Graphene oxide là gì? Nghiên cứu khoa học về Graphene oxide

Khái niệm graphene oxide

Graphene oxide (GO) là một dẫn xuất chức hóa của graphene, có cấu trúc hai chiều bao gồm một lớp nguyên tử carbon sắp xếp theo hình lục giác, được gắn thêm các nhóm chức chứa oxy như hydroxyl (–OH), epoxy (–O–), carbonyl (>C=O) và carboxyl (–COOH). Sự hiện diện của các nhóm chức này làm biến đổi đáng kể tính chất điện, hóa học và phân cực của vật liệu so với graphene nguyên chất.

GO được quan tâm rộng rãi vì khả năng phân tán tốt trong dung môi phân cực (đặc biệt là nước), khả năng tương tác bề mặt linh hoạt và tiềm năng ứng dụng đa ngành. Khác với graphene – vật liệu dẫn điện mạnh và kỵ nước – GO có thể tương tác tốt với ion kim loại, phân tử sinh học hoặc polymer nhờ vào các nhóm chức phân cực dọc theo bề mặt và mép lớp.

Graphene oxide có thể được sản xuất với chi phí thấp hơn nhiều so với graphene tinh khiết, đồng thời dễ chức hóa và biến tính, nên được xem là vật liệu trung gian lý tưởng trong chế tạo màng lọc, pin, cảm biến và vật liệu sinh học. Tham khảo nghiên cứu gốc tại Nature Nanotechnology.

Phân biệt graphene, graphene oxide và reduced graphene oxide

Ba dạng vật liệu thuộc họ graphene gồm graphene, graphene oxide (GO) và reduced graphene oxide (rGO) có thành phần hóa học và tính chất vật lý khác biệt rõ rệt. Sự khác biệt chủ yếu xuất phát từ mức độ chứa oxy và cấu trúc lai hóa của các nguyên tử carbon. Graphene nguyên chất có mạng carbon lai hóa sp² hoàn toàn, trong khi GO có sự xen kẽ giữa các vùng sp² và sp³.

Graphene oxide chứa các nhóm chức oxy làm gián đoạn mạng π liên tục, khiến tính dẫn điện giảm đáng kể. Khi GO được xử lý bằng nhiệt hoặc tác nhân khử hóa học, một phần nhóm chức được loại bỏ, thu được vật liệu gọi là rGO – vật liệu có độ dẫn điện phục hồi một phần nhưng vẫn còn khuyết tật cấu trúc. Mức độ khử quyết định tính chất điện tử của rGO.

Bảng so sánh sau minh họa rõ sự khác biệt:

Vật liệu	Thành phần hóa học	Cấu trúc	Tính chất chính
Graphene	Carbon nguyên chất (sp2)	Mạng lưới liên tục không khuyết tật	Dẫn điện tốt, cơ học vượt trội
Graphene oxide	Carbon + nhóm chứa oxy	Vùng sp2/sp3 lẫn lộn	Cách điện, phân tán tốt trong nước
Reduced GO	GO đã khử một phần	Mạng carbon phục hồi không hoàn toàn	Dẫn điện trung bình, bề mặt chức hóa

Cấu trúc hóa học và nhóm chức đặc trưng

Cấu trúc của graphene oxide là tổ hợp phức tạp giữa mạng carbon phẳng và các nhóm chức chứa oxy. Mô hình Lerf-Klinowski là mô hình được chấp nhận rộng rãi nhất, trong đó các nhóm hydroxyl và epoxy nằm ở mặt phẳng tấm, còn các nhóm carboxyl và carbonyl tập trung ở rìa tấm.

Phân bố nhóm chức:

• Hydroxyl (–OH): tăng khả năng tạo liên kết hydro và ưa nước
• Epoxy (–O–): gây biến dạng cục bộ trong mạng carbon
• Carboxyl (–COOH): tạo điểm tương tác với ion kim loại hoặc polymer
• Carbonyl (C=O): tham gia phản ứng hóa học với phân tử điện tử khác

Tỷ lệ nhóm chức có thể thay đổi tùy vào điều kiện tổng hợp và nguồn nguyên liệu ban đầu. Cấu trúc nhiều khuyết tật giúp GO dễ dàng bị biến tính, tuy nhiên đồng thời cũng ảnh hưởng đến tính chất điện và độ bền cơ học so với graphene tinh khiết.

