Nghiên cứu tổng hợp và khả năng hấp phụ của graphen oxit dopping kim loại chuyển tiếp

Luận văn thạc sĩ phân tích hus nghiên cứu tổng hợp và khả năng hấp phụ của graphen oxit dopping kim loại chuyển tiếp, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả

• Tác giả: Nguyễn Thị Phương
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Đình Ngọ
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp và khả năng hấp phụ của graphen oxit dopping kim loại chuyển tiếp
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ GRAPHEN
• 1.1. Tính chất vật lý
• 1.2. Cấu trúc của graphen
• 1.3. Một số tính chất của vật liệu graphene
• 1.4. Phương pháp tổng hợp graphen
• 1.4.1. Phương pháp tách lớp vi cơ học của graphit
• 1.4.2. Phương pháp epitaxy
• 1.4.3. Phương pháp hóa học
• 1.5. Giới thiệu chung về oxit graphen
• 1.6. Điều chế oxit graphen
• 1.6.1. Phương pháp siêu âm
• 1.6.2. Phương pháp vi sóng
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nội dung nghiên cứu của luận văn
• 2.2. Tổng hợp vật liệu
• 2.2.1. Tổng hợp nano composit Fe-Fe3O4-GO
• 2.2.2. Tổng hợp vật liệu nano composit CoFe2O4/GO
• 2.2.3. Tổng hợp vật liệu nano composit ZnFe2O4-rGO
• 2.3. Phương pháp đo dung lượng hấp phụ
• 2.4. Đánh giá khả năng hấp phụ
• 2.5. Các phương pháp phân tích để xác định đặc trưng của vật liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Các kết quả đặc trưng của xúc tác
• 3.2. Đặc trưng, hình thái học của Fe/Fe3O4/GO
• 3.3. Nghiên cứu các đặc trưng của vật liệu CoFe2O4/GO
• 3.4. Nghiên cứu các đặc trưng của vật liệu ZnFe2O4-rGO
• 3.5. Các kết quả khảo sát khả năng hấp phụ và quang xúc tác của vật liệu
• 3.6. Nghiên cứu quá trình phân hủy RR195 trên Fe-Fe3O4-GO
• 3.7. Nghiên cứu quá trình phân hủy RR195 trên CoFe2O4/GO
• 3.8. Nghiên cứu quá trình phân hủy RR195 trên ZnFe2O4-rGO
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về khả năng hấp phụ của graphen oxit dopping kim loại chuyển tiếp

Graphen oxit (GO) là một vật liệu có cấu trúc độc đáo và tính chất vượt trội, được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực hấp phụ. Khả năng hấp phụ của GO dopping kim loại chuyển tiếp đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu. Vật liệu này không chỉ có diện tích bề mặt lớn mà còn có khả năng tương tác tốt với các ion kim loại và các hợp chất hữu cơ độc hại. Việc nghiên cứu khả năng hấp phụ của GO dopping kim loại chuyển tiếp không chỉ giúp hiểu rõ hơn về tính chất vật lý của nó mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong xử lý nước thải và môi trường.

1.1. Ứng dụng của graphen oxit trong xử lý nước thải

Graphen oxit đã được chứng minh là một vật liệu hấp phụ hiệu quả trong việc loại bỏ các ion kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước thải. Với diện tích bề mặt lớn và khả năng tương tác hóa học tốt, GO có thể hấp phụ các chất ô nhiễm, giúp cải thiện chất lượng nước. Nghiên cứu cho thấy rằng GO có thể hấp phụ đến 90% các ion kim loại nặng trong môi trường nước, điều này cho thấy tiềm năng lớn của nó trong ứng dụng thực tiễn.

1.2. Tính chất vật lý của graphen oxit dopping kim loại chuyển tiếp

Tính chất vật lý của graphen oxit dopping kim loại chuyển tiếp rất đa dạng. GO có khả năng dẫn điện tốt, độ bền cơ học cao và khả năng hấp phụ mạnh mẽ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc dopping kim loại chuyển tiếp vào GO có thể cải thiện đáng kể khả năng hấp phụ của nó. Các ion kim loại như Fe, Co, và Zn khi được đưa vào cấu trúc của GO không chỉ làm tăng khả năng hấp phụ mà còn tạo ra các tính chất mới, mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới.

