I. Tổng quan về vật liệu graphene và graphene oxide
Graphene là vật liệu cấu trúc cơ bản của các dạng thù hình carbon như than chì, fullerene. Nó có cấu trúc 2D với các nguyên tử carbon liên kết theo mạng lục giác. Graphene oxide (GO) là dẫn xuất của graphene, chứa các nhóm chức oxy hóa, làm thay đổi tính chất từ kỵ nước sang ưu nước. GO được tổng hợp chủ yếu bằng phương pháp Hummers, sử dụng KMnO4 và H2SO4 đậm đặc. Cả hai vật liệu này đều có tiềm năng lớn trong các ứng dụng công nghệ và môi trường.
1.1. Cấu trúc và tính chất của graphene
Graphene có cấu trúc mạng lục giác 2D, với các nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị sp2. Độ dài liên kết C-C là 0.142 nm, tạo nên tính chất cơ học và điện tử đặc biệt. Graphene có độ dẫn điện cao, độ bền cơ học vượt trội và diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho các ứng dụng trong vật liệu nano và điện tử.
1.2. Phương pháp tổng hợp graphene
Có hai phương pháp chính để tổng hợp graphene: từ trên xuống (bóc tách cơ học, hóa học) và từ dưới lên (CVD, nhiệt phân). Phương pháp CVD cho phép tạo ra graphene chất lượng cao với diện tích lớn, trong khi bóc tách cơ học phù hợp cho sản xuất quy mô nhỏ.
II. Chế tạo graphene aerogel từ dịch chiết quả dứa
Graphene aerogel (GA) được chế tạo từ graphene oxide (GO) bằng cách sử dụng dịch chiết quả dứa làm tác nhân khử. Quá trình bao gồm tổng hợp GO theo phương pháp Hummers, sau đó khử GO thành graphene hydrogel (GH) và sấy thăng hoa để thu được GA. GA có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho các ứng dụng hấp phụ và xúc tác.
2.1. Quy trình tổng hợp graphene aerogel
Quy trình bắt đầu với việc tổng hợp GO từ graphite bằng phương pháp Hummers. Sau đó, dịch chiết quả dứa được sử dụng để khử GO thành graphene hydrogel (GH). GH được cấp đông và sấy thăng hoa để tạo ra graphene aerogel (GA). GA có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho các ứng dụng hấp phụ.
2.2. Tính chất của graphene aerogel
Graphene aerogel (GA) có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn (được xác định bằng phương pháp BET), và tính chất cơ học tốt. GA cũng có khả năng hấp phụ cao nhờ cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho các ứng dụng trong xử lý môi trường.
III. Ứng dụng hấp phụ và phân hủy chất màu hữu cơ
Graphene aerogel (GA) được kết hợp với hạt nano Fe3O4 để tạo ra vật liệu tổng hợp GA@Fe3O4, có khả năng hấp phụ và phân hủy chất màu hữu cơ. Vật liệu này thể hiện hiệu quả cao trong việc loại bỏ chất màu RB222 khỏi nước thải, nhờ vào tính chất siêu thuận từ của Fe3O4 và khả năng hấp phụ của GA.
3.1. Cơ chế hấp phụ và phân hủy chất màu
GA@Fe3O4 kết hợp khả năng hấp phụ của GA và tính chất xúc tác phân hủy của Fe3O4. Quá trình hấp phụ chất màu RB222 được thực hiện thông qua tương tác hóa học và vật lý, trong khi Fe3O4 xúc tác phân hủy chất màu thành các sản phẩm không độc hại.
3.2. Kết quả thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm cho thấy GA@Fe3O4 có hiệu suất hấp phụ và phân hủy chất màu RB222 cao. Phương pháp UV-Vis được sử dụng để đo lượng chất màu bị hấp phụ, và kết quả cho thấy quá trình hấp phụ tuân theo mô hình động học giả bậc 2, chứng tỏ tương tác hóa học là chủ yếu.
IV. Đánh giá và ứng dụng thực tiễn
Nghiên cứu này đã chứng minh hiệu quả của graphene aerogel (GA) và GA@Fe3O4 trong việc hấp phụ và phân hủy chất màu hữu cơ. Vật liệu này không chỉ có hiệu suất cao mà còn thân thiện với môi trường, nhờ sử dụng dịch chiết quả dứa làm tác nhân khử. Đây là giải pháp tiềm năng cho xử lý nước thải công nghiệp.
4.1. Tính bền vững và thân thiện môi trường
Việc sử dụng dịch chiết quả dứa làm tác nhân khử giúp quá trình tổng hợp GA trở nên thân thiện với môi trường. Đồng thời, GA@Fe3O4 có khả năng tái sử dụng, giảm thiểu chất thải và chi phí xử lý.
4.2. Ứng dụng trong xử lý môi trường
GA@Fe3O4 có tiềm năng lớn trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là loại bỏ chất màu hữu cơ. Vật liệu này có thể được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy dệt nhuộm, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
