Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo vật liệu graphene bằng phương pháp điện hóa định hướng ứng dụng làm vật liệu hấp phụ trong xử lý môi trường

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu nghiên cứu chế tạo vật liệu graphene bằng phương pháp điện hóa định hướng ứng dụng làm vật liệu hấp, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý

• Tác giả: Phạm Văn Hảo
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Văn Thành
• Trường học: Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Graphene Điện Hóa Cho Xử Lý Môi Trường
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vật liệu graphene

Vật liệu graphene là một dạng cấu trúc của carbon, có hình dạng lưới hai chiều với các nguyên tử carbon liên kết với nhau theo kiểu sp2. Từ khi được phát hiện vào năm 2004, graphene đã thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng khoa học nhờ vào những tính chất vượt trội như độ bền cao, dẫn điện tốt và diện tích bề mặt lớn. Những đặc tính này khiến graphene trở thành một ứng viên lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường, đặc biệt là trong việc hấp phụ các chất ô nhiễm. Nghiên cứu về vật liệu graphene không chỉ dừng lại ở việc phát triển công nghệ chế tạo mà còn mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng trong xử lý nước thải và không khí. Theo các nghiên cứu gần đây, graphene có khả năng hấp phụ mạnh mẽ các ion kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại, điều này cho thấy tiềm năng lớn của nó trong việc giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường.

II. Phương pháp chế tạo vật liệu graphene

Có nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu graphene, trong đó phương pháp điện hóa được coi là một trong những kỹ thuật hiệu quả và tiết kiệm. Phương pháp này cho phép tạo ra vật liệu graphene với quy mô lớn và chi phí thấp. Kỹ thuật điện hóa có thể được thực hiện thông qua việc sử dụng các điện cực anode và cathode, nơi mà quá trình điện phân diễn ra. Quá trình này không chỉ giúp tạo ra graphene mà còn có thể điều chỉnh các tính chất điện hóa của nó. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa các điều kiện điện hóa như mật độ dòng điện, thời gian điện phân và loại dung dịch điện phân có thể ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng và tính năng của vật liệu graphene. Đặc biệt, graphene được chế tạo từ phương pháp điện hóa có thể chứa nhiều nhóm chức năng, giúp tăng cường khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm trong môi trường.

III. Ứng dụng của vật liệu graphene trong xử lý môi trường

Vật liệu graphene đã được chứng minh là có khả năng hấp phụ hiệu quả các chất ô nhiễm trong nước, bao gồm các hợp chất hữu cơ như methylene blue (MB) và các ion kim loại nặng như As(III). Nghiên cứu cho thấy rằng, graphene có thể hấp phụ các chất ô nhiễm này thông qua các tương tác vật lý và hóa học mạnh mẽ. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng, khả năng hấp phụ của graphene phụ thuộc vào pH của dung dịch, thời gian tiếp xúc và nồng độ của chất ô nhiễm. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các hệ thống xử lý nước thải hiệu quả hơn, sử dụng vật liệu graphene như một chất hấp phụ chính. Hơn nữa, việc tái sử dụng graphene sau khi hấp phụ cũng là một yếu tố quan trọng, giúp giảm thiểu chi phí và tác động đến môi trường.

IV. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu về vật liệu graphene trong xử lý môi trường đã cho thấy những kết quả khả quan và tiềm năng ứng dụng lớn. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết, bao gồm việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và nâng cao khả năng hấp phụ của graphene. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc phát triển các phương pháp chế tạo mới, thân thiện với môi trường và có thể mở rộng quy mô sản xuất. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hấp phụ của graphene đối với các chất ô nhiễm khác nhau cũng là cần thiết để khai thác tối đa tiềm năng của vật liệu này trong lĩnh vực xử lý môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O VIàN HÀN LÂM KHOA HàC VÀ CÔNG NGHà VIàT NAM HàC VIàN KHOA HàC VÀ CÔNG NGHà ----------------------------- Ph¿m Vn HÁo NGHIÊN CĄU CH¾ T¾O V¾T LIàU GRAPHENE B¾NG PH¯¡NG PHÁP ĐIàN HÓA ĐÞNH H¯àNG ĄNG DĀNG LÀM V¾T LIàU HÂP PHĀ TRONG Xþ LÝ MÔI TR¯âNG LU¾N ÁN TI¾N S) V¾T LIàU ĐIàN Tþ HÀ NÞI – 2024 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O VIàN HÀN LÂM KHOA HàC VÀ CÔNG NGHà VIàT NAM HàC VIàN KHOA HàC VÀ CÔNG NGHà ----------------------------- Ph¿m Vn HÁo NGHIÊN CĄU CH¾ T¾O V¾T LIàU GRAPHENE B¾NG PH¯¡NG PHÁP ĐIàN HÓA ĐÞNH H¯àNG ĄNG DĀNG LÀM V¾T LIàU HÂP PHĀ TRONG Xþ LÝ MÔI TR¯âNG LU¾N ÁN TI¾N S) V¾T LIàU ĐIàN Tþ Mã sß: 9 44 01 23 NG¯äI H¯âNG DÀN KHOA HàC: 1. TS Đặng Vn Thành 2. Phan Ngác Hßng Hà Nßi – 2024 i LâI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cąu căa riêng tôi, đ°ÿc thāc hián t¿i Vián Khoa hác vÃt liáu và Trung tâm Phát trián công nghá cao – Vián Hàn lâm Khoa hác và Công nghá Viát Nam d°ãi sā h°ãng dÁn căa PGS. Đặng Vn Thành và TS.

Phan Ngác Hßng. Các sá liáu và kÃt quÁ trong luÃn án là trung thāc, ch°a tÿng đ°ÿc ai công bá trong bÃt kỳ công trình nào khác. Tác giÁ NCS Ph¿m Vn HÁo ii LâI CÀM ¡N Tr°ãc tiên em xin bày tß lòng biÃt ¢n sâu sÅc tãi PGS. Đặng Vn Thành và TS.

Phan Ngác Hßng đã tÃn tâm h°ãng dÁn, t¿o đáng lāc và đáng viên em v°ÿt qua mái khó khn đá em hoàn thành luÃn án này. Quá trình thāc hián luÃn án đã trang bß cho em nhÿng kiÃn thąc quý báu vß nghiên cąu khoa hác và rèn luyán tinh thÅn khÅc phāc khó khn đá hián thāc hoá đ°ÿc māc tiêu đặt ra. Em xin đ°ÿc gāi låi cÁm ¢n tãi Khoa Khoa hác vÃt liáu và Nng l°ÿng, Hác vián Khoa hác và Công nghá, Vián Hàn lâm Khoa hác và Công nghá Viát Nam đã t¿o đißu kián thuÃn lÿi nhÃt đá em hác tÃp và nghiên cąu hoàn thành luÃn án này. Em xin đ°ÿc gāi låi cÁm ¢n tãi Vián Khoa hác vÃt liáu, Trung tâm Phát trián công nghá cao, Vián Hàn lâm Khoa hác và Công nghá Viát Nam đã t¿o đißu kián thuÃn lÿi nhÃt đá em hác tÃp và nghiên cąu hoàn thành luÃn án này.

Em xin đ°ÿc gāi låi cÁm ¢n tãi Ban giám hiáu Tr°ång Đ¿i hác Y – D°ÿc, Đ¿i hác Thái Nguyên đã t¿o đißu kián cho em trong quá trình nghiên cąu thāc nghiám t¿i tr°ång. LuÃn án khó có thá hoàn thành nÃu thiÃu các phép đo vô cùng quý báu nh° AFM, XPS. Qua đây em xin gāi låi cÁm ¢n chân thành tãi các TS. Nguyßn Vn ChiÃn, TS Nguyßn Vn Tr°ång vß sā giúp đỡ to lãn này.

Em xin gāi låi cÁm ¢n tãi th¿c sỹ Phùng Thß Oanh, Nguyßn Thß H°¢ng Quỳnh và các b¿n bè trong nhóm đã luôn đáng viên, giúp đỡ em rÃt nhißu trong quá trình thāc nghiám chà t¿o mÁu khi thāc hián luÃn án. Em xin chân thành cÁm ¢n lãnh đ¿o, các cán bá viên chąc, Tr°ång Đ¿i hác Công nghá thông tin và truyßn thông, Đ¿i hác Thái Nguyên đã t¿o đißu kián, hß trÿ em trong suát quá trình nghiên cąu. Cuái cùng, xin đ°ÿc cÁm ¢n bá, mẹ, vÿ và nhÿng ng°åi thân căa em. Nhÿng ng°åi luôn sát cánh, đáng viên, đ°a em v°ÿt qua tÃt cÁ khó khn đá có thá hoàn thành luÃn án.

Em xin chân thành cÁm ¢n! Hà Nái nm 2024 Tác giÁ luÃn án NCS. Ph¿m Vn HÁo iii MĀC LĀC LäI CÀM ¡N. iii DANH MĀC CÁC KÝ HIàU VIÂT TÄT .vii DANH MĀC HÌNH VÀ. 1 DANH MĀC BÀNG BIàU .1 CÃu trúc căa graphite và graphene .2 Mát sá tính chÃt căa vÃt liáu graphene .2 Mát sá ph°¢ng pháp chà t¿o vÃt liáu graphene.1 Ph°¢ng pháp chà t¿o tÿ d°ãi lên (Bottom–up) .1 Ph°¢ng pháp lÅng đáng pha h¢i hoá hác (CVD) .2 Ph°¢ng pháp epitaxy trên đà SiC .2 Ph°¢ng pháp tiÃp cÃn theo h°ãng tÿ trên xuáng (Top down) .2 Bóc tách pha lßng (LPE) .3 Ph°¢ng pháp Hummers .3 Các kỹ thuÃt đián hoá chà t¿o vÃt liáu graphene .1 Kỹ thuÃt đián hoá anôt .2 Kỹ thuÃt đián hoá catôt .3 Kỹ thuÃt đián hóa đßng thåi trên cÁ đián cāc d°¢ng và đián cāc âm .4 Các yÃu tá Ánh h°çng đÃn chÃt l°ÿng vÃt liáu graphene chà t¿o bÇng đián hóa .3 Ngußn đián và các thông sá vÃn hành thiÃt bß đián hóa .4 Chąc nng hoá vÃt liáu graphene bÇng ph°¢ng pháp đián hóa .4 VÃt liáu graphene ąng dāng trong xā lý môi tr°ång.1 HÃp phā các chÃt ô nhißm hÿu c¢ trong n°ãc .2 HÃp phā các ion kim lo¿i nặng trong n°ãc .5 Tình hình nghiên cąu vß nghiên cąu vÃt liáu graphene.