II. Thách thức trong nghiên cứu khả năng hấp phụ của graphen oxit

Mặc dù graphen oxit dopping kim loại chuyển tiếp có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong nghiên cứu và ứng dụng của nó. Một trong những thách thức lớn nhất là việc kiểm soát quá trình tổng hợp và dopping để đạt được các đặc tính mong muốn. Ngoài ra, việc đánh giá khả năng hấp phụ trong các điều kiện thực tế cũng gặp nhiều khó khăn. Các yếu tố như pH, nhiệt độ và nồng độ ion kim loại trong nước đều ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ của GO.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của graphen oxit

Khả năng hấp phụ của graphen oxit dopping kim loại chuyển tiếp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như pH, nhiệt độ và nồng độ ion kim loại. Nghiên cứu cho thấy rằng pH của dung dịch có thể ảnh hưởng đến sự ion hóa của các nhóm chức trên bề mặt GO, từ đó ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ. Nhiệt độ cũng đóng vai trò quan trọng, vì nó có thể làm tăng hoặc giảm khả năng hấp phụ tùy thuộc vào tính chất của các chất ô nhiễm.

2.2. Khó khăn trong việc tổng hợp graphen oxit dopping kim loại

Quá trình tổng hợp graphen oxit dopping kim loại chuyển tiếp thường gặp khó khăn trong việc kiểm soát kích thước và hình dạng của các hạt dopping. Việc sử dụng các phương pháp tổng hợp khác nhau có thể dẫn đến sự khác biệt lớn về tính chất vật lý và hóa học của GO. Do đó, việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả và đồng nhất là một thách thức lớn trong nghiên cứu này.

III. Phương pháp tổng hợp graphen oxit dopping kim loại chuyển tiếp

Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp graphen oxit dopping kim loại chuyển tiếp, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp hóa học, phương pháp tách lớp và phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD). Mỗi phương pháp này đều có thể tạo ra các sản phẩm với tính chất khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu.

3.1. Phương pháp hóa học trong tổng hợp graphen oxit

Phương pháp hóa học là một trong những phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp graphen oxit. Quá trình này thường bao gồm việc oxi hóa graphit để tạo ra oxit graphen, sau đó dopping kim loại được thực hiện bằng cách thêm các ion kim loại vào dung dịch. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt các điều kiện phản ứng, từ đó tạo ra các sản phẩm với tính chất mong muốn.

3.2. Phương pháp lắng đọng hơi hóa học CVD

Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) là một kỹ thuật tiên tiến để tổng hợp graphen oxit dopping kim loại. Phương pháp này cho phép tạo ra các lớp graphen có độ dày đồng nhất và chất lượng cao. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho thiết bị và quy trình thực hiện thường cao, điều này có thể hạn chế khả năng ứng dụng của phương pháp này trong sản xuất quy mô lớn.

IV. Kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ của graphen oxit dopping kim loại

Nghiên cứu về khả năng hấp phụ của graphen oxit dopping kim loại chuyển tiếp đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Các thí nghiệm cho thấy rằng GO có thể hấp phụ hiệu quả các ion kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại. Kết quả này mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng GO trong xử lý nước thải và bảo vệ môi trường.

4.1. Kết quả thí nghiệm hấp phụ ion kim loại

Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng graphen oxit dopping kim loại có khả năng hấp phụ cao đối với các ion kim loại nặng như Pb, Cd và Hg. Kết quả cho thấy rằng khả năng hấp phụ của GO tăng lên khi nồng độ ion kim loại trong dung dịch tăng. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của GO trong việc xử lý nước thải chứa ion kim loại nặng.

4.2. Kết quả thí nghiệm hấp phụ hợp chất hữu cơ

Ngoài khả năng hấp phụ ion kim loại, graphen oxit dopping kim loại cũng cho thấy khả năng hấp phụ tốt đối với các hợp chất hữu cơ độc hại như thuốc nhuộm và hóa chất công nghiệp. Các thí nghiệm cho thấy rằng GO có thể loại bỏ đến 80% các hợp chất hữu cơ trong nước thải, điều này cho thấy khả năng ứng dụng của nó trong xử lý nước thải.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của graphen oxit dopping kim loại

Khả năng hấp phụ của graphen oxit dopping kim loại chuyển tiếp đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu. Với tính chất vật lý và hóa học đặc biệt, GO có tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, vẫn cần nhiều nghiên cứu hơn nữa để tối ưu hóa quy trình tổng hợp và nâng cao hiệu quả hấp phụ của vật liệu này.

