Tổng Hợp Vật Liệu Graphene Oxide và Ứng Dụng Trong Cảm Biến Điện Hóa

• Tác giả: Vũ Ngọc Hoàng
• Người hướng dẫn: Hồ Sỹ Thắng
• Trường học: Đại học Huế
• Chuyên ngành: Hóa lý
• Đề tài: Tổng Hợp Vật Liệu Graphene Oxide Và Ứng Dụng Trong Cảm Biến Điện Hóa
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Huế

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. GRAPHENE OXIDE DẠNG KHỬ (rGO) VÀ GRAPHENE CHẤM LƯỢNG TỬ (GQDs)
• 1.1.1. Graphene oxide dạng khử (rGO)
• 1.1.2. Graphene chấm lượng tử và phương pháp tổng hợp xanh
• 1.2. VẬT LIỆU TiO2/rGO VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỆN HÓA
• 1.2.1. Một số phức titanium (IV) hòa tan trong nước
• 1.2.2. Ứng dụng TiO2/rGO trong phân tích điện hóa
• 1.2.3. Vật liệu composite TiO2/GQDs ứng dụng trong điện hóa
• 1.3. VẬT LIỆU ZnO/rGO VÀ ỨNG DỤNG TRONG HẤP PHỤ
• 1.3.1. Giới thiệu về ZnO
• 1.3.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu ZnO
• 1.3.3. Ứng dụng vật liệu ZnO/rGO trong hấp phụ phẩm màu
• 2. CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. MỤC TIÊU
• 2.2. NỘI DUNG
• 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.3.1. Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis Drs)
• 2.3.2. Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis)
• 2.3.3. Hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.3.4. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.3.5. Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ (BET)
• 2.3.6. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
• 2.3.7. Phổ tán xạ Raman
• 2.3.8. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.3.9. Quang phổ huỳnh quang (PL)
• 2.3.10. Phương pháp Voltammetry
• 2.3.11. Tổng hợp vật liệu TiO2/rGO và ứng dụng biến tính điện cực xác định đồng thời Paracetamol và Codein trong dược phẩm
• 2.3.12. Tổng hợp TiO2/GQDs và ứng dụng biến tính điện cực xác định đồng thời uric acide và hypoxanthine
• 2.3.13. Tổng hợp ZnO/rGO và ứng dụng làm chất phụ đồng thời Congo đỏ và Safranin T trong dung dịch
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP TiO2/rGO VÀ ỨNG DỤNG BIẾN TÍNH ĐIỆN CỰC ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI PARACETAMOL (PAR) VÀ CODEIN (COD)
• 3.1.1. Tổng hợp vật liệu TiO2/rGO

I. Graphene Oxide Vật Liệu Tiềm Năng và Ứng Dụng Cảm Biến

Graphene Oxide (GO) đang nổi lên như một vật liệu đầy hứa hẹn trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là cảm biến điện hóa. Với cấu trúc độc đáo và tính chất vượt trội, GO mở ra những cơ hội mới trong việc phát triển các cảm biến hiệu quả, nhạy bén và có tính chọn lọc cao. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp vật liệu graphene oxide và khám phá ứng dụng của nó trong cảm biến điện hóa, nhằm mang lại những giải pháp tiên tiến cho việc phát hiện và phân tích các chất trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ việc giám sát môi trường đến chẩn đoán y tế, graphene oxide hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong tương lai.

1.1. Cấu trúc và tính chất đặc biệt của Graphene Oxide GO

Graphene Oxide (GO) là một dẫn xuất của graphene, được tạo ra thông qua quá trình oxy hóa. Quá trình này tạo ra các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt graphene, làm thay đổi đáng kể tính chất của vật liệu. GO có diện tích bề mặt lớn, khả năng phân tán tốt trong nước và khả năng dễ dàng biến đổi hóa học, là những yếu tố quan trọng cho ứng dụng trong cảm biến điện hóa.Theo tài liệu gốc, quá trình oxy hóa graphite thành graphite oxide/graphene oxide (GO) theo phương pháp Hummers. Quá trình oxy hóa kèm theo bóc tách bằng siêu âm tạo ra graphene oxide, sau đó khử graphene oxide thành rGO bằng các phương pháp khử khác nhau.

