5. Phương pháp nghiên cứu
3.1. Kết quả nghiên cứu chế tạo GO
Đầu tiên, 3.56 g graphite được trộn với hỗn hợp 7.12 ml HNO3 và 3.56 g KMnO4, sau đó hỗn hợp được đưa vào lò 100oC trong 5 phút, sốc nhiệt nhằm mở các lớp graphite, thuận lợi cho việc oxy hóa ở giai đoạn sau. Sản phẩm sau quá trình này là các lớp graphite đã được giãn nở bóc tách một phần, nhờ đó thể tích được tăng lên đáng kể (hình 3.1).
Hình 3.1. Graphite đã được bóc tách các lớp (Gte).
Tiếp tục oxy hóa Gte bằng cách trộn với 3,56 g NaNO3, sau đó cho thêm từ từ 160 ml H2SO4 vào hỗn hợp bằng hệ thống nhỏ giọt, được khuấy liên tục bằng máy khuấy từ. Quá trình được thực hiện tại nhiệt độ thấp 0 – 5 oC bằng cách sử dụng bồn nước đá, nhiệt độ được theo dõi bằng nhiệt kế (hình 3.2). Ở nhiệt độ thấp này các phản ứng diễn ra chậm, sự oxi hóa sâu vào bên trong các lớp, hiệu quả của quá trình cao hơn và thí nghiệm diễn ra an toàn hơn.
Hình 3.2. Gte sau khi thêm các tác nhân oxy hóa được thực hiện ở nhiệt độ thấp.
Sau khi thu được hỗn hợp đồng nhất thêm từ từ 21.36 g KMnO4, khuấy đều trong 90 phút (hình 3.3). Sau đó, hỗn hợp được lấy ra khỏi bồn nước đá và nhiệt độ bắt đầu tăng dần. Thêm từ từ 140 ml nước cất vào dung dịch và tiếp tục khuấy, phản ứng oxy hóa xảy ra mãnh liệt trong 1giờ. Mặc dù KMnO4 được sử dụng làm chất oxy hóa, nhưng Mn2O7 mới là tác nhân chính tham gia quá trình oxy hóa vào sâu trong các lớp graphite tạo thành GO theo phản ứng sau:
KMnO4 + 3H2SO4 K+ + MnO3+ + H3O+ + 3HSO4-
MnO3+ + MnO4- Mn2O7
Mn2O7 là chất oxy hóa hoạt động, tuy nhiên Mn2O7 bị kích nổ khi đun nóng đến nhiệt độ trên 55 oC hoặc khi tiếp xúc với hợp chất hữu cơ. Do đó, việc kiểm soát nhiệt độ trong phản ứng là rất quan trọng, đặc biệt là ở quy mô công nghiệp [7].
Hình 3.3. Hỗn hợp sau khi được thêm KMnO4.
Nước cất được thêm vào 350 ml và tiếp tục khuấy trong 30 phút, quá trình này giúp phản ứng oxy hóa khử diễn ra hoàn toàn, đồng thời dung dịch được pha loãng và đồng đều. H2O2 30 % được cho vào dung dịch với tỉ lệ phù hợp để giảm dư KMnO4, MnO2, MnO7, hòa tan muối MnSO4. Dung dịch chuyển sang màu vàng tươi, đây là dung dịch graphite oxide (hình 3.4).
Dung dịch graphite oxide (GtO) được để lắng trong tủ mát 12 giờ để hình thành cấu trúc vật liệu (hình 3.5), sau đó gạn lọc tạp chất, rửa bằng HCl 10% để loại bỏ các muối kim loại, dung dịch được để trong tủ mát tiếp 12 giờ.
Hình 3.5. Sản phẩm GO trước khi li tâm.
Dung dịch được ly tâm 7000 rpm với nước cất siêu sạch, việc này được lặp lại nhiều lần cho đến khi thu được dung dịch có pH ~7. Đem rung siêu âm trong 30 phút, sản phẩm thu được là dung dịch đồng nhất, trong, không tạp, rồi dung dịch được ly tâm lần cuối, thu được sản phẩm dạng gel (hình 3.6).
Sản phẩm dạng gel được đem đi sấy 70 oC trong 24 giờ, sau khi được sấy khô, mẫu được nghiền nhỏ, thu được graphene oxide dạng bột.
Các sản phẩm vật liệu tại từng giai đoạn, dưới dạng bột/ dung dịch được phân tích, đánh giá hình thái bằng các phép đo khác nhau, nhằm có được cái nhìn tổng quát về vật liệu graphene oxide cũng như hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành vật liệu.