Quá trình có thể được thực hiện theo 4 phương thức:
- Khử điện hóa: bản chất là quá trình trao đổi điện tử giữa GO và chất điện phân [78]. Hướng đầu tiên, quá trình khử điện hóa một bước từ dung dịch huyền phù của GO với sự có mặt của chất điện phân tạo ra rGO trên bề mặt của điện cực. Hướng thứ hai, quá trình được thực hiện một hoặc hai bước với màng mỏng GO đặt trên đế của điện cực (thủy tinh, plastic, tổ hợp oxyt indium-thiếc ITO...) để tạo ra điện cực bọc GO, sau đó tiến hành khử điện hóa trong hệ thống ba điện cực chuẩn tạo rGO [79]. Phương pháp này thân thiện với môi trường và có thể kiểm soát được, nhưng không cho phép sản xuất rGO với khối lượng lớn.
- Khử quang xúc tác: GO có thể được khử bằng các phản ứng quang hóa với
sự hỗ trợ của các chất xúc tác quang như TiO2. Gần đây, William và cộng sự [80]
đưa ra quá trình khử GO về rGO ở trạng thái keo với xúc tác TiO2 dưới vùng ánh
sáng UV. Khi tiến hành chiếu xạ tia UV, sự phân tách điện tích xảy ra trên bề mặt
các hạt TiO2. Với sự có mặt của etanol, các lỗ trống được quét để tạo ra các gốc
etoxy, làm cho các electron tích tụ bên trong các hạt TiO2. Các electron này sẽ
tương tác với các tấm GO để khử các nhóm chức chứa oxy. Trước khi khử, các nhóm cacboxyl trong các tấm GO có thể tương tác với các nhóm hydroxyl trên bề
mặt của TiO2 bằng cách trao đổi điện tích, tạo ra kết nối giữa các hạt TiO2 và các
tấm GO. Các tấm rGO đóng vai trò như một chất thu nhận và vận chuyển điện tích để tạo điều kiện cho quá trình phân tách của electron-lỗ trống trong một số thiết bị quang điện như thiết bị quang xúc tác [81] và pin mặt trời nhạy quang [82]. Ngoài
ra, một số vật liệu khác có hoạt tính quang xúc tác như ZnO [83] và BiVO4 [84]
cũng được sử dụng cho quá trình khử GO.
- Khử nhiệt dung: quá trình thực hiện trong môi trường kín nên khi gia nhiệt, nhiệt độ sôi của dung môi có thể cao hơn bình thường nhờ việc tăng áp suất [85]. Dubin và cộng sự [86] đã đưa ra phương pháp khử nhiệt dung sử dụng dung môi N- metyl-2-pyrolidinone (NMP). Quá trình tách oxy của GO được thực hiện bằng sự kết hợp giữa ủ nhiệt với dung môi NMP ở nhiệt độ cao. rGO thu được có độ dẫn điện 3,74 S/cm nhỏ hơn so với khi dùng dung môi hydrazin (82,8 S/cm). Ưu diểm
25
của phương pháp này là tạo ra các tấm rGO có sự phân tán ổn định, có giá trị ứng dụng cao.
- Khử bằng các tác nhân hóa học: bản chất quá trình là dựa trên phản ứng hóa học của các tác nhân này với GO. Thông thường quá trình khử được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ vừa phải. Do đó, yêu cầu về thiết bị và môi trường không đòi hỏi cao như ở phương pháp ủ nhiệt, làm cho quá trình này có thể được thực hiện dễ dàng và đơn giản hơn, chi phí cũng rẻ hơn, cho phép quá trình sản xuất với số lượng lớn. Có nhiều tác nhân hóa học được sử dụng cho quá trình khử này, bao gồm hydrazin, dimetylhidrazin, hydrazin hydrat, natri hydride, natri
borohydride (NaBH4), liti nhôm hydride, HI, hydroquinon, axit citric, KOH, NaOH,
hydroxylamin, ure, thiourea... Trong đó, chất khử NaBH4 có hiệu quả hơn hydrazin
cho quá trình khử GO về rGO [87]. Mỗi tác nhân có hoạt tính với một nhóm chức nhất định. Hydrazin có hoạt tính mạnh với các nhóm chức epoxy và axit cacboxylic
còn NaBH4 có hiệu quả nhất cho quá trình khử nhóm cacbonyl [88], tuy nhiên
không khử được nhóm ancol. Gần đây, theo nghiên cứu của Pei và cộng sự [89], HI
được xem là chất khử có hiệu quả cho quá trình khử GO. Ion I- có hoạt tính mạnh
với các nhóm epoxy và hydroxyl trên GO. Tuy nhiên, các chất khử này độc và khả năng gây nổ cao khi sử dụng, cần có biện pháp phòng ngừa an toàn khi sử dụng với số lượng lớn.
Do đó, xu hướng hiện nay là phải sử dụng các tác nhân thân thiện với môi trường, hiệu quả cao cho quá trình khử GO về rGO. Các chất khử được quan tâm
hiện nay, đó là axit ascorbic, bột nhôm, axit amin, Na2CO3, caffeine...[55]. Nhóm
tác giả Vũ Thị Thu Hà - Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam đã sử dụng tác nhân khử xanh là caffeine để khử GO về rGO [90]. Kết quả cho thấy sau quá trình khử, tỷ lệ nguyên tố C/O tăng từ 1,96 (GO) lên đến 6,5 (rGO). Theo nghiên cứu của Fernandez-Merino và cộng sự [91], sản phẩm rGO của quá trình khử bằng axit ascorbic có tỷ lệ C/O khoảng 12,5 và độ dẫn điện là 77 S/cm tương đương với rGO thu được từ quá trình sử dụng chất khử là hydrazin. Ngoài ra, axit ascorbic còn có
lợi thế là không độc hại, có độ ổn định hóa học cao với nước (trong khi NaBH4 ít ổn
định hóa học trong nước), an toàn và tránh được sự kết tụ của các tấm rGO so với khi khử bằng hydrazin. Trong quá trình khử bằng axit ascorbic, các nhóm chức
26
chứa oxy phần lớn được loại khỏi GO chủ yếu ở dạng khí CO2 thoát ra. Đồng thời
axit ascorbic bị oxi hóa thành axit dehydroascorbic, axit guluronic, axit oxalic, cuối
cùng là CO2 và H2O [92]. Quá trình khử GO về RGO bằng tác nhân axit ascorbic
được minh họa trên hình 1.15.
Hình 1.15. Sơ đồ quá trình khử GO về rGO bằng tác nhân khử axit ascorbic [93]
Với những đặc tính ưu việt như vậy, trong luận án này, axit ascorbic được lựa chọn làm tác nhân khử cho quá trình khử GO về rGO. Đây được xem như là một hướng thay thế lí tưởng đối với các chất khử độc hại như hydrazin.