CHƯƠNG 1 QUAN LY THUYET 1. Vật liệu graphit Than chì trong tự nhiên được tìm thấy ở một số khoáng vật như: thiên thạch, thạch anh, mica. Vào khoảng những năm 1500-1560, cái tên than chì (graphit) được đặt bởi Abraham Gottlob Werner (một nhà địa chất học người Đức) vào năm. 1789, xuất phát từ tiếng Hy Lạp với ý nghĩa “để vẽ” [2].
Mẫu graphit Graphit có khả năng dẫn điện tử tốt vì trong cấu trúc. graphit, mỗi nguyên tử cacbon liên kết công hóa trị với 3 nguyên tử cacbon khác hình thành nên mạng phẳng với các ô hình lục giác, do đó mỗi nguyên tử cacbon trong mạng còn dir 1 electron, Cac clectron còn lại này có thể chuyển động tự do bên trên và bên dưới mặt mạng, góp phần vào tính dẫn điện của graphit. Các nguyên tử cacbon trong. eraphit liên kết với nhau bằng liên kết đơn và một liên kết đôi (œ).
Khoảng cách gần nhất của hai nguyên tử cacbon là 0,142am. Các đơn lớp graphit liên kết với nhau bằng lực Van đer waals hình thành nên cầu trúc tỉnh thể 3 chiều. Khoảng cách giữa các lớp graphit vào khoảng 0,334 nm. Do đặc điểm cấu trúc có sự liên kết lỏng lẻo.
giữa các tắm (lớp) trong graphit nên các lớp graphit đễ trượt lên nhau, ngược lại do liên kết giữa các nguyên tử cacbon trong cùng một đơn lớp rất mạnh nên mặt graphit rất bền vững về mặt cơ học. Do vậy nó thường được dùng trong công nghiệp. với vai trỏ là chất bôi trơn dạng rắn, chỗi than,. Cũng vì đặc điểm này nên graphit thường dé tách lớp[I] 10 +1¿1} hề Crit he atte Chư pgi Ô mạng Mô hình liên kết một lớp Hình chiếu bên các lớp.
Hình chiếu bằng các lớp Mô phỏng liên kết các ô mạng Hình 1. Cấu trúc tình thể graphit [2] gu graphen 1. Khái niệm về graphen: 'Graphen là một mặt phẳng đơn lớp của những nguyên tử cacbon được sắp xếp. chặt chẽ trong mạng tỉnh thể hình tổ ong 2 chiều (2D).
Graphen được cuộn lại sẽ tạo. nên dạng thủ hình fullerene 0D, được quấn lại sẽ tạo nên dạng thù hình cacbon nanotube 1D, hoặc được xếp chồng lên nhau sẽ tạo nên dạng thủ hình 3D graphit. Nét điển hình của cấu trúc là sắp xếp các nguyên tử cacbon trên các đỉnh lục giác đều, nằm cách nhau những khoảng cách nhất định là 1,42 A° và liên kết với nhau. bởi những liên kết sp? [1] 1.
Lịch sử phát triển của graphen: Graphen được hai nhà khoa học người Anh gốc Nga là Andre Geim và Konstantin Novoselov (Anh) khám phá ra vào năm 2004. Năm 2005 số lượng công. trình công bồ liên quan đến 3 vật liệu cấu trúc nano trên cơ sở cacbon nhu fullerene, 11 CNTs va graphen chi đạt khoảng 5000 công trình, năm 2014 đã tăng lên 30000 công trình gấp 6 lần so với năm 2005. Trong đó xu hướng nghiên cứu về graphen đã tăng mạnh từ khi giải Nobel về graphen được công bố năm 2010.3 Cấu trúc graphen Dưới kính hiển vi Andre Geim và Konstantin Novoselov đã quan sát được những mảng graphen lơ lửng trong trạng thái tự do không phẳng mà lỗi lõm như.
mặt sóng vi mô trong không gian 3 chiều. Graphen hiện hữu với ặt lỗi lõm của không gian 3 chiều [2] 'Về mặt cấu trúc, màng graphen được tạo thành từ các nguyên tử cacbon sắp. xếp theo cấu trúc lục giác trên cùng một mặt phẳng, hay còn gọi là cấu trúc tổ ong Do chỉ có sáu electron tao thành lớp vỏ của nguyên tử cacbon nên chỉ có bốn electron phân bố ở trạng thái 2s và 2p đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết hóa học giữa các nguyên tử với nhau. Các trạng thái 2s và 2p của nguyên tử cacbon lai hóa với nhau tạo thành ba trạng thái sp, các trạng thái này định hướng theo ba phương tạo với nhau một góc 120°.
Mỗi trang thái sp? của nguyên tử cacbon này xen phủ với một trạng thái sp của nguyên tử cacbon khác hình thành nên liên kết cộng hóa trị Z bền vững. Chính các liên kết Z này quy định cấu trúc mạng tỉnh th eraphen ở hình dạng tổ ong và lý giải tai sao graphen rat bền vững về mặt cơ học và trơ về mặt hóa học trong mặt phẳng mạng. Ngoài các liên kết Z, giữa hai nguyên tử. cacbon lân cận còn tồn tại một liên kết z khác bền vững hơn hình thành do sự xen phủ của các obitan p; không bị lai hóa với các obitan s.
Do liên kết z này yếu và có. định hướng không gian vuông góc với các obitan sp nên các electron tham gia liên kết này rất linh động và quy định tính chất điện và quang của graphen [2]. ác liên kết của nguyên tử cacbon trong mạng graphen [2] 1. Tỉnh chất của graphen “Tính trong suốt quang học của Graphen 'Graphen hầu như trong suốt, nó hấp phụ chỉ 2.3% cường độ ánh sáng, độc lập.
với bước sóng trong vùng quang học Sức bền của Graphen. Graphen có sức bền 42 N/m?. Với một mảng thép giả thuyết có cùng bề dày. Như vậy, graphen bền hơn thép cứng nhất hơn 100 lần.
Khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt của Graphen. Graphen cé tinh dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Ở dạng tỉnh khiết, graphen dẫn điện nhanh hơn bắt cứ chất nào ở nhiệt độ thường. Graphen có thể truyền tải điện năng.
tốt hơn đồng gấp một triệu lần. Hơn nữa, các electron đi qua graphen hầu như. không gặp điện trở nên ít sinh nhiệt. Bản thân graphen cũng là chất dẫn nhiệt, cho.
phép nhiệt đi qua và phát tán rất nhanh. + Khả năng hấp phụ của Graphen Graphen có diện tích bề mặt lớn (2630 m°/g) cao hơn diện tích bề mặt của. than hoạt tính ( 800-1000 m2/g) va \g nano cacbon (2240 m*/g). Do dé kha năng hắp phụ của graphen là rất lớn.
+ Graphen là một chất kín khí Graphen có kích cỡ của một nguyên tử nên không cho phân tử khí lọt qua. Do có tính kín khí nên graphene dùng làm các màng che phủ và ứng dụng trong hóa dầu[2]. Các phương pháp tổng hợp graphen * Graphen tổng hợp từ phương pháp vật lý 13 Graphen tong hop bing phương pháp vật lý trong cấu trúc sẽ không có nhóm. chức oxy, loại graphen này được gọi là graphen nguyên bản (GP) + Bóc lớp cơ học Bóc lớp cơ học , là kĩ thuật đầu tiên được sử dụng đề tông hợp graphen [1].Geim và Kostya Novoselov tại đại học Manchester ở Anh, họ đán những mảnh vụn graphit trên một miếng băng keo, gập dính nó lai, rồi kéo giật ra, tách miếng graphit làm đôi.
Họ cứ làm như vậy nhiều lần cho đến khi miếng. graphit trở nên thật mỏng, sau đó dán miếng băng keo lên silieon xốp và ma sắt nó, khi đó có vải mảnh graphit dính trên miếng silicon xốp, và những mảnh đó có thể. có bề day 1a 1 nguyên tử, chính là graphen [5] + Phương pháp epitaxy. Thường được tiến hành với để silie cacbua (SiC) ở 1300°C trong môi trường.
chân không cao hoặc ở 1650°C trong môi trường khí Argon, do sự thăng hoa của Sỉ xảy ra ở 1150°C trong môi trường chân không và ở 1500°C trong môi trường khí Argon. Khi nâng lên đến nhiệt độ đủ cao các nguyên tử Sĩ 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, nếu việc kiểm soát quá trình thăng hoa của Sỉ phù hợp thì sẽ hình thành nên màng graphen rất mỏng phủ toàn bộ bề mặt của đế SiC (Hình I. 29999 oo 92,5 948 © a co si Hình 1. Co ché tao mang graphen bing phuong phap nung nhiét dé SiC [1] * Graphen (rGO) tổng hợp từ graphit oxit Sơ đồ chuyên hóa graphit thành rGO được thể hiện ở hình 1.
Quá trình khử các nhóm chức chứa oxy trên b mặt GO sẽ chuyển các C-sp" ~ C-sp? , sản phẩm của phản ứng này được đưa ra bằng một loạt các tên, ví như: Graphen oxit bị khử, graphen oxit bị khử về mặt hóa học hay rGO [I]. So đồ chuyển hóa từ graphit thành rGO [1] Các phương pháp khử GO về rGO đã được nghiên cứu rộng rãi trong thập kỷ qua. Quá trình khử hóa học GO đã được thực hiện với các tác nhân khử như: hydrazin monohydrat (N2H,. Dimethyl hydrazin, axit hydriodic (HI), khi hidro ở nhiệt độ cao, ancol,.
Mi tic nhân khử có hoạt tính với một nhóm chức nhất định và hiệu quả khử của các tác nhân là khác nhau [ I]. Tuy nhiên, các phương pháp khử hóa học trên cho thấy một s nhược điểm như: tạo ra chất thải độc hại và có hại cho môi trường (hơi hydrazin là chất rất độc). Do đó, việc tìm ra các chất khử hiệu quả cao và thân thiện môi trường là cần thiết để thay thế các phương pháp khử GO truyền thống. Gần đây tác nhân khử thân thiện môi trường, chẳng hạn như vitamin C, bột nhôm, khử đường, axit amin,.
đã được nghiên cứu sử dụng để khử GO về rGO [1]. Ngoài phương pháp sử dụng các chất hóa học để khử các nhóm chức chứa oxi trên GO edn có phương pháp khử nhiệt. * Sự khử nhiệt: Khử hóa học là phương pháp phổ nhất để khử GO, thay vì sử dụng một chất khử hóa học để loại các nhóm chức chứa oxi từ bề mặt ở đây sử dụng nhiệt để khử graphit oxit hoặc GO trong lò nung ( môi trường chân không cao hoặc trong, môi trường khí Ar, H›, Nạ. Bên cạnh quá trình khử còn có quá trình bóc lớp, quá trình bóc lớp xảy ra là vì các khí CO, COa, hơi HzO và các phân tir hydro nhỏ được tao ra bằng cách nung nóng graphit oxit, GO lên nhiệt độ cao, tạo ra áp lực rất lớn trong các lớp xếp chồng lên nhau khi áp suất đủ lớn sẽ tách các lớp GO ra xa [1].
Cấu trúc của graphen oxit Mặc dù GO đã được nghiên cứu trong hơn một thế kỷ, các cấu trúc hóa học. 15 chính xác của GO vẫn còn chưa rõ ràng. Bản chất của các nhóm chức oxy vả cách. sắn kết trên mạng lưới cacbon là rất quan trọng đề có được một cấu trúc GO chính xác.
Cấu trúc của GO phụ thuộc nhiều vào phương pháp tổng hợp và được đưa ra bởi nhiều nhà nghiên cứu khác nhau thể hiện trong hình 1. Cấu trúc để xuất của GO bởi các nhà nghiên cứu khác nhau [1] Nhưng trong đó mô hình của Lerf-Klinowski phổ biến hơn cả. Theo đó, eraphit sau khi oxi hóa, trên mặt phẳng nằm ngang của các lớp có các nhóm. hydroxyl, epoxy va trên các góc của mặt phẳng nằm ngang có thể hình thành các nhóm chức cacbonyl hoặc caboxyl [1].
Đặc điểm cấu trúc quan trọng nhất của sản.