Để khẳng định thêm quá trình khử bằng axit ascorbic và nung ở nhiệt độ cao
đã giúp đưa GO về rGO, mẫu rGO nung ở 600oC được phân tích FTIR. Kết quả
được thể hiện trên hình 3.4.
Hình 3.4.Phổ FTIR của GO và rGO-600oC
Quan sát hình 3.4 có thể thấy, với mẫu GO, các pic nằm trong khoảng từ
3400-3700 cm-1 thể hiện sự có mặt của các nhóm –OH trong cấu trúc của vật liệu và
các pic trong khoảng 1000 – 1250 cm-1 đặc trưng cho dao động của các liên kết C-O
của các nhóm epoxy và alkoxy [137]. Các pic trong khoảng 1700-1730 cm-1 đặc
trưng cho dao động hóa trị của nhóm -C=O (cacbonyl) [138]. Các pic trong khoảng
dạng nhóm O-H [139]. Pic ở khoảng 1620-1635 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa
trị của liên kết C=C [140].
Sau quá trình khử GO tạo thành rGO, phần lớn cường độ các pic này giảm mạnh trong mẫu rGO, chứng tỏ quá trình khử GO xảy ra gần như hoàn toàn như có thể quan sát thấy trên hình 3.4.
Như vậy, quá trình khử bằng tác nhân axit ascorbic kết hợp nung ở nhiệt độ cao đã giúp loại bỏ một lượng lớn các nhóm chức trên bề mặt GO, cho phép quá trình khử gần như hoàn toàn về rGO.
Để xem xét thêm về sự thay đổi các liên kết trong cấu trúc vật liệu GO và rGO, quang phổ Raman đã được sử dụng và kết quả thể hiện trên hình 3.5.
Hình 3.5.Phổ Raman của GO và rGO
Thông thường, phổ Raman của vật liệu GO và rGO có hai pic đặc trưng là D và G. Trong đó, pic G tương ứng với dao động của những phonon ở tâm của vùng
Brillouin (đối xứng E2g) của carbon, thể hiện dao động của những nguyên tử carbon
liên kết với nhau bởi lai hóa sp2 (liên kết giữa những nguyên tử carbon trong mạng
lưới graphen), còn pic D tương ứng với dao động của những phonon điểm K của
những nguyên tử carbon lai hóa sp3, phản ánh sự mất trật tự và khuyết tật cấu trúc
trong màng graphen [141].
Kết quả phân tích phổ Raman của GO trên hình 3.5 cho thấy, pic D xuất hiện
xung quanh vị trí 1350 cm-1, còn pic G được quan sát thấy ở vùng 1600 cm-1, phù
hợp với kết quả của Sun và cộng sự [142]. Điều này chỉ ra rằng, so với graphit, đã
có sự thay đổi trong cấu trúc của GO hay nói cách khác là do quá trình oxi hóa gắn các nhóm chức phân cực trên bề mặt của GO từ các liên kết ban đầu trong mạng
lưới graphit, làm tăng số lượng liên kết C-sp3 so với C-sp2[143].
Khi thực hiện quá trình khử về rGO bằng nhiệt và tác nhân khử, cường độ của pic D và G đã giảm nhiều, chân pic cũng thu hẹp lại so với GO và có sự dịch
chuyển tương ứng về xung quanh 1330 cm-1 và 1590 cm-1 [144],[145]. Điều này
cho thấy, sau quá trình loại bỏ các nhóm chức có chứa oxi trong cấu trúc của GO, các liên kết của các vòng 6 cạnh trên mạng lưới rGO đã được khôi phục, gần giống với cấu trúc graphen. Hơn nữa, cường độ pic D cao hơn nhiều so với pic G thể hiện khả năng xuất hiện nhiều vị trí khuyết tật (defects) trên cấu trúc của rGO.
Cụ thể, tỷ lệ cường độ tương đối (ID/IG) tăng từ 1,06 trong GO lên đến 1,72 trong
rGO. Kết quả này khẳng định rằng, trong mạng lưới rGO xuất hiện nhiều vị trí (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
khuyết tật sp3 sau quá trình khử và hình thành graphen dạng đa lớp [144].
