3.1.1.1. Đặc trưng nhiễu xạ XRD
Cấu trúc tinh thể của vật liệu graphit ban đầu và GO được xác định qua giản
đồ nhiễu xạ tia X trên các hình 3.1 và hình 3.2.
F a c u l t y o f C h e m is t r y , H U S , V N U , D 8 A D V A N C E - B ru k e r - M a u G ra p h i te 0 0 - 0 0 8 - 0 4 1 5 ( D ) - G r a p h i t e - C - Y : 4 1 . 7 7 % - d x b y : 1 . - W L : 1 . 5 4 0 6 - H e x a g o n a l - a 2 . 4 6 4 0 0 - b 2 . 4 6 4 0 0 - c 6 . 7 3 6 0 0 - a l p h a 9 0 . 0 0 0 - b e t a 9 0 . 0 0 0 - g a m m a 1 2 0 . 0 0 0 - P r im i ti v e - P 6 3 / m m c ( 1 9 4 ) - 4 - 3 5 . 4 1 7 2 F ile : K i e n K 5 3 B m a u G r a p h i t e - 2 . r a w - T y p e : L o c k e d C o u p le d - S t a r t : 5 . 0 0 0 ° - E n d : 5 9 . 9 9 0 ° - S t e p : 0 . 0 3 0 ° - S t e p t im e : 1 . s - T e m p . : 2 5 ° C (R o o m ) - T im e S t a r t e d : 1 6 s - 2 - T h e t a : 5 . 0 0 0 ° - T h e t a : 2 .5 0 0 ° - C h L in ( C p s ) 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 2 - T h e t a - S c a le 5 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 d = 3 .7 3 2 d = 3 .3 6 9 d = 2 .1 3 4 d = 2 .0 3 5 d = 1 .6 8 0
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của graphit
F a c u l t y o f C h e m is t r y , H U S , V N U , D 8 A D V A N C E - B r u k e r - S a m p le G r a p h it e F il e : K i e n K 5 4 B m a u G r a p h i t e - 2 . r a w - T y p e : L o c k e d C o u p le d - S t a r t : 1 . 0 0 0 ° - E n d : 4 9 . 9 9 0 ° - S t e p : 0 . 0 3 0 ° - S t e p t im e : 1 . s - T e m p . : 2 5 ° C ( R o o m ) - T im e S t a r t e d : 1 0 s - 2 - T h e t a : 1 . 0 0 0 ° - T h e t a : 0 .5 0 0 ° - C h L in ( C p s ) 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 2 - T h e t a - S c a l e 1 1 0 2 0 3 0 4 0 d = 7 .9 8 1 d = 2 .1 4 0 d = 3 9.7 14
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Chuyên ngành Hóa môi trường
47
Từ giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu GO và graphit trình bày trong hình 3.1 và
hình 3.2, ta thấy cực đại nhiễu xạ tại 2 =26,5o của graphit đã biến mất và chuyển
dịch về góc nhỏ hơn 2=10,5o trên đường biểu diễn nhiễu xạ của GO, tương ứng
với khoảng cách các lớp trong cấu trúc của graphit đã được mở rộng hơn rất nhiều (từ d=3,4nm đến d=8,6nm), điều này phù hợp với giả thiết sau quá trình oxi hóa graphit, có sự xuất hiện của các nhóm chức lớn trên bề mặt GO đã làm tăng khoảng cách giữa các lớp này.
3.1.1.2. Phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Hình 3.3. Ảnh SEM của oxit graphen
Để khảo sát tính chất hình thái của mẫu oxit graphen chúng tôi tiến hành phân tích bề mặt vật liệu bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM). Kết quả được trình bày trong hình 3.3, ta thấy bề mặt tương đối đồng đều, các lớp oxit
graphen đã được bóc tách tương đối và nằm xếp chồng, bện khít với nhau.
