Tâm hoạt động của graphen và graphen oxit:
Các hợp ch t hữu cơ có thể đƣợc h p phụ trên các hạt nano hay vật liệu c u trúc nano thông qua những tƣơng tác sau: tƣơng tác điện tử, liên kết hydro, sự xếp chồng liên kết π- π, lực phân tán, liên kết cho - nhận và hiệu ứng kị nƣớc. Trong trƣờng
hợp của graphen, hệ thống điện tử π t đối xứng đóng vai trị chủ đạo trong việc hình thành mạnh mẽ của liên kết tƣơng tác π- π của sự chồng xếp với một số ch t hữu cơ có chứa vịng thơm. Tƣơng tác cation - π cũng đóng góp vào quá trình h p phụ [7,28]. Tƣơng tác này ị chi phối ởi sự phân cực cation, lực t nh điện giữa các cation và c u trúc điện tử giàu electron π. GO mang nhiều nhóm chức phong phú do vậy hình thành từ các liên kết hydro hay sự tƣơng tác điện tử với các hợp ch t hữu cơ có chứa oxi và nitơ. Các nhóm chức chứa oxy phân cực của GO làm cho vật liệu này có xu hƣớng ƣa nƣớc. GO phân tán tốt trong nƣớc và có thể ị tách lớp trong nhiều loại dung môi [24]. Sự hiện diện của các nhóm chức hoạt động nhƣ car onyl, epoxy, hydroxyl trên ề mặt của GO cho phép nó tƣơng tác với r t nhiều các phân tử trải dài trên ề mặt iến 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 thơng qua phức ề mặt, hoặc tƣơng tác t nh điện giữa ề mặt âm GO và các cation kim loại, ch t màu. Do đó nó có thể ứng dụng để tách các ion từ dung dịch. Quá trình h p phụ các ion kim loại và hợp ch t hữu cơ trên graphen và GO thƣờng phụ thuộc nhiều vào pH và ản ch t của các ch t hữu cơ (số vòng thơm trong c u trúc). Khi giá trị pH th p có lợi cho việc ion hóa của các nhóm chức chứa oxi trên ề mặt GO. Do điện tử trên ề mặt GO là âm nên sự tƣơng tác t nh 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 ƣu thế vì vậy xảy ra hiệu ứng đẩy giữa anion và ề mặt GO. Do đó, cần tìm ra giá trị pH tối ƣu để nâng cao hiệu quả của quá trình h p phụ. [24]
1.2.6.4 Các phương pháp tổng hợp vật liệu Graphene oxit [24]
Graphen oxit (GO) thu đƣợc ằng cách oxi hóa graphite. Các phƣơng pháp tổng hợp graphene oxit, ao gồm: Phƣơng pháp Brodie, Phƣơng pháp Staudenmaier, Phƣơng pháp Hummer.
Với phƣơng pháp Staudenmaier đã có sự thay đổi so với phƣơng pháp Brodie khi sử dụng tác nhân oxy hóa KClO3 để tăng mức độ oxy hóa của GO. Tuy nhiên phƣơng pháp này r t nguy hiểm vì KClO3 là ch t dễ gây kích nổ và sản phẩm khí ClO3 đƣợc tạo thành có nguy cơ cháy nổ cao.
Phƣơng pháp Hummers [29] sử dụng hỗn hợp H2SO4, NaNO3 và KMnO4 giúp cho sản phẩm GO có mức độ oxy hóa cao hơn các sản phẩm đƣợc tổng hợp ằng các phƣơng pháp trƣớc đó. Đồng thời, do không sử dụng KClO3 nên khá an toàn. Mặc dù KMnO4 là một ch t oxy hóa đƣợc sử dụng, nhƣng thực tế thì tác nhân Mn2O7 mới là tác nhân chính tham gia q trình oxy hóa graphit thành GO theo phản ứng sau:
KMnO4 + 3H2SO4 → K+ + MnO3+ + H3O+ + 3HSO4- MnO3+ + MnO4- → Mn2O7
Mn2O7 là ch t oxy hóa hoạt động, tuy nhiên Mn2O7 ị kích nổ khi đun nóng đến nhiệt độ trên 55 oC hoặc khi tiếp xúc với hợp ch t hữu cơ. Do đó, việc kiểm sốt nhiệt độ trong phản ứng là r t quan trọng, đặc iệt là ở quy mô công nghiệp.
GO chứa các nhóm chức có chứa oxi, trong đó có 4 nhóm chức chủ yếu là: Hydroxyl (OH), epoxy (-O-) đính ở trên ề mặt, và cac oxyl (-COOH), carbonyl (- CO-) đính ở mép của các đơn lớp, nhƣng GO vẫn giữ nguyên dạng c u trúc lớp an đầu của graphite.
1.2.6.5 Graphene oxit khử (Reduced Graphene oxit-rGO)
Graphene oxit khử (rGO) là dạng Graphen oxit đƣợc khử các nhóm phân cực, chuyển các C-sp3 C-sp2 ằng các con đƣờng khác nhau để tạo thành rGO.