Biến Tính Bề Mặt Graphite và Graphene Bằng Màng Đơn Lớp và Đa Lớp Của Phân Tử Diazoni

• Tác giả: Võ Thị Thúy Hằng
• Người hướng dẫn: TS. Phan Thanh Hải
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật Lý Chất Rắn
• Đề tài: Biến Tính Bề Mặt Graphite Và Graphene Bằng Phân Tử Diazoni
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Bình Định

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ GRAPHITE
• 1.1. Khái niệm graphene
• 1.2. Tính chất của graphene
• 1.3. Phân loại graphene
• 1.4. PHÂN TỬ DIAZONIUM
• 1.5. SỰ SẮP XẾP CỦA CÁC PHÂN TỬ HỮU CƠ TRÊN BỀ MẶT VẬT RẮN
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ
• 2.1. QUY TRÌNH CHẾ TẠO HỆ VẬT LIỆU MÀNG 4-NBD/HOPG, HỆ VẬT LIỆU MÀNG 4-ABD/HOPG, HỆ VẬT LIỆU MÀNG 3,4,5-TMD BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP ĐIỆN HÓA
• 2.1.1. Chuẩn bị dung dịch làm việc
• 2.1.2. Chuẩn bị tế bào điện hóa và điện cực làm việc
• 2.1.3. Quy trình tạo mẫu bằng phương pháp cấy ghép điện hóa
• 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 2.2.1. Phương pháp thế quét vòng tuần hoàn (CV)
• 2.2.2. Nguyên lí hoạt động
• 2.2.3. Phương pháp hiển vi quét xuyên hầm lượng tử (STM)
• 2.2.4. Nguyên lí hoạt động của STM
• 2.2.5. Phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM)
• 2.2.6. Nguyên lý hoạt động
• 2.2.7. Phương pháp đo Raman
• 2.2.8. Phương pháp thế quét tuyến tính (LSV)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. HỆ VẬT LIỆU MÀNG 4-NBD/HOPG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP ĐIỆN HÓA
• 3.1.1. Cấy ghép điện hóa phân tử 4-NBD trên bề mặt HOPG
• 3.1.2. Khảo sát tính chất điện hóa của hệ vật liệu
• 3.1.3. Hình thái học của bề mặt hệ vật liệu
• 3.1.4. Nghiên cứu tính bền vững của hệ vật liệu 4-NBD/HOPG trong môi trường điện hóa
• 3.1.5. Hệ vật liệu màng 4-NBD/Graphene
• 3.2. HỆ VẬT LIỆU MÀNG 4-ABD/HOPG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP ĐIỆN HÓA
• 3.2.1. Cấy ghép điện hóa phân tử 4-ABD trên bề mặt HOPG
• 3.2.2. Khảo sát tính chất điện hóa của hệ vật liệu
• 3.2.3. Hình thái học của bề mặt hệ vật liệu
• 3.2.4. Nghiên cứu tính bền vững của hệ vật liệu 4-ABD/HOPG trong môi trường điện hóa
• 3.3. HỆ VẬT LIỆU MÀNG 3,4,5-TMD/HOPG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP ĐIỆN HÓA
• 3.3.1. Cấy ghép điện hóa phân tử 3,4,5-TMD trên bề mặt HOPG
• 3.3.2. Khảo sát tính chất điện hóa của hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG
• 3.3.3. So sánh khả năng dẫn điện của bề mặt HOPG và bề mặt hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG ở các nồng độ khác nhau
• 3.3.4. Nghiên cứu tính bền vững của hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG trong môi trường điện hóa
• 3.3.5. Kết quả đo Raman
• 3.3.6. Hình thái học bề mặt của hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG
• 3.4. HỆ VẬT LIỆU HOPG-Cu CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HÓA VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT XÚC TÁC CỦA CHÚNG
• 3.4.1. Tính chất điện hóa của hệ vật liệu HOPG-Cu
• 3.4.2. Hình thái học bề mặt của hệ vật liệu HOPG-Cu
• 3.4.3. Đặc tính xúc tác của các hệ vật liệu HOPG-Cu
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Biến Tính Bề Mặt Graphite Graphene

Nghiên cứu biến tính bề mặt graphite và graphene đang thu hút sự quan tâm lớn do tiềm năng ứng dụng rộng rãi của chúng. Graphene, với các tính chất vượt trội như độ dẫn điện, nhiệt cao, và độ bền cơ học, hứa hẹn nhiều ứng dụng trong công nghệ cao. Tuy nhiên, việc thiếu vùng cấm năng lượng là một hạn chế. Biến tính bề mặt ở kích thước nano có thể mở rộng vùng cấm năng lượng hoặc thay đổi mật độ electron, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới. Có hai phương pháp chính: biến tính vật lý (hấp phụ vật lý) và biến tính hóa học (hấp phụ hóa học).

