1.2.6.2 Graphene:
Graphene [20,21,22]–là dạng đơn lớp của graphite, vật liệu cac on mới có c u trúc phẳng và độ dày một nguyên tử, là vật liệu mỏng nh t trong t t cả các vật liệu hiện có, với c u trúc ền vững graphene đƣợc xem là vật liệu cứng nh t hiện nay. Về mặt c u trúc, graphene có một mặt phẳng đơn lớp của những nguyên tử cac on đƣợc sắp xếp chặt chẽ trong mạng tinh thể hình tổ ong 2 chiều (2D). Do chỉ có 6 điện tử tạo thành lớp vỏ của nguyên tử car on nên chỉ có ốn điện tử phân ố ở trạng thái 2s và 2p đóng vai trị quan trọng trong việc liên kết hóa học giữa các nguyên tử với nhau. Các trạng thái 2s và 2p của nguyên tử car on lai hóa với nhau tạo thành 3 trạng thái sp, các trạng thái này định hƣớng theo a phƣơng tạo với nhau một góc 120o. Mỗi trạng thái sp của nguyên tử car on này xen phủ với một trạng thái sp của nguyên tử car on khác hình thành nên liên kết cộng hóa trị sigma (σ) ền vững. Chính các liên kết σ này quy định c u trúc mạng tinh thể graphen ở hình dạng tổ ong và lý giải tại sao graphen r t ền vững về mặt cơ học và trơ về mặt hóa học trong mặt phẳng mạng. Ngoài các liên kết sigma, giữa hai nguyên tử car on lân cận còn tồn tại một liên kết pi (π) khác kém ền vững hơn hình thành do sự xen phủ của các or itan pz khơng ị lai hóa với các or itan s. Do liên kết π này yếu và có
định hƣớng khơng gian vng góc với các or itan sp nên các điện tử tham gia liên kết này r t linh động và quy định tính ch t điện và quang của graphen. Mơ hình hóa các liên kết của một nguyên tử car on trong mạng graphen đƣợc trình ày ở Hình 1.14
Hình 1.14 Trạng thái lai hóa và các liên kết của nguyên tử carbon trong mạng graphen [22]
Hình 1.15 Họ c u trúc của cac on ao gồm (a) Graphene, (b) Graphite, (c) carbonanotube, (d) fullerene [22]
Bảng 1.2 Tính ch t vật lý của đơn lớp graphen ở nhiệt độ phòng.
Trong các vật liệu cac on, graphen đƣợc nghiên cứu nhiều ởi c u trúc độc đáo và tính ch t vƣợt trội. Chi phí để sản xu t graphen th p hơn so với vật liệu nano cacbon khác. Chính vì vậy, graphen ngày càng đƣợc nghiên cứu nhiều ở các khía cạnh khác nhau. Đặc iệt, graphen đƣợc nghiên cứu nhƣ vật liệu h p phụ cho xử lý nƣớc thải. Một vài nghiên cứu đƣợc thực hiện ằng cách sử dụng Graphene h p phụ các ion kim loại và các ch t hữu cơ độc hại [23]. Các nhóm chức chứa oxy sẽ liên kết với các kim loại và hợp ch t có điện tử dƣơng. Các ứng dụng phong phú của Graphen đã khuyến khích sự phát triển khơng chỉ của đơn lớp graphen mà cịn vật liệu liên quan nhƣ Graphen Oxide (GO) [24]
Vì có điện tử linh động cao, nên vật liệu Graphene có tính ch t điện, dẫn nhiệt tốt [25]. Bằng kỹ thuật kính hiển vi lực nguyên tử, cho th y graphene là vật liệu r t cứng (hơn kim cƣơng và cứng hơn 300 lần so với thép). Tỉ trọng của graphene tƣơng đối nhỏ 0.77 mg/m2. Tƣơng tự ề mặt graphite, graphene có khả năng h p phụ mạnh.
Tính chất Giá trị
Chiều dài liên kết C-C 0,142 nm
Mật độ 0,77 mg.m2
Diện tích ề mặt lý thuyết 2630 m2 g-1
Mô đun đàn hồi 1100 GPA
Độ cứng 125 GPA
Độ linh động của hạt tải điện 200 000 cm2 V-1 s-1
Độ dẫn nhiệt 5000 W m-1 K-1
1.2.6.3 Graphene oxit (GO) [26]
GO là một sản phẩm thu đƣợc ằng cách oxi hóa graphite. Các vịng thơm, các nối đơi, các nhóm epoxy đƣợc cho là nằm trên mạng lƣới car on gần nhƣ phẳng của graphene, trong khi car on nối với nhóm –OH hơi lệch so với c u trúc tứ diện dẫn đến c u trúc lớp hơi cong. Các nhóm chức đƣợc cho là nằm cả trên lẫn dƣới các lớp GO. Vì mỗi lớp đều chứa các nhóm chức có oxi mang điện tính âm, do đó có lực đẩy xu t hiện giữa các lớp, đồng thời làm cho GO thể hiện tính ƣa nƣớc và trƣơng đƣợc trong nƣớc. Hơn nữa, việc tạo liên kết hydro giữa các lớp graphite oxit thơng qua các nhóm hydroxyl, epoxy với nƣớc khiến các khoảng cách giữa các t m GO đƣợc nới rộng đáng kể hơn so với graphite (thể hiện qua giản đồ XRD).
GO có nhiều ƣu điểm nhƣ diện tích ề mặt riêng lớn, có nhiều nhóm chức trên ề mặt tạo nên vật liệu cơ ản nhƣ những vật liệu án dẫn kim loại khác, phân tán tốt trong nƣớc đã đƣợc nghiên cứu làm ch t h p phụ để loại ỏ các hợp ch t chứa cation và cyanotoxins từ nƣớc ị ơ nhiễm. Các nhóm chức chứa oxy sẽ liên kết với các ion kim loại và hợp ch t có điện tử dƣơng.