Graphen oxit là mụ̣t hợp chất của carbon, oxy và hydro thu được bằng cỏch xử lý graphite với chất oxy húa mạnh, qua hợp chất trung gian graphite oxit. Graphite oxit là vật liệu được tạo ra từ quỏ trỡnh oxi húa graphite, hỡnh thành nờn cỏc nhúm chức cú chứa oxi, trong đú cú 4 nhúm chức chủ yếu là: Hydroxyl, epoxit đính ở trờn bề mặt, và carboxyl, carbonyl đính ở mộp của cỏc đơn lớp, nhưng graphite oxit vẫn giữ nguyờn dạng cấu trỳc lớp ban đầu của graphite. Việc oxy húa graphite được tiến hành bằng cỏch sử dụng cỏc chất oxi húa và cỏc acid mạnh. Cụng việc này đó được biết đến từ những năm 1958 với cỏc phương phỏp phổ biến như: Hummers, Brodie và Staudenmaier, trong đú phương phỏp Hummers được ỏp dụng phổ biến hơn cả. Sau khi oxi hoỏ graphite tạo graphite oxit, người ta rung siờu õm, khuấy mạnh hoặc kết hợp cả hai để tỏch lớp graphite oxit tạo ra cỏc vảy graphen oxit. Quỏ trỡnh tổng hợp graphen oxit bằng phương phỏp Hummers được tiến hành từ việc làm yếu lực liờn kết Van der Waals giữa cỏc lớp graphite, graphit oxit. Bằng cỏch lụ̀ng cỏc thành phần dễ bay hơi vào trong khoảng khụng gian giữa cỏc lớp này, sau đú, cỏc chất chen vào này sẽ được phõn hủy bởi cỏc phản ứng húa học, tạo ra lượng khớ lớn gõy ra ỏp suất cao làm cho lực liờn kết giữa cỏc lớp trở nờn lỏng lẻo, quỏ trỡnh này được gọi là sự tỏch lớp graphite. Sau đú, sản phẩm này sẽ được oxi húa để tạo graphen oxit. Như vậy, chớnh việc làm yếu lực liờn kết Van der Waals giữa cỏc lớp graphite đó tạo điều kiện thuận lợi cho cỏc phản ứng oxi húa dễ dàng diễn ra trờn bề mặt của cỏc lớp, sụ́ lớp bề mặt giảm đi, kích thước bề mặt cũng được giảm từ micron xuụ́ng nanomet. Cú thể mụ tả cấu trỳc của mụ̣t lớp vảy graphen oxit như hỡnh 1.5.
Hỡnh 1.5. Cṍu trỳc của một lớp vảy graphen oxit
Đặc điểm cấu trỳc quan trọng nhất của GO là luụn cú mặt cỏc nhúm chức chứa oxi. Cỏc nhúm chức chứa oxi phổ biến nhất trờn GO là nhúm hiđroxyl (C-OH), carboxyl (-COOH), epoxit (C-O-C), xeton (C=O) và cỏc hợp chất chứa C-O và C=O khỏc như lactol, peroxit, anhiđrit… Cỏc nhúm chức này cú khả năng tạo liờn kết hiđro với cỏc phõn tử nước, vỡ vậy, GO cú khả năng phõn tỏn tụ́t trong nước và cỏc dung mụi hữu cơ phõn cực khỏc. Graphen oxit mang nhiều nhúm chức chứa oxy phõn cực làm vật liệu này cú xu hướng ưa nước, thớch hợp cho quỏ trỡnh lọc màng xử lý chất ụ nhiễm.