MỞ ĐẦU Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, vật liệu tiên tiến đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và ứng dụng của các thiết bị công nghiệp. Một trong những vật liệu đang nhận được sự thu hút của cộng đồng khoa học là Graphen Oxit và Graphen Oxit khử nhờ có những tính chất đặc biệt được ứng dụng nhiều trong cuộc sống. Graphen Oxit (GO) có ưu điểm là chi phí sản xuất thấp, sản xuất quy mô lớn và dễ xử lý. Ngoài ra vật liệu này cũng có các đặc tính tuyệt vời với các nhóm chức giàu oxy hoạt tính.
Đề tài "Biến tính Graphen Oxit thành Graphen Oxit khử, ứng dụng trong cảm biến quang học" được lựa chọn nhằm mục tiêu giải quyết một số thách thức kỹ thuật và công nghệ hiện nay. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp chế tạo GO và rGO hiệu quả, thân thiện với môi trường từ lõi than chì pin đã qua sử dụng không chỉ giúp giảm thiểu chất thải, bảo vệ môi trường mà còn mang lại cơ hội khai thác một nguồn tài nguyên giá trị. Phương pháp điện hóa được sử dụng trong nghiên cứu này không chỉ hứa hẹn tạo ra sản phẩm với chất lượng cao, số lượng lớn mà còn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong chế tạo các thiết bị cảm biến quang học. Các cảm biến này có thể được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp, từ y tế, quốc phòng đến công nghệ thông tin, giúp nâng cao hiệu quả giám sát và an ninh.
Và đối với phương pháp này chúng ta có thể sử dụng lại nguồn tài nguyên graphite từ lõi pin Zn-C đã qua sử dụng bằng cách sử dụng lõi than chì làm điện cực cho hệ điện phân, sản phẩm của quá trình này là Graphen Oxit. Bằng việc lựa chọn đề tài này, nhóm chúng tôi mong muốn đề tài không chỉ tập trung vào việc phát triển quy trình chế tạo GO và rGO hiệu quả mà còn đánh giá tiềm 1 ` năng ứng dụng của chúng trong lĩnh vực cảm biến, mở ra những hướng đi mới cho ngành công nghiệp và khẳng định vai trò quan trọng của vật liệu mới trong việc thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp. Tình hình nghiên cứu 1. Tình hình rác thải Pin hiện nay Rác thải pin đang là một vấn đề nổi cộm mà các cộng đồng trên thế giới đang phải đối mặt.
Với sự gia tăng công nghệ và sự phổ biến của thiết bị điện tử, nguồn rác này cũng ngày một tăng lên nhanh chóng và trở thành thách thức không nhỏ. Rác thải pin là loại rác bao gồm các loại pin dùng trong các thiết bị điện tử như điện thoại di động, laptop, máy tính bảng, đồng hồ thông minh và nhiều sản phẩm công nghệ khác. Điều đáng lo ngại là pin thải thường chứa các hợp chất hóa học độc hại như: niken, chì, thủy ngân… Khi chúng bị xả bỏ không đúng cách, những hợp chất chất này có thể bị rò rỉ, xâm hại vào môi trường sống và mang đến các nguy cơ cho sức khỏe con người và hệ sinh thái động – thực vật. Tại Việt Nam, phần lớn pin đã qua sử dụng không được tái chế theo đúng quy trình, chúng chỉ được xử lý thô thông qua việc chôn lấp hoặc đốt.
Điều này ảnh hưởng rất lớn đến môi trường và con người khi các kim loại nặng tồn tại trong pin phát tán vào môi trường, ảnh hưởng nghiêm trọng đến con người và sinh vật. Pin đã qua sử dụng chiếm phần lớn trong rác thải điện tử và là một trong những loại rác thải có giá trị thu hồi tài nguyên lớn với nhiều kim loại quý. Để giải quyết các vấn đề về rác thải pin, nhều hướng nghiên cứu và giải pháp được đề xuất: • Cải tiến và tăng dung lượng lưu trữ: tăng dung lượng lưu trữ và khả năng tái sử dụng nhiều lần bằng cách sạc lại pin. Điều này giúp kéo dài thời gian sử dụng của pin, giảm nguồn rác thải từ pin.
