TỔNG HỢP VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ GRAPHENE OXIDE VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA, HẤP PHỤ

• Tác giả: Vũ Ngọc Hoàng
• Người hướng dẫn: Gs. Đinh Quang Khiếu
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học - Đại Học Huế
• Chuyên ngành: Hóa Lý Thuyết Và Hóa Lý
• Đề tài: Tổng Hợp Vật Liệu Trên Cơ Sở Graphene Oxide Và Ứng Dụng Trong Cảm Biến Điện Hóa, Hấp Phụ
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Huế

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• MỤC LỤC
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. GRAPHENE OXIDE DẠNG KHỬ (rGO) VÀ GRAPHENE CHẤM LƯỢNG TỬ (GQDs)
• 2.1.1. Graphene oxide dạng khử (rGO)
• 2.1.2. Graphene chấm lượng tử và phương pháp tổng hợp xanh
• 2.2. VẬT LIỆU TiO2/rGO VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỆN HÓA
• 2.2.1. Một số phức titanium (IV) hòa tan trong nước
• 2.2.2. Ứng dụng TiO2/rGO trong phân tích điện hóa
• 2.2.3. Vật liệu composite TiO2/GQDs ứng dụng trong phân tích điện hóa
• 2.3. VẬT LIỆU ZnO/rGO VÀ ỨNG DỤNG TRONG HẤP PHỤ
• 2.3.1. Giới thiệu về ZnO
• 2.3.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu ZnO
• 2.3.3. Ứng dụng vật liệu ZnO/rGO trong hấp phụ phẩm màu
• 3. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1.1. Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến
• 3.1.2. Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến
• 3.1.3. Hiển vi điện tử quét
• 3.1.4. Nhiễu xạ tia X
• 3.1.5. Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitrogen
• 3.1.6. Phổ tán sắc năng lượng tia X
• 3.1.7. Phổ tán xạ Raman
• 3.1.8. Hiển vi điện tử truyền qua
• 3.1.9. Quang phổ huỳnh quang
• 3.1.10. Phương pháp von - ampe hòa tan
• 3.1.11. Tổng hợp vật liệu TiO2/rGO và ứng dụng biến tính điện cực xác định đồng thời Paracetamol và Codeine trong dược phẩm
• 3.1.12. Tổng hợp TiO2/GQDs và ứng dụng biến tính điện cực xác định đồng thời uric acid và hypoxanthine
• 3.1.13. Tổng hợp ZnO/rGO và ứng dụng làm chất phụ đồng thời Congo đỏ và Safranin T trong dung dịch
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP TiO2/rGO VÀ ỨNG DỤNG BIẾN TÍNH ĐIỆN CỰC ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI PARACETAMOL (PAR) VÀ CODEINE (COD)
• 4.1.1. Tổng hợp vật liệu TiO2/rGO
• 4.1.2. Biến tính điện cực than thủy tinh (GCE) bằng TiO2/rGO ứng dụng xác định đồng thời paracetamol (PAR) và codeine (COD)
• 4.2. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP TiO2/GQDs VÀ ỨNG DỤNG BIẾN TÍNH ĐIỆN CỰC ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI URIC ACID VÀ HYPOXANTHINE
• 4.2.1. Tổng hợp vật liệu
• 4.2.2. Phương pháp điện hóa phân tích đồng URI và HYP với kỹ thuật voltammetry vòng trên các điện cực khác nhau
• 4.3. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU ZnO/rGO VÀ ỨNG DỤNG HẤP PHỤ ĐỒNG THỜI CONGO ĐỎ VÀ SAFRANIN T TRONG DUNG DỊCH
• 4.3.1. Tổng hợp vật liệu ZnO/rGO
• 4.3.2. Phương pháp trắc quang nghiên cứu hấp phụ Safranin T (ST) và Congo đỏ (CR) lên composite ZnO/rGO
• 4.4. Tiểu kết 3
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Vật Liệu Graphene Oxide Ứng Dụng Tiềm Năng

Graphene oxide (GO) nổi lên như một vật liệu đầy hứa hẹn trong lĩnh vực vật liệu nano carbon đa chiều. Kể từ khi graphene được phân lập thành công vào năm 2004 và được vinh danh bằng giải Nobel, các nghiên cứu về graphene và các dẫn xuất của nó, đặc biệt là graphene oxide, đã bùng nổ. GO sở hữu những tính chất độc đáo như độ dẫn điện, độ bền cơ học cao, khả năng dẫn nhiệt tốt, tính không thấm khí và độ trong suốt, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Một trong những phương pháp phổ biến để tổng hợp graphene oxide là oxy hóa graphite theo phương pháp Hummers, sau đó bóc tách bằng siêu âm để tạo ra GO và khử thành reduced graphene oxide (rGO). Sử dụng rGO làm nền dẫn điện là một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn để nâng cao hiệu quả quang xúc tác nhờ cấu trúc hai chiều và tính dẫn điện vượt trội. Bên cạnh đó, các chấm lượng tử graphene (GQDs), với kích thước dưới 100 nm và tính ổn định hóa học cao, cũng thu hút sự chú ý nhờ khả năng phát huỳnh quang và dễ dàng phân tán trong nước.

1.1. Cấu Trúc và Tính Chất Đặc Biệt của Graphene Oxide GO

Graphene oxide (GO) là một dạng oxy hóa của graphene, chứa các nhóm chức năng chứa oxy như epoxy, hydroxyl, carbonyl và carboxyl trên bề mặt. Các nhóm chức năng này làm cho GO có tính hydrophilic và có thể phân tán trong nước và các dung môi phân cực khác. Cấu trúc của GO bao gồm các lớp graphene được xen kẽ bởi các nhóm chức năng, tạo ra khoảng cách giữa các lớp và làm tăng diện tích bề mặt. Diện tích bề mặt lớn này là một trong những yếu tố quan trọng giúp GO trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng hấp phụ và cảm biến.

1.2. Vai Trò Quan Trọng Của rGO Trong Nâng Cao Hiệu Quả Quang Xúc Tác

Reduced graphene oxide (rGO), được tạo ra từ quá trình khử GO, giữ lại cấu trúc graphene nhưng có độ dẫn điện cao hơn so với GO. rGO được sử dụng rộng rãi làm nền dẫn điện trong các ứng dụng quang xúc tác. Cấu trúc hai chiều của rGO cung cấp một diện tích bề mặt lớn để hấp thụ ánh sáng, trong khi tính dẫn điện cao giúp truyền các electron được tạo ra bởi quá trình quang xúc tác một cách hiệu quả, nâng cao hiệu suất tổng thể.

II. Thách Thức Trong Ứng Dụng Graphene Oxide Cảm Biến Điện Hóa

Mặc dù vật liệu graphene oxide hứa hẹn nhiều tiềm năng trong các ứng dụng khác nhau, việc ứng dụng rộng rãi vẫn còn tồn tại một số thách thức đáng kể. Một trong những thách thức lớn nhất là kiểm soát quá trình tổng hợp để đảm bảo chất lượng và độ lặp lại của vật liệu GO. Sự thay đổi trong quy trình tổng hợp có thể dẫn đến sự khác biệt về kích thước hạt, số lượng lớp và mức độ oxy hóa, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất và hiệu suất của GO trong các ứng dụng. Ngoài ra, tính ổn định của graphene oxide trong các điều kiện môi trường khác nhau cũng là một vấn đề cần được quan tâm. GO có thể bị suy giảm hoặc thay đổi cấu trúc trong môi trường ẩm ướt hoặc nhiệt độ cao, ảnh hưởng đến độ tin cậy của cảm biến điện hóa và hiệu quả hấp phụ.

2.1. Kiểm Soát Quá Trình Tổng Hợp Vật Liệu Graphene Oxide GO

Việc kiểm soát các thông số trong quá trình tổng hợp graphene oxide là vô cùng quan trọng. Các yếu tố như nồng độ chất oxy hóa, thời gian phản ứng và nhiệt độ đều có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của GO. Các phương pháp tổng hợp cải tiến như phương pháp Hummers cải tiến được phát triển để giảm thiểu sự hình thành các khuyết tật và cải thiện tính chất của GO. Tuy nhiên, việc kiểm soát chính xác các thông số này vẫn là một thách thức, đòi hỏi các kỹ thuật và thiết bị tiên tiến.

2.2. Đảm Bảo Độ Ổn Định Của Graphene Oxide Trong Môi Trường Ứng Dụng

Độ ổn định của graphene oxide trong môi trường ứng dụng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của các thiết bị dựa trên GO. Các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ, pH và sự hiện diện của các chất hóa học khác có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của GO. Các phương pháp biến tính bề mặt, chẳng hạn như chức năng hóa bằng các phân tử hữu cơ, có thể được sử dụng để cải thiện độ ổn định của GO trong các môi trường khắc nghiệt.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Graphene Oxide Biến Tính Tối Ưu Cảm Biến

Để vượt qua những thách thức liên quan đến graphene oxide và mở rộng tiềm năng ứng dụng, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào phát triển các phương pháp tổng hợp graphene oxide biến tính. Biến tính graphene oxide bao gồm việc gắn các nhóm chức năng hoặc vật liệu khác nhau lên bề mặt GO để cải thiện các tính chất cụ thể như độ dẫn điện, khả năng hấp phụ và tính chọn lọc. Một trong những phương pháp phổ biến là tạo vật liệu composite graphene oxide với các oxit kim loại như TiO2 và ZnO. Các vật liệu composite này kết hợp các ưu điểm của cả GO và oxit kim loại, dẫn đến hiệu suất vượt trội trong các ứng dụng cảm biến điện hóa và hấp phụ.

3.1. Tạo Vật Liệu Composite Graphene Oxide với Oxit Kim Loại TiO2 ZnO

Việc kết hợp graphene oxide với các oxit kim loại như TiO2 và ZnO đã chứng minh là một phương pháp hiệu quả để tạo ra các vật liệu composite có tính chất vượt trội. TiO2 và ZnO có tính chất quang xúc tác tốt và diện tích bề mặt lớn, trong khi GO cung cấp khả năng dẫn điện và độ bền cơ học. Sự kết hợp này giúp tăng cường khả năng hấp phụ và hiệu suất cảm biến của vật liệu composite.

3.2. Chức Năng Hóa Bề Mặt Graphene Oxide Cải Thiện Tính Chọn Lọc

Chức năng hóa bề mặt graphene oxide là một phương pháp biến tính khác, bao gồm việc gắn các nhóm chức năng cụ thể lên bề mặt GO để cải thiện tính chọn lọc và tương tác với các chất phân tích. Ví dụ, việc gắn các nhóm amin có thể tăng cường khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm anion, trong khi gắn các enzyme có thể tạo ra các cảm biến sinh học có độ nhạy cao.

IV. Ứng Dụng Cảm Biến Điện Hóa Graphene Oxide Phân Tích Dược Phẩm

Trong lĩnh vực cảm biến điện hóa, graphene oxide và các vật liệu composite của nó đã chứng minh được tiềm năng to lớn trong việc phát hiện và định lượng các chất khác nhau. Nhờ diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao và khả năng biến tính linh hoạt, graphene oxide có thể được sử dụng để chế tạo các cảm biến có độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt và thời gian phản hồi nhanh. Một trong những ứng dụng đầy hứa hẹn là phân tích dược phẩm, nơi cảm biến điện hóa dựa trên graphene oxide có thể được sử dụng để xác định nồng độ của các loại thuốc khác nhau trong mẫu sinh học hoặc dược phẩm.

4.1. Phát Hiện Đồng Thời Paracetamol và Codeine Bằng Điện Cực Biến Tính TiO2 rGO

Nghiên cứu đã chứng minh rằng điện cực biến tính bằng vật liệu composite TiO2/rGO có thể được sử dụng để phát hiện đồng thời paracetamol (PAR) và codeine (COD) trong dược phẩm. Vật liệu composite TiO2/rGO cung cấp diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện cao, tạo điều kiện cho quá trình oxy hóa điện hóa của PAR và COD. Phương pháp này cho phép xác định nồng độ PAR và COD với độ nhạy cao và độ chọn lọc tốt.

4.2. Xác Định Uric Acid và Hypoxanthine Bằng Điện Cực TiO2 GQDs

Vật liệu composite TiO2/GQDs cũng đã được sử dụng để chế tạo điện cực cho việc xác định đồng thời uric acid (URI) và hypoxanthine (HYP). GQDs cung cấp khả năng phát huỳnh quang và tính tương thích sinh học tốt, trong khi TiO2 cung cấp tính chất quang xúc tác. Điện cực biến tính TiO2/GQDs cho thấy hiệu suất vượt trội trong việc phát hiện URI và HYP, với giới hạn phát hiện thấp và độ nhạy cao.

