(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu chế tạo graphene oxide và ứng dụng trong thấm lọc dầu

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của TS. Hà Xuân Vinh – Viện Nghiên cứu và ứng dụng Cơng nghệ
Nha Trang.
Các số liệu và kết quả được trình bày trong luận văn này là trung thực và
chưa từng cơng bố trong bất kì cơng trình nào khác.
Bình Định, ngày 01 tháng 07 năm 2019
Tác giả luận văn

Nguyễn Thu Hiếu


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS. Hà Xuân Vinh
người không những hướng dẫn tôi trong việc học, truyền cho tôi sự lạc quan,
lòng đam mê khoa học, tinh thần học hỏi khơng ngừng mà cịn ln nhiệt tình
giúp đỡ, động viên tơi vượt qua những khó khăn và tạo điều kiện thuận lợi để
tơi hồn thành luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo và các thầy, cô giáo phòng Vật lý –
Viện Nghiên cứu và ứng dụng Công nghệ Nha Trang đã tạo điều kiện thuận
lợi cho tơi trong suốt q trình học tập, chế tạo mẫu, đo đạc các thông số.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lịng biết ơn những thầy, cơ giáo đã tham gia
giảng dạy lớp cao học Vật lý chất rắn K20 trường Đại học Quy Nhơn, gia
đình, bạn bè đã động viên, chia sẻ kinh nghiệm giúp tôi trưởng thành hơn về
mọi mặt trong thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn!


1

LỜI MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay vấn đề cung cấp nước và xử lí nước sạch đang là mối quan tâm
lớn của nhiều quốc gia. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của
nền công nghiệp, tình hình ơ nhiễm mơi trường cũng gia tăng đến mức báo
động. Do đặc thù của nền công nghiệp mới phát triển, chưa có sự quy hoạch
tổng thể và nhiều nguyên nhân như chi phí ảnh hưởng đến lợi nhuận, nên hầu
như các chất thải công ngiệp của nhiều nhà máy, nhiều nhà hàng,… chưa xử lí
mà thải thẳng ra mơi trường. Điều đó dẫn tới sự ơ nhiễm trầm trọng của môi
trường sống, ảnh hưởng tới sức khỏe đời sống người dân cũng như vẻ mỹ
quan của khu vực. Trong nước thải có một thành phần rất khó xử lí đó là dầu:
dầu ăn, dầu cơng nghiệp,.... Do đó nhu cầu xử lí nước thải có dầu là vấn đề rất
quan trọng và cấp bách.
Hiện nay, trên thế giới đã và đang nghiên cứu nhiều loa ̣i vật liệu mới có
đóng góp mạnh mẽ đến tất cả các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật cũng
như đời sống, trong đó có ứng du ̣ng tách lo ̣c dầ u ra khỏi nước. Một trong số
đó là vật liệu tiềm năng dựa trên carbon: ống nano carbon, graphite, kim
cương, fullerene, graphene, graphene oxide...
Kể từ khi lần đầu tiên graphene được giới thiệu về các tính chất điện tử
năm 2004 và giải thưởng Nobel Vật lý về vật liệu này năm 2010, ngày nay
graphene đã trở thành đối tượng được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên
cứu rộng rãi từ tính chất điện, điện hóa, quang học, cơ học và khả năng hấp
phụ độc đáo của nó. Với diện tích bề mặt lớn và tính chất vật lý, tính chất hóa
học đặc biệt, graphene và graphene oxide thực sự đã thu hút nhiều sự quan
tâm trong nhiều lĩnh vực. Do đó các nhà khoa học hy vọng rằng đến năm
2020, graphene có thể thay đổi chất bán dẫn silicon. Hiện nay, vật liệu


2
graphene và vật liệu trên cơ sở graphene đã mở ra hy vọng cho nhiều ngành
công nghiệp.