3 ` • Tái chế và sử dụng tài nguyên: tái chế pin cũ và sử dụng lại các nguồn tài nguyên vật liệu nhằm tiết kiệm tài nguyên có hạn và giảm thiểu lượng chất thải. Hai hướng xử lý này đã dần dần được áp dụng và ngày càng trở nên khả quan, không chỉ với pin đã qua sử dụng mà còn với hầu hết các loại rác thải điện tử. Và trong các loại pin đang có mặt trên thị trường hiện nay, pin kẽm – cacbon (Zn-C) với chi phí sản xuất thấp nên được bán rẻ và có thể dễ dàng mua ở bất cứ đâu, phù hợp với các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp như đồ chơi, đồng hồ, thiết bị điều khiển từ xa. Đối với pin Zn-C đã qua sử dụng, lõi than chì trong pin có thể được coi là nguồn tái chế graphite tiềm năng.
Tuy nhiên đối với lõi than chì graphite là phần lõi của pin Zn-C được làm từ cacbon, một vật liệu phổ biến và ít có giá trị. Trong các quy trình tái chế, hầu hết các tài nguyên kim loại được thu hồi và xử lý, trong khi phần lõi graphite hầu như chưa được đề cập đến. Tình hình rác thải pin hiện nay ở Việt Nam đòi hỏi sự chú trọng đặc biệt từ các cơ quan chức năng, doanh nghiệp và cộng đồng. Cần có những giải pháp đồng bộ và hiệu quả để quản lý, xử lý và tái chế pin đã qua sử dụng, nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.
Tình hình nghiên cứu vật liệu Graphen Oxit Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu Graphen Oxit (GO) đang được quan tâm và phát triển tại Việt Nam. Các nhà khoa học Việt Nam chủ yếu tập trung vào việc tổng hợp GO bằng phương pháp Hummers cải tiến và phương pháp điện hóa. Phương pháp Hummers cải tiến: Năm 2020, nhóm nghiên cứu của Thầy Nguyễn Văn Hảo đã tổng hợp GO từ các thanh than chì của pin cũ bằng cách sử dụng kỹ thuật tách lớp plasma ở áp suất khí quyển, nhằm ứng dụng vào việc loại bỏ Pb trong nước. Các nghiên cứu khác cũng đề cập đến việc sử dụng phương pháp Hummers cải tiến để tổng hợp GO với các thông số kỹ thuật khác nhau, nhằm tối ưu hóa các tính chất của 4 ` vật liệu.
Phương pháp điện hóa: Năm 2014, nhóm nghiên cứu của Thầy Đặng Văn Thành đã tổng hợp tấm Graphen bằng phương pháp điện hóa với có plasma [1]. Ngoài ra, các nghiên cứu mới cũng đề cập đến việc pha tạp các nguyên tố mới vào các vật liệu dựa trên Graphen, nhằm cải thiện các tính chất điện của chúng. Nhìn chung, nghiên cứu về Graphen Oxit ở Việt Nam hiện tập trung chủ yếu vào việc tổng hợp vật liệu và ứng dụng của nó trong lĩnh vực xử lý môi trường. Tuy nhiên, việc chế tạo Graphen/ Graphen Oxit từ lõi than chì của pin cũ vẫn còn khá mới mẻ và cần được nghiên cứu sâu hơn.