Phương pháp tổng hợp graphene oxide

Graphene oxide thường được tổng hợp bằng phương pháp oxy hóa hóa học graphite thông qua quy trình nhiều giai đoạn bao gồm: tiền xử lý graphite, oxy hóa bằng hỗn hợp acid mạnh và chất oxy hóa, sau đó là rửa sạch và siêu âm để tách lớp. Phương pháp phổ biến nhất là Hummers method.

Phương pháp Hummers (1958) sử dụng hỗn hợp axit sulfuric (H₂SO₄), natri nitrat (NaNO₃) và kali permanganat (KMnO₄) để đưa oxy vào cấu trúc graphite. Phiên bản cải tiến – Modified Hummers – loại bỏ NaNO₃ để giảm sinh khí độc (NO₂) và tăng hiệu suất phản ứng.

Một số phương pháp khác:

• Brodie method (1859): sử dụng KClO₃ và HNO₃, tạo nhiều nhóm carboxyl
• Staudenmaier method: kết hợp KClO₃ với hỗn hợp H₂SO₄/HNO₃
• Phương pháp tổng hợp xanh: dùng H₂O₂, ozone, hoặc enzyme để thay thế chất oxy hóa độc hại

Tham khảo chi tiết tại ACS Nano – Synthesis and Properties of Graphene Oxide.

Tính chất vật lý và hóa học

Graphene oxide (GO) có nhiều tính chất độc đáo xuất phát từ cấu trúc lớp mỏng, diện tích bề mặt cao và sự hiện diện của các nhóm chức giàu oxy. Một số tính chất vật lý đáng chú ý gồm:

• Chiều dày đơn lớp: ~1 nm
• Diện tích bề mặt lý thuyết: lên đến 2630 m²/g
• Màu nâu vàng trong dung dịch nước, trái ngược với màu đen bóng của graphene
• Dễ phân tán trong dung môi phân cực như nước, ethanol, DMF

Tính chất hóa học của GO chủ yếu đến từ các nhóm chức oxy có thể phản ứng với acid, base, amine, isocyanate và nhiều hợp chất hữu cơ khác. GO có thể trải qua các phản ứng:

• Phản ứng este hóa với rượu hoặc acid
• Phản ứng amid hóa với amine
• Khử hóa học bằng hydrazine, axit ascorbic hoặc nhiệt

Khả năng chức hóa bề mặt giúp GO trở thành nền tảng để phát triển các vật liệu composite, cảm biến sinh học, chất xúc tác và vật liệu thông minh. Tuy nhiên, GO dẫn điện kém do sự phá vỡ mạng π liên tục, chỉ phục hồi sau khi khử một phần.

Ứng dụng trong điện tử và lưu trữ năng lượng

Graphene oxide có tiềm năng ứng dụng mạnh mẽ trong lĩnh vực điện tử mềm và lưu trữ năng lượng. Do diện tích bề mặt lớn và khả năng tạo lớp phủ đồng đều, GO được dùng làm chất nền cho vật liệu điện cực trong:

• Pin lithium-ion (Li-ion)
• Siêu tụ điện (supercapacitors)
• Pin kẽm–không khí và natri–ion

GO có thể được trộn với các hạt nano oxit kim loại như MnO₂, Fe₃O₄, hoặc TiO₂ để tạo thành composite điện cực có hiệu suất cao hơn. Nhờ cấu trúc lớp, GO giúp tăng khả năng trao đổi ion và độ ổn định cơ học của vật liệu điện cực.

Trong điện tử, GO còn được sử dụng làm lớp cách điện trong transistor hiệu ứng trường (FET), lớp màng ngăn giữa các lớp bán dẫn, hoặc làm vật liệu chuyển đổi linh hoạt. GO còn được nghiên cứu làm điện môi trong các tụ điện phân tử.

