydrogen giữa các mặt
phẳng thông qua các nhóm hydroxyl, epoxi và nước khiến các khoảng GO được nới rộng đáng kể hơn so với graphit (0,65 – 0,75 nm so với 0,34 nm, được xác định thông qua giản đồ XRD.
GO với tính chất cơ bản giống như graphen như diện tích bề mặt riêng lớn, có nhiều nhóm chức trên bề mặt, khả năng phân tán tốt trong nước đã được nhiều nhóm nghiên cứu làm chất hấp phụ các hợp chất chứa cation và cyanotoxins từ nước bị ô nhiễm. Các nhóm chức chứa oxi sẽ liên kết với các ion kim loại và hợp chất có điện tử dương.
Từ những tính chất trên, các nhà khoa học hy vọng rằng từ graphit oxit có thể bóc tách các lớp ra với nhau một cách hoàn toàn (trạng thái exfoliated), sau đó khử các lớp graphen oxit này về các lớp graphen để hồi phục các tính chất vốn có của graphen.