5.1. Triển vọng ứng dụng trong xử lý môi trường

Với khả năng hấp phụ mạnh mẽ, graphen oxit dopping kim loại có thể trở thành một giải pháp hiệu quả cho vấn đề ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu và phát triển các ứng dụng thực tiễn của GO trong xử lý nước thải sẽ góp phần bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc cải thiện quy trình tổng hợp graphen oxit dopping kim loại, cũng như khám phá các ứng dụng mới trong lĩnh vực năng lượng và công nghệ sinh học. Việc phát triển các vật liệu mới dựa trên GO có thể mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng công nghệ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực công nghiệp đã tạo ra ngày càng nhiều sản phẩm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Bên cạnh những thành tựu to lớn đó, con người đã vô tình dần hủy hoại môi trường sống của mình do các chất thải ra từ các công đoạn sản xuất mà không qua xử lý hoặc xử lý không triệt để. Tốc độ công nghiệp hóa và đô thị hóa diễn ra khá nhanh cùng với sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thị. Đối tượng gây ô nhiễm chủ yếu là hoạt động sản xuất của nhà máy trong các khu công nghiệp, hoạt động làng nghề và sinh hoạt tại các đô thị lớn.

Thành phần chủ yếu trong nước thải của các cơ sở công nghiệp như: dệt may, cao su, giấy, mỹ phẩm,… chủ yếu là các chất màu, thuốc nhuộm hoạt tính, các ion kim loại nặng, các chất hữu cơ,. Trong đó do tính tan cao nên các thuốc nhuộm là tác nhân chủ yếu gây ô nhiễm các nguồn nước và hậu quả là tổn hại đến con người và các sinh vật sống. Hơn nữa, thuốc nhuộm trong nước thải rất khó phân hủy vì chúng có độ bền cao với ánh sáng, nhiệt và các tác nhân gây oxy hoá. Vì vậy, bên cạnh việc nâng cao ý thức bảo vệ môi trường của con người, siết chặt công tác quản lí môi trường thì việc tìm ra phương pháp nhằm loại bỏ các ion kim loại nặng, các hợp chất màu hữu cơ, thuốc nhuộm hoạt tính độc hại ra khỏi môi trường nước có ý nghĩa hết sức to lớn.

Trong khoảng 25 năm gần đây, vật liệu cacbon và vật liệu trên cơ sở cacbon vẫn là những vật liệu được sử dụng nhiều nhất để làm vật liệu hấp phụ - xúc tác. Vật liệu trên cơ sở cacbon đã có những bước dài, đầu tiên là than hoạt tính, tiếp theo là ống nano cacbon và hiện nay là graphen. Trong những năm gần đây, graphen và vật liệu trên cơ sở graphen nhận được sự quan tâm đặc biệt. Kể từ khi lần đầu tiên graphen được giới thiệu về các tính chất điện tử năm 2004, ngày nay graphen và vật liệu trên cơ sở graphen đã trở thành đối tượng được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và nghiên cứu rộng rãi từ tính chất điện, điện hóa, quang học, cơ học và khả năng hấp phụ độc đáo của nó.

Với diện tích bề mặt lớn (giá trị lý thuyết 2630m2/g), tính chất vật lý và hóa học đặc biệt, nó có thể cho phép việc sản xuất vật liệu composit với các đặc tính chưa từng thấy. Ngay cả việc sử dụng duy nhất một lớp graphen 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] như một chất hỗ trợ xúc tác đã được báo cáo và đã đạt được một số kết quả đầy triển vọng. Xuất phát từ những lý do trên, trong luận văn này chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp và khả năng hấp phụ của graphen oxit dopping kim loại chuyển tiếp”. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG I.

