Thuyết minh sơ đồ:
- Chuẩn bị hỗn hợp phản ứng: Dùng ống đong 250 ml, đong 120 ml axit H2SO4 cho vào bình cầu 250 ml, tiếp tục dùng pipet 20 ml hút 13,3 ml axit H3PO4 cho tiếp vào bình cầu, tỉ lệ giữa hai axit H2SO4/H3PO4 là 9:1 (v/v). Sau đó cân 1 gam graphite và 6 gam KMnO4 bằng cân phân tích bổ sung vào bình cầu trên. Lắc nhẹ bình cầu cho hổn hợp được trộn đều.
Hình III. 1. Quy trình chế tạo GO từ graphite bằng phương pháp Hummer’s có cải tiến.
- Tiến hành phản ứng: Gắn bình cầu đã chuẩn bị vào máy lắc gia nhiệt ở 50oC với tốc độ 100 vòng/phút trong 18h. Kết thúc thời gian phản ứng, tiến hành đổ hổn hợp sau phản ứng từ bình cầu ra cốc thủy tinh 1 lít để hạ nhiệt độ về nhiệt độ phòng.
-Tiến hành khuấy trong 30 phút, trong quá trình khuấy bổ sung thêm 500 ml nước lạnh và 6 ml H2O2 vào cốc để loại bỏ phần MnO2 chưa phản ứng hết. Sau 30 phút, quan sát thấy hổn hợp khơng cịn nổi bọt khí thì tắt máy khuấy và để lắng. Vì các phân từ GO rất nhẹ nên thời gian lắng rất lâu khoảng 30 – 45 phút, tiến hành đổ nước trong cốc sau khi phần rắn đã lắng hồn tồn và thêm vào đó lượng nước mới. Tiến hành rửa như vậy từ 2-3 lần ta sẽ thu được GO dạng huyền phù màu nâu.
-Sau đó, tiến hành ly tâm trong 5 phút với tốc độ 5000 vòng/phút ta sẽ thu được phần rắn màu nâu (GO) nhưng vẫn còn ẩm, cho phần rắn trên vào các lọ đựng mẫu đặt trong tủ âm sâu âm 80oC (để ổn định cấu trúc) trong 24h. Để phần rắn khơ hồn tồn tiến hành đông khô trong máy đông khô ở nhiệt độ thấp, áo suất cao trong 36h – 48h ta sẽ thu được GO dạng rắn khô.
Trong thời gian phản ứng, hổn hợp xảy ra q trình oxy hóa do tác nhân axit mạnh và KMnO4. Đầu tiên axit sẽ khử KMnO4 theo các phương trình:
KMnO4 + 3H2SO4 -> K+ + MnO3+ + HSO4- MnO3+ + MnO4- -> Mn2O7: Chất oxy hóa mạnh
Các tác nhân oxy hóa sẽ bẽ gãy các liên kết nối giữa các tấm graphene trong graphite: Các tấm Graphene tiếp tục bị tác nhân oxy hóa mạnh tấn cơng vào các nối đôi trong mạch, các gốc chứa oxy như các andehyt (-CHO), xeton, cacbonyl (COO-)…gắn lên các tấm graphene tạo thành GO. Ngồi ra, tác nhân oxy hóa làm bề mặt của graphene biến đổi: oxy phân tử tạo ra có thể thay thế carbon trong mạch benzen, làm bề mặt bị khuyết tật, thay đổi các tính chất của mạch.
Khi graphene gắn thêm các nhóm chức chứa oxy tạo thành GO làm các tính chất ban đầu bị thay đổi như: Graphene khó phân tán trong nước nhưng GO thì lại phân tán tốt trong nước, graphene dẫn điện rất tốt nhưng GO thì được coi như là chất cách điện. Để giải thích cho việc thay đổi tính chất điện của hai vật liệu trên thì ta có thể thấy rằng: trên bề mặt của phân tử graphene chứa các nối đôi liên hợp giúp cho vật liệu này dẫn điện rất tốt và tốt nhất trong tất cả các vật liệu. Nhưng khi bị tấn cơng bởi các tác nhân oxy hóa bề mặt graphene bị thay đổi đáng kể: Gắn thêm các nhóm chức
chứa oxy, sự thay thế carbon bởi oxy phân tử trong mạch, nối đơi liên hợp bị phá vỡ, từ đó GO khơng cịn khả năng dẫn điện mà trở thành một chất cách điện [10].
Hình III. 2. Ảnh (a) dung dịch GO, (b) GO sau ly tâm, (c) GO sau khi sấy.