CÁC PH¯¡NG PHÁP THĀC NGHIàM. Hoá chÃt và thiÃt bß thí nghiám.2 ThiÃt bß thí nghiám. Quy trình thāc nghiám chà t¿o graphene bÇng ph°¢ng pháp đián hóa .1 Chà t¿o graphene sā dāng kỹ thuÃt đián hóa anôt .2 Chà t¿o graphene sā dāng kỹ thuÃt đián hóa catôt (đián hóa plasma) .3 Các phép đo đặc tr°ng căa vÃt liáu .1 Ph°¢ng pháp tán x¿ Raman .2 Ph°¢ng pháp nhißu x¿ tia X (XRD) .3 Ph°¢ng pháp phá quang đián tā tia X (XPS) .4 Ph°¢ng pháp chāp hián vi đián tā quét (SEM) .5 Ph°¢ng pháp hián vi đián tā truyßn qua (TEM) .6 Ph°¢ng pháp hián vi lāc nguyên tā (AFM) .4 Quy trình xác đßnh điám đẳng đián căa vÃt liáu .5 Thā nghiám tißm nng ąng dāng làm vÃt liáu hÃp phā .1 Quy trình thāc nghiám hÃp phā .2 Đánh giá khÁ nng hÃp phā .3 Các mô hình đẳng nhiát hÃp phā .1 Mô hình đẳng nhiát Langmuir .2 Mô hình hÃp phā đẳng nhiát Freundlich .1 Mô hình giÁ đáng hác hÃp phā bÃc 1 .2 Mô hình giÁ đáng hác hÃp phā bÃc 2 [132-136] .5 Đánh giá khÁ nng tái sā dāng căa vÃt liáu graphene .6 KÃt luÃn ch°¢ng 2. KÂT QUÀ NGHIÊN CĄU CH T¾O VÂT LIàU GRAPHENE BÆNG PH¯¡NG PHÁP ĐIàN HÓA .1 Chà t¿o graphene sā dāng kỹ thuÃt đián hóa anôt .1 Ành h°çng căa đißu kián chà t¿o tãi tính chÃt căa graphene.2 Đặc điám vÃt liáu graphene GSs .3 Graphene chà t¿o trên đián cāc âm và đián cāc d°¢ng.2 Mç ráng quy mô chà t¿o vÃt liáu graphene .1 Chà t¿o vÃt liáu graphen vãi há đián hóa 10 cặp đián cāc .2 Chà t¿o vÃt liáu graphen vãi há đián hóa 10 đián cāc d°¢ng và 1 đián cāc âm .3 KÃt luÃn ch°¢ng 3.

THĀ NGHIàM KHÀ NNG HÂP PHĀ CĂA VÂT LIàU GRAPHENE CH T¾O BÆNG PH¯¡NG PHÁP ĐIàN HÓA. Thā nghiám khÁ nng hÃp phā căa vÃt liáu GSs .1 Điám đẳng đián căa vÃt liáu GSs .2 Ành h°çng căa pH dung dßch.3 Ành h°çng căa thåi gian thí nghiám.4 Ành h°çng căa nßng đá MB ban đÅu.5 Ành h°çng căa nhóm chąc nng đÃn hiáu quÁ hÃp phā MB trong n°ãc.2 Ąng dāng vÃt liáu O-MGSs hÃp phā MB và As (III) trong n°ãc.1 Điám đẳng đián căa vÃt liáu O-MGSs.2 HÃp phā MB trong n°ãc.1 Ành h°çng căa pH đÃn hiáu suÃt hÃp phā.2 KhÁo sát hiáu huÃt hÃp phā theo thåi gian .3 Ành h°çng căa nßng đá đÅu.3 HÃp phā As (III) trong n°ãc.1 Ành h°çng căa pH đÃn hiáu suÃt hÃp phā.2 KhÁo sát hiáu huÃt hÃp phā theo thåi gian .3 Ành h°çng căa nßng đá đÅu.3 Đánh giá khÁ nng tái sā dāng vÃt liáu graphene.4 KÃt luÃn ch°¢ng. 99 DANH MĀC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG Bà. 101 TÀI LIàU THAM KHÀO.

