Graphene Oxide là gì? Cấu trúc, tính chất và ứng dụng của Graphene Oxide

Graphene oxide là một vật liệu carbon hai chiều có cấu trúc gần giống graphene nhưng trên bề mặt chứa nhiều nhóm chức có oxygen. Nhờ sự hiện diện của các nhóm hydroxyl, epoxy, carbonyl và carboxyl, graphene oxide có tính chất khác biệt đáng kể so với graphene nguyên bản đặc biệt là khả năng phân tán trong nước và dễ biến đổi hóa học.

Trong những năm gần đây, graphene oxide được nghiên cứu rộng rãi trong vật liệu composite, màng lọc, cảm biến, lưu trữ năng lượng, xúc tác và nhiều lĩnh vực công nghệ khác.

Vậy graphene oxit là gì, cấu trúc ra sao, khác graphene như thế nào và có những ứng dụng nào? Cùng tìm hiểu chi tiết dưới đây.

Graphene Oxit là gì?

Graphene oxide viết tắt là GO là vật liệu có cấu trúc dạng tấm carbon mỏng được tạo thành khi graphite hoặc graphene bị oxy hóa.

Có thể hiểu đơn giản

Graphene oxide = mạng carbon dạng graphene + các nhóm chức chứa oxygen

Các nhóm chức thường xuất hiện trên bề mặt hoặc mép tấm graphene oxide gồm

• Hydroxyl –OH.
• Epoxy C–O–C.
• Carbonyl C=O.
• Carboxyl –COOH.

Sự hiện diện của các nhóm oxygen làm thay đổi đáng kể tính chất điện, hóa học và bề mặt của vật liệu.

Khác với graphene gần như chỉ gồm carbon, graphene oxide chứa một lượng oxygen đáng kể cả có cấu trúc mạng carbon bị gián đoạn tại nhiều vị trí.

Graphene là gì?

Để hiểu graphene oxit là gì, trước hết cần biết graphene.

Graphene là một lớp carbon chỉ dày khoảng một nguyên tử trong đó các nguyên tử carbon liên kết với nhau thành mạng lục giác hai chiều.

Có thể hình dung cấu trúc giống như một tấm tổ ong cực mỏng.

Graphene được chú ý nhờ nhiều đặc tính như

• Độ bền cơ học cao.
• Khả năng dẫn điện tốt.
• Khả năng dẫn nhiệt cao.
• Diện tích bề mặt lớn.
• Cấu trúc hai chiều.

Khi graphene hoặc graphite bị oxy hóa, nhiều nhóm chứa oxygen được hình thành trên mạng carbon tạo thành graphene oxide.

Graphene Oxide có công thức hóa học không?

Khác với các hợp chất đơn giản như

CO2

hay

Fe2O3

graphene oxide không có một công thức phân tử cố định duy nhất.

Nguyên nhân là tỷ lệ carbon và oxygen có thể thay đổi tùy

• Phương pháp tổng hợp.
• Mức độ oxy hóa.
• Điều kiện phản ứng.
• Quá trình tinh chế.
• Phương pháp khử sau đó.

Vì vậy graphene oxide thường được mô tả bằng tỷ lệ carbon/oxygen thay vì một công thức hóa học cố định.

Cấu trúc thực tế của GO cũng không hoàn toàn đồng nhất giữa các mẫu khác nhau.

Cấu trúc của Graphene Oxide

Graphene oxide vẫn giữ cấu trúc cơ bản của các tấm carbon hai chiều nhưng mạng carbon không còn hoàn toàn liên hợp như graphene.

Các nhóm oxygen nằm

• Trên bề mặt tấm.
• Tại mép tấm.
• Tại các vị trí khuyết tật.

Các nhóm epoxy và hydroxyl thường xuất hiện nhiều trên bề mặt.

Trong khi đó, carboxyl và carbonyl có xu hướng xuất hiện nhiều hơn tại mép hoặc vùng khuyết tật.

Sự oxy hóa làm một phần carbon chuyển từ cấu hình liên kết sp² sang sp³ khiến hệ electron π liên hợp của graphene bị gián đoạn.