1.1. Biến Tính Vật Lý Hướng Tiếp Cận và Ưu Điểm

Biến tính vật lý dựa trên sự hấp phụ vật lý của các phân tử hữu cơ, thay đổi độ dẫn điện mà không ảnh hưởng đến cấu trúc của graphene/graphite. Các phân tử hấp phụ có thể doping hoặc mở rộng vùng cấm năng lượng. Nghiên cứu của Laufer và cộng sự (2008) sử dụng LT-STM để khảo sát sự tự sắp xếp của PTCDA trên CVD graphene-SiC là một ví dụ điển hình. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, nhưng độ bền của liên kết yếu hơn so với biến tính hóa học.

1.2. Biến Tính Hóa Học Tạo Liên Kết Cộng Hóa Trị Bền Vững

Biến tính hóa học tạo ra các sai hỏng trong mạng carbon của graphene/graphite thông qua liên kết cộng hóa trị. Các phân tử diazonium thường được sử dụng. Tuy nhiên, các gốc aryl tự do hoạt động mạnh có thể gây ra cấy ghép ngẫu nhiên và hình thành màng đa lớp, làm giảm hiệu quả biến tính. Nghiên cứu về màng đơn lớp 3,5-terbutyl diazonium (3,5-TBD) bằng phương pháp cấy ghép điện hóa là một bước tiến quan trọng.

II. Thách Thức Trong Biến Tính Bề Mặt Graphite và Graphene

Mặc dù có nhiều tiềm năng, biến tính bề mặt graphite và graphene vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Việc kiểm soát độ dày và tính đồng nhất của lớp biến tính là một vấn đề quan trọng. Các gốc aryl tự do từ phân tử diazonium có thể phản ứng không chọn lọc, dẫn đến sự hình thành màng đa lớp không mong muốn. Điều này làm giảm mật độ phân tử hữu cơ liên kết trực tiếp với graphene, ảnh hưởng đến hiệu quả biến tính.

2.1. Kiểm Soát Độ Dày và Tính Đồng Nhất Của Màng Biến Tính

Việc kiểm soát độ dày và tính đồng nhất của màng diazonium là rất quan trọng để đạt được các tính chất mong muốn. Màng đa lớp có thể làm giảm hiệu quả biến tính do giảm mật độ phân tử hữu cơ liên kết trực tiếp với graphene. Cần có các phương pháp để kiểm soát quá trình phản ứng và ngăn chặn sự hình thành màng đa lớp.

2.2. Tính Chọn Lọc Trong Phản Ứng Của Gốc Aryl Tự Do

Các gốc aryl tự do từ phân tử diazonium có tính hoạt động cao và có thể phản ứng không chọn lọc với bề mặt graphene/graphite. Điều này dẫn đến sự hình thành các liên kết không mong muốn và làm giảm tính chất của vật liệu. Cần có các phương pháp để tăng tính chọn lọc của phản ứng và đảm bảo rằng các gốc aryl tự do chỉ phản ứng với các vị trí mong muốn trên bề mặt.

2.3. Ảnh Hưởng Của Môi Trường Phản Ứng Đến Quá Trình Biến Tính

Môi trường phản ứng, bao gồm dung môi, nhiệt độ, và điện thế (trong trường hợp cấy ghép điện hóa), có thể ảnh hưởng đáng kể đến quá trình biến tính. Cần phải tối ưu hóa các điều kiện phản ứng để đạt được hiệu quả biến tính cao nhất và tránh các phản ứng phụ không mong muốn.

III. Phương Pháp Cấy Ghép Điện Hóa Diazonium Giải Pháp Tiềm Năng

Phương pháp cấy ghép điện hóa diazonium nổi lên như một giải pháp tiềm năng để kiểm soát quá trình biến tính bề mặt graphite và graphene. Bằng cách áp dụng một điện thế phù hợp, các phân tử diazonium có thể hấp phụ hóa học trên bề mặt vật liệu. Điều này cho phép kiểm soát tốt hơn độ dày và tính đồng nhất của lớp biến tính, đồng thời giảm thiểu sự hình thành màng đa lớp.

3.1. Cơ Chế Của Quá Trình Cấy Ghép Điện Hóa Diazonium

Trong quá trình cấy ghép điện hóa, điện cực làm việc (graphite hoặc graphene) được áp một điện thế phù hợp. Điện thế này giúp khử phân tử diazonium, tạo ra gốc aryl tự do. Gốc aryl tự do sau đó phản ứng với bề mặt vật liệu, tạo thành liên kết cộng hóa trị. Quá trình này có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh điện thế, nồng độ diazonium, và thời gian phản ứng.

3.2. Ưu Điểm Của Phương Pháp Cấy Ghép Điện Hóa

Phương pháp cấy ghép điện hóa có nhiều ưu điểm so với các phương pháp biến tính khác. Nó cho phép kiểm soát tốt hơn độ dày và tính đồng nhất của lớp biến tính. Nó cũng có thể được sử dụng để tạo ra các mẫu biến tính có cấu trúc phức tạp. Ngoài ra, phương pháp này tương đối đơn giản và dễ thực hiện.

