Graphene oxide khử là gì? Các bài nghiên cứu khoa học

Graphene oxide khử (rGO) là vật liệu thu được khi loại bỏ các nhóm oxy trên graphene oxide để phục hồi một phần cấu trúc dẫn điện của graphene. Nó giữ lại tính linh hoạt hóa học từ GO và cải thiện đáng kể độ dẫn điện, tạo nên vật liệu trung gian lý tưởng cho nhiều ứng dụng công nghệ cao.

Giới thiệu về graphene oxide khử (rGO)

Graphene oxide khử (reduced graphene oxide, viết tắt là rGO) là sản phẩm thu được từ quá trình khử hóa học, nhiệt hoặc điện hóa của graphene oxide (GO). Mục tiêu của quá trình này là loại bỏ một phần hoặc toàn bộ các nhóm chức chứa oxy như epoxy, hydroxyl và carboxyl có mặt trên bề mặt của GO, từ đó phục hồi cấu trúc mạng carbon lai hóa sp² tương tự như graphene.

Không giống như graphene tinh khiết, rGO chứa nhiều khiếm khuyết do sự phá vỡ cấu trúc ban đầu trong quá trình oxy hóa và không thể phục hồi hoàn toàn trong giai đoạn khử. Tuy vậy, rGO vẫn có khả năng dẫn điện và diện tích bề mặt cao, đồng thời vẫn giữ lại một số đặc tính chức năng hóa từ GO, giúp nó trở thành vật liệu trung gian lý tưởng cho nhiều ứng dụng kỹ thuật và khoa học vật liệu.

Vì đặc tính vừa dẫn điện vừa dễ biến đổi hóa học, rGO thường được sử dụng trong pin lithium-ion, siêu tụ điện, vật liệu hấp phụ, cảm biến và vật liệu sinh học. Mức độ khử của GO ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất ứng dụng, vì vậy việc kiểm soát quá trình tổng hợp là yếu tố then chốt trong nghiên cứu vật liệu rGO.

So sánh graphene, graphene oxide và graphene oxide khử

Graphene là vật liệu hai chiều (2D) gồm một lớp nguyên tử carbon sắp xếp theo mạng lưới tổ ong, nổi bật với tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao và độ bền cơ học vượt trội. Tuy nhiên, graphene tinh khiết không tan trong nước và khó xử lý trong quy trình tổng hợp quy mô lớn.

Graphene oxide (GO) được tổng hợp bằng cách oxy hóa graphite, làm xuất hiện các nhóm chức chứa oxy trên mạng carbon. Các nhóm này giúp GO phân tán tốt trong nước và dễ dàng chức năng hóa, nhưng đồng thời làm giảm mạnh tính dẫn điện vì phá vỡ hệ thống liên kết π của graphene. Cấu trúc của GO thường bao gồm các khu vực không đồng nhất giữa vùng sp² (giống graphene) và vùng sp³ (bị chức năng hóa).

Graphene oxide khử (rGO) là sản phẩm tái tạo một phần mạng carbon sp² bằng cách loại bỏ các nhóm chứa oxy. Nó có tính dẫn điện cao hơn GO nhưng thấp hơn graphene tinh khiết. Đặc điểm nổi bật của ba vật liệu này có thể tóm tắt trong bảng sau:

Đặc tính Graphene Graphene Oxide (GO) Graphene Oxide Khử (rGO)
Tính dẫn điện Rất cao Rất thấp Trung bình đến cao
Phân tán trong nước Không Hạn chế
Khả năng chức năng hóa Thấp Cao Trung bình
Cấu trúc mạng carbon Liên tục sp² Ngắt quãng sp²/sp³ Khôi phục một phần sp²

Phương pháp tổng hợp graphene oxide khử

Quá trình khử GO nhằm loại bỏ các nhóm chức oxy có thể thực hiện bằng ba nhóm phương pháp chính: hóa học, nhiệt và điện hóa. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng liên quan đến hiệu suất khử, độc tính, chi phí và khả năng mở rộng sản xuất.

1. Khử hóa học: Đây là phương pháp phổ biến nhất, sử dụng các chất khử mạnh như:

  • Hydrazine hydrate (N₂H₄·H₂O)
  • Axit ascorbic (vitamin C)
  • Natri borohydride (NaBH₄)
  • Chất chiết xuất sinh học như polyphenol

Phương pháp này có thể thực hiện ở nhiệt độ phòng, cho hiệu quả khử tốt, tuy nhiên một số chất khử như hydrazine độc hại và gây ô nhiễm môi trường.

2. Khử nhiệt: GO được nung nóng ở nhiệt độ từ 200–1000°C trong môi trường khí trơ như argon hoặc nitơ để phân hủy nhóm oxy. Đây là phương pháp "sạch" nhưng yêu cầu thiết bị chuyên dụng và tiêu tốn nhiều năng lượng.