Đây là nguyên nhân quan trọng khiến độ dẫn điện của graphene oxide thấp hơn graphene.

Tính chất vật lý của Graphene Oxide

Graphene oxide có nhiều tính chất đặc biệt.

Cấu trúc dạng tấm

GO thường tồn tại dưới dạng các lớp rất mỏng với kích thước bề mặt có thể từ nano đến micromet tùy phương pháp sản xuất.

Diện tích bề mặt lớn

Do cấu trúc hai chiều nên graphene oxide có diện tích bề mặt tương đối lớn.

Đặc tính này hữu ích trong

• Hấp phụ.
• Xúc tác.
• Cảm biến.
• Composite.

Màu sắc

Graphene oxide thường có màu

• Nâu.
• Nâu vàng.
• Nâu đen.

Dung dịch phân tán GO trong nước có thể có màu vàng nâu đến nâu sẫm tùy nồng độ.

Graphene Oxide có tan trong nước không?

Graphene oxide không tan hoàn toàn theo nghĩa tạo dung dịch phân tử như muối hoặc đường.

Tuy nhiên, GO có khả năng phân tán khá tốt trong nước.

Nguyên nhân là bề mặt graphene oxide chứa nhiều nhóm phân cực như

• –OH.
• –COOH.
• Epoxy.

Các nhóm này có thể tương tác với phân tử nước.

Nhờ đó các tấm GO có thể tạo hệ phân tán tương đối ổn định trong nước nếu được xử lý phù hợp.

Đây là một trong những điểm khác biệt quan trọng giữa graphene oxide và graphene nguyên bản.

Graphene thường có tính kỵ nước hơn với khó phân tán trực tiếp trong nước.

Graphene Oxide có dẫn điện không?

Graphene oxide có độ dẫn điện thấp hơn graphene rất nhiều.

Graphene có hệ electron π liên hợp mở rộng trên toàn bộ mạng carbon giúp electron di chuyển tương đối dễ dàng.

Khi graphene bị oxy hóa, các nhóm oxygen làm gián đoạn mạng sp².

Do đó, khả năng vận chuyển electron giảm đáng kể.

Graphene oxide thường có tính chất gần với chất bán dẫn hoặc chất cách điện hơn tùy mức độ oxy hóa.

Tuy nhiên, GO có thể được khử để loại bỏ một phần nhóm oxygen tạo thành

Reduced Graphene Oxide rGO

rGO có độ dẫn điện cao hơn GO.

Reduced Graphene Oxide là gì?

Reduced graphene oxide viết tắt là rGO là vật liệu thu được khi graphene oxide được khử nhằm loại bỏ một phần các nhóm chức chứa oxygen.

Có thể hình dung

Graphite → Graphene oxide → Reduced graphene oxide

Sau quá trình khử

• Hàm lượng oxygen giảm.
• Cấu trúc sp² được phục hồi một phần.
• Độ dẫn điện tăng.
• Tính kỵ nước có thể tăng.

Tuy nhiên, rGO không hoàn toàn giống graphene nguyên bản vì vẫn còn

• Khuyết tật.
• Một số nhóm oxygen.
• Vùng cấu trúc bị phá vỡ.

Do đó, graphene và reduced graphene oxide là hai vật liệu khác nhau.

Graphene Oxide khác Graphene như thế nào?

Graphene và graphene oxide có cùng nền tảng cấu trúc carbon hai chiều nhưng tính chất khác biệt đáng kể.

Graphene

Thành phần chủ yếu là carbon.

Có

• Độ dẫn điện cao.
• Độ dẫn nhiệt cao.
• Tính kỵ nước tương đối.
• Mạng sp² liên tục.

Graphene Oxide

Chứa carbon và nhiều nhóm oxygen.

Có

• Độ dẫn điện thấp hơn.
• Khả năng phân tán trong nước tốt hơn.
• Dễ biến đổi hóa học.
• Nhiều vị trí hoạt động trên bề mặt.

Do đó, GO thường thuận tiện hơn khi cần chức năng hóa bề mặt hay phối trộn với polymer.

Graphene Oxide được tạo ra như thế nào?

Graphene oxide thường được sản xuất từ graphite thông qua quá trình oxy hóa.