Giới thiệu về graphen Trong thời gian gần đây, khoa học công nghệ ngày càng phát triển vật liệu cacbon nano được tìm ra và ứng dụng ngày càng rộng rãi. Vào năm 2004, Andre Geim, Konstantin Novoselov và các cộng sự ở trường Đại học Manchester (Anh) và Viện Công nghệ Vi điện tử ở Chernogolovka (Nga) đã thành công trong việc tạo ra được một tấm carbon đơn lớp vô cùng đặc biệt, đơn lớp đó được gọi là graphen. Đến năm 2010, các công trình này đã đạt được giải thưởng Nobel vật lý và mở ra một hướng nghiên cứu đột phá về vật liệu graphen. Graphen được quan tâm nghiên cứu rất nhiều do đặc điểm cấu trúc độc đáo và tính chất vượt trội.

Hơn nữa, chi phí để sản xuất graphen thấp hơn so với vật liệu nano cacbon khác. Vì thế, graphen ngày càng được quan tâm nghiên cứu trong các lĩnh vực khác nhau như linh kiện điện tử, vật liệu cảm ứng, vật liệu xúc tác, xúc tác quang học, tế bào năng lượng mặt trời, tăng cường tia Raman, tổng hợp hình ảnh phân tử và ứng dụng trong y học. Đặc biệt, graphen được chú ý như vật liệu hấp phụ - xúc tác để xử lý các ion kim loại và các chất hữu cơ độc hại trong nước thải. Tính chất vật lý Ở nhiệt độ phòng, Sumit Goenka [23].

đã thống kê tính chất vật lí của graphen đơn lớp như sau: Bảng 1. Tính chất của Graphen đơn lớp Tính chất Giá trị Chiều dài liên kết C-C 0,142 nm Mật độ 0,77 mg.m-2 Diện tích bề mặt lý thuyết 2630 m2 g-1 Mô đun đàn hồi 1100 GPA Độ cứng 125 GPA Điện trở 200 000 cm2 V-1 s-1 Độ dẫn điện 5000 W m-1 K-1 Độ truyền quang 97,7% 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc của graphen Hình 1. Các liên kết của mỗi nguyên tử cacbon trong mạng graphen Về mặt cấu trúc màng graphen được tạo thành từ các nguyên tử carbon sắp xếp theo cấu trúc lục giác trên cùng một mặt phẳng, hay còn gọi là cấu trúc tổ ong [6].

Trong đó, mỗi nguyên tử cacbon liên kết với ba nguyên tử cacbon gần nhất bằng liên kết π- π, tương ứng với trạng thái lai hoá sp2. Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon gần nhất là 0,142nm. Theo nguyên lí Pauli, lai hóa sp2 sẽ đặc trưng cho mức độ bền vững trong cấu trúc phẳng của màng graphen. Opitan p còn lại nằm vuông góc với cấu trúc phẳng của màng, xen phủ bên hình thành liên kết π, và mức năng lượng này chưa được lấp đầy nên gọi là các opitan không định xứ, chính nó đã đóng vai trò quan trọng hình thành nên các tính chất điện khác thường của graphen (hình 1.

Một số tính chất của vật liệu graphene 1. Tính chất điện – điện tử Graphen có độ linh động điện tử cao (~ 15.s ở nhiệt độ phòng [28], trong khí đó Si ~ 1400 cm2/ V.s, ống nano các bon ~ 10.s, bán dẫn hữu cơ (polymer, oligomer) < 10 cm2/ V.s) Điện trở suất của graphen ~ 10-6 Ω.cm, thấp hơn điện trở suất của bạc (Ag), là vật chất có điện trở suất thấp nhất ở nhiệt độ phòng. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Độ dẫn điện của một số vật liệu Vật liệu Độ dẫn điện (S.8 Nước uống 5×10−4 to 5×10−2 Silic 1.56×10−3 Gỗ 10−4 to 10-3 Thủy tinh 10−11 to 10−15 Cao su 10−14 Không khí 3×10−15 to 8×10−15 Teflon 10−25 to 10−23 1.

Tính chất nhiệt Độ dẫn nhiệt của vật liệu graphen được đo ở nhiệt độ phòng ~ 5000W/mK [50] cao hơn các dạng cấu trúc khác của các bon là ống nano các bon, than chì và kim cương. Graphen dẫn nhiệt theo các hướng là như nhau. Khi mà các thiết bị điện tử ngày càng được thu nhỏ và mật độ mạch tích hợp ngày càng tăng thì yêu cầu tản nhiệt cho các linh kiện càng quan trọng. Với khả năng dẫn nhiệt tốt, graphene hứa hẹn sẽ là một vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng tương lại.