Graphene oxide (GO): GO là một đơn lớp của graphite oxide (cũng như
graphene là một đơn lớp của graphite), là vật liệu trên cơ sở graphene, có gắn
nhiều nhóm chức với những tính chất thú vị. Graphite được oxi hóa bằng hỗn
hợp các chất oxi hóa mạnh tạo thành graphite oxide. 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].
Graphite oxide qua các tác nhân bóc tách như: rung siêu âm, các tác nhân oxi
hóa mạnh, dung mơi phân cực, bóc tách cơ học,... tạo thành các lớp GO tự do
vẫn còn đính các nhóm chức, nhưng tách hẳn ra khơng sắp xếp trật tự thành
khối graphite như ban đầu. Bên cạnh đó, cấu trúc của graphene oxide phụ
thuộc nhiều vào phương pháp, quy trình chế tạo. Tại từng giai đoạn trong quy
trình sẽ có những tác động khác nhau ảnh hưởng lên chất lượng sản phẩm, vì
vậy nghiên cứu quy trình chế tạo graphene oxide là rất cần thiết.
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu vật liệu graphene và vật liệu trên cơ sở
graphene còn rất mới mẻ. Graphene oxide đã được công bố ứng dụng trong
các ngành như chế tạo pin, sản xuất vi mạch, linh kiện smartphone, hoạt chất
dẫn thuốc, thấ m lo ̣c dầ u... với vai trò quan trọng như vậy của GO, chúng tôi
cho ̣n đề tài nghiên cứu của luận văn là: Nghiên cứu chế ta ̣o Graphene Oxide
và ứng dụng trong thấ m lọc dầ u. Mu ̣c tiêu của đề tài nhằ m nắm vững kiến
thức tổng quát vật liệu GO, các phương pháp chế tạo GO, nghiên cứu một quy
trình chế tạo GO cụ thể và nghiên cứu ứng dụng thấm lọc dầu từ vật liệu GO.
2. Tổ ng quan tin
̀ h hin
̀ h nghiên cứu
Hiện nay, trên thế giới rất quan tâm đến nghiên cứu vật liệu graphene và
vật liệu trên cơ sở graphene. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu vật liệu graphene
và vật liệu trên cơ sở graphene còn rất mới mẻ, một số cơ sở nghiên cứu khoa


3

học như: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành Phố
Hồ Chí Minh, Viện Hóa học, Viện Khoa học Vật liệu, Đa ̣i ho ̣c Bách khoa Hà
nô ̣i, Đại học Quy Nhơn và một số phòng nghiên cứu đã tham gia vào lĩnh vực
nghiên cứu này.
Trên thế giới đang sử dụng rất nhiều phương pháp chế tạo graphene,
graphene oxide từ cổ điển cho đến hiện đại tùy thuộc vào mục đích sử dụng,
như: bóc tách cơ học, bóc tách điện hóa, tổng hợp hóa học, hồ quang điện,
epitaxy, CVD,… mỗi phương pháp có những ưu khuyết điểm riêng về số
lượng cũng như chất lượng. Cho nên, vấn đề hiện nay trong tất cả các hướng
nghiên cứu chế tạo, triển khai ứng dụng đó là:
- Tổng hợp được sản phẩm với khố i lươ ̣ng lớn, chất lượng cao.
- Chức năng hóa, tìm các nhóm chức phù hợp cho từng ứng dụng, tăng
cường hoạt tính khi kết hợp với vật liệu nền.
- Tìm kiếm các ứng dụng đặc biệt cho graphene/ graphene oxide.
Trong các định hướng chế tạo đó, có một hướng rất được quan tâm đó là
chế tạo vật liệu graphene oxide như một chất trung gian tiệm cận để chuẩn bị
cho các bước chế tạo graphene, bởi quy trình chế tạo đơn giản và giá thành
khá thấp mà đạt được số lượng sản phẩm lớn.
Bên cạnh đó, những ứng dụng hiện nay của graphene và graphene oxide
chỉ mới là những phần nhỏ của đối tượng vật liệu này, những tính chất mới
của chúng cũng đang được nghiên cứu đầy đủ hơn với những khảo sát trong
phạm vi thí nghiệm và bước đầu triển khai cho những ứng dụng mới [1].
Vật liệu GO có thể chế tạo theo phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học,
phương pháp epitaxi, phương pháp cắt vi cơ, phương pháp sử dụng băng keo
(Phương pháp này được Geim và các đồng nghiệp sử dụng để tạo ra graphene
vào năm 2004 [4]), phương pháp oxy hóa – bóc tách, phương pháp Hummers.