Tổng quan về vật liệu Graphen 1. Giới thiệu về Graphen Graphen là một dạng của cacbon bao gồm một lớp (đơn lớp) nguyên tử cacbon được sắp xếp, liên kết với nhau chặt chẽ trong một mạng tổ ong hai chiều (2D) [2]. Mỗi nguyên tử cacbon trong tấm Graphen liên kết chặt chẽ với ba nguyên tử khác ở các góc giống nhau, tạo thành một cấu trúc phẳng giống như tổ ong. Có thể xem Graphen như thành phần cơ bản tạo nên các cấu trúc khác nhau của cacbon.
Graphen được cuộn lại sẽ tạo nên dạng thù hình fullerene 0D, được quấn lại sẽ tạo nên dạng thù hình cacbon nanotube 1D, hoặc được xếp chồng lên nhau sẽ tạo nên dạng thù hình graphite 3D (Hình1. Các lớp Graphen xếp chồng lên nhau tạo thành graphite, các lớp Graphen riêng biệt trong graphite được giữ với nhau bằng lực liên kết Van Der Waals yếu, lực này có thể bị tách ra trong quá trình tách Graphen ra khỏi graphite. Graphen – vật liệu có cấu trúc cơ bản (2D) cho các vật liệu cacbon khác nhau (0D, 1D và 3D) [3]. Lịch sử ra đời Graphen Những lý thuyết về Graphen đã bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1946 [4].
Wallace là người đầu tiên viết về cấu trúc vùng năng lượng của Graphen và đã nêu lên những đặc tính dị thường của loại vật liệu này. Bắt đầu vào thập niên 1970, các nhà khoa học đã phát triển lớp Graphen trong phòng thí nghiệm. Nghiên cứu về Graphen thực nghiệm chưa được phát triển vì các nhà khoa học cho rằng cấu trúc tinh thể 2 chiều với bề dày chỉ bằng 1 nguyên tử không tồn tại và các thiết bị kỹ thuật lúc bấy giờ cũng không thể quan sát thấy cấu trúc này. Năm 1990, các nhà vật lý người Đức ở RWTH Aachen University đã lấy được những tấm graphite mỏng đến độ trong suốt [5].
Khoảng 10 năm sau đó, đến năm 2000 cũng không có một tiến bộ nào đáng kể, lúc đó cũng không ai nghĩ Graphen có thể hiện diện trong tự nhiên. Đến năm 2004, những khám phá từ thực nghiệm của hai nhà khoa học người Nga là Kostya Novoselov và Andre Gem thuộc trường đại học Manchester ở Anh đã chứng tỏ được sự tồn tài của Graphen đó là tìm ra được một cách đơn giản để bóc tách những lớp đơn nguyên tử của các nguyên tử 6 ` cacbon khỏi các khoanh graphite, từ đó vật liệu này đã thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trên thế giới bởi các đặc tính vượt trội của nó. Tháng 5 năm 2009, các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Texas, Austin, nói rằng họ đã tạo ra được các tấm màng Graphen có kích thước lên tới 1 cm2 bằng cách phát triển chúng trên các lá đồng mỏng. Một nhóm nhà nghiên cứu khác tại trường Đại học Cornell đã tạo ra được Graphen trên các tấm silicon.
Hai tiến bộ mới này mở ra khả năng tạo ra được hàng loạt các thiết bị điện tử dựa trên Graphen. Tháng 6 năm 2009, các nhà nghiên cứu của IBM cho biết họ đã tạo ra được các transistors Graphen có thể bật và tắt 26 tỷ lần mỗi giây, vượt xa các thiết bị silicon thông thường. Tính chất của Graphen Graphen có cấu trúc phẳng và độ dày của một nguyên tử, là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu hiện có. Vì vậy, Graphen có nhiều tính chất nổi bật.
Tính cơ học: cấu trúc bền vững của Graphen được xem là vật liệu cứng nhất hiện nay với ứng suất Young ~ 0,5 – 1,0TPa, độ bền vật liệu ~125GPa[6]. Tính dẫn điện: ở dạng tinh khiết Graphen dẫn điện nhanh hơn bất cứ chất nào khác (ngay cả ở nhiệt độ bình thường).