Một trong những phương pháp kinh điển là phương pháp Hummers và các biến thể cải tiến.

Về nguyên tắc quá trình gồm

Graphite → graphite oxide → tách lớp → graphene oxide

Khi graphite bị oxy hóa, các nhóm chức oxygen được đưa vào giữa và trên bề mặt các lớp carbon.

Khoảng cách giữa các lớp tăng lên giúp chúng dễ tách ra hơn.

Sau đó, vật liệu có thể được phân tán cả tách thành các tấm graphene oxide.

Trong công nghiệp và nghiên cứu, quy trình cần được kiểm soát chặt do có thể liên quan đến các chất oxy hóa mạnh và acid đậm đặc.

Graphene Oxide dùng để làm gì?

Graphene oxide được nghiên cứu với ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

Graphene Oxide trong vật liệu Composite

GO có thể được phối trộn với polymer để tạo composite.

Các polymer có thể kết hợp với graphene oxide gồm

• Epoxy.
• Polyurethane.
• PVA.
• Một số polyester.
• Các polymer chức năng khác.

Nhờ diện tích bề mặt lớn và nhiều nhóm chức, GO có thể tương tác với polymer nền.

Trong công thức phù hợp, graphene oxide có thể góp phần điều chỉnh

• Độ cứng.
• Độ bền cơ học.
• Tính chất nhiệt.
• Tính cản khí.
• Tính chất bề mặt.

Hiệu quả phụ thuộc nhiều vào khả năng phân tán GO trong polymer.

Graphene Oxide trong xử lý nước

Graphene oxide được nghiên cứu làm vật liệu hấp phụ và màng lọc.

Các nhóm chức oxygen trên bề mặt có khả năng tương tác với nhiều ion và phân tử.

GO có thể được nghiên cứu để hấp phụ

• Một số kim loại.
• Chất màu.
• Hợp chất hữu cơ.
• Một số chất ô nhiễm trong nước.

Ngoài ra, các lớp graphene oxide có thể được xếp chồng tạo màng có các khe kích thước rất nhỏ.

Điều này mở ra khả năng ứng dụng trong công nghệ màng và phân tách.

Graphene Oxide trong cảm biến

Bề mặt graphene oxide có thể tương tác với nhiều phân tử khác nhau.

Khi các phân tử bám lên bề mặt, tính chất điện hoặc quang học của vật liệu có thể thay đổi.

Nhờ đó GO được nghiên cứu trong

• Cảm biến khí.
• Cảm biến hóa học.
• Cảm biến độ ẩm.
• Cảm biến sinh học.

Graphene oxide cũng dễ được chức năng hóa bằng các phân tử khác giúp tăng khả năng nhận biết mục tiêu cụ thể.

Graphene Oxide trong lưu trữ năng lượng

GO và reduced graphene oxide được nghiên cứu trong các thiết bị lưu trữ năng lượng như

• Pin.
• Siêu tụ điện.
• Vật liệu điện cực.

Graphene oxide có nhiều nhóm chức và diện tích bề mặt lớn nhưng độ dẫn điện thấp.

Do đó, trong nhiều ứng dụng điện cực thì GO thường được khử thành rGO hay kết hợp với vật liệu dẫn điện khác.

rGO có thể tạo mạng dẫn điện cả hỗ trợ phân tán vật liệu hoạt tính.

Graphene Oxide trong chất xúc tác

Bản thân GO có thể đóng vai trò chất hỗ trợ xúc tác hay được chức năng hóa để tạo vật liệu xúc tác mới.

Bề mặt chứa nhiều nhóm oxygen giúp

• Gắn nanoparticle kim loại.
• Giữ các chất xúc tác.
• Tăng diện tích tiếp xúc.
• Tạo vị trí hoạt động.

Nhờ đó, graphene oxide được nghiên cứu trong nhiều phản ứng hóa học và điện hóa.

Graphene Oxide trong sơn và lớp phủ

GO cũng được quan tâm trong lĩnh vực sơn và lớp phủ bảo vệ.

Các tấm graphene oxide có thể tạo đường đi ngoằn ngoèo khiến nước, oxygen hoặc ion khó xuyên qua lớp vật liệu hơn.