V. Graphene Oxide Hấp Phụ Giải Pháp Xử Lý Ô Nhiễm Môi Trường

Ngoài ứng dụng trong cảm biến điện hóa, graphene oxide cũng cho thấy tiềm năng lớn trong lĩnh vực hấp phụ để xử lý ô nhiễm môi trường. Graphene oxide có diện tích bề mặt lớn, khả năng liên kết với nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau và có thể được biến tính để tăng cường khả năng hấp phụ. Vật liệu composite graphene oxide với các vật liệu khác như oxit kim loại hoặc polymer có thể được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ, kim loại nặng và các chất ô nhiễm khác khỏi nước và không khí.

5.1. Hấp Phụ Đồng Thời Congo Đỏ và Safranin T Bằng Vật Liệu ZnO rGO

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu composite ZnO/rGO có thể được sử dụng để hấp phụ đồng thời Congo đỏ (CR) và Safranin T (ST) từ dung dịch. Vật liệu composite ZnO/rGO cung cấp diện tích bề mặt lớn và các vị trí hấp phụ hoạt động, cho phép loại bỏ hiệu quả cả CR và ST. Quá trình hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố như pH, nhiệt độ và nồng độ ban đầu của các chất ô nhiễm.

5.2. Cơ Chế Hấp Phụ và Khả Năng Tái Sử Dụng Của Vật Liệu Graphene Oxide

Cơ chế hấp phụ của graphene oxide và các vật liệu composite phụ thuộc vào các tương tác khác nhau, bao gồm tương tác tĩnh điện, lực Van der Waals và liên kết hydro. Khả năng tái sử dụng của vật liệu graphene oxide là một yếu tố quan trọng để đánh giá tính bền vững của quy trình xử lý ô nhiễm. Graphene oxide có thể được tái sinh bằng các phương pháp khác nhau, chẳng hạn như rửa giải bằng dung môi hoặc đốt ở nhiệt độ cao, cho phép sử dụng lại vật liệu trong nhiều chu kỳ.

VI. Triển Vọng Tương Lai Graphene Oxide Trong Cảm Biến Hấp Phụ

Các nghiên cứu về vật liệu graphene oxide và ứng dụng của chúng trong cảm biến điện hóa và hấp phụ vẫn đang tiếp tục phát triển với tốc độ nhanh chóng. Trong tương lai, có thể mong đợi những tiến bộ đáng kể trong việc tổng hợp vật liệu GO chất lượng cao, phát triển các phương pháp biến tính hiệu quả và khám phá các ứng dụng mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Graphene oxide hứa hẹn sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc giải quyết các thách thức toàn cầu liên quan đến sức khỏe, môi trường và năng lượng.

6.1. Nghiên Cứu Về Vật Liệu Graphene Oxide và Ứng Dụng Tiên Tiến

Các nghiên cứu gần đây tập trung vào phát triển các vật liệu graphene oxide có cấu trúc và tính chất được kiểm soát chặt chẽ hơn. Điều này bao gồm việc sử dụng các phương pháp tổng hợp tiên tiến, biến tính bề mặt bằng các phân tử thông minh và tạo ra các vật liệu composite đa chức năng. Ứng dụng tiềm năng bao gồm cảm biến siêu nhạy, hệ thống phân phối thuốc thông minh và vật liệu hấp phụ có khả năng tự tái sinh.

6.2. Tiềm Năng Phát Triển Ứng Dụng Thực Tế Của Graphene Oxide

Với những ưu điểm vượt trội, graphene oxide có tiềm năng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thực tế. Trong lĩnh vực môi trường, GO có thể được sử dụng để xử lý nước thải, làm sạch không khí và loại bỏ các chất ô nhiễm từ đất. Trong lĩnh vực y tế, GO có thể được sử dụng để phát triển các cảm biến sinh học để chẩn đoán bệnh, hệ thống phân phối thuốc nhắm mục tiêu và vật liệu cấy ghép sinh học. Trong lĩnh vực năng lượng, GO có thể được sử dụng để chế tạo pin lithium-ion hiệu suất cao, siêu tụ điện và pin mặt trời.