5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu Vật liệu Độ dẫn nhiệt (W/mK) Kim cương 1000 Bạc 406.0 Vàng 314 Đồng thau 109.08 Sợi thủy tinh 0.04 Gạch cách nhiệt 0. Tính chất cơ Để đo được độ bền của vật liệu graphen các nhà khoa học đã sử dụng một kỹ thuật đó là kính hiển vi lực nguyên tử. Một đầu típ có đường kính 2nm bằng kim cương làm lõm một tấm graphen đơn lớp.

Kết quả đo và tính toán cho thấy graphen (Young’s modulus ~ 1.100 GPa, độ bền kéo 125 GPa) là vật liệu rất cứng (hơn kim cương và cứng hơn 300 lần so với thép). Trong khi đó tỉ trọng của graphen tương đối nhỏ 0,77 mg/m2. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tính chất quang Graphene hầu như trong suốt, nó hấp thụ chỉ 2,3% cường độ ánh sáng , độc lập với bước sóng trong vùng quang học.

Như vậy, miếng graphene lơ lửng không có màu sắc. Tính chất hóa học Tương tự như bề mặt graphite, graphen có thể hấp thụ và giải hấp thụ các nguyên tử và phân tử khác nhau (ví dụ NO2, NH3, K và OH). Các chất hấp thụ liên kết yếu thể hiện vai trò như các donor và acceptor và làm thay đổi nồng độ các hạt tải vì thế graphen có tính dẫn điện cao. Điều này có thể được khai thác cho các ứng dụng làm cảm biến hóa chất.

Phương pháp tổng hợp graphen 1. Phương pháp tách lớp vi cơ học của graphit Các lực cơ học tác động từ bên ngoài để tách graphit dạng khối thành các lớp graphen với năng lượng 2eV/nm2, độ lớn lực 300nN/µm2. Đây là lực khá yếu và đạt được khi cọ sát mẫu graphit trên bề mặt của đế SiO2 hay dùng băng keo dính. Geim và Kostya Novoselov tại đại học Manchester tình cờ đã dán những mảnh graphit trên miếng băng keo, gập dính nó lại, rồi kéo giật ra, tách miếng graphit làm đôi [23].

Họ cứ làm như vậy nhiều lần cho đến khi miếng graphit trở nên thật mỏng, sau đó đưa những lớp này lên trên một chất nền silicon. Những mảnh đó có thể có bề dày bằng đường kính của nguyên tử cacbon, nó chính là graphen (hình1. Phương pháp tách lớp graphit bằng băng dính Ưu điểm: ít tốn kém, dễ thực hiện và không cần những thiết bị đặc biệt. Nhược điểm: Kết quả không ổn định, màng tạo nên không phẳng, không phù hợp chế tạo số lượng lớn, dễ có lượng tạp chất nhỏ bám trên bề mặt graphen.

7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phương pháp epitaxy Epitaxy là phương pháp tạo màng đơn tinh thể trên mặt của một đế tinh thể. Có hai cơ chế được nghiên cứu: Cơ chế phân hủy nhiệt của một số cacbua kim loại thường được tiến hành với đế silic cacbua ở nhiệt độ cao từ 1300oC - 1650oC. Khi nhiệt độ được nâng đủ cao các nguyên tử Si sẽ thăng hoa, các nguyên tử cacbon còn lại trên bề mặt sẽ được sắp xếp và liên kết lại trong quá trình graphit hóa ở nhiệt độ cao (hình 1.Cơ chế tạo màng graphen bằng phương pháp nung nhiệt đế SiC Cơ chế mọc màng đơn tinh thể của graphen trên đế kim loại (Ni, Cu,…) và đế cacbua kim loại bởi sự lắng đọng hơi hóa chất của các hydrocarbon (CVD) [9].

Đầu tiên các đế được nung đến nhiệt độ cao (~1000oC) để loại bỏ oxit, sau đó dòng khí loãng hydrocarbon được đưa vào, ở nhiệt độ cao các hydrocacbon sẽ bị phân hủy và lắng đọng lại trên bề mặt đế, hệ thống được làm lạnh nhanh để các nguyên tử carbon phân tách trên bề mặt và hình thành màng graphen .