3. Khử điện hóa: Dựa trên quá trình điện phân để tái tạo cấu trúc sp² trên bề mặt GO. Phương pháp này thân thiện với môi trường, có thể kiểm soát chính xác mức độ khử, nhưng hiệu suất tổng hợp thường thấp và quy mô còn hạn chế.

Cơ chế khử graphene oxide

Trong graphene oxide, sự xuất hiện các nhóm chức như hydroxyl (–OH), epoxy (–O–), carbonyl (C=O) và carboxyl (–COOH) làm phá vỡ liên kết π giữa các nguyên tử carbon. Khi tiến hành khử, các nhóm này bị loại bỏ thông qua các phản ứng oxy hóa–khử với chất khử hoặc phân hủy nhiệt, từ đó phục hồi mạng lưới sp².

Một mô hình hóa học đơn giản có thể biểu diễn như sau:

GO+Reducing AgentrGO+H2O+CO2+byproductsGO + Reducing\ Agent \rightarrow rGO + H_2O + CO_2 + byproducts

Hiệu quả của quá trình khử phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

  • Loại chất khử
  • Nhiệt độ và thời gian phản ứng
  • Độ pH và dung môi

Mức độ khử càng cao, tỷ lệ vùng carbon sp² càng lớn và tính dẫn điện càng được cải thiện. Tuy nhiên, nếu quá trình khử diễn ra không đồng đều, có thể tạo ra nhiều khiếm khuyết trong mạng carbon và làm giảm hiệu suất ứng dụng.

Đặc điểm cấu trúc và tính chất của rGO

Sau quá trình khử, graphene oxide khử (rGO) không thể trở lại trạng thái graphene nguyên bản mà chỉ phục hồi một phần mạng liên kết sp². Cấu trúc của rGO do đó không đồng nhất, gồm các vùng carbon dẫn điện xen kẽ với các vùng có khiếm khuyết hoặc chứa tạp chất. Mức độ khiếm khuyết phụ thuộc trực tiếp vào phương pháp và điều kiện khử.

Nhờ phục hồi hệ thống liên kết π, rGO có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt hơn nhiều so với GO. Tuy nhiên, do vẫn còn chứa nhóm chức và khiếm khuyết, độ dẫn này thường thấp hơn graphene tinh khiết từ 1–3 bậc độ lớn. Ngoài ra, rGO có diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ tốt và tương thích với nhiều loại phân tử, giúp nó linh hoạt trong ứng dụng.

Các tính chất tiêu biểu của rGO có thể tổng hợp như sau:

Tính chất Mô tả
Độ dẫn điện Trung bình đến cao (phục hồi phần lớn liên kết π)
Độ bền cơ học Giảm so với graphene do xuất hiện khiếm khuyết
Diện tích bề mặt Lớn (~400–800 m²/g tùy mức độ khử)
Khả năng hấp phụ Tốt đối với ion kim loại nặng, phân tử hữu cơ
Phân tán trong dung môi Kém hơn GO nhưng vẫn có thể cải thiện bằng tái chức năng hóa

Ứng dụng của graphene oxide khử

Nhờ sự kết hợp giữa tính dẫn điện, diện tích bề mặt cao và khả năng biến đổi hóa học, rGO đã trở thành vật liệu nền trong nhiều công nghệ tiên tiến. Ứng dụng của nó trải rộng trong cả ngành năng lượng, môi trường, y sinh và điện tử mềm.

1. Năng lượng: rGO được sử dụng để chế tạo điện cực trong pin lithium-ion, siêu tụ điện, và tế bào nhiên liệu. Vai trò của rGO là nâng cao mật độ dòng, cải thiện khả năng tích điện và độ bền theo chu kỳ.

2. Cảm biến: Với diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện, rGO có thể phát hiện nồng độ thấp của các phân tử khí, ion kim loại, glucose và các hợp chất sinh học khác. Độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh là điểm mạnh nổi bật.

3. Vật liệu dẫn điện linh hoạt: rGO được in hoặc phủ lên các chất nền mềm như PET, giúp tạo nên mạch điện mềm có thể uốn dẻo. Đây là nền tảng cho công nghệ thiết bị đeo, màn hình uốn và cảm biến sinh học gắn cơ thể.

4. Xử lý nước: rGO hấp phụ hiệu quả các chất ô nhiễm như thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm, kim loại nặng (Pb²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺) nhờ khả năng liên kết ion và phân tử nhờ vào nhóm chức còn sót lại.

5. Y sinh học: rGO đang được thử nghiệm trong dẫn thuốc, kháng khuẩn và hình ảnh y học. Tuy nhiên, tính an toàn sinh học còn đang được nghiên cứu sâu hơn.

Một số ứng dụng cụ thể có thể được tìm thấy trong các nghiên cứu như bài viết của ACS NanoNature Nanotechnology.