4
3. Mục đích và nhiêm

̣ vu ̣ nghiên cứu
Xác định quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu GO. Chế tạo vật liệu tại
phòng Vật lý Ứng dụng – Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha
Trang, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam – VAST.
Xác định cấu trúc và tính chất của vật liệu đã chế tạo.
Nghiên cứu tính chất thấm lọc dầu của vật liệu.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tính chấ t của vật liệu GO, các phương pháp chế tạo GO,
nghiên cứu quy trình chế ta ̣o cụ thể. Nghiên cứu ứng dụng vật liệu GO trong
thấm lọc dầu.
5. Phương pháp nghiên cứu
+ Nghiên cứu lý thuyết vật liệu GO.
+ Tìm hiểu lí thuyết và các quy trình chế tạo GO.
+ Tiến hành thực nghiệm quy trình chế tạo GO bằng phương pháp
Hummers.
+ 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.
+ Tiến hành thực nghiệm nghiên cứu ứng dụng vật liệu GO chế tạo được
trong thấm lọc dầu.
6.Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu và tìm ra quy trình cơng nghệ tối ưu để chế tạo vật liệu GO
có nghĩa hết sức quan trọng, nhằm đáp ứng những yêu cầu cấp bách về mặt
khoa học, làm chủ được công nghệ tiên tiến chế tạo vật liệu. Việc chế tạo
thành cơng vật liệu GO có ý nghĩa thực tiễn lớn phục vụ cho các ứng dụng
khoa học, đặc biệt là việc ứng dụng GO trong thấm lọc dầu có ý nauqg ĩhgn
trọng đến việc bảo vệ mơi trường.


5

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu vật liệu Graphene
1.1.1. 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 trị 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 khơng gian vng 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 1.1). 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 1.1(b).

6

Hình 1.1. 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].

(a)
(a)

(b)(b)

(c)
(c)

Hình 1.2. 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 khơng 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 ~ 0.5-1.0 TPa, độ bền vật liệu ~125 GPa [18].
Ngăn cản khơng khí: Lớp màng graphene ngăn cản được cả những phân
tử khí nhỏ nhất, khơng 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 khơng cho bất
kì phân tử nhỏ nhất nào của khơng 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 thơng số tính chất của graphene ở nhiệt độ phòng được thể hiện
như trên bảng 1 dưới đây .
Bảng 1. Tính chất vật lí của graphene ở nhiệt độ phịng [1].

Tính chất

Giá trị

Chiều dài liên kết C-C

0.142 nm

Mật độ

0.770 mg.m-2

Diện tích bề mặt lí thuyết

2.630 m2g-1

Mơ-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

97.7%

1.1.2. 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].
Ngồi những u 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 mơi 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 cịn có độ bền cơ học và tính dẻo vượt trội so với ITO
nên nó cịn 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 khơng 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 khơng thể nhanh hơn nữa. Hiện nay, đến mức độ


10
gigahertz thì silicon khơng 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. Hình 1.3 chỉ ra
số lượng bài báo nghiên cứu về graphene trong mười năm qua.

Hình 1.3. Số lượng các cơng trình cơng bố về graphene


11
Số lượng các cơng trình cơng bố về graphene trên hình 1.3 được tổng
hợp từ các cơng 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 cơng trình cơng bố liên
quan đến ba vật liệu trên chỉ đạt khoảng 5000 cơng trình, đến năm 2014 đã
tăng lên 30000 cơng trình - gấp 6 lần sau 10 năm. Không những vậy, xu
hướng nghiên cứu về graphene đã tăng mạnh từ khi giải Nobel về graphene
được công bố năm 2010. Số lượng các công trình cơng bố về graphene tăng
gấp 8 lần trong vịng 5 năm qua, năm 2010 chỉ với 2000 cơng trình công bố
trong khi năm 2014 đã lên đến 16000 công bố cho thấy graphene đang là mối
quan tâm hàng đầu trong các vật liệu carbon.
Các nước tập trung nghiên cứu về fullerene và CNTs nhiều nhất là Trung
Quốc, Mỹ và Nhật, trong khi đó Hàn Quốc, Mỹ và Trung Quốc lại tập trung

nhiều về nghiên cứu graphene. Hình 1.4 mơ tả sự phân bố của các cơng trình
cơng bố liên quan đến ba vật liệu: Fullerene, CNTs và graphene.

(a)

(b)

(c)

Hình 1.4. Sự phân bố của các cơng trình cơng bố liên quan đến ba vật liệu
fullerene (a), CNTs (b) và graphene (c) trên thế giới.