Trong composite phù hợp có thể hỗ trợ cải thiện tính cản của lớp phủ.

Graphene oxide còn có thể được biến đổi bề mặt nhằm tăng khả năng tương thích với nhựa nền.

Graphene Oxide có phải là Graphite Oxide không?

Không hoàn toàn.

Graphite oxide là vật liệu thu được sau khi các lớp graphite bị oxy hóa nhưng vẫn còn xếp chồng lên nhau.

Trong khi đó, graphene oxide là các lớp mỏng được tách ra từ graphite oxide.

Có thể hình dung

Graphite → oxy hóa → Graphite oxide → tách lớp → Graphene oxide

Như vậy, graphite oxide là vật liệu nhiều lớp còn graphene oxide hướng tới các tấm đơn hoặc ít lớp.

Graphene Oxide có phải là Carbon Oxide không?

Không nên nhầm graphene oxide với các oxide carbon thông thường như

CO carbon monoxide

và

CO2 carbon dioxide

CO và CO2 là các phân tử nhỏ có công thức hóa học xác định.

Graphene oxide lại là vật liệu carbon hai chiều với nhiều nhóm chức oxygen và không có công thức phân tử cố định.

Vì vậy, graphene oxide thuộc nhóm vật liệu nano carbon chức năng hóa chứ không phải một oxide đơn giản như CO2.

Graphene Oxide có an toàn không?

Mức độ an toàn của graphene oxide phụ thuộc vào

• Kích thước hạt.
• Dạng bột hay dung dịch.
• Nồng độ.
• Mức độ oxy hóa.
• Cách biến đổi bề mặt.
• Đường tiếp xúc.

Đối với GO dạng bột mịn cần hạn chế phát tán bụi và hít phải vật liệu.

Trong môi trường nghiên cứu hoặc công nghiệp nên

• Đeo găng tay.
• Sử dụng kính bảo hộ.
• Kiểm soát bụi.
• Làm việc trong hệ thống thông gió thích hợp.
• Tuân thủ SDS của đúng sản phẩm.

Không nên mặc định mọi dạng graphene oxide đều có cùng mức độ an toàn vì đặc tính vật liệu nano có thể thay đổi theo cấu trúc và kích thước.

Ưu điểm của Graphene Oxide

Graphene oxide được quan tâm nhờ sự kết hợp của nhiều đặc tính.

GO có

• Cấu trúc hai chiều.
• Diện tích bề mặt lớn.
• Nhiều nhóm chức hóa học.
• Khả năng phân tán trong nước.
• Dễ chức năng hóa.
• Có thể chuyển thành reduced graphene oxide.
• Khả năng kết hợp với polymer và vật liệu vô cơ.

Những đặc điểm này khiến GO trở thành một nền vật liệu linh hoạt cho nhiều ứng dụng nghiên cứu.

Hạn chế của Graphene Oxide

Graphene oxide cũng có một số hạn chế.

So với graphene

• Độ dẫn điện thấp hơn.
• Có nhiều khuyết tật mạng.
• Tính chất thay đổi theo quy trình sản xuất.
• Khó kiểm soát hoàn toàn tỷ lệ oxygen.
• Khả năng phân tán trong một số dung môi hữu cơ còn hạn chế.

Ngoài ra, việc sản xuất GO ở quy mô lớn cần quan tâm đến chi phí, hóa chất sử dụng, xử lý nước thải và khả năng kiểm soát chất lượng giữa các lô.

Graphene oxide hay graphene oxit là vật liệu carbon hai chiều được tạo ra khi graphite hoặc graphene bị oxy hóa. Trên bề mặt vật liệu chứa nhiều nhóm chức như hydroxyl, epoxy, carbonyl và carboxyl.

Nếu hỏi graphene oxit là gì thì có thể hiểu đơn giản đây là graphene đã được chức năng hóa bằng các nhóm chứa oxygen.

Sự xuất hiện của oxygen làm graphene oxide có khả năng phân tán trong nước cả dễ biến đổi hóa học hơn graphene nhưng đồng thời khiến độ dẫn điện giảm đáng kể.