CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. GIỚI THIỆU GRAPHITE Graphite là một dạng hình thù của cacbon, có cấu trúc lớp của C lai hóa sp2, nhưng không có độ đàn hồi cao nhưng có khả năng chịu nhiệt, dẫn điện tốt nên được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: chế tạo các điện cực của đèn hồ quang, điện cực trong pin, acquy. Graphite còn được ứng dụng trong sản xuất thép, vật liệu composite, vật liệu chịu lửa, …[28],[29]. Graphite là dạng thù hình có cấu trúc tinh thể 3 chiều của carbon được biết đến nhiều nhất.
Graphite là chất dẫn điện rất tốt, bởi vì trong graphite mỗi nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị với 3 nguyên tử carbon khác hình thành nên các lớp mạng phẳng với các ô hình lục giác, do đó mỗi nguyên tử carbon trong mạng còn dư 1 electron, các electron còn lại này có thể chuyển động tự do bên trên và bên dưới mặt mạng, góp phần vào tính dẫn điện của graphite. Các lớp carbon này liên kết với nhau bằng lực Van der Waals hình thành nên cấu trúc tinh thể 3 chiều (hình 1. Tuy nhiên, các electron tự do chỉ có thể chuyển động dọc theo các bề mặt, cho nên khả năng dẫn điện của graphite có tính định hướng. Do đặc điểm cấu trúc có sự liên kết lỏng lẻo giữa các lớp trong graphite nên nó thường được dùng trong công nghiệp với vai trò là chất bôi trơn dạng khô.
Cũng vì đặc điểm này nên graphite thường dễ vỡ, dễ tách lớp do đó thông thường trong công nghiệp, graphite không được dùng ở dạng nguyên chất như là các vật liệu có cấu trúc ổn định, mà được sử dụng dưới dạng graphite nhiệt phân (pyrolytic graphite) như là sợi carbon, thép, gang xám,. Các vật liệu này có đặc điểm là rất cứng, khả năng chịu nhiệt và chịu lực tốt, thường được dùng trong ngành chế tạo máy, đúc các băng máy lớn có độ phức tạp cao, các chi tiết không cần chịu độ uốn lớn, nhưng cần chịu lực nén và chịu nhiệt tốt (như: các công cụ tiện, phay, bào, các thân máy của động cơ đốt trong) hoặc làm chất bao bọc ở các đầu tên e 6 lửa, bàn đạp thắng và chổi quét ở các motor điện. Nguyên nhân là do dưới tác dụng của nhiệt độ cao các lớp trong cấu trúc của graphite sẽ liên kết với nhau rất lỏng lẻo, và trong quá trình đông đặc với tốc độ tản nhiệt chậm lượng graphite đã hòa lẫn vào trong các chất khác có đủ thời gian để giải phóng thành các phiến nhỏ có dạng tấm (đó chính là các mảng graphene), và thành phần này có ảnh hưởng rất lớn đến các hợp chất tạo thành làm cho chúng có được những ưu điểm như trên. Graphite cũng được sử dụng như là vỏ bọc (khuôn) và phần điều tiết trong các lò phản ứng nguyên tử.
Thuộc tính cho nơtron đi qua rất ít theo mặt cắt ngang làm cho nó cũng được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân.1: cấu trúc tinh thể của graphite 1. GIỚI THIỆU GRAPHENE Là vật liệu hai chiều của carbon lai hóa sp2 Graphene được tạo thành từ các nguyên tử carbon sắp xếp theo cấu trúc lục giác trên cùng một mặt phẳng, hay còn được gọi là cấu trúc tổ ong (Hình 1.2: Cấu trúc của graphene. Mỗi nguyên tử carbon liên kết với ba nguyên tử carbon gần nhất bằng liên kết tạo thành bởi sự xen phủ trục của các obitan lai hóa sp2. Khoảng cách giữa các nguyên tử carbon gần nhất là a = 0,142 nm.