3.3. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Cấy Ghép Điện Hóa

Hiệu quả của quá trình cấy ghép điện hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm điện thế, nồng độ diazonium, thời gian phản ứng, loại điện cực, và dung môi. Cần phải tối ưu hóa các yếu tố này để đạt được hiệu quả cấy ghép cao nhất.

IV. Ứng Dụng Của Biến Tính Bề Mặt Graphite Graphene Diazonium

Biến tính bề mặt graphite và graphene bằng phân tử diazonium mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau. Các vật liệu biến tính có thể được sử dụng trong thiết bị vi điện tử, cảm biến, chuyển đổi năng lượng, và vật liệu composite. Việc điều chỉnh tính chất bề mặt giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của các ứng dụng này.

4.1. Ứng Dụng Trong Thiết Bị Vi Điện Tử

Graphene biến tính có thể được sử dụng để chế tạo các transistor, cảm biến, và các thiết bị vi điện tử khác. Việc mở rộng vùng cấm năng lượng và điều chỉnh mật độ electron giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị này.

4.2. Ứng Dụng Trong Cảm Biến Hóa Học và Sinh Học

Graphene biến tính có thể được sử dụng để chế tạo các cảm biến hóa học và sinh học có độ nhạy cao. Các phân tử diazonium có thể được gắn với các nhóm chức đặc biệt để nhận diện các chất phân tích cụ thể.

4.3. Ứng Dụng Trong Vật Liệu Composite

Graphite và graphene biến tính có thể được sử dụng làm vật liệu gia cường trong vật liệu composite. Việc cải thiện tính chất bề mặt giúp tăng cường độ bám dính giữa graphite/graphene và ma trận, cải thiện độ bền cơ học của vật liệu composite.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Diazonium Lên HOPG

Nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của các phân tử diazonium (4-NBD, 4-ABD, 3,4,5-TMD) lên tính chất bề mặt của HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite) thông qua phương pháp cấy ghép điện hóa. Kết quả cho thấy sự hình thành các màng biến tính có độ dày và cấu trúc khác nhau, ảnh hưởng đến tính chất điện hóa và hình thái học của bề mặt.

5.1. Biến Tính HOPG Bằng 4 NBD Nghiên Cứu Điện Hóa và Hình Thái

Cấy ghép điện hóa phân tử 4-NBD trên bề mặt HOPG đã được thực hiện thành công. Khảo sát tính chất điện hóa cho thấy sự thay đổi trong khả năng trao đổi electron. Hình thái học bề mặt cho thấy sự hình thành màng biến tính với độ dày khoảng 3 nm. Nghiên cứu cũng đánh giá độ bền của hệ vật liệu trong môi trường điện hóa.

5.2. Biến Tính HOPG Bằng 4 ABD Ảnh Hưởng Đến Tính Chất Bề Mặt

Tương tự, cấy ghép điện hóa phân tử 4-ABD trên bề mặt HOPG cũng tạo ra sự thay đổi trong tính chất điện hóa và hình thái học. Phổ Raman cho thấy sự hình thành đỉnh D, cho thấy sự xuất hiện các sai hỏng mạng. Nghiên cứu cũng khảo sát phản ứng bay hơi oxy của hệ vật liệu.

5.3. So Sánh Ảnh Hưởng Của 3 4 5 TMD Lên Tính Dẫn Điện HOPG

Nghiên cứu so sánh khả năng dẫn điện của bề mặt HOPG và bề mặt hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG ở các nồng độ khác nhau. Kết quả cho thấy sự thay đổi trong tính chất điện hóa và hình thái học. Phổ Raman và kết quả đo AFM, STM cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc bề mặt.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Biến Tính Bề Mặt

Nghiên cứu biến tính bề mặt graphite và graphene bằng phân tử diazonium đã đạt được những tiến bộ đáng kể. Phương pháp cấy ghép điện hóa là một công cụ hiệu quả để kiểm soát quá trình biến tính. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết, đặc biệt là việc kiểm soát tính chọn lọc của phản ứng và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng.

6.1. Tối Ưu Hóa Quy Trình Cấy Ghép Điện Hóa Diazonium

Cần có các nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa quy trình cấy ghép điện hóa diazonium. Điều này bao gồm việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như điện thế, nồng độ diazonium, thời gian phản ứng, loại điện cực, và dung môi.

6.2. Phát Triển Các Phân Tử Diazonium Mới Với Tính Chất Đặc Biệt

Việc phát triển các phân tử diazonium mới với các nhóm chức đặc biệt có thể mở ra nhiều ứng dụng mới. Các phân tử diazonium này có thể được thiết kế để tương tác với các chất phân tích cụ thể hoặc để tạo ra các vật liệu có tính chất độc đáo.

6.3. Nghiên Cứu Ứng Dụng Thực Tế Của Vật Liệu Biến Tính

Cần có các nghiên cứu ứng dụng thực tế để đánh giá tiềm năng của các vật liệu biến tính trong các lĩnh vực khác nhau. Điều này bao gồm việc chế tạo các thiết bị thử nghiệm và đánh giá hiệu suất của chúng.