I. Giới thiệu vật liệu Graphene
Graphene là một vật liệu carbon hai chiều, được phát hiện vào năm 2004 bởi Andre Geim và Konstantin Novoselov. Với cấu trúc mạng lục giác, graphene sở hữu các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt như độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao, độ bền cơ học vượt trội và tính trong suốt. Graphene được xem là vật liệu mỏng nhất thế giới, chỉ dày một nguyên tử, và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ.
1.1 Tính chất vật liệu Graphene
Graphene có độ dẫn điện tương đương đồng, với điện trở suất thấp nhất ở nhiệt độ phòng (~10^-6 Ω.cm). Độ linh động của hạt tải điện trong graphene đạt tới 200.000 cm²V⁻¹s⁻¹, cao hơn bất kỳ vật liệu bán dẫn nào khác. Ngoài ra, graphene có độ dẫn nhiệt lên đến 5.000 W.m⁻¹K⁻¹, cao hơn cả kim cương và than chì. Về cơ học, graphene có suất Young ~1.1 TPa và độ bền vật liệu ~125 GPa, khiến nó trở thành vật liệu cứng nhất hiện nay.
1.2 Ứng dụng của Graphene hiện nay
Graphene được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, năng lượng và môi trường. Trong điện tử, graphene được sử dụng làm điện cực trong suốt thay thế cho ITO, ứng dụng trong màn hình cảm ứng và pin mặt trời. Trong lĩnh vực năng lượng, graphene được nghiên cứu để chế tạo pin và siêu tụ điện với hiệu suất cao. Ngoài ra, graphene còn được sử dụng trong cảm biến khí nhờ diện tích bề mặt lớn và độ nhạy cao.
II. Vật liệu Graphene Oxide GO
Graphene Oxide (GO) là một dẫn xuất của graphene, được tạo ra bằng cách oxy hóa graphite và bóc tách các lớp. GO có cấu trúc tương tự graphene nhưng chứa các nhóm chức chứa oxy như hydroxyl (-OH), epoxide (-O-), và carboxyl (-COOH). Những nhóm chức này làm thay đổi tính chất của GO, khiến nó trở thành vật liệu linh hoạt trong các ứng dụng hóa học và môi trường.
2.1 Tính chất và ứng dụng của GO
GO có tính chất hấp phụ mạnh nhờ diện tích bề mặt lớn và sự hiện diện của các nhóm chức. Điều này làm cho GO trở thành vật liệu lý tưởng để hấp phụ các chất ô nhiễm như dầu và kim loại nặng. GO cũng được sử dụng trong chế tạo pin, linh kiện điện tử và dẫn thuốc trong y học. Ngoài ra, GO có khả năng thấm lọc dầu hiệu quả, giúp xử lý nước thải công nghiệp.
2.2 Phương pháp chế tạo GO
Phương pháp phổ biến nhất để chế tạo GO là phương pháp Hummers, sử dụng hỗn hợp axit sulfuric, kali permanganat và natri nitrat để oxy hóa graphite. Quá trình này tạo ra graphite oxide, sau đó được bóc tách bằng siêu âm hoặc các tác nhân cơ học để tạo thành GO. Phương pháp này đơn giản, hiệu quả và cho sản lượng cao.
III. Ứng dụng GO trong thấm lọc dầu
GO được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực thấm lọc dầu nhờ khả năng hấp phụ dầu hiệu quả. Với diện tích bề mặt lớn và các nhóm chức phân cực, GO có thể hấp phụ dầu từ nước thải công nghiệp, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo GO và đánh giá hiệu quả thấm lọc dầu của vật liệu.
3.1 Tính chất hút dầu của GO
GO có khả năng hấp phụ dầu cao nhờ cấu trúc xốp và các nhóm chức phân cực. Các thí nghiệm cho thấy GO có thể hấp phụ dầu ăn và dầu công nghiệp với hiệu suất lên đến 90%. Điều này làm cho GO trở thành vật liệu tiềm năng trong xử lý nước thải nhiễm dầu.
3.2 Tính khả thi của GO trong ứng dụng hút dầu
Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của GO trong ứng dụng thấm lọc dầu. Vật liệu GO có thể tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm hiệu suất hấp phụ. Điều này giúp giảm chi phí và tăng tính bền vững trong quá trình xử lý nước thải.
IV. Kết quả và thảo luận
Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo GO bằng phương pháp Hummers và đánh giá cấu trúc, tính chất của vật liệu thông qua các phép đo XRD, SEM và FTIR. Kết quả cho thấy GO có cấu trúc phân tán đều và kích thước hạt nhỏ, phù hợp cho ứng dụng thấm lọc dầu.
4.1 Kết quả nghiên cứu chế tạo GO
Quy trình chế tạo GO bằng phương pháp Hummers đã được tối ưu hóa, cho sản lượng cao và chất lượng ổn định. Các phân tích XRD và SEM xác nhận cấu trúc phân tán đều của GO, với kích thước hạt từ 100-500 nm.
4.2 Kết quả ứng dụng thấm lọc dầu
Thí nghiệm thấm lọc dầu cho thấy GO có hiệu suất hấp phụ dầu cao, đạt 90% trong điều kiện thí nghiệm. Vật liệu GO cũng thể hiện khả năng tái sử dụng tốt, giúp giảm chi phí xử lý nước thải.
