I. Nghiên cứu tổng hợp tấm nano graphene
Luận văn tập trung vào nghiên cứu tổng hợp tấm nano graphene bằng phương pháp khử hóa học. Phương pháp này sử dụng graphene oxit (GO) làm nguyên liệu ban đầu, sau đó khử hóa học để thu được graphene. Quá trình tổng hợp được thực hiện thông qua phương pháp Hummers cải tiến, bao gồm oxy hóa graphite thành GO và khử GO bằng monohydrazine. Kết quả cho thấy sự gia tăng đáng kể độ dẫn điện của vật liệu sau khi khử, từ 4.18x10^-4 S.m^-1 (GO) lên đến 20-80 S.m^-1 (RGO).
1.1. Quy trình tổng hợp GO
Quy trình tổng hợp graphene oxit (GO) bắt đầu từ bột graphite, được oxy hóa bằng hỗn hợp H2SO4, H3PO4, và KMnO4. Sau đó, GO được phân tán trong dung môi DMF để tạo thành các lớp mỏng. Phương pháp này đảm bảo tính đồng đều và ổn định của vật liệu, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khử hóa học tiếp theo.
1.2. Khử hóa học GO thành graphene
Quá trình khử hóa học được thực hiện bằng cách sử dụng monohydrazine ở nhiệt độ 95 ± 5°C trong khoảng thời gian 10 giờ. Kết quả cho thấy sự loại bỏ các nhóm chức chứa oxy và phục hồi mạng lưới liên kết carbon sp2, dẫn đến sự gia tăng đáng kể độ dẫn điện của vật liệu.
II. Phương pháp khử hóa học và ứng dụng
Phương pháp khử hóa học được sử dụng để chuyển đổi graphene oxit (GO) thành graphene với độ dẫn điện cao. Quá trình này không chỉ loại bỏ các nhóm chức oxy mà còn phục hồi cấu trúc mạng lưới carbon sp2, tạo ra vật liệu có tính chất điện vượt trội. Sau khi xử lý nhiệt trong môi trường 20% H2 và 80% Ar, độ dẫn điện của graphene có thể đạt tới 2500 S.m^-1, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ.
2.1. Xử lý nhiệt và cải thiện độ dẫn điện
Sau quá trình khử hóa học, vật liệu được xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao (1100°C) trong môi trường khí H2 và Ar. Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn các nhóm chức oxy còn sót lại và tối ưu hóa cấu trúc mạng lưới carbon, dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ độ dẫn điện của vật liệu.
2.2. Ứng dụng trong công nghệ
Vật liệu graphene tổng hợp được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như chế tạo cảm biến khí siêu nhạy, điện cực trong suốt, và transistor hiệu ứng trường. Những tính chất vượt trội của graphene như độ dẫn điện cao, độ trong suốt và độ bền cơ học làm cho nó trở thành vật liệu tiềm năng thay thế cho các vật liệu truyền thống như ITO.
III. Phân tích và đánh giá vật liệu
Luận văn sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại như SEM, TEM, AFM, Raman, XRD, FTIR, UV-Vis, và XPS để đánh giá cấu trúc và tính chất của graphene. Kết quả cho thấy sự phục hồi mạng lưới carbon sp2 và loại bỏ các nhóm chức oxy là nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng độ dẫn điện của vật liệu.
3.1. Phân tích cấu trúc bằng SEM và TEM
Hình ảnh SEM và TEM cho thấy cấu trúc mạng lưới của graphene sau quá trình khử hóa học. Các tấm graphene có độ dày mỏng và diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho các ứng dụng trong công nghệ.
3.2. Phân tích phổ Raman và XRD
Phổ Raman và XRD xác nhận sự phục hồi cấu trúc mạng lưới carbon sp2 và loại bỏ các nhóm chức oxy. Điều này khẳng định hiệu quả của quá trình khử hóa học và xử lý nhiệt trong việc cải thiện tính chất điện của vật liệu.
IV. Kết luận và hướng phát triển
Luận văn đã thành công trong việc tổng hợp tấm nano graphene bằng phương pháp khử hóa học, đồng thời khảo sát và cải thiện các tính chất điện của vật liệu. Kết quả nghiên cứu mở ra nhiều hướng ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực công nghệ cao, đặc biệt là trong chế tạo cảm biến và thiết bị điện tử.
4.1. Kết luận
Quá trình tổng hợp và khử hóa học graphene oxit (GO) đã tạo ra vật liệu graphene với độ dẫn điện cao và tính chất vật lý vượt trội. Các phương pháp phân tích hiện đại đã xác nhận hiệu quả của quá trình này.
4.2. Hướng phát triển
Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và khử hóa học để nâng cao hơn nữa tính chất của graphene, đồng thời mở rộng ứng dụng của vật liệu này trong các lĩnh vực công nghệ mới.