1.2. Tổng hợp Graphene Oxide GO Các phương pháp phổ biến

Có nhiều phương pháp tổng hợp graphene oxide khác nhau, trong đó phương pháp Hummers là một trong những phương pháp phổ biến nhất. Phương pháp này sử dụng các chất oxy hóa mạnh để oxy hóa graphite, sau đó bóc tách các lớp graphene oxide riêng lẻ. Các phương pháp khác bao gồm tổng hợp xanh graphene oxide, sử dụng các chất oxy hóa thân thiện với môi trường. Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, ví dụ như độ tinh khiết, kích thước và số lượng lớp graphene oxide.

II. Thách Thức và Giải Pháp trong Ứng Dụng Graphene Oxide Cảm Biến

Mặc dù graphene oxide có nhiều tiềm năng trong cảm biến điện hóa, vẫn còn một số thách thức cần vượt qua. Một trong những thách thức lớn nhất là độ nhạy và tính chọn lọc của cảm biến. Graphene oxide có thể tương tác với nhiều chất khác nhau, dẫn đến tín hiệu nhiễu và giảm độ chính xác của phép đo. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc sửa đổi graphene oxide bằng các vật liệu khác, nhằm tăng cường tính chọn lọc và hiệu suất cảm biến.

2.1. Vấn đề độ nhạy và tính chọn lọc của cảm biến GO

Độ nhạy và tính chọn lọc là hai yếu tố quan trọng nhất đối với cảm biến điện hóa. Một cảm biến lý tưởng phải có khả năng phát hiện ngay cả những lượng nhỏ nhất của chất cần phân tích (độ nhạy cao) và chỉ phản ứng với chất đó, không phản ứng với các chất khác (tính chọn lọc cao). Graphene oxide có thể cải thiện độ nhạy do diện tích bề mặt lớn, nhưng tính chọn lọc lại là một thách thức do sự tương tác không đặc hiệu.

2.2. Các phương pháp biến tính GO để cải thiện cảm biến

Để cải thiện độ nhạy và tính chọn lọc, graphene oxide thường được biến tính bằng các vật liệu khác. Ví dụ, có thể gắn các phân tử nhận diện cụ thể lên bề mặt graphene oxide, cho phép cảm biến chỉ phản ứng với chất mà nó được thiết kế để phát hiện. Các phương pháp sửa đổi graphene oxide khác bao gồm tạo composites graphene oxide với các vật liệu nano khác, như vật liệu nano graphene và các oxide kim loại.

2.3. Giới hạn phát hiện LOD và hiệu suất cảm biến GO

Giới hạn phát hiện (LOD) là thước đo quan trọng để đánh giá hiệu suất cảm biến. LOD càng thấp, cảm biến càng nhạy. Các nghiên cứu đang tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình tổng hợp và biến tính graphene oxide để đạt được LOD thấp nhất có thể. Việc cải thiện hiệu suất cảm biến cũng bao gồm việc tăng cường độ ổn định và tuổi thọ của cảm biến.

III. Phương Pháp Điện Hóa và Ứng Dụng Graphene Oxide Biến Tính

Điện hóa graphene oxide đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất cảm biến. Bằng cách điều chỉnh các phản ứng điện hóa graphene oxide, có thể tạo ra các cảm biến điện hóa dựa trên graphene với độ nhạy và tính chọn lọc cao. Các phương pháp như điện hóa graphene oxide và sửa đổi graphene oxide được sử dụng để tối ưu hóa cơ chế cảm biến điện hóa và đạt được kết quả tốt nhất.

3.1. Tổng quan về cơ chế cảm biến điện hóa sử dụng GO

Cơ chế cảm biến điện hóa dựa trên graphene oxide thường liên quan đến việc thay đổi dòng điện hoặc điện thế khi chất cần phân tích tương tác với bề mặt graphene oxide. Sự tương tác này có thể là sự hấp phụ, phản ứng hóa học hoặc sự thay đổi điện tích. Việc hiểu rõ cơ chế cảm biến là rất quan trọng để thiết kế cảm biến hiệu quả.

3.2. Ứng dụng của graphene oxide biến tính trong điện hóa

Graphene oxide biến tính được sử dụng rộng rãi trong điện hóa, đặc biệt là trong việc chế tạo cảm biến sinh học điện hóa và cảm biến hóa học điện hóa. Bằng cách gắn các phân tử sinh học hoặc hóa học lên bề mặt graphene oxide, có thể tạo ra các cảm biến có khả năng phát hiện các chất cụ thể trong các mẫu phức tạp.