Theo nguyên lí Pauli, các mức năng lượng trong liên kết đã được lấp đầy, do đó obitan lai hóa sp2 sẽ đặc trưng cho mức độ bền vững trong cấu trúc phẳng của màng graphene. Obitan p còn lại của các nguyên tử carbon, nằm vuông góc với cấu trúc phẳng của màng, xen phủ bên với nhau hình thành nên liên kết π, và mức năng lượng của liên kết này chưa được lấp đầy electron nên các obitan này là không định xứ, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành nên các tính chất điện khác thường của graphene.3: Trạng thái lai hóa của cacbon trong mạng graphene. Mặc dù có sự đối xứng cao trong cấu trúc, ô lục giác trong graphene không được chọn làm ô đơn vị, do các nguyên tử carbon liền kề không có vai trò tương đương nhau (Hình 1. Các nguyên tử ở vị trí A và vị trí B là không e 8 tương đương trong hệ toạ độ Dercates.
Mỗi nguyên tử trong mạng graphene đều có 3 nguyên tử gần nhất tạo thành một tam giác đều, nhưng khi so sánh 2 tam giác đều của lần lượt 1 nguyên tử ở vị trí A và 1 nguyên tử ở vị trí B thì ta thấy chúng lệch nhau một góc 600. Một cách tổng quát, có thể xem mạng graphene là sự tổ hợp của 2 mạng con gồm toàn các nguyên tử carbon ở vị trí A và toàn các nguyên tử ở vị trí B, trong cùng mạng con các nguyên tử lân cận hoàn toàn tương đương nhau về mặt cấu trúc và tính chất.4: Cấu trúc mạng graphene. Graphene cứng hơn cả thép và kim cương nhưng lại rất linh hoạt, đến nay nó còn được phát hiện có khả năng chịu được mật độ điện tích cao, đã và đang nhận được sự quan tâm đặc biệt vì graphene sở hữu tính chất nhiệt, điện, quang và cơ vượt trội so với các vật liệu tiên tiến khác[1],[2]. Tuy nhiên, graphene không có vùng cấm năng lượng, dẫn đến làm hạn chế khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao.
Biến tính bề mặt ở kích thước nano được cho là có thể mở rộng vùng cấm năng lượng (band gap opening) và/hoặc thay đổi mật độ electron của graphene (doping). Graphene có khả năng chống chịu lớn hơn rất nhiều những gì được dự đoán trước đây, và theo một cách khác với vật chất thông thường, biến nó trở e 9 thành một loại nguyên liệu hoàn hảo cho việc chế tạo các loại thiết bị điện tử siêu nhanh thế hệ tiếp theo [33]. Hiện tại, graphene đang được khám phá như một chất độn trong nhựa để tạo ra vật liệu composite, giống như cách mà các ống nano carbon được sử dụng để tăng cường độ bền của vật liệu bê tông. Hệ thống treo graphene cũng có thể được sử dụng để tạo ra các màng dẫn điện và quang học phù hợp với màn hình LCD ….
Ngoài ra ứng dụng rõ ràng nhất của granphene là thay thế chip silicon trong điện tử. Trong thời gian gần đây, graphene nhanh chóng thu hút được sự chú ý của giới khoa học và công nghệ, được ca ngợi như một “siêu vật liệu” của tương lai, graphene có thể tạo ra các tấm vật liệu không những vô cùng mỏng, nhẹ mà còn siêu bền và gần như trong suốt. Graphene được coi là mảnh vật chất mỏng và bền nhất hiện nay với độ bền đã từng được kiểm chứng là hơn thép tới 300 lần. Đồng thời, Graphene còn được công nhận là linh hoạt hơn rất nhiều so với silicon.
