1.3.1 Khái niệm
Graphene tấm có cấu trúc phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử carbon với liên kết sp2
tạo thành một mạng lục giác hình tổ ong (hình 1.3). Trong đó than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại, chiều dài liên kết cacbon-cacbon là 0,142 nm. Cấu trúc hai chiều (2D) của graphene có thể bọc tròn lại thành fullerenes (0D), hoặc cuộn thành các ống nano carbon (1D) hoặc xếp chồng lại thành dạng graphite (3D) (hình1.4) [8].
Hình 1.3.Cấu trúc hai chiều (a), không chiều (b), một chiều (c) và ba chiều (d) của graphene [9].
Graphene là một allotrope của carbon tồn tại dƣới dạng một tấm phẳng hai chiều. Một cách để nghĩ về graphene là một lớp than chì nguyên tử duy nhất. Mỗi nguyên tử carbon đƣợc liên kết cộng hóa trị (sp 2) với ba nguyên tử carbon khác trong một mảng lục giác, để lại một electron tự do cho mỗi nguyên tử carbon. Graphene tấm đơn là một
(a) (b)
(d) (c)
10
vật liệu có độ trong suốt cao nhƣng mỗi lớp có độ dày hấp thụ tới 2,3% ánh sáng trắng, với độ phản xạ nhỏ hơn 0,1%[10].
Graphene oxide (GO) là một graphene biến đổi hóa học có chứa các nhóm chức oxy nhƣ epoxit, rƣợu và axit cacboxylic. Phân tích hóa học cho thấy tỷ lệ carbon với oxy xấp xỉ trong GO là 3:1. GO đƣợc tổng hợp bằng cách oxy hóa than chì bằng các tác nhân oxy hóa mạnh, các nhóm oxy hóa đƣợc đƣa vào trong cấu trúc than chì không chỉ mở rộng sự phân tách lớp mà còn làm cho vật liệu ƣa nƣớc (có nghĩa là chúng có thể đƣợc phân tán trong nƣớc) [11].
GO có nhiều đặc tính mong muốn. Nó phân tán rất dễ dàng trong các môi trƣờng khác nhau bao gồm dung môi nƣớc, dung môi hữu cơ và ma trận khác nhau [12].
Graphene oxide (GO) là loại vật liệu có cấu tạo đƣợc mô tả là bao gồm các đảo vòng thơm đƣợc ngăn cách bởi các vùng thơm chứa các nguyên tử carbon liên kết với nhau và các nhóm hydroxyl, epoxide nằm rải rác (hình 1.4). Tƣơng tự graphite, gồm các tấm graphene xếp chồng song song nhau, GO cũng bao gồm các tấm graphene oxide xếp lên nhau với khoảng cách giữa các lớp từ 6 tới 10Å tùy thuộc vào hàm lƣợng nƣớc [13].
Hình 1.4.Ví dụ về cấu trúc phân tử của GO [14].
Các phƣơng pháp tổng hợp GO:[15] + Phƣơng pháp Broide (1859)
11
+ Phƣơng pháp Hummer (1958) và Hummer cải tiến.
Graphene oxide thƣờng đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp Hummer, oxy hóa graphite bởi các tác nhân oxy hóa mạnh nhƣ KMnO4, KClO3 và NaNO2 khi có mặt acid nitric hoặc hỗn hợp của nó với acid sulfuric. Tuy nhiên, phƣơng pháp Hummer dùng NaNO2
trong quá trình tổng hợp tạo ra khí NO2 độc hại, gây ô nhiễm môi trƣờng nên ngƣời ta tìm ra cách thay thế NaNO2 bằng H3PO4 an toàn hơn mà hiệu suất vẫn cao [12].