102 vii DANH MĀC CÁC KÝ HIàU VI¾T TÀT Ký hiáu English TiÃng Viát AC Alternating current Dòng đián xoay chißu AFM Atomic force microscopy Kính hián vi lāc nguyên tā A-GSs Graphene prepared from the Graphene chà t¿o tÿ đián cāc d°¢ng anode Anôt Anode Đián cāc d°¢ng Catôt Cathode Đián cāc âm C-GSs Graphene prepared from the Graphene chà t¿o tÿ đián cāc âm cathode (đián ly plasma) CNT Carbon nanotube àng cacbon CVD Chemical vapor deposition LÅng đáng pha h¢i hóa hác DC Direct current Dòng đián mát chißu ĐHHP Adsorption kinetics Đáng hác hÃp phā DLHP Adsorption capacity dung l°ÿng hÃp phā DMF N,N-Dimethylformamide N,N-Dimethylformamide GO Graphene oxide Graphene oxit GSs Graphene sheets Graphene chà t¿o tÿ há đián hóa hai đián cāc. HG High-purity graphite Graphite có đá tinh khiÃt cao LPE Liquid-phase exfoliation Bóc tách pha lßng MB Methylene blue Methylene xanh MGSs Mass production graphene sheets Graphene chà t¿o khái l°ÿng lãn. O- MGSs Oxygenated graphene Graphene bß oxi hóa nanosheets rGO Reduced graphene oxide Graphene oxit khā SEM Scaning electron microscopy Kính hián vi đián tā quét SWCNT Single walled carbon nanotube àng cacbon đ¢n thành TEM Transmission Electron Kính hián vi đián tā truyßn qua Microscopy viii UV-Vis Ultraviolet - Visible Phá tā ngo¿i khÁ kiÃn VLHP Adsorbent material VÃt liáu hÃp phā XPS X – ray photoelectron Phá quang đián tā tia X spectroscopy XRD X – ray diffraction Nhißu x¿ tia X pzc points of zero charge Điám đẳng đián pHpzc pH of points of zero charge pH căa điám đẳng đián 1 DANH MĀC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình cÃu trúc không gian căa graphite. Các d¿ng thù hình cacbon.4 Ph°¢ng pháp epitaxy trên đà SiC [30].

Hai cách tác đáng lāc đá tách graphene tÿ graphite theo h°ãng top- down [31].6 Quá trình bóc tách c¢ hác chà t¿o graphene bÇng bng dính [31].7 Chà t¿o graphene bÇng ph°¢ng pháp LPE sā dāng máy khuÃy (a) [32], máy say sinh tá (b) [33], (c) siêu âm [34].8 S¢ đß mô tÁ quá trình hình thành graphene theo con đ°ång khā tißn chÃt graphite oxit chà t¿o bÇng ph°¢ng pháp Hummers [36].9 S¢ đß chà t¿o graphene bÇng ph°¢ng pháp đián hóa [37].10 S¢ đß minh háa c¢ chà bóc tách đián hóa trên hai đián cāc [43].12 C¢ chà bóc tách graphite thành các mÁnh graphene ít lãp thông qua sā xen kÁ căa phąc Li+ [46].14 (A) S¢ đß minh háa quá trình bóc tách graphite bÇng ngußn đián xoay chißu (AC) trong dung dßch TBA - HSO4, (B) Hiáu đián thà làm viác ç cāc d°¢ng, (C, D) Hình Ánh đián cāc graphite tr°ãc và sau khi đián hoá, (E) VÃt liáu graphene chà t¿o đ°ÿc trong 15 phút, (F) VÃt liáu graphene phân tán trong DMF (0,10 mg/mL), (G) C¢ chà bóc tách đián hoá ç cÁ hai đián cāc vãi ngußn AC.15 S¢ đß đ¿i dián căa hai lo¿i màng dāa trên graphene. S¢ đß mô tÁ c¢ chà quang phân hăy các phân tā thuác nhuám [82].17 C¢ chà hÃp phā methylene xanh lên graphene [92].18 Graphene oxit hÃp phā kim lo¿i nặng [93] .19 Nguyên tÅc chà t¿o màng lai DWCNTs-Gr và sā dāng nó làm cÃu trúc đián cāc đián hóa đá phát hián As (V) [7]. Há đián hóa chà t¿o graphene và hình Ánh s¢ đß bá trí thí nghiám.2 S¢ đß há đián hóa anodic và hình Ánh s¢ đß bá trí thí nghiám.3 S¢ đß há đián hóa plasma và hình.