Tốt hơn silicon, độ linh hoạt cao trong khi còn bền hơn thép và dẫn nhiệt tốt, graphene hiện đang được coi là loại chất liệu lý tưởng cho các thiết bị di động. Tuy nhiên, cũng vì những đặc tính hiếm có như vậy mà loạt vật chất này có giá thành sản xuất rất đắt đỏ. Có lẽ vấn đề lớn nhất đối với hầu hết các thiết bị di động hiện nay là việc chúng cần sạc lại liên tục. Nhưng kể từ năm 2011, khi mà các kĩ sư trường đại học Northwestern phát hiện ra rằng các cực dương bằng graphene giữ điện tốt hơn cực dương bằng than chì với thời lượng nạp nhanh hơn đến 10 lần, các nhà nghiên cứu đang tích cực thí nghiệm với graphene để có thể áp dụng vào công nghệ pin [34].
Năm 2014, các nhà khoa học tại đại học Rice, Mỹ đã phát hiện ra rằng graphene trộn lẫn với vanadi oxit (một giải pháp tương đối rẻ tiền) có thể tạo e 10 ra cực âm pin, có thể sạc tới 90% dung lượng chỉ trong 20 giây, và giữ khả năng đó ngay cả sau 1000 chu kì sử dụng [3]. Năm 2013, các kĩ sư học viện công nghệ MIT và Harvard đã thành công trong việc sử dụng các mẫu DNA để tạo vật liệu graphene có cấu trúc nano, và cuối cùng có thể được chế tác thành các mạch điện. Mặc dù vậy, các nhà khoa học vẫn cần cải thiện thêm sự chính xác trong vận hành trước khi nó có thể thay thế silicon trong các chip máy tính [3]. Graphene có thể giúp chúng ta khai thác năng lượng tốt hơn.
Ngoài pin cho điện thoại và đồng hồ thông minh, loại vật liệu này còn mang tới nhiều lợi ích cho điện năng và quang năng. Năm 2013, các nhà nghiên cứu của đại học công nghệ Michigan của Mỹ đã phát hiện rằng graphane có thể thay thế platinum, một thành phần quan trọng có giá thành rất đắt (khoảng 1500 USD/ounce) trong các tế bào năng lượng mặt trời. Do có cấu trúc như được mô tả ở trên, graphene có độ dẫn và hoạt động xúc tác cần thiết để khai thác và chuyển đổi năng lượng từ mặt trời với hiệu suất cao. Giáo sư Aravind Vijaraghavan (Đại học Manchester) lại cho rằng graphene có thể tương tác tới các hệ thống sinh học của người, hay "giao tiếp với các tế bào của người" như cách ông miêu tả, mà cuối cùng có thể đưa " Internet of Things" lên một tầm cao mới.
Graphene sẽ được sử dụng dưới các lớp phospholipid tổng hợp, và tính linh hoạt giúp nó hoạt động tốt với các hệ thống sinh học trong cơ thể. Bên cạnh các thiết bị điện tử tiêu dùng, phạm vi ứng dụng của graphene thực tế là vô tận. Vì các đặc tính của graphene chỉ được khai thác khi nó được kết hợp với các thành phần khác như các chất khí, kim loại hoặc các nguồn carbon khác, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm graphene để tạo nên anten, bộ lọc nước biển, cửa sổ, sơn, các cánh máy bay, vợt tennis, các thiết bị chuỗi DNA, mực, …. VIOLOGEN Viologens là một họ các hợp chất hữu cơ có công thức phân tử (C5H4NR)2n+.
Chúng là những dẫn xuất của bipyridinium [37]. Các gốc nitơ trong các hợp chất này có thể được kiềm hóa theo phản ứng: (C5H4N)2 + 2RX → [(C5H4NR)2 ]2+ (X-)2 1. Thuộc tính oxi hóa khử: Khi tác nhân alkyl hóa là một halogenua nhỏ, chẳng hạn như methyl clorua hoặc methyl bromide , muối viologen thường tan trong nước. [V] 2+ + e - [V]+ Viologen thường có ba trạng thái oxi hóa khử là dication V 2+, cation gốc V+ và phân tử trung hòa V0, cả ba trạng thái đều ổn định về mặt nhiệt động học.