Graphene có nguồn gốc từ graphite (than chì), graphene là một mạng tinh thể dạng tổ ong có kích thước ngun tử, được tạo thành từ các nguyên tử cacbon 6 cạnh.Graphene là phần tử cấu trúc cơ bản của một số dạng thù hình bao gồm than chì, ống nano cacbon và fulleren.Trong phịng thí nghiệm có thể tạo ra graphene có đường kính 25 μm và dày 2 nm. Graphene có diện tích bề mặt lớn (2630m2g-1), tính linh động nội tại cao (200 000 cm2v−1s–1) [12], suất Young cao (~1,4 TPa), độ dẫn nhiệt (~ 5000 Wm-1K-1) [11], khả năng truyền quang học (~ 97,7%) và khả năng truyền điện được ứng dụng làm điện cực dẫn điện trong suốt[29].
Graphene oxide (GO) là một tiền chất của graphene được tổng hợp cách đây 150 năm. GO bao gồm nhiều nhóm chức chứa Oxy khác nhau như hydroxyl (- OH), cacboxyl (-COOH),cacbonyl (-C=0), epoxide (C2H4O) được phân bố đều trên bề mặt tấm GO. Các nhóm chức hoạt động như các vị trí cho ion sắt liên kết vào GO thơng qua lực hút tĩnh điện.
Hình 1.11. Mơ hình cấu trúc Graphen oxide (GO) do Lerf-Klinowsk đề xuất. Sao chép từ [H. He, J. Klinowski, M. Forster và A. Lerf, Chem. Phys. Lett.,1998, 287,
53-56]. Quyền tác giả: 1998 Elsevier Science Ltd.
Các nhóm chức chứa Oxy của GO làm cho GO thấm nước. GO có thể tách lớp trong nhiều loại dung môi, và phân tán tốt trong nước [37]. Phân tán GO có thể thực hiện bằng cách khuấy, sonication hoặc kết hợp cả khuấy và sonication GO trong các dung môi.
1.2.2 Các phương pháp tổng hợp GO
GO được tổng hợp từ than chì bằng cácphương pháp chính là Staudenmaier, Hofmann, Hummer và Hummer cải tiến. Tất cả các phương pháp này đều liên quan đến quá trình oxi hóa của than chì với các mức độ khác nhau.Staudenmaier và Hofmann sử dụng sự kết hợp giữa kali clorat (KClO3) và axit nitric (HNO3) để oxi hóa than chì.Phương pháp Hummer và các phương pháp Hummer cải tiến sử dụngthuốc tím (KMnO4) và axit sunfuric (H2SO4). Than chì kết hợp với axit mạnh
21
như H2SO4, HNO3 hoặc HClO4 cũng đã được sử dụng như tiền chất cho q trình oxy hóa tạo ra GO.
a. Tổng hợp GO bằng phương pháp Staudenmaier
Hơi axit nitricHNO3đã được chuẩn bị bằng cách chưng cất hỗn hợp axit nitric đậm đặc HNO3và axit sunfuric đậm đặcH2SO4 (tỉ lệ thể tích hai axit tương ứng là 1: 3). HNO3 đượcchưng cất trong chân không cho đến khi xảy ra phản ứng bari nitrat (BaNO3) với các ion sulfate. Nồng độ của hơi HNO3 là 98%.Sau đó 87,5 ml dung dịch H2SO498% và 27 ml hơi HNO3 được cho vào dung dịch, khuấy bằng máy khuấy từ. Hỗn hợp này được làm lạnh trong 30 phút.5 g than chì được thêm vào hỗn hợp đồng thời với khuấy từ để tránh tích tụ và có được sự phân tán đồng nhất. Trong khi vẫn giữ bình phản ứng trong nước lạnh, thêm 55 g KClO3từ từ vào hỗn hợp (trong khoảng thời gian 30 phút) để tránh tăng đột ngột về nhiệt độ và sự hình thành của chất khí nổ chlorine dioxide (ClO2). Sau khi hòa tan hồn tồn KClO3, các khí được thốt ra và hỗn hợp được khuấy liên tục trong 96 giờ ở nhiệt độ phịng. Sau khi hồn thành các phản ứng, hỗn hợp này sau đó đã được đổ vào 3 lít nước cất và lọc. Graphite oxide sau đó đã được phân tán trong HCl (5%) để loại bỏ các ion sulfate.Dung dịch được quay ly tâm và phân tán trong nước cất. Dạng huyền phù GO được sấy khơ trong lị chân khơng ở 60oC trong 48 giờ trước khi sử dụng [25].
b. Tổng hợp GO bằng phương pháp Hofmann
GO được tổng hợp bằng phương pháp Hofmann có các bước tiến hành như phương phápStaudenmaier.Tuy nhiên phương pháp Hofmanndùng axit HNO3 68%, phương pháp Staudenmaier dùng hơi axit HNO3[25].
c. Tổng hợp GO bằng phương pháp Hummer
5 g than chì và 2,5 g natri nitrat NaNO3được khuấy với 115 ml dung dịch H2SO4(98%). Hỗn hợp được làm lạnh.Sau đó 15 g KMnO4 được thêm vào hỗn hợp,
khuấy từ trong hai giờ. Hỗn hợp được để ở nhiệt độ phòng trong bốn giờ sau trước khi được đun nóng đến 35oC trong 30 phút. Hỗn hợp tiếp tục được đun nóng tới 70oC trong một bình chứa 250ml nước cất. Sau khi giữ nhiệt độ ổn định trong 15 phút, hỗn hợp được đổ thêm 1 lít nước cất. KMnO4còn dư và MnO2 sinh ra trong quá trình phản ứng được loại bỏ bằng cách thêm 3% H2O2.Hỗn hợp phản ứng sau đó được lọc gạn. GO dạng huyền phù được sấy khơ trong lị chân không ở 60oC trong 48 giờ trước khi sử dụng [25].