1.3.2.Cấu trúc Graphene oxide (GO)
Hình 1.9. Cấu trúc Graphene oxide.
Các vòng thơm, các nối đôi, các nhóm epoxy được cho là nằm trên mạng lưới carbon gần như phẳng, trong khi carbon nối với nhóm –OH hơi lệch so với cấu trúc tứ diện dẫn đến cấu trúc lớp hơi cong. Các nhóm chức được cho là nằm cả trên lẫn dưới các lớp GO. Vì mỗi lớp đều chứa các nhóm chức có oxi mang điện tính âm, do đó có lực đẩy xuất hiện giữa các lớp, đồng thời làm cho GO thể hiện tính ưa nước và trương được trong nước.
Hơn nữa, việc tạo liên kết hydro giữa các lớp graphite oxit thông qua các nhóm hydroxyl, epoxy và nước khiến các khoảng cách giữa các tấm GO được nới rộng đáng kể hơn so với graphite (thông qua giản đồ XRD).
26
1.3.3.Tâm hoạt động của Graphene và Graphene oxide
Các hợp chất hữu cơ có thể được hấp phụ trên các hạt nano hay vật liệu cấu trúc nano thông qua những tương tác sau: tương tác điện tử, liên kết hydro, sự xếp chồng liên kết π - π, lực phân tán, liên kết cho - nhận và hiệu ứng kị nước [5]. Trong trường hợp của graphene, hệ thống điện tử π bất đối xứng đóng vai trò chủ đạo trong việc hình thành mạnh mẽ của liên kết tương tác π - π của sự chồng xếp với một số chất hữu cơ có chứa vòng thơm.
Tương tác cation - π cũng đóng góp vào quá trình hấp phụ [5]. Tương tác này bị chi phối bởi sự phân cực cation, lực tĩnh điện giữa các cation và cấu trúc điện tử giàu electron π. GO mang nhiều nhóm chức phong phú do vậy hình thành từ các liên kết hydro hay sự tương tác điện tử với các hợp chất hữu cơ có chứa oxi và nitơ.
Các nhóm chức chứa oxy phân cực của GO làm cho vật liệu này có xu hướng ưa nước. GO phân tán tốt trong nước và có thể bị tách lớp trong nhiều loại dung môi [6]. Sự hiện diện của các nhóm chức hoạt động như carbonyl, epoxy, hydroxyl trên bề mặt của GO cho phép nó tương tác với rất nhiều các phân tử trải dài trên bề mặt biến tính.
Hơn nữa, những nhóm hoạt động này của GO cũng có thể liên kết với các ion kim loại nặng có mặt trong dung dịch thông qua phức bề mặt, hoặc tương tác tĩnh điện giữa bề mặt âm GO và các cation kim loại, chất màu… Do đó nó cũng có thể sử dụng để tách các ion từ dung dịch.
Quá trình hấp phụ các ion kim loại và hợp chất hữu cơ trên graphene và GO thường phụ thuộc nhiều vào pH và bản chất của các chất hữu cơ (số vòng thơm trong cấu trúc) [7, 8]. Khi giá trị pH thấp có lợi cho việc ion hóa của các nhóm chức chứa oxi trên bề mặt GO.
Do điện tử trên bề mặt GO là âm nên sự tương tác tĩnh điện giữa các ion kim loại và GO trở nên mạnh hơn. Khi giá trị pH cao, các hydroxit kim loại có thể hình thành kết tủa hay nhóm anion sẽ chiếm ưu thế vì vậy xảy ra hiệu ứng đẩy giữa anion và bề mặt GO.
Do đó, cần tìm ra giá trị pH tối ưu để nâng cao hiệu quả của quá trình hấp phụ.
1.3.4.Các phương pháp tổng hợp Graphene oxide (GO)
Graphene oxide là sản phẩm của quá trình trình oxy hóa graphite, được tổng hợp bằng ba phương pháp chính:
27