Từ các trích dẫn và thơng tin trên đã cho thấy xu hướng nghiên cứu, ứng
dụng của graphene và các vật liệu dựa trên graphene, các nghiên cứu hiện nay
tập trung chủ yếu vào lĩnh vực điện tử và công nghệ vật liệu mới. Trong khi


12
đó, ứng dụng của graphene cho lĩnh vực hấp phụ còn rất hạn chế. Tuy nhiên,
hiện nay với sự phát triển mạnh của khoa học kỹ thuật thì mảng ứng dụng này
của graphene là hoàn toàn khả thi và tiềm năng. Do đó nhu cầu khai thác vật
liệu mới nhằm ứng dụng cho xử lý môi trường cũng đang rất được quan tâm.
1.2. Vật liệu Graphene oxide (GO)
1.2.1. Các tính chất và ứng dụng của GO hiện nay
Như đã đề cập ở phần trên, graphite là dạng thù hình với cấu trúc 3 chiều
(3D) của carbon. Chúng ta có thểthấy phổ biến trong vật dụng hàng ngày như:
ruột bút chì, than,… hay có một tên gọi khác là than chì. Là vật liệu được
hình thành từ nhiều lớp nguyên tử C chồng lên nhau, trong từng lớp này, mỗi
nguyên tử C liên kết với 3 nguyên tử C khác xung quanh hình thành nên
mạng lưới lục giác (hình tổ ong).

Graphene oxide (GO): là q trình oxy hóa graphite. Graphite được oxy
hóa bằng hỗn hợp các chất oxi hóa mạnh tạo thành graphite oxide. Trong
bước này bề mặt của các lớp graphite sẽ được đính thêm các nhóm chức có
chứa oxy như hydroxyl (-OH ), epoxide (-O-), carboxyl (-COOH ) và
carbonyl (-C=O ) [9]. Graphite oxide qua các tác nhân bóc tách như: rung siêu
âm, các tác nhân oxi hóa mạnh, dung mơi phân cực, bóc tách cơ học,... tạo
thành các lớp GO tự do vẫn cịn đính các nhóm chức (hình 1.5), nhưng tách
hẳn ra khơng sắp xếp trật tự thành khối graphite như ban đầu. Mặc dù GO đã
được nghiên cứu trong hơn một thế kỷ, các cấu trúc hóa học chính xác của
GO vần cịn chưa rõ ràng. Bản chất của các nhóm chức oxy và cách gắn kết
trên mạng lưới carbon là rất quan trọng để có được một cấu trúc GO chính
xác [11].


13

Hình 1.5. Các cấu trúc GO được chế tạo bởi các nghiên cứu khác nhau.

Bên cạnh đó, những ứng dụng hiện nay của graphene và graphene oxide
chỉ mới là những phần nhỏ của đối tượng vật liệu này, những tính chất mới
của chúng cũng đang được nghiên cứu đầy đủ hơn với những khảo sát trong
phạm vi thí nghiệm và bước đầu triển khai cho những ứng dụng mới. Có thể
kể đến những thành công trong nghiên cứu chế tạo, ứng dụng GO như:
Quang phi tuyến: Vật liệu quang phi tuyến có tầm quan trọng lớn
đối với quang tử cực nhanh và quang điện tử. Gần đây, các phi tuyến quang
học khổng lồ của GO đã được chứng minh là hữu ích cho một số ứng dụng
[25]. Ví dụ, giới hạn quang học của GO là không thể thiếu để bảo vệ các thiết
bị nhạy cảm khỏi tác hại của tia laser. Và sự hấp thụ bão hịa có thể được sử
dụng để nén xung, khóa chế độ và chuyển mạch Q. Ngoài ra, khúc xạ phi
tuyến (hiệu ứng Kerr) rất quan trọng đối với các chức năng bao gồm chuyển

mạch tồn quang, tái tạo tín hiệu và truyền thơng quang nhanh.
Một trong những tính chất hấp dẫn và độc đáo nhất của GO là các tính
chất điện và quang của nó có thể được điều chỉnh linh hoạt bằng cách điều
khiển số lượng của các nhóm chứa oxy thơng qua các phương pháp khử hóa
học hoặc vật lý. Việc điều chỉnh các phi tuyến quang đã được chứng minh


14
trong tồn bộ q trình khử do tia laser thơng qua sự gia tăng liên tục của bức
xạ laser và bốn giai đoạn của các hoạt động phi tuyến khác nhau đã được phát
hiện, có thể đóng vai trị là vật liệu trạng thái rắn hứa hẹn cho các thiết bị
chức năng phi tuyến mới [26]. Người ta cũng chứng minh rằng các hạt nano
kim loại có thể tăng cường đáng kể tính phi tuyến quang [13] và huỳnh quang
[22] của graphene oxide.
Lọc nước: GO được nghiên cứu để khử muối trong nước bằng cách sử
dụng thẩm thấu ngược bắt đầu từ những năm 1960 [12]. Năm 2011 nghiên
cứu bổ sung đã được phát hành [15].
Năm 2013, Lockheed Martin đã công bố bộ lọc graphene Perforene của
họ. Lockheed tuyên bố bộ lọc giúp giảm 99% chi phí năng lượng cho quá
trình khử mặn thẩm thấu ngược. Lockheed tuyên bố rằng bộ lọc này mỏng
hơn 500 lần so với bộ lọc tốt nhất trên thị trường, mạnh hơn một nghìn lần và
cần 1% áp lực [23].
Đầu dò sinh học: Sự kết hợp graphene oxide và các chất cảm ứng
điện hóa đã tạo ra nhiều hướng ứng dụng linh hoạt trong lĩnh vực: kiểm định
dư lượng thuốc trừ sâu, chẩn đoán trong y học, các cảm biến enzyme, cảm
ứng miễn dịch, cảm biến sinh học DNA. Bề mặt phẳng lớn của graphene
oxide cho phép dập tắt đồng thời nhiều đầu dò DNA được dán nhãn bằng các
thuốc nhuộm khác nhau, cung cấp khả năng phát hiện nhiều mục tiêu DNA
trong cùng một giải pháp. Những tiến bộ hơn nữa trong các cảm biến DNA
dựa trên graphene oxide có thể dẫn đến phân tích DNA nhanh rất rẻ [16].

1.2.2. Ứng dụng GO trong thấm lọc dầu
1.2.2.1. Tính chất hút dầu của vật liệu
Đặc điểm của vật liệu: hấp phụ dầu ở mọi dạng nguyên hoặc nhũ hóa
từng phần hay bị phân tán trên mặt nước, chúng chỉ hút dầu chứ không hút
nước. Vật liệu hấp phụ dầu cần có ưu điểm sau:


15
- Có khả năng hấp thụ khối lượng dầu lớn hơn khối lượng chất hấp phụ.
- An toàn với động vật, thực vật trong và trên mặt nước, trên cạn và
không gây ô nhiễm môi trường, thân thiện với môi trường.
- Dễ bảo quản và sử dụng, có thể tái sử dụng.
Yêu cầu kĩ thuật sau:
- Khả năng hấp phụ dầu cao, vận tốc hấp phụ dầu nhanh, hút nước thấp.
- Khả năng lưu dầu cao trong quá trình vận chuyển.
- Khả năng thu hồi dầu (nhả hấp phụ) nhanh và bằng những phương
pháp đơn giản nhất có thể.
- Có các tính chất cơ lý tốt và có khả năng tái sử dụng nhiều lần.
- Có tỷ trọng thấp, khả năng nổi cao trên mặt nước.
- Chịu được các dung mơi hố chất thơng dụng.
- Khơng bị phân huỷ quang hố.
- Sẵn có và giá thành rẻ.
- Đáp ứng tiêu chuẩn về khả năng hấp phụ.
1.2.2.2. Tính khả thi cuả GO cho ứng dụng hút dầu
Ô nhiễm nước đã trở thành một vấn đề cấp bách đối với xã hội hiện đại
của chúng ta dẫn đến nhu cầu xử lý nhanh chóng ơ nhiễm nước. Trong nước
có nhiều tác nhân gây ơ nhiễm khác nhau, một trong số đó là dầu. Do đó nhu
cầu xử lý nước thải có dầu là rất cần thiết và cấp bách, một số giải pháp xử lý
đang được áp dụng hiện nay.
Xử lý dầu nhờ chất phân tán: Phun chất phân tán lên trên bề mặt lớp

dầu. Chất phân tán này có tác dụng làm giảm lực căng bề mặt ranh giới giữa
dầu và nước, tạo ra những giọt dầu nhỏ để tạo điều kiện cho việc phân hủy
sinh học và phân tán dầu vào nước xảy ra nhanh hơn. Các chất làm phân tán
dầu vào nước được chia thành 3 loại:


16
- Loại 1: Có thành phần hydrocacbon thường. Khi sử dụng khơng pha
lỗng và thường được dùng trên bãi biển hoặc trên biển.
- Loại 2: Khi sử dụng pha loãng thêm vào nước với tỉ lệ 1:10.
- Loại 3: Khi sử dụng khơng pha lỗng.
Ưu điểm:
- Xử lý thích hợp khu vực ở sát bờ.
- Chất tăng độ phân tán dầu được phun lên bề mặt nên dầu phân tán vào
nước xảy ra nhanh và hiệu quả xử lý nhanh hơn.
- Dễ sử dụng.
- Dầu được thiết bị tách ngay tại chỗ (két chứa) không cần vận chuyển
với khối lượng lớn cả dầu và nước vào bờ nên thuận lợi và chi phí giảm.
Nhược điểm:
- Khi bề mặt dầu và nước khơng ổn định do có sóng, sẽ khó phun đều
chất phân tán lên bề mặt dầu.
- Kinh phí lớn do phun với số lượng chất phân tán dư nhiều so với yêu
cầu thực tế.
Xử lý bằng phương pháp từ tính: sử dụng tấm lưới kim loại và sử dụng hạt
nano cùng từ trường. Thiết bị sử dụng tấm lưới kim loại gồm một tấm lưới
mỏng làm bằng hợp kim đặc biệt, lỗ to cỡ (1÷2) cm. Do tác động của dòng
chảy khi hỗn hợp nước - dầu chảy vào thiết bị sẽ làm cho tấm lưới kim loại
rung lên. Tấm lưới rung sẽ tạo ra một điện từ trường yếu và chính điện từ
trường yếu này lập tức tác động lên dầu và đẩy dầu lên phía nửa trên của thiết
bị. Nước được chứa vào khoang chứa để làm sạch dầu một lần nữa. Nước

sạch dầu chảy tràn qua vùng chứa khác và theo nối ống thốt ra ngồi. Thiết
bị sử dụng hạt nano và từ trường là thiết bị được hoạt động theo nguyên lý là
trộn các hạt nano kim loại màu không thấm nước với dầu, các hạt nano sẽ


17
bám chặt vào các phân tử dầu. Sau đó, các hạt nano được loại bỏ ra khỏi dầu
bằng phương pháp từ tính [2].
Ưu điểm:
- Thiết bị lọc đơn giản.
- Dầu được thiết bị tách ngay tại chỗ (két chứa) mà không cần vận
chuyển với khối lượng lớn cả dầu và nước vào bờ nên rất thuận lợi do đó chi
phí giảm.
- Công suất thiết bị tương đối lớn.
Nhược điểm: Mới chế tạo dạng mơ hình.
Xử lý dầu nhờ vật liệu hấp phụ dầu: Vật liệu thấm hút dầu hoạt động theo
nguyên lý là hút và giữ dầu trong khối vật liệu (hình 1.6), thấm hút nước với
tỷ lệ rất thấp hoặc không thấm hút nước. Vật liệu hấp phụ dầu ví dụ như:
- Vật liệu hữu cơ tự nhiên như bã mía, mùn cưa, các chất xơ sợi,...
- Chất vơ cơ tự nhiên như đất sét, cát, tro núi lửa.
- Vật liệu hấp phụ như styren và lauryl metacrylat, sanol absorbents
(loại hóa chất plastic dạng bọt, kỵ nước),...[5].

Hình 1.6. Vật liệu hấp phụ dầu


18
Tính chất của một số vật liệu hấp phụ được ghi trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Một số thông số đặc trưng của vật liệu hấp phụ [5]

dT,

dK,

dV,

VX,

g/ml

g/ml

g/ml

ml/g

A.104,

Fc,

ml/g

kg/cm2

TT

Mẫu vật

1

MDA

0.703 0.368 0.336 1.25 47.65 52.20 3.000

-

2

DA

0.563 0.295 0.218 1.61 47.60 61.27 4.200

-

P, % Q, %

3

DA200N 0.442 0.239 0.207 1.92 45.59 53.61 6.000

0.6

4

DA400N 0.352 0.154 0.106 3.65 56.25 69.88 7.000

0.8

5

DA600N 0.224 0.096 0.072 5.95 57.14 67.85 6.500

1.2

6

DA200M 0.428 0.216 0.185 2.29 49.53 56.77 5.800

0.6

7

DA400M 0.313 0.127 0.086 4.68 59.42 72.52 7.200

0.8

8

DA600M 0.267 0.119 0.080 4.65 55.43 70.03 6.800

1.2

9

MBE

1.872 1.546 1.348 0.11 17.41 27.99 1.500

-

10

BE

1.506 1.025 0.982 0.31 31.93 34.79 1.800

-

11

BE400N 1.269 0.854 0.796 0.38 32.70 37.27 2.800

2.0

12

BE400M 1.284 0.878 0.802 0.36 31.61 37.53 3.000

2.2

Ưu điểm:
- Các chất hấp thụ là dạng phổ biến dễ tìm trên thị trường, giá thành rẻ.
- Các khối vật liệu hấp thụ dầu với kích thước tiêu chuẩn, nên thuận lợi
cho quá trình sử dụng, dễ dàng thu hồi và có thể tái sử dụng vật liệu hấp thụ
sau khi sử dụng.
Nhược điểm: Khối lượng chất hấp thụ lớn, nên khó khăn cho vận chuyển
khi triển khai ứng phó dầu tràn.


19

Xử lý nhờ vải lọc dầu: sử dụng vải lọc dầu, ví dụ loại vải SQS-1 (hình
1.7), vải này có khả năng không cho dầu, váng dầu, các chất thải nhiễm dầu
lẫn trong nước đi qua vải, chỉ cho nước thấm qua.
Ưu điểm:
- Đơn giản sử dụng.
- Vật liệu dễ tìm kiếm.
- Vải lọc có tác dụng tách dầu, đồng thời có thêm tính năng diệt khuẩn,
diệt nấm, mốc, tảo ngay khi tiếp xúc.
- Vải lọc không gây ô nhiễm cho môi trường nước.
Nhược điểm:
- Sản lượng lọc thấp.
- Thời gian xử lý lâu do tốc độ lọc chậm.
- Hệ thống lọc dầu nhờ vải lọc thường tiêu hao nhiều năng lượng vì hỗn
hợp có tính nhớt (ma sát cao), hỗn hợp phải được bơm qua màng để đạt hiệu
quả tách cao.
- Màng thường bị tắc bởi các chất nhớt như dầu, do đó hiệu quả làm
việc của chúng giảm dần.
- Màng thường không đủ các loại để tách được tất cả các hỗn hợp dầu
nước, từ các lớp dầu và nước cho đến các nhũ tương chứa nhiều chất hoạt
động bề mặt.
Khắc phục những nhược điểm trên các nhà khoa học vật liệu tại Đại học
Michigan (Mỹ) đã sáng chế một loại màng mới làm từ polyme và vật liệu silic
kỵ dầu, loại này có thể tách được với lượng lớn và với bất kỳ tỷ lệ hỗn hợp
dầu nước nào.


20

Hình 1.7. Vải lọc dầu SOS-1.

Xử lý nhờ chênh lệch tỷ trọng giữa dầu và nước: do tỷ trọng của nước
lớn hơn tỷ trọng của dầu, nên khi dầu và nước nằm dưới lực trọng trường hay
lực ly tâm thì chúng sẽ tách xa nhau ra.
 Xử lý dầu nhờ lực trọng trường:
Ưu điểm:
- Két lắng đọng đơn giản;
- Sử dụng thích hợp cho dầu có tỷ trọng khác biệt lớn so với tỷ trọng
của nước.
Nhược điểm:
- Thể tích két chứa hỗn hợp dầu nước lớn.
- Thời gian lắng đọng lâu.
 Xử lý dầu nhờ lực ly tâm:
Ưu điểm:
- Lọc được cả cặn và nước;
- Chất lượng lọc tốt hơn các nguyên tắc lọc khác.
- Thiết bị có sản lượng lớn.
Nhược điểm:
- Giá thành cao.


21
- Kích thước và trọng lượng thiết bị lớn.
- Dễ tắc bẩn ở phần nón lọc.
- Khó khăn cho người khai thác vì địi hỏi trình độ chun mơn cao.
Mỗi một giải pháp tách dầu như đã nêu trên đều có một số ưu điểm
nhưng cũng có một số khiếm khuyết. Trong báo cáo này, chúng tôi đã chuẩn
bị một miếng bọt biển tẩm GO với tính kỵ nước và độ linh động, mềm dẻo
cuả bọt biển. Cấu trúc khung của miếng bọt biển này được bao phủ hoàn toàn
bằng các lớp GO được liên kết chặt chẽ.

1.2.3. Các phương pháp chế tạo GO
Quy trình tạo GO từ graphite có thể được mơ tả như trên hình 1.8. Các
nhóm chức chứa oxy phân cực của GO làm cho vật liệu này có xu hướng ưa
nước. GO phân tán tốt trong nước và có thể bị tách lớp trong nhiều loại dung
mơi [10]. Sự hiện diện của các nhóm chức hoạt động như carbonyl, epoxy,
hydroxyl trên bề mặt của GO cho phép nó tương tác với rất nhiều các phân tử
trải dài trên bề mặt biến tính. Hơn nữa, những nhóm hoạt động này của GO
cũng có thể liên kết với các ion kim loại nặng có mặt trong dung dịch thông
qua phức bề mặt, hoặc tương tác tĩnh điện giữa bề mặt âm GO và các cation
kim loại, chất mầu… do đó nó cũng có thể sử dụng để tách các ion từ dung
dịch [17].

