Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu biến tính graphen oxit dạng khử bằng sắt oxit và ứng dụng

• Tác giả: Nguyễn Thị Anh Thư
• Người hướng dẫn: PGS. Đinh Quang Khiếu
• Trường học: Đại học Sư phạm, Đại học Huế
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu biến tính graphen oxit bằng sắt oxit và ứng dụng thực tiễn
• Loại tài liệu: luận án
• Địa điểm: Huế

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. GRAPHIT, GRAPHIT OXIT/GRAPHEN OXIT VÀ GRAPHEN OXIT DẠNG KHỬ
• 1.1.1. Graphit
• 1.1.2. Graphit oxit và graphen oxit
• 1.1.2.1. Giới thiệu về graphit oxit và graphen oxit
• 1.1.2.2. Các phương pháp tổng hợp graphit oxit/graphen oxit
• 1.1.2.3. Cấu trúc của GO
• 1.1.2.4. Graphen oxit dạng khử (reduced graphene oxide: rGO)
• 1.1.2.5. Graphen và graphen oxit dạng khử
• 1.1.2.6. Tổng hợp graphen
• 1.1.2.7. Ứng dụng của graphen oxit và graphen
• 1.2. BIẾN TÍNH GRAPHEN/GRAPHEN OXIT BẰNG OXIT KIM LOẠI VÀ ỨNG DỤNG
• 1.2.1. COMPOSIT SẮT TỪ OXIT/GRAPHEN
• 1.2.1.1. Tổng hợp composit sắt từ oxit/graphen
• 1.2.1.2. Phương pháp tổng hợp trực tiếp
• 1.2.1.3. Phương pháp gián tiếp
• 1.2.1.4. Một số ứng dụng của composit Fe3O4/rGO(GO)
• 1.2.1.5. Ứng dụng trong hấp phụ
• 1.2.1.6. Ứng dụng trong điện hoá
• 1.3. SƠ LƯỢC VỀ CẢM BIẾN KHÍ DỰA TRÊN α-Fe2O3
• 2. CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1.1. Các phương pháp đặc trưng vật liệu
• 2.1.1.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction: XRD)
• 2.1.1.2. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ N2
• 2.1.1.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT−IR)
• 2.1.1.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy-SEM)
• 2.1.1.5. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy: TEM)
• 2.1.1.6. Phổ quang điện tử tia X (XPS)
• 2.1.1.7. Phương pháp phân tích nhiệt
• 2.1.1.8. Phương pháp xác định tính chất từ của vật liệu
• 2.1.1.9. Các phương pháp phân tích
• 2.1.1.10. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
• 2.1.1.11. Phương pháp Von-Ampe hòa tan
• 2.1.2. Tổng hợp graphit oxit (GrO) và graphen oxit (GO)
• 2.1.3. Tổng hợp graphen oxit dạng khử (rGO)
• 2.1.4. Tổng hợp composit oxit sắt từ/graphen oxit dạng khử (Fe3O4/rGO)
• 2.1.5. Chuẩn bị điện cực
• 2.1.6. Chế tạo cảm biến
• 2.1.7. Khảo sát sự hấp phụ ion kim loại lên vật liệu Fe3O4/rGO tổng hợp
• 2.1.7.1. Xác định điểm điện tích không (pHPZC)
• 2.1.7.2. Nghiên cứu động học hấp phụ
• 2.1.7.3. Ảnh hưởng của các ion cạnh tranh đến sự hấp phụ As(V) lên vật liệu Fe3O4/rGO
• 2.1.8. Ứng dụng điện cực than thuỷ tinh biến tính xác định paracetamol (PRC)
• 2.1.8.1. Khảo sát tính nhạy khí của cảm biến
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. TỔNG HỢP COMPOSIT Fe3O4/rGO VÀ NGHIÊN CỨU SỰ HẤP PHỤ CÁC ION KIM LOẠI NẶNG
• 3.1.1. Đặc trưng vật liệu tổng hợp
• 3.1.2. Ứng dụng của composit Fe3O4/rGO trong hấp phụ ion kim loại nặng
• 3.1.3. Xác định điểm điện tích không (pHPZC)
• 3.1.4. Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ
• 3.1.5. Động học hấp phụ. Đẳng nhiệt hấp phụ
• 3.1.6. Ảnh hưởng của các ion cạnh tranh đến sự hấp phụ As(V) lên Fe3O4/rGO
• 3.2. TỔNG HỢP COMPOSIT Fe3O4/rGO ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA VÀ CẢM BIẾN KHÍ
• 3.2.1. Đặc trưng vật liệu tổng hợp
• 3.2.2. Ứng dụng composit Fe3O4/rGO trong biến tính điện cực
• 3.2.3. Khảo sát điều kiện để biến tính điện cực. Tính chất điện hóa của PRC trên các điện cực biến tính
• 3.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu Von-Ampe hòa tan
• 3.2.5. Khoảng tuyến tính, giới hạn phát hiện và độ lặp lại
• 3.2.6. Xác định PRC trong các mẫu thực
• 3.2.7. Ứng dụng composit Fe3O4/rGO trong cảm biến khí
• 3.2.7.1. Đặc trưng composit Fe3O4/rGO sau khi xử lý nhiệt
• 3.2.7.2. Ứng dụng trong cảm biến khí
• KẾT LUẬN CHÍNH
• CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về graphen oxit và sắt oxit