Để đánh giá về hình thái học của vật liệu, các mẫu GO và rGO được chụp ảnh SEM và TEM. Kết quả ảnh SEM thể hiện trên hình 3.6.
Quan sát hình 3.6a có thể thấy, các lớp graphit có bề mặt nhẵn và xếp chồng lên nhau. Trong khi đó, bắt đầu quan sát thấy có sự xuất hiện các nếp gãy, biểu thị cho sự phá hủy của các liên kết trên bề mặt của vật liệu GO và rGO (hình 3.6b và
3.6c), đặc trưng cho kiểu cấu trúc của graphen [146]. Trên bề mặt GO có các lớp
với cấu trúc định hướng bị phá vỡ do quá trình oxi hóa graphit thành GO, dẫn tới làm giảm khả năng dẫn điện của vật liệu. Do vậy, cần thiết phải khử các nhóm oxi trên bề mặt của GO để khắc phục nhược điểm này, đưa GO về dạng rGO có cấu
trúc gần giống với graphen [147].
Ảnh TEM của GO và rGO được thể hiện trên hình 3.7.
Hình 3.7.Ảnh TEM của vật liệu GO (a) và rGO (b)
Quan sát hình 3.7 có thể thấy, mẫu GO có hình thái cấu trúc không bằng
phẳng, các lớp cuộn lại với nhau [148]. Trong khi đó, mẫu rGO có bề mặt trong
suốt hơn nhiều, thể hiện quá trình khử GO về rGO đạt kết quả tốt với sự tách lớp đáng kể.
Để khẳng định thêm ưu thế của cấu trúc rGO so với GO, diện tích bề mặt riêng và kích thước mao quản của mẫu GO và rGO đã được xác định theo phương
pháp hấp phụ - khử hấp phụ vật lý N2. Kết quả được trình bày trên hình 3.8.
Quan sát hình 3.8 có thể thấy, đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2
của GO và rGO khá giống nhau và đều thuộc loại IV đặc trưng cho vật liệu mao quản trung bình, có cấu trúc lớp.
Hình 3.8.Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (a) và đường phân bố kích thước mao quản (b) của GO và rGO
Kết quả xác định theo phương trình BET cho thấy diện tích bề mặt riêng của
rGO đạt 151,3 m2/g, lớn hơn 3,6 lần so với diện tích bề mặt riêng của GO (42,3
m2/g). Như vậy, với diện tích bề mặt riêng lớn hơn, vật liệu rGO sẽ có khả năng hấp
phụ tốt hơn, tạo điều kiện thuận lợi hơn cho quá trình quang xúc tác khi được tạo
compozit với một chất bán dẫn khác [149].
Sự hình thành vật liệu rGO sau quá trình khử GO cũng được chứng minh bằng khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu, như phân tích trên phổ UV-Vis (hình 3.9) trong dải bước sóng từ 220 nm đến 800 nm.
Kết quả hình 3.9 cho thấy, GO hấp thụ ánh sáng ở 235 nm, tương ứng với
liên kết * trong C-C của hợp chất aromatic, và ở 310 nm, tương ứng với liên
kết * trong C=O [150],[151]. Điều này chỉ ra rằng, có sự tồn tại của các nhóm
chức chứa oxi trên bề mặt của GO. Tuy nhiên, sau quá trình khử, pic ở bước sóng
khoảng 235 nm dịch chuyển về phía xa hơn, xung quanh 270 nm [152], cho thấy có
sự khôi phục các loại liên kết liên hợp trong vòng thơm trong rGO. Bên cạnh đó,
pic xuất hiện xung quanh bước sóng 360 nm tương ứng với liên kết * trong
C=O của rGO cho thấy vật liệu này vẫn còn chứa một số các nhóm chức chứa oxi (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
thể hiện quá trình khử chưa thật hoàn toàn [153]. Ngoài ra, pic và bờ hấp thụ của
rGO chỉ hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại (đến 400 nm) cho phép dự đoán rằng, vật liệu rGO không có khả năng quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến.