Nghiên Cứu Vật Liệu Graphene và Ứng Dụng Trong Thấm Lọc Dầu

Tài liệu nghiên cứu Luận văn nghiên cứu chế tạo graphene oxide và ứng dụng trong thấm lọc dầu, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Nguyễn Thu Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Hà Xuân Vinh
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Graphene và Ứng Dụng Trong Thấm Lọc Dầu
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỤC LỤC
• TRANG PHỤ BÌA
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu vật liệu Graphene
• 1.1.1. Tính chất vật liệu Graphene
• 1.1.2. Ứng dụng của Graphene hiện nay
• 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2. Cách tiếp cận
• 2.3. Các phép đo phân tích vật liệu
• 2.4. Chuẩn bị hóa chất
• 2.5. Xây dựng quy trình
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả nghiên cứu chế tạo GO
• 3.2. Các kết quả phân tích cấu trúc vật liệu
• 3.2.1. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.2.2. Kết quả phân tích ảnh kính hiển vi quét (SEM)
• 3.2.3. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại Fourier (FTIR)
• 3.2.4. Kết quả đo phân tích kích thước hạt
• 3.3. Kết quả nghiên cứu ứng dụng thấm lọc dầu trên GO
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Graphene Cấu Trúc và Tính Chất

Vật liệu graphene đã thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng khoa học và công nghệ kể từ khi được phát hiện vào năm 2004 bởi Andre Geim và Konstantin Novoselov, những người sau này đã nhận giải Nobel Vật lý năm 2010. Graphene là một lớp đơn nguyên tử carbon được sắp xếp trong một mạng lưới lục giác hai chiều, tương tự như cấu trúc tổ ong. Cấu trúc này mang lại cho graphene những tính chất độc đáo, bao gồm độ bền cơ học cao, tính dẫn điện và nhiệt tuyệt vời, và diện tích bề mặt lớn. Các tính chất này làm cho graphene trở thành một vật liệu đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ điện tử đến năng lượng và môi trường. Tài liệu gốc nhấn mạnh cấu trúc mạng tinh thể graphene ở dạng tổ ong và lý giải tại sao graphene rất bền vững về mặt cơ học và trơ về mặt hóa học trong mặt phẳng mạng [7].

1.1. Cấu Trúc Mạng Lưới Lục Giác của Vật Liệu Graphene

Cấu trúc của graphene là một mạng lưới lục giác hai chiều, trong đó mỗi nguyên tử carbon liên kết với ba nguyên tử carbon khác. Liên kết này tạo ra một cấu trúc rất bền vững và linh hoạt. Các điện tử pi (π) không tham gia vào liên kết sigma tạo nên tính dẫn điện đặc biệt của graphene. Cấu trúc này cũng cho phép graphene có diện tích bề mặt rất lớn, làm cho nó trở thành một vật liệu hấp dẫn cho các ứng dụng như hấp phụ và lọc dầu.

1.2. Tính Chất Điện và Nhiệt Vượt Trội của Graphene

Graphene có tính dẫn điện và nhiệt vượt trội so với nhiều vật liệu khác. Độ linh động của điện tử trong graphene rất cao, cho phép các điện tử di chuyển nhanh chóng qua vật liệu. Điều này làm cho graphene trở thành một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng điện tử tốc độ cao. Độ dẫn nhiệt của graphene cũng rất cao, cho phép nó tản nhiệt hiệu quả. Theo tài liệu, độ dẫn nhiệt của vật liệu graphene đo ở nhiệt độ phòng vào khoảng 5000 W.m-1K-1, cao hơn các dạng thù hình khác của carbon như than chì và kim cương [6].

1.3. Độ Bền Cơ Học và Tính Linh Hoạt của Graphene

Graphene là một trong những vật liệu bền nhất được biết đến. Cấu trúc mạng lưới lục giác của nó mang lại độ bền kéo cao và khả năng chống lại sự biến dạng. Đồng thời, graphene cũng rất linh hoạt và có thể uốn cong mà không bị gãy. Điều này làm cho graphene trở thành một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong các thiết bị linh hoạt và có thể uốn cong.

II. Graphene Oxide GO Tổng Hợp Tính Chất và Ứng Dụng

Graphene oxide (GO) là một dẫn xuất của graphene được tạo ra bằng cách oxy hóa graphite. Quá trình oxy hóa này tạo ra các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt graphene, chẳng hạn như hydroxyl (-OH), epoxide (-O-), carboxyl (-COOH) và carbonyl (-C=O). Các nhóm chức này làm cho GO trở nên ưa nước và dễ phân tán trong nước. GO có nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm màng lọc, cảm biến, và vật liệu composite. Tài liệu gốc cho biết, trong bước này, bề mặt của các lớp graphite sẽ được đính thêm các nhóm chức có chứa oxi như hydroxyl (-OH ), epoxide (-O-), cacboxyl (-COOH ) và cacbonyl (-C=O ) [7].

2.1. Phương Pháp Tổng Hợp Graphene Oxide GO Phổ Biến

Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp GO, nhưng phương pháp Hummers là một trong những phương pháp phổ biến nhất. Phương pháp Hummers sử dụng các chất oxy hóa mạnh, chẳng hạn như kali permanganat (KMnO4) và axit sulfuric (H2SO4), để oxy hóa graphite. Các phương pháp khác bao gồm phương pháp Staudenmaier và phương pháp Brodie. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể.

2.2. Tính Chất Hóa Học và Vật Lý Đặc Trưng của GO

GO có nhiều tính chất hóa học và vật lý đặc trưng. Các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt GO làm cho nó trở nên ưa nước và dễ phân tán trong nước. GO cũng có diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao. Tuy nhiên, GO có tính dẫn điện kém hơn graphene do sự gián đoạn của mạng lưới carbon liên tục bởi các nhóm chức chứa oxy.

2.3. Ứng Dụng Tiềm Năng của GO trong Nhiều Lĩnh Vực

GO có nhiều ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Nó có thể được sử dụng làm màng lọc để tách dầu khỏi nước, làm cảm biến để phát hiện các chất hóa học, và làm vật liệu composite để tăng cường độ bền của các vật liệu khác. GO cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng y sinh, chẳng hạn như dẫn thuốc và chẩn đoán hình ảnh.

III. Ứng Dụng Graphene và GO Trong Thấm Lọc Dầu Hiệu Quả

Graphene và GO đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc thấm lọc dầu từ nước. Diện tích bề mặt lớn và tính kỵ nước của graphene và GO làm cho chúng trở thành những vật liệu hấp phụ dầu hiệu quả. Màng graphene và màng GO có thể được sử dụng để tách dầu khỏi nước với hiệu quả cao. Ngoài ra, graphene và GO có thể được sử dụng để tạo ra các vật liệu composite có khả năng hấp phụ dầu cao. Tài liệu gốc đề cập đến việc GO đã được công bố ứng dụng trong các ngành như chế tạo pin, sản xuất vi mạch, linh kiện smartphone, hoạt chất dẫn thuốc, thấm lọc dầu.

3.1. Cơ Chế Hấp Phụ Dầu của Graphene và Graphene Oxide

Cơ chế hấp phụ dầu của graphene và GO dựa trên tương tác kỵ nước giữa bề mặt graphene và các phân tử dầu. Bề mặt graphene có tính kỵ nước, có nghĩa là nó đẩy nước và thu hút dầu. Khi graphene tiếp xúc với hỗn hợp dầu và nước, dầu sẽ bị hấp phụ lên bề mặt graphene, trong khi nước bị đẩy ra.

3.2. Màng Graphene và GO Trong Tách Dầu Khỏi Nước

Màng graphene và màng GO có thể được sử dụng để tách dầu khỏi nước với hiệu quả cao. Các màng này có các lỗ nhỏ cho phép nước đi qua, nhưng ngăn chặn dầu. Khi hỗn hợp dầu và nước được đưa qua màng, nước sẽ đi qua màng, trong khi dầu bị giữ lại.

3.3. Vật Liệu Composite Graphene GO Cho Hấp Phụ Dầu

Graphene và GO có thể được sử dụng để tạo ra các vật liệu composite có khả năng hấp phụ dầu cao. Các vật liệu composite này thường bao gồm graphene hoặc GO được phân tán trong một ma trận polymer. Graphene hoặc GO cung cấp diện tích bề mặt lớn để hấp phụ dầu, trong khi polymer cung cấp độ bền cơ học và khả năng xử lý.

IV. Nghiên Cứu Chế Tạo GO và Ứng Dụng Thấm Lọc Dầu Thực Nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm về chế tạo GO và ứng dụng của nó trong thấm lọc dầu là rất quan trọng để đánh giá tiềm năng thực tế của vật liệu này. Các nghiên cứu này thường tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp GO để đạt được các tính chất mong muốn, chẳng hạn như diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ dầu cao. Các nghiên cứu cũng tập trung vào việc đánh giá hiệu quả thấm lọc dầu của GO trong các điều kiện khác nhau. Tài liệu gốc đề cập đến việc nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu đã chế ta ̣o thông qua các phép đo như: phân tích phổ hồng ngoại (FTIR), nhiễu xạ tia X( XRD), phân tích ảnh SEM, phân bố kích thước hạt DRF.

4.1. Quy Trình Chế Tạo GO Bằng Phương Pháp Hummers Cải Tiến

Phương pháp Hummers cải tiến là một phương pháp phổ biến để chế tạo GO trong phòng thí nghiệm. Phương pháp này bao gồm việc oxy hóa graphite bằng các chất oxy hóa mạnh, sau đó bóc tách các lớp GO bằng siêu âm. Các điều kiện tổng hợp, chẳng hạn như nồng độ của các chất oxy hóa, thời gian phản ứng và nhiệt độ, có thể được tối ưu hóa để đạt được các tính chất mong muốn của GO.

4.2. Đánh Giá Cấu Trúc và Tính Chất của Vật Liệu GO Chế Tạo

Cấu trúc và tính chất của vật liệu GO chế tạo có thể được đánh giá bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, chẳng hạn như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại Fourier (FTIR) và phân tích kích thước hạt. Các kỹ thuật này cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt, thành phần hóa học và kích thước hạt của GO.

4.3. Thử Nghiệm Thấm Lọc Dầu và Đánh Giá Hiệu Quả

Hiệu quả thấm lọc dầu của vật liệu GO có thể được đánh giá bằng cách thực hiện các thử nghiệm thấm lọc dầu trong phòng thí nghiệm. Các thử nghiệm này thường bao gồm việc cho hỗn hợp dầu và nước đi qua một cột chứa vật liệu GO, sau đó đo lượng dầu còn lại trong nước. Hiệu quả thấm lọc dầu được xác định bằng cách so sánh lượng dầu trong nước trước và sau khi thấm lọc.

V. Ưu Điểm Nhược Điểm và Tương Lai của Graphene Trong Lọc Dầu

Graphene và GO mang lại nhiều ưu điểm so với các vật liệu lọc dầu truyền thống, bao gồm hiệu quả lọc cao, khả năng tái sử dụng và tính thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, chúng cũng có một số nhược điểm, chẳng hạn như chi phí sản xuất cao và độ bền cơ học hạn chế. Tương lai của graphene và GO trong lọc dầu phụ thuộc vào việc giải quyết các nhược điểm này và phát triển các phương pháp sản xuất hiệu quả và bền vững. Tài liệu gốc đề cập đến việc tìm kiếm các ứng dụng đặc biệt cho graphene/ graphene oxide.

5.1. Ưu Điểm Vượt Trội của Graphene và GO So Với Vật Liệu Khác

Graphene và GO có diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao và tính chọn lọc đối với dầu. Chúng cũng có thể được tái sử dụng sau khi hấp phụ dầu, làm cho chúng trở thành một lựa chọn kinh tế và thân thiện với môi trường.

5.2. Thách Thức và Nhược Điểm Cần Vượt Qua của Graphene

Chi phí sản xuất graphene và GO vẫn còn tương đối cao, điều này hạn chế việc sử dụng chúng trong các ứng dụng quy mô lớn. Độ bền cơ học của graphene và GO cũng có thể bị suy giảm trong quá trình sử dụng, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt.

5.3. Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển Graphene Trong Tương Lai

Các hướng nghiên cứu trong tương lai tập trung vào việc giảm chi phí sản xuất graphene và GO, cải thiện độ bền cơ học của chúng và phát triển các phương pháp chức năng hóa graphene để tăng cường khả năng hấp phụ dầu và tính chọn lọc.

VI. Kết Luận Graphene Giải Pháp Tiềm Năng Cho Ô Nhiễm Dầu

Nghiên cứu về graphene và GO trong thấm lọc dầu đã cho thấy tiềm năng to lớn của vật liệu này trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm dầu. Với những ưu điểm vượt trội so với các vật liệu truyền thống, graphene và GO hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và cung cấp nguồn nước sạch cho cộng đồng. Cần tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu và phát triển (R&D) để khai thác tối đa tiềm năng của graphene và GO trong lĩnh vực này.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính Về Graphene

Các nghiên cứu đã chứng minh rằng graphene và GO có khả năng hấp phụ dầu hiệu quả, có thể được sử dụng để tạo ra các màng lọc hiệu quả và có thể được tái sử dụng sau khi hấp phụ dầu.

6.2. Đánh Giá Tiềm Năng Ứng Dụng Thực Tế của Graphene

Graphene và GO có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xử lý nước thải dầu, làm sạch dầu tràn và bảo vệ môi trường biển.

6.3. Kêu Gọi Đầu Tư và Nghiên Cứu Phát Triển Graphene

Cần tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu và phát triển (R&D) để khai thác tối đa tiềm năng của graphene và GO trong lĩnh vực thấm lọc dầu và các lĩnh vực khác.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do dầu mỡ công nghiệp và chất thải sinh hoạt đang trở thành thách thức môi trường cấp bách tại nhiều quốc gia. Các khảo sát môi trường cho thấy dầu mỡ không tan, tạo màng ngăn oxy hòa tan và gây suy thoái nghiêm trọng hệ sinh thái thủy sinh. Trước thực trạng các công trình khoa học về vật liệu nano carbon toàn cầu tăng vọt từ 5.000 công bố năm 2005 lên 30.000 công bố vào năm 2014, vật liệu Graphene Oxide (GO) nổi lên như một giải pháp đột phá nhờ diện tích bề mặt lý thuyết đạt 2.630 m²/g cùng khả năng chức hóa bề mặt linh hoạt.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo Graphene Oxide bằng phương pháp Hummers cải tiến, đồng thời đánh giá cấu trúc vi mô và thử nghiệm ứng dụng vật liệu này vào quá trình tách lọc dầu mỡ ra khỏi môi trường nước. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Phòng Vật lý Ứng dụng thuộc Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang, trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, hoàn thành vào tháng 07 năm 2019.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc làm chủ công nghệ tổng hợp vật liệu nano tiên tiến ngay tại phòng thí nghiệm trong nước với chi phí hợp lý. Việc phủ thành công lớp màng GO lên giá thể bọt biển xốp kích thước 40x20x10 mm đã tạo ra cấu trúc màng kỵ nước và ưa dầu, mở ra hướng đi mới có tính ứng dụng cao trong việc xử lý sự cố tràn dầu và làm sạch nước thải ô nhiễm với hiệu suất phân tách vượt trội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cấu trúc mạng tinh thể hai chiều của carbon và lý thuyết biến tính bề mặt vật liệu nano:

• Mô hình mạng tổ ong lai hóa sp²: Graphene gồm các nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị sigma bền vững với độ bền cơ học đạt 125 GPa và mô-đun đàn hồi 1.100 GPa. Các orbital pz không lai hóa tạo liên kết pi linh động, quy định các tính chất quang học và điện tử đặc thù.
• Cơ chế oxy hóa - bóc tách: Dựa trên nguyên lý chèn các nhóm chức chứa oxy vào giữa các lớp mạng tinh thể graphite ba chiều. Quá trình này làm suy yếu lực tương tác Van der Waals liên tầng, tạo điều kiện bóc tách thành các phiến đơn lớp hoặc đa lớp mỏng.
• Thuyết hấp phụ bề mặt chọn lọc: Khai thác tính chất kỵ nước nhưng ưa dầu của khung carbon sau khi được gắn kết cơ học lên giá thể xốp, cho phép giữ các phân tử hydrocarbon mà không hấp thụ phân tử nước.
• Hệ thống khái niệm chủ đạo: Bao gồm Graphene đơn lớp, Graphite oxide (GtO), Graphene oxide (GO), tác nhân oxy hóa heptoxit mangan (Mn₂O₇) và phương pháp Hummers cải tiến.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm bắt đầu từ 3,56 g bột graphite tự nhiên có độ mịn cao, kết hợp cùng các tiền chất oxy hóa mạnh gồm 7,12 ml axit nitric (HNO₃), 3,56 g kali pemanganat (KMnO₄), 3,56 g natri nitrat (NaNO₃) và 160 ml axit sunfuric đậm đặc (H₂SO₄). Cỡ mẫu thực nghiệm được chuẩn hóa đồng nhất cho từng mẻ phản ứng nhằm đảm bảo tính lặp lại của quy trình.

Phương pháp lựa chọn mẫu tuân thủ quy trình kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt ở ba mức: sốc nhiệt tại 100°C trong 5 phút để mở mép cạnh graphite, phản ứng oxy hóa sâu tại 0 – 5°C trong bể đá lạnh, và hoàn thiện oxy hóa ở 50°C. Lý do lựa chọn phương pháp Hummers cải tiến thay cho phương pháp Brodie hay Staudenmaier truyền thống là vì thời gian tổng hợp được rút ngắn xuống chỉ còn 1 ngày (so với 7 ngày của phương pháp cổ điển), phản ứng diễn ra ở nhiệt độ thấp an toàn và triệt tiêu nguy cơ cháy nổ khí độc ClO₂.

Hệ thống kỹ thuật phân tích hiện đại được áp dụng bao gồm:

• Nhiễu xạ tia X (XRD) đo trong dải góc quét 2θ từ 10° đến 30° tại Viện Hóa học Vladivostok thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Bang Nga.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM) độ phân giải 1 nm tại Viện Khoa học Vật liệu nhằm quan sát hình thái học bề mặt.
• Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) trong vùng số sóng 400 – 4000 cm⁻¹ tại Viện Địa lý để xác định các nhóm chức phân tử.
• Phương pháp tán xạ ánh sáng động học (DLS) để phân tích phân bố kích thước hạt nano.

Toàn bộ quá trình nghiên cứu, chế tạo và đo đạc được tiến hành xuyên suốt từ cuối năm 2018 đến tháng 07 năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận bốn phát hiện cốt lõi, minh chứng cho sự chuyển pha hoàn chỉnh từ than chì graphite sang vật liệu Graphene Oxide:

• Chuyển dịch cấu trúc tinh thể trên phổ XRD: Graphite ban đầu xuất hiện đỉnh nhiễu xạ sắc nét tương ứng mặt phản xạ (002) tại góc 2θ xấp xỉ 26°. Sau quá trình oxy hóa bóc tách, đỉnh đặc trưng này dịch chuyển rõ rệt về góc 2θ xấp xỉ 12° trên mẫu GO. Sự dịch chuyển này chứng minh khoảng cách giữa các lớp tinh thể carbon đã giãn mở đáng kể do sự thâm nhập của các nhóm chức chứa oxy và phân tử nước xen kẽ.
• Biến đổi hình thái học qua ảnh SEM: Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét cho thấy graphite ban đầu có dạng khối đa tầng xếp chồng khít. Trải qua quá trình xử lý, graphite oxide dạng cụm bị ăn mòn bề mặt nhám, và sau bước rung siêu âm 30 phút, sản phẩm GO cuối cùng tồn tại dưới dạng các phiến siêu mỏng, uốn lượn mềm dẻo và phân tán đồng đều hoàn toàn trong dung môi.
• Xác nhận nhóm chức hóa học qua phổ FTIR: Kết quả phổ FTIR khẳng định sự xuất hiện dày đặc của các liên kết oxy hóa trên bề mặt GO. Dao động kéo giãn của nhóm hydroxyl (-OH) thể hiện rõ tại vùng số sóng 3278 – 3384 cm⁻¹, liên kết cacbonyl (C=O) xuất hiện tại 1710 cm⁻¹, liên kết C-O tại 1050 cm⁻¹ và nhóm C-OH tại 1220 cm⁻¹.
• Độ đồng đều kích thước hạt và hiệu quả thấm lọc: Kết quả phân tích tán xạ ánh sáng động học DLS xác nhận bột GO có phân bố kích thước hạt rất đồng đều với kích thước trung bình xấp xỉ 130 nm. Khi tẩm vào miếng bọt biển 40x20x10 mm và sấy khô ở 50 – 60°C trong 24 giờ, vật liệu thể hiện khả năng hấp phụ chọn lọc tuyệt đối đối với dầu ăn trộn trong nước, giữ trọn vẹn pha dầu trong cấu trúc xốp mà không hút nước.

Thảo luận kết quả

Cơ chế bóc tách thành công vật liệu được giải thích thông qua vai trò trung gian của anhydrit pemanganic (Mn₂O₇) được tạo thành khi hòa trộn KMnO₄ vào H₂SO₄ đậm đặc ở 0 – 5°C. Đây là tác nhân oxy hóa cực mạnh thâm nhập sâu vào các phiến graphite. Việc bổ sung 140 ml nước cất giai đoạn sau thúc đẩy phản ứng oxy hóa khử mãnh liệt, chuyển hóa dung dịch sang màu vàng tươi đặc trưng của graphite oxide sau khi xử lý bằng oxy già H₂O₂ 30%.

Dữ liệu thực nghiệm có thể được hệ thống hóa trực quan thông qua bảng so sánh thông số mạng tinh thể giữa graphite và GO, cùng đồ thị phân bố kích thước hạt DLS dạng phân phối chuẩn quanh mốc 130 nm. Trên biểu đồ phổ hồng ngoại FTIR đa kênh, sự suy giảm cường độ dao động của khung mạng C=C đồng thời với sự bùng nổ của các đỉnh C=O và O-H phản ánh mức độ chức hóa bề mặt hoàn hảo của mẫu GO dạng gel và dạng bột sau khi sấy ở 70°C trong 24 giờ.

So với các công bố quốc tế sử dụng phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) có chi phí đắt đỏ và yêu cầu đế kim loại đồng, phương pháp Hummers cải tiến này đạt hiệu suất bóc tách cao, bảo toàn được cấu trúc khung carbon dạng tấm phẳng và tạo ra dung dịch keo GO ổn định với độ pH trung tính bằng 7 sau quá trình ly tâm rửa muối ở tốc độ 7.000 vòng/phút.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 giải pháp ứng dụng và định hướng phát triển công nghệ:

• Chuẩn hóa quy trình kiểm soát nhiệt lượng ở quy mô bán công nghiệp: Duy trì nghiêm ngặt dải nhiệt độ phản ứng dưới 50°C trong giai đoạn thêm Mn₂O₇ để triệt tiêu nguy cơ kích nổ nhiệt, hướng tới mục tiêu nâng công suất mẻ tổng hợp lên mức 5 đến 10 kg sản phẩm trong vòng 12 tháng tới do các viện nghiên cứu chuyên ngành vật liệu chủ trì.
• Thương mại hóa modul lọc dầu nước thải đô thị: Ứng dụng trực tiếp vật liệu composite bọt biển tẩm nano GO vào các bể tách mỡ tại các cơ sở chế biến thực phẩm và nhà hàng, đặt mục tiêu thu gom trên 95% lượng dầu mỡ thừa trước khi xả thải ra hệ thống thoát nước chung trong lộ trình 6 tháng, do các công ty công nghệ môi trường triển khai.
• Phát triển công nghệ nhả hấp phụ và tái sinh vật liệu: Thiết kế hệ thống ép cơ học thu hồi dầu và rửa màng lọc GO bằng dung môi hữu cơ phân cực nhẹ, phấn đấu đạt độ bền sử dụng trên 10 chu kỳ thấm hút mà không làm suy giảm cấu trúc khung bọt biển trong thời gian 18 tháng, dưới sự phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất.
• Mở rộng nghiên cứu chức hóa bề mặt đa mục tiêu: Phối hợp cùng các đơn vị quản lý tài nguyên biển để phát triển phao chắn dầu tẩm GO chuyên dụng phục vụ ứng phó sự cố tràn dầu ven bờ, tích hợp công nghệ phân tích quang phổ FTIR và DLS làm tiêu chuẩn kiểm định chất lượng xuất xưởng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và dữ liệu thực nghiệm của công trình mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu và Hóa lý: Tiếp cận quy trình thực nghiệm chi tiết từng bước, kỹ thuật kiểm soát phản ứng hóa học bóc tách lớp nano và phương pháp phân tích phổ XRD, FTIR, SEM chuyên sâu.
• Kỹ sư công nghệ môi trường và xử lý nước thải công nghiệp: Khai thác tài liệu thiết kế các hệ thống thấm lọc dầu, vật liệu tách pha nhũ tương dầu - nước và giải pháp xử lý nước thải nhiễm hydrocarbon hiệu quả cao.
• Các nhà phát triển sản phẩm tại doanh nghiệp sản xuất vật liệu tiên tiến: Tham khảo phương pháp chế tạo tiền chất Graphene Oxide chi phí thấp phục vụ sản xuất composite gia cường, lớp phủ chống ăn mòn, cảm biến điện hóa hoặc màng lọc xử lý nước biển.
• Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học: Sử dụng làm tài liệu tham khảo giảng dạy trong các học phần Vật lý chất rắn, Công nghệ nano, Vật liệu carbon 2D và các chuyên đề thực tập phòng thí nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

Graphene Oxide (GO) khác biệt như thế nào so với Graphene nguyên bản? Graphene nguyên bản là một lớp đơn nguyên tử carbon thuần túy dẫn điện và dẫn nhiệt cực tốt nhưng không hòa tan trong nước. Graphene Oxide là dẫn xuất được gắn thêm các nhóm chức chứa oxy như -OH, -COOH, giúp vật liệu dễ dàng phân tán đều trong nước và liên kết linh hoạt với nhiều giá thể khác nhau.

Tại sao phương pháp Hummers cải tiến lại được ưu tiên lựa chọn? Phương pháp này giúp rút ngắn thời gian tổng hợp từ 7 ngày xuống còn khoảng 1 ngày, vận hành ở nhiệt độ an toàn 0 – 5°C, không tạo ra các chất dễ gây kích nổ nguy hiểm như KClO₃ hay khí ClO₂, đồng thời mang lại sản lượng sản phẩm dạng gel và bột đồng nhất ở quy mô phòng thí nghiệm.

Cơ chế nào giúp bọt biển tẩm GO chỉ hút dầu mà không thấm nước? Khung bọt biển sau khi được bao phủ hoàn toàn bởi các lớp nano GO sấy khô ở 50 – 60°C sẽ hình thành cấu trúc vi mô nhám có đặc tính kỵ nước mạnh nhưng có ái lực rất cao với các phân tử hữu cơ không phân cực, giúp hút và giữ chặt dầu ăn trong các khoang xốp.

Chỉ số kích thước hạt 130 nm trên phổ DLS có ý nghĩa gì đối với ứng dụng lọc? Kích thước hạt trung bình xấp xỉ 130 nm thể hiện mức độ bóc tách đồng đều của các phiến GO, giúp các tấm nano dễ dàng thâm nhập, bám dính chắc chắn vào các sợi khung bọt biển mà không bị rửa trôi trong quá trình lưu thông dòng chảy dung dịch nước dầu.

Làm thế nào để kiểm soát an toàn chất oxy hóa Mn₂O₇ trong quá trình thực nghiệm? Mn₂O₇ sinh ra từ phản ứng giữa KMnO₄ và H₂SO₄ dễ kích nổ trên 55°C. Do đó, quá trình nhỏ giọt axit và bổ sung 21,36 g KMnO₄ luôn được duy trì liên tục trong bể đá lạnh ở 0 – 5°C, sau đó bổ sung nước cất và dung dịch oxy già H₂O₂ 30% để khử hoàn toàn lượng dư kim loại.

Kết luận

• Làm chủ thành công quy trình chế tạo Graphene Oxide chất lượng cao từ bột graphite bằng phương pháp Hummers cải tiến trong thời gian ngắn và đảm bảo an toàn tuyệt đối.
• Kiểm chứng cấu trúc bóc tách nano hoàn chỉnh với đỉnh nhiễu xạ XRD chuyển dịch về góc 2θ xấp xỉ 12° và kích thước hạt trung bình đạt khoảng 130 nm.
• Xác lập đầy đủ sự hiện diện của các nhóm chức phân cực chứa oxy thông qua quang phổ FTIR và ảnh hiển vi điện tử quét SEM.
• Chế tạo thành công vật liệu composite bọt biển tẩm GO kích thước 40x20x10 mm mang đặc tính kỵ nước và thấm hút dầu chọn lọc vượt trội.
• Cung cấp giải pháp vật liệu nano khả thi, chi phí thấp nhằm giải quyết bài toán ô nhiễm dầu trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp.

Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tiếp theo, nhóm nghiên cứu khuyến nghị tiếp tục tối ưu hóa độ bền cơ học của lớp phủ GO và mở rộng quy mô thử nghiệm bán công nghiệp. Các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp môi trường quan tâm có thể khai thác trực tiếp luận văn này để phát triển các giải pháp xử lý môi trường xanh và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Giới thiệu vật liệu Graphene 1. Tính chất vật liệu Graphene Graphene được hai nhà khoa học người Anh gốc Nga là Andre Geim và Konstantin Novoselov (Đại học Manchester, Anh) khám phá ra vào năm 2004, năm 2010 giải Nobel Vật lý đã được trao cho hai nhà khoa học này [1]. Về mặt cấu trúc, graphene được tạo thành từ các nguyên tử carbon được sắp xếp thành mạng lục giác hai chiều ở trên một mặt phẳng (mạng hình tổ ong).

Bên cạnh các thù hình phổ biến của vật liệu carbon như kim cương, graphite (than chì), ống nano carbon (carbon nanotubes- CNTs), fullerence (C60),…, vật liệu graphene cũng là một dạng thù hình mới với cấu trúc và tính chất thú vị. Do chỉ có 6 điện tử tạo thành lớp vỏ nguyên tử carbon nên chỉ có 4 điện tử 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 lai hóa với nhau tạo thành 3 trạng thái sp. Mỗi trạng thái sp của nguyên tử carbon này xen phủ với một trạng thái sp của nguyên tử carbon khác hình thành nên liên kết cộng hóa trị sigma bền vững. Các liên kết này quy định cấu trúc mạng tinh thể graphene ở dạng tổ ong và lý giải tại sao graphene rất bền vững về mặt cơ học và trơ về mặt hóa học trong mặt phẳng mạng [7].

Ngoài các liên kết sigma, giữa hai nguyên tử carbon lân cận còn tồn tại một liên kết pi (π) khác kém bền vững hơn hình thành do sự xen phủ của các orbitan pz không bị lai hóa với các orbitan s. Do liên kết π này yếu và có định hướng không gian vuông góc với các orbitan sp nên các điện tử tham gia liên kết này rất linh động và quy định tính chất điện và quang của graphene [1]. Graphene có hai loại: graphene đơn lớp và graphene đa lớp (hình 1. Graphene gồm duy nhất một lớp nguyên tử carbon là graphene đơn lớp như hình 1.1(a) và graphene đa lớp gồm nhiều lớp graphene đơn xếp chồng lên nhau như hình 1.

Cấu trúc graphene: graphene đơn lớp (a) và graphene đa lớp (b). Bên cạnh đó, tấm graphene khi được cuộn lại sẽ tạo nên dạng cấu trúc 0 chiều (0D – 0 dimention) đặc trưng của thù hình fullerene (hình 1.2a), hay dạng ống (nanotube - CNT) cấu trúc 1 chiều (1D) (hình 1.2b), hoặc như trên hình 1.2c là các tấm graphene được xếp chồng lên nhau chính là dạng thù hình graphite với cấu trúc 3 chiều (3D) [21]. Các dạng thù hình của vật liệu Graphene: 0D fullerene (a), 1D carbon-nanotube CNT (b), 3D graphite (c). Cấu trúc gần như “hoàn hảo” của các nguyên tử carbon đã tạo nên những tính chất đặc thù riêng của graphene, với cấu trúc phẳng và độ dày một nguyên tử, là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu hiện có.

Vật liệu 7 graphene có các tính chất đặc biệt như: Trong suốt: một số nghiên cứu cho thấy độ truyền qua của graphene là hơn 70% ở vùng bước sóng 1000 – 3000 nm [20]. Tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt: Tính dẫn điện của graphene tương đương với đồng (Cu), đặc biệt ở dạng tinh khiết thì graphene dẫn điện nhanh hơn bất cứ chất nào khác (ngay cả ở nhiệt độ bình thường). Những đo lường thực nghiệm về độ dẫn cũng cho thấy rằng độ linh động của điện tử và lỗ trống là gần bằng nhau. Nhưng tính dẫn nhiệt của graphene thì có nhiều ưu điểm vượt trội hơn do các electron đi qua graphene hầu như không gặp điện trở nên ít sinh nhiệt (điện trở suất của graphene ~ 10-6 Ω.cm [19], thấp hơn điện trở của Ag và là điện trở thấp nhất hiện nay ở nhiệt độ phòng), độ linh động của các hạt tải điện trong graphene µ~ 200.000 cm2V-1s-1 [19], đây là giá trị lớn nhất được công bố từ trước đến nay cho cả bán dẫn và bán kim loại.

Độ dẫn nhiệt của vật liệu graphene đo ở nhiệt độ phòng vào khoảng 5000 W.m-1K-1, cao hơn các dạng thù hình khác của carbon như than chì và kim cương [6]. Graphene dẫn nhiệt theo các hướng trong cùng mặt phẳng là như nhau. Do đó, với khả năng dẫn nhiệt đặc biệt tốt như vậy, graphene sẽ là vật liệu tản nhiệt tiềm năng, ứng dụng đặc biệt trong các linh kiện điện tử công suất. Độ bền cao: Cấu trúc bền vững của graphene được xem là vật liệu cứng nhất hiện nay với suất Young ~ 0.0 TPa, độ bền vật liệu ~125 GPa [18].

Ngăn cản không khí: Lớp màng graphene ngăn cản được cả những phân tử khí nhỏ nhất, không cho chúng lọt qua. Chỉ với một lượng rất nhỏ, graphene cũng có khả năng bịt kín chặt các lỗ thấm lọc. Các nhà khoa học phát triển thành công khoang cầu mỏng nhất thế giới, lớp màng không cho bất kì phân tử nhỏ nhất nào của không khí lọt qua, kể cả heli. Graphene dễ chế tạo với nhiều hình dạng: Graphene có cấu trúc mềm dẻo như màng chất dẻo và có thể bẻ cong, gập hay cuộn lại.

Nó có 8 nhiều đặc tính của ống nano, nhưng graphene dễ chế tạo và dễ thay đổi hơn ống nano, vì thế có thể được sử dụng nhiều hơn trong việc chế tạo các vật dụng cần các chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn nắn. Các thông số tính chất của graphene ở nhiệt độ phòng được thể hiện như trên bảng 1 dưới đây. Tính chất vật lí của graphene ở nhiệt độ phòng [1]. Tính chất Giá trị Chiều dài liên kết C-C 0.m-2 Diện tích bề mặt lí thuyết 2.630 m2g-1 Mô-đun đàn hồi 1.100 GPA Độ cứng 125 GPA Độ linh động của hạt tải điện 200.000 cm2V-1s-1 Độ dẫn nhiệt 5.000 Wm-1K-1 Độ truyền qua 97.

Ứng dụng của Graphene hiện nay Mặc dù chỉ mới bắt đầu phát triển từ năm 2004, nhưng với những đặc tính tối ưu như đã nêu trên, vật liệu graphene đã trở thành tâm điểm cho những nghiên cứu khoa học trên thế giới và đã được ứng dụng vào trong các lĩnh vực khác nhau, sau đây là một số ứng dụng điển hình: Ứng dụng trong dây dẫn và điện cực trong suốt: Nhờ vào độ linh động điện tử nên graphene có khả năng dẫn điện tốt với mức độ truyền qua cao, vật liệu này đã được sử dụng làm điện cực trong suốt thay thế cho màng Indium Tin Oxide (ITO), một bộ phận thiết yếu trong các thiết bị như: màn hình cảm 9 ứng, màn hình tinh thể lỏng, tế bào quang điện, pin mặt trời hữu cơ,… Năm 2009, màng graphene thu được từ phương pháp khử graphite oxide ở nhiệt độ cao (với độ dày màng ~ 7 nm) đã được sử dụng trong việc chế tạo điốt phát quang hữu cơ (OLED) bởi một nhóm nghiên cứu người Mỹ và Trung Quốc, những đặc tính quang – điện của sản phẩm thu được có thể so sánh với các OLED chế tạo từ màng ITO [12]. Ngoài những yêu cầu về tính dẫn điện và độ truyền qua cao, các điện cực oxide kimloại trong màn hình tinh thể lỏng và các thiết bị quang học còn cần phải có độ bền hóa học cao, nhằm để hạn chế sự khuếch tán của oxy và các ion kim loại vào trong các lớp vật liệu khác. Bởi vì sự khuếch tán của oxy vào trong các lớp điện môi có thể gây ra hiện tượng oxy hóa, điều này sẽ dẫn đến việc đánh thủng điện môi chỉ với điện thế thấp, hoặc trong màn hình tinh thể lỏng khi các ion kim loại khuếch tán vào trong các lớp hiệu chỉnh sẽ tạo nên các bẫy điện tích tạo nên điện trường trên màn hình, điều này sẽ dẫn đến hiện tượng lưu ảnh (hay con gọi là hiện tượng bóng ma) trên màn hình. Các vấn đề này sẽ được khắc phục khi sử dụng graphene làm điện cực vì graphene được tạo thành từ các nguyên tử carbon nên là vật liệu có độ bền hóa học cao.

Đặc biệt hơn, graphene còn có độ bền cơ học và tính dẻo vượt trội so với ITO nên nó còn được tiếp tục nghiên cứu để chế tạo các màn hình có khả năng uốn dẻo [14]. Chip máy tính: Graphene có khả năng làm tăng tốc độ xử lí của chip máy tính hiện tại lên mức 500 đến 1000 GHz [3]. Chuyển động của các electron rất nhanh, electron dường như không có khối lượng và chuyển động gần bằng vận tốc ánh sáng. Electron trong graphene có vận tốc lớn gấp 100 lần electron trong silicon.

Theo tiến sĩ De Heer - Đại học Georgia Tech: “Transitor sử dụng silicon có tốc độ xử lý giới hạn tối đa, cố gắng có thể đạt được tốc độ đó nhưng không thể nhanh hơn nữa. Hiện nay, đến mức độ 10 gigahertz thì silicon không thể tăng thêm được, nhưng với graphene, tốc độ có thể lên đến mức terahertz, gấp ngàn lần gigahertz và điều đó sẽ rất tuyệt”. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra được chiếc bóng bán dẫn nhỏ nhất trên thế giới có bề dày chỉ bằng một nguyên tử và rộng 10 nguyên tử từ graphene. Chiếc bóng bán dẫn này, về bản chất là một công tắc bật tắt.

Chiếc bóng bán dẫn là thiết bị quan trọng của một bảng vi mạch và là nền tảng của bất cứ thiết bị điện tử nào. Những chiếc bóng bán dẫn này sẽ làm việc với điều kiện nhiệt độ trong phòng giống như yêu cầu đối với các thiết bị điện tử hiện đại khác. Bóng bán dẫn graphene càng nhỏ lại càng hoạt động tốt. Bóng bán dẫn được chế tạo bằng cách lắp graphene vào một mạch điện siêu nhỏ.

Chiếc bóng bán dẫn đầu tiên được chế tạo bởi các nhà khoa học tại Manchester (Tiến sỹ Kostya Novoselov và giáo sư Andre Geim). Ứng dụng trong cảm biến: Trong việc chế tạo sensor nhạy khí thì graphene được xem là loại vật liệu tốt hơn hết, bởi vì graphene là vật liệu có cấu trúc phẳng 2 chiều nên nó có diện tích bề mặt rất lớn lên đến 2630 m2/g [18], kết hợp khả năng dẫn điện cao và độ nhiễu thấp. Chính nhờ những đặc điểm ưu việt trên mà graphen đang là mối quan tâm hàng đầu của những nhà nghiên cứu trong mọi lĩnh vực.3 chỉ ra số lượng bài báo nghiên cứu về graphene trong mười năm qua. Số lượng các công trình công bố về graphene 11 Số lượng các công trình công bố về graphene trên hình 1.3 được tổng hợp từ các công trình đăng trên các tạp chí liên quan đến khoa học.

Điều này cho thấy các vật liệu cấu trúc nano trên cơ sở cacbon như fullerene, CNTs và graphene đang rất được quan tâm, năm 2005 số lượng công trình công bố liên quan đến ba vật liệu trên chỉ đạt khoảng 5000 công trình, đến năm 2014 đã tăng lên 30000 công trình - gấp 6 lần sau 10 năm.