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 đối xứng A1g hay còn gọi là dao động thở của các lớp graphit, thể hiện dao động của
62
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 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.
63
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.
64
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.