3.3. Graphene reduced oxide rGO và ứng dụng trong cảm biến

Graphene reduced oxide (rGO), được tạo ra bằng cách khử graphene oxide, cũng là một vật liệu quan trọng trong cảm biến điện hóa. rGO có độ dẫn điện cao hơn graphene oxide, làm cho nó trở thành một lựa chọn tốt cho các ứng dụng yêu cầu độ nhạy cao. Tuy nhiên, rGO cũng có thể có tính chọn lọc thấp hơn graphene oxide.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Graphene Oxide trong Cảm Biến Đa Dạng

Ứng dụng graphene oxide trong cảm biến điện hóa đang mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ ứng dụng graphene oxide trong y sinh để phát hiện các bệnh, đến ứng dụng graphene oxide trong môi trường để giám sát ô nhiễm, và ứng dụng graphene oxide trong năng lượng để phát triển các thiết bị lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn. Các nghiên cứu và phát triển liên tục đang mở ra những khả năng mới cho graphene oxide trong tương lai.

4.1. GO trong cảm biến y sinh Phát hiện bệnh và dược phẩm

Ứng dụng graphene oxide trong y sinh đang ngày càng trở nên quan trọng. Cảm biến dựa trên graphene oxide có thể được sử dụng để phát hiện các dấu hiệu sinh học của bệnh, chẳng hạn như protein, DNA hoặc RNA. Chúng cũng có thể được sử dụng để giám sát nồng độ thuốc trong cơ thể, giúp tối ưu hóa liều lượng và giảm tác dụng phụ.

4.2. Ứng dụng GO trong cảm biến môi trường Giám sát ô nhiễm

Ứng dụng graphene oxide trong môi trường giúp giám sát ô nhiễm không khí và nước. Cảm biến dựa trên graphene oxide có thể phát hiện các chất ô nhiễm như kim loại nặng, thuốc trừ sâu và các hợp chất hữu cơ độc hại. Điều này giúp bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.

4.3. Graphene Oxide và tiềm năng trong nông nghiệp

Ứng dụng graphene oxide trong nông nghiệp còn khá mới mẻ nhưng đầy hứa hẹn. Graphene oxide có thể được sử dụng để tạo ra các cảm biến phát hiện các chất dinh dưỡng trong đất, giúp nông dân tối ưu hóa việc sử dụng phân bón. Nó cũng có thể được sử dụng để phát hiện các bệnh trên cây trồng, giúp ngăn ngừa dịch bệnh lây lan.

V. Vật Liệu Nano Graphene và Tương Lai Của Cảm Biến Điện Hóa

Sự phát triển của vật liệu nano graphene và composites graphene oxide hứa hẹn mang lại những đột phá mới trong cảm biến điện hóa. Các nghiên cứu đang tập trung vào việc tạo ra các cảm biến thông minh, có khả năng tự điều chỉnh và thích ứng với môi trường. Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học và công nghệ, graphene oxide sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các cảm biến tiên tiến, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.

5.1. Tổng quan về vật liệu nano graphene và ứng dụng

Vật liệu nano graphene bao gồm graphene oxide, graphene reduced oxide, và các dẫn xuất khác. Chúng có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như điện tử, năng lượng, y sinh và môi trường. Sự phát triển của vật liệu nano graphene đang thúc đẩy sự đổi mới trong nhiều ngành công nghiệp.

5.2. Nghiên cứu mới về composites graphene oxide và cảm biến

Composites graphene oxide là vật liệu được tạo ra bằng cách kết hợp graphene oxide với các vật liệu khác, như polyme, kim loại hoặc oxide kim loại. Composites này có thể có các tính chất vượt trội so với các vật liệu thành phần riêng lẻ, làm cho chúng trở thành ứng viên tiềm năng cho cảm biến điện hóa.

5.3. Xu hướng phát triển cảm biến điện hóa GO trong tương lai

Trong tương lai, cảm biến điện hóa dựa trên graphene oxide sẽ ngày càng trở nên thông minh, nhạy bén và chọn lọc hơn. Chúng sẽ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ y tế đến môi trường và năng lượng, giúp giải quyết các vấn đề quan trọng của xã hội.