Xem thêm nghiên cứu tại Electrochimica Acta.

Ứng dụng trong y sinh và vật liệu thông minh

GO có khả năng tương tác với phân tử sinh học thông qua liên kết hydro, tương tác π–π và lực Van der Waals, từ đó mở ra nhiều hướng ứng dụng trong y sinh:

• Hệ vận chuyển thuốc (drug delivery)
• Chất mang gene hoặc RNA
• Vật liệu kháng khuẩn hoặc cảm biến sinh học

Trong hệ vận chuyển thuốc, GO có thể gắn với phân tử dược phẩm thông qua liên kết cộng hóa trị hoặc liên kết không cộng hóa trị. Việc này giúp tăng độ ổn định sinh học, khả năng hòa tan và hiệu quả điều trị mục tiêu, đặc biệt trong trị liệu ung thư.

Tuy nhiên, các nghiên cứu về độc tính và phân hủy sinh học của GO còn đang tiếp diễn. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng GO có thể gây phản ứng viêm hoặc làm tổn thương màng tế bào nếu không được kiểm soát kích thước và chức hóa phù hợp. Do đó, các thử nghiệm tiền lâm sàng và lâm sàng cần được thực hiện kỹ lưỡng.

Ứng dụng trong xử lý nước và môi trường

GO có khả năng hấp phụ mạnh nhờ diện tích bề mặt cao và khả năng tạo liên kết với ion kim loại, thuốc trừ sâu, chất nhuộm và hợp chất hữu cơ dễ bay hơi. Những ứng dụng môi trường chính:

• Lọc kim loại nặng (Pb²⁺, Hg²⁺, Cr⁶⁺)
• Hấp phụ thuốc trừ sâu, thuốc kháng sinh dư thừa
• Tách dầu/ nước trong tai nạn tràn dầu

GO cũng có thể được tạo màng (membrane) dùng trong quá trình lọc nano, lọc khí và khử muối. Màng GO siêu mỏng có thể tách các ion hoặc phân tử nhỏ dựa trên kích thước hoặc độ phân cực. Nhờ khả năng tạo màng linh hoạt, GO được sử dụng như vật liệu nền trong thiết kế màng RO, NF hoặc FO.

Xem nghiên cứu môi trường tại Science of the Total Environment.

Thách thức và hướng nghiên cứu tương lai

Mặc dù GO có nhiều ưu điểm, vẫn tồn tại một số thách thức khoa học và kỹ thuật:

• Khó kiểm soát chính xác mức độ chức hóa và kích thước lớp
• Giảm độ dẫn điện mạnh so với graphene tinh khiết
• Khả năng tích tụ sinh học và độc tính tiềm tàng
• Thiếu tiêu chuẩn hóa trong sản xuất quy mô công nghiệp

Các hướng nghiên cứu hiện tại tập trung vào:

1. Tổng hợp xanh (green synthesis) thân thiện môi trường
2. Phát triển vật liệu lai (nanocomposite) với polymer hoặc hạt nano kim loại
3. Tăng độ dẫn điện thông qua kỹ thuật khử chọn lọc
4. Đánh giá độc tính toàn diện để ứng dụng trong y sinh

Các công trình ứng dụng thực tế đang chuyển hướng từ nghiên cứu cơ bản sang triển khai thiết bị thật, đặc biệt trong lĩnh vực cảm biến, lọc nước, thiết bị y tế và năng lượng tái tạo.

Tài liệu tham khảo

1. Dreyer, D. R., Park, S., Bielawski, C. W., & Ruoff, R. S. (2010). The chemistry of graphene oxide. Chemical Society Reviews, 39(1), 228–240.
2. Loh, K. P., Bao, Q., Ang, P. K., & Yang, J. (2010). The chemistry of graphene. Journal of Materials Chemistry, 20(12), 2277–2289.
3. Nature Nanotechnology – Graphene oxide for electronics
4. ACS Nano – Synthesis and Properties of Graphene Oxide
5. Science of the Total Environment – Graphene oxide membranes
6. Electrochimica Acta – Electrochemical Applications of GO