Hình 1.8. Sơ lược quy trình chế tạo graphene oxide.


22
Hiện nay, trên thế giới đang sử dụng rất nhiều phương pháp chế tạo
graphene, graphene oxide từ cổ điển cho đến hiện đại tùy thuộc vào mục đích
sử dụng như: bóc tách cơ học, bóc tách điện hóa, tổng hợp hóa học, hồ quang
điện, epitaxy, CVD,… mỗi phương pháp có những ưu khuyết điểm riêng về
sản lượng cũng như chất lượng. Cho nên, vấn đề hiện nay trong tất cả các
hướng nghiên cứu chế tạo, triển khai ứng dụng đó là:
- Tổng hợp được sản phẩm kích thước và số lượng lớn, chất lượng cao.
- Chức năng hóa, tìm các nhóm chức phù hợp cho từng ứng dụng, tăng
cường hoạt tính khi kết hợp với vật liệu nền.
- Tìm kiếm các ứng dụng đặc biệt cho graphene/ graphene oxide.
Trong các định hướng chế tạo đó, có một hướng rất được quan tâm đó là
chế tạo vật liệu GO như một chất trung gian tiệm cận để chuẩn bị cho các
bước chế tạo graphene, bởi quy trình chế tạo đơn giản và giá thành khá thấp
mà đạt được số lượng sản phẩm lớn. Hai phương pháp được nghiên cứu và sử

dụng nhiều là phương pháp bóc tách hóa học và phương pháp CVD (hình 1.9).

Hình 1.9. Các phương pháp chế tạo graphene oxide


23
Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD): Phương pháp CVD
dùng lò nhiệt độ cao giống như phương pháp tổng hợp ống than nano. Niken
(Ni), Platin (Pt), Coban (Co), đồng (Cu) là các chất nền phổ biến, các chất nền
này được đun nóng ở nhiệt độ khoảng 1000 °C và nguồn carbon (thơng dụng
nhất là khí metan) được thổi qua chất nền, graphene sẽ được hình thành trên
bề mặt chất nền. Sau đó đế được khử đi để lộ ra mảng graphene tự do. Trong
phương pháp CVD thì chất nền được sử dụng nhiều nhất là Cu. Trong nước
có nhóm tác giả Nguyễn Văn Chúc - Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam tổng hợp graphene bằng phương pháp
CVD, các màng graphene với chiều dày 4 nm đã được tổng hợp trên lá Cu.
Độ dày của màng graphene và chiều rộng của dải graphene được kiểm sốt
chính xác bằng cách điều chỉnh nhiệt độ ủ, thời gian tiếp xúc của các chất khí
và lựa chọn các chất nền lắng đọng.
Ưu điểm: Ưu điểm nổi bật của những phương pháp này là chế tạo
được các màng graphene diện tích lớn (~1 cm2) và có độ đồng đều cao hơn so
với các phương pháp khác. Từ các màng graphene chất lượng tốt này có thể
pha tạp hoặc chức hóa bề mặt. Vì giới hạn công nghệ nên chọn tổng hợp
graphene trên nền xúc tác Cu vì Cu dễ gia cơng và giá rẻ hơn.
Khuyết điểm: Khả năng kiểm sốt hình thái học và năng lượng bám
dính ở điều kiện nhiệt độ cao vẫn là thử thách của phương pháp này. Tần số
của plasma hỗ trợ trong phương pháp CVD (plasma-enhanced CVD), sự nhiệt
phân của khí và sự đồng đều của màng là các yếu tố rất khó kiểm sốt. Bên
cạnh đó, phương pháp này cần có những thiết bị chuyên dụng và đế chất
lượng cao, do đó sản phẩm tạo thành sẽ có giá thành cao và chỉ có thể đáp

ứng cho một số ứng dụng tiêu biểu, khơng thích hợp cho việc sản xuất với số
lượng lớn để phục vụ cho những ứng dụng cơng nghiệp.
Phương pháp bóc tách pha lỏng: Phương pháp này sử dụng năng lượng
hóa học để tách các lớp graphene từ graphite. Q trình bóc tách pha lỏng bao
gồm ba bước: (1) phân tán graphite trong dung môi, (2) bóc tách, (3) lọc lấy
sản phẩm.