Graphen oxit (GO) là một vật liệu nano hai chiều, được tạo ra từ quá trình oxy hóa graphit. Sắt oxit (Fe3O4) là một vật liệu từ tính có nhiều ứng dụng trong công nghệ nano. Sự kết hợp giữa GO và Fe3O4 tạo ra vật liệu composite có tính chất vật lý và hóa học đặc biệt, phù hợp cho nhiều ứng dụng thực tiễn. Nghiên cứu này tập trung vào việc biến tính GO bằng Fe3O4 để tối ưu hóa tính chất vật liệu và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực như hấp phụ ion kim loại nặng, cảm biến điện hóa và cảm biến khí.

1.1. Cấu trúc và tính chất của graphen oxit

Graphen oxit (GO) có cấu trúc lớp với các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt, tạo ra diện tích bề mặt lớn và khả năng tương tác hóa học cao. Tính chất vật lý và hóa học của GO phụ thuộc vào mức độ oxy hóa và phương pháp tổng hợp. GO có thể được khử thành graphen oxit dạng khử (rGO), giúp cải thiện độ dẫn điện và tính ổn định.

1.2. Tính chất của sắt oxit

Sắt oxit (Fe3O4) là vật liệu từ tính với cấu trúc spinel ngược, có khả năng từ hóa cao và dễ dàng tách khỏi dung dịch bằng từ trường ngoài. Fe3O4 cũng có tính chất điện hóa tốt, phù hợp cho ứng dụng trong cảm biến và lưu trữ năng lượng.

II. Biến tính graphen oxit bằng sắt oxit

Quá trình biến tính graphen oxit (GO) bằng sắt oxit (Fe3O4) nhằm tạo ra vật liệu composite có tính chất ưu việt hơn so với từng thành phần riêng lẻ. Fe3O4/rGO có diện tích bề mặt lớn, tính từ tính cao và khả năng dẫn điện tốt, phù hợp cho nhiều ứng dụng trong công nghệ vật liệu và khoa học vật liệu.

2.1. Phương pháp tổng hợp Fe3O4 rGO

Có hai phương pháp chính để tổng hợp Fe3O4/rGO: phương pháp trực tiếp và phương pháp gián tiếp. Phương pháp trực tiếp sử dụng hỗn hợp muối sắt (II) và sắt (III) để tạo Fe3O4 trên bề mặt rGO. Phương pháp gián tiếp liên quan đến việc tổng hợp Fe3O4 trước, sau đó kết hợp với rGO.

2.2. Tính chất của vật liệu Fe3O4 rGO

Vật liệu Fe3O4/rGO có diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và tính từ tính mạnh. Các tính chất này giúp vật liệu có khả năng hấp phụ ion kim loại nặng hiệu quả và ứng dụng trong cảm biến điện hóa.

III. Ứng dụng thực tiễn của Fe3O4 rGO

Vật liệu Fe3O4/rGO được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hấp phụ ion kim loại nặng, cảm biến điện hóa và cảm biến khí. Nhờ tính chất vật lý và hóa học ưu việt, vật liệu này mang lại hiệu quả cao trong việc xử lý môi trường và phát triển công nghệ mới.

3.1. Ứng dụng trong hấp phụ ion kim loại nặng

Fe3O4/rGO có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng như As(V), Pb(II) và Ni(II) với dung lượng hấp phụ cao. Vật liệu này cũng dễ dàng tách khỏi dung dịch sau quá trình hấp phụ nhờ tính từ tính mạnh.

3.2. Ứng dụng trong cảm biến điện hóa

Vật liệu Fe3O4/rGO được sử dụng để biến tính điện cực than thủy tinh, cải thiện độ nhạy và độ chọn lọc trong việc xác định các hợp chất hữu cơ như paracetamol.

3.3. Ứng dụng trong cảm biến khí

Cảm biến khí dựa trên Fe3O4/rGO có độ nhạy cao và độ ổn định tốt đối với các khí như ethanol, NO2 và SO2, phù hợp cho ứng dụng trong giám sát môi trường.