3.1.1.3. Phân tích hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR – TEM)
Để xác định hình dạng tồn tại của vật liệu GO chi tiết hơn, các ảnh chụp TEM và TEM phân giải cao (HR-TEM) đã được chụp. Kết quả thể hiện trên hình 3.4 và hình 3.5.
Kết quả ảnh chụp cho thấy các lớp màng GO khá rõ nét, với kích thước lớn hơn 100nm. Ảnh HR-TEM trên hình 3.5 cho thấy các lớp màng graphen oxit này là tập hợp của khoảng 20 đơn lớp graphen oxit. Điều này chứng tỏ quá trình bóc tách ở giai đoạn rung siêu âm chưa thực sự tối ưu, các lớp GO mới hình thành sau giai đoạn oxi hóa graphit mới được bóc ra thành từng mảng đa lớp.
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Chuyên ngành Hóa môi trường
48
Hình 3.4. Ảnh TEM của màng oxit graphen
Hình 3.5. Ảnh HR – TEM chụp các lớp oxit graphen
3.1.1.4. Phân tích đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp N2 (BET)
Hình 3.6. Đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp N2 (a), và đường cong phân bố kích
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Chuyên ngành Hóa môi trường
49
Phương pháp phân tích đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp N2 ở 77K được sử dụng
trong việc tính toán diện tích bề mặt riêng của GO thông qua mô hình BET và đồng thời đánh giá sự phân bố lỗ xốp trong cấu trúc của GO tổng hợp được, kết quả được trình bày trong hình 3.6.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp của GO thuộc vào nhóm đường cong trễ nhóm IV theo phân loại IUPAC, đặc trưng cho nhóm vật liệu mao quản trung bình, kích thước lỗ trung bình vào khoảng 17nm và phân bố trong khoảng tương đối rộng, tuy nhiên, trên đường cong có một pic nhọn cao ở 2,5nm, chứng tỏ trong vật liệu có một phần không nhỏ các lỗ xốp có đường kính khoảng 2,5nm.
Theo tính toán nhờ mô hình BET, diện tích bề mặt riêng của GO là 167m2/g.
Gía trị này tương đối lớn và phù hợp để sử dụng GO như một chất mang. Tuy nhiên giá trị thu được này là khá xa so với giá trị tính toán lý thuyết của một đơn lớp
graphen là 2630 m2/g. Điều này cũng phù hợp với các đặc trưng XRD và HR-TEM
ở trên: quá trình oxi hóa vật liệu graphit thành công, nhưng các quá trình bóc tách chưa được thực hiện triệt để, các GO tồn tại ở dạng đa lớp.
3.1.1.5. Phân tích quang phổ hồng ngoại (FT – IR)
Để khẳng định rõ hơn các loại nhóm chức nào có mặt trên bề mặt GO sau khi tổng hợp được, chúng tôi đã tiến hành phân tích bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourrier, kết quả được trình bày trong hình 3.7.
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Chuyên ngành Hóa môi trường
50
Nhìn vào phổ đồ, ta thấy có xuất hiện một băng sóng rộng trong vùng từ
3600cm-1-2000cm-1 và hấp thụ mạnh nhất tại 3375cm-1, băng sóng chứng tỏ có sự
tồn tại của dao động hóa trị ν-OH của một axit carboxylic. Dao động xuất hiện tại
1723cm-1 và 1620cm-1 đặc trưng tương ứng cho dao động nhóm carbonyl ν-C=O và
dao động ν–C=C của vòng thơm. Một vùng băng sóng khác trong khoảng 1500cm-1-
1000cm-1 thuộc về dao động của nhóm epoxy ν–C-O-C [13].
Như vậy, nhờ vào phổ hồng ngoại, ta có thể kết luận trên bề mặt GO sau khi tổng hợp đã xuất hiện các nhóm chức oxi hóa, hay nói cách khác là các nguyên tử
cacbon lai hóa sp2 đã lai hóa lên cacbon lai hóa sp3 để hình thành các nhóm –
COOH, -C=O, -C-O-C, -C-OH.