Thách thức trong nghiên cứu và ứng dụng rGO

Mặc dù rGO sở hữu nhiều tính năng hấp dẫn, việc thương mại hóa và ứng dụng quy mô lớn vẫn gặp phải một số rào cản kỹ thuật và kinh tế. Một trong các vấn đề chính là sự không đồng nhất trong quá trình tổng hợp, dẫn đến sản phẩm có đặc tính biến động khó kiểm soát.

Khó khăn khác đến từ việc lựa chọn phương pháp khử. Các chất khử hiệu quả như hydrazine lại độc hại và ảnh hưởng đến môi trường, trong khi các phương pháp thân thiện như dùng vitamin C hoặc enzyme có hiệu suất khử chưa cao.

  • Kiểm soát mức độ khử khó chính xác
  • Xuất hiện khiếm khuyết cấu trúc không mong muốn
  • Chưa có tiêu chuẩn hóa về đánh giá chất lượng rGO
  • Chi phí sản xuất còn cao với quy mô công nghiệp

Việc đánh giá độ khử hiện nay thường phải sử dụng các kỹ thuật phân tích cao cấp như XPS, Raman spectroscopy hoặc TEM, gây khó khăn trong kiểm soát chất lượng liên tục ở quy mô lớn.

Các hướng cải tiến và phát triển vật liệu rGO

Để vượt qua các thách thức hiện tại, nhiều nhóm nghiên cứu đang tập trung vào việc phát triển các phương pháp khử "xanh", sử dụng vật liệu tự nhiên như polyphenol, chiết xuất thực vật hoặc enzyme để khử GO mà không sinh ra chất độc hại. Đây là hướng tiếp cận bền vững và phù hợp với định hướng công nghệ sạch.

Song song đó, rGO cũng đang được kết hợp với các vật liệu khác để tạo ra vật liệu lai có tính năng vượt trội. Một số ví dụ bao gồm:

  • rGO–TiO₂: tăng cường hoạt tính quang xúc tác
  • rGO–polymer: cải thiện tính cơ học và độ ổn định môi trường
  • rGO–kim loại (Ag, Au, Pt): nâng cao độ nhạy trong cảm biến

Các hướng phát triển này được hỗ trợ bởi tiến bộ trong kỹ thuật tổng hợp, xử lý bề mặt và in 3D vật liệu nano. Dự kiến trong tương lai, rGO sẽ giữ vai trò trọng yếu trong nhiều ngành công nghiệp ứng dụng nano và vật liệu thông minh.

Kết luận

Graphene oxide khử là vật liệu lai mang tính cân bằng giữa khả năng dẫn điện của graphene và tính linh hoạt chức năng của graphene oxide. Với nhiều ưu điểm về cấu trúc và tính chất, rGO mở ra tiềm năng rộng lớn trong nhiều lĩnh vực ứng dụng thực tiễn.

Mặc dù còn tồn tại các vấn đề về hiệu quả khử, kiểm soát chất lượng và chi phí sản xuất, các hướng nghiên cứu hiện tại đang dần khắc phục những trở ngại này bằng các giải pháp kỹ thuật mới và tiếp cận bền vững hơn. Sự tiến bộ trong vật liệu rGO là đại diện tiêu biểu cho xu hướng phát triển vật liệu nano thế hệ mới.

Tài liệu tham khảo chọn lọc

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề graphene oxide khử:

Khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu nanocomposites tích hợp hạt nano vàng dạng nhánh nhọn lên bề mặt GO thông qua chitosan làm linker
Journal of Technical Education Science - Tập 18 Số 6 - Trang 55-61 - 2023
The graphene oxide (GO) loaded spiky gold (AuNS) nanocomposites were prepared by electrostatic interaction between negatively-charged GO nanosheets and positively-charged AuNS by the assistance of chitosan as linker molecules. The AuNS/GO nanocomposites exhibit a red-shift in the extinction spectra and a reduction in the zeta potential compared to those of the pristine AuNS due to the presence of ...... hiện toàn bộ
#Spiky Gold nanoparticles #Graphene oxide #Nanocomposites #Antibacterial #Plasmon-induced thermal
Khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu nanocomposites tích hợp hạt nano vàng dạng nhánh nhọn lên bề mặt GO thông qua chitosan làm linker
Journal of Technical Education Science - Tập 18 Số 6 - Trang 55-61 - 2023
The graphene oxide (GO) loaded spiky gold (AuNS) nanocomposites were prepared by electrostatic interaction between negatively-charged GO nanosheets and positively-charged AuNS by the assistance of chitosan as linker molecules. The AuNS/GO nanocomposites exhibit a red-shift in the extinction spectra and a reduction in the zeta potential compared to those of the pristine AuNS due to the presence of ...... hiện toàn bộ
#Spiky Gold nanoparticles #Graphene oxide #Nanocomposites #Antibacterial #Plasmon-induced thermal
Film nanocomposite oxit kẽm: oxit graphene khử cho quang xúc tác dị thể Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 52 - Trang 1-12 - 2019
Phim nanocomposite dựa trên các cấu trúc nano oxit kẽm và lớp đôi graphene khử (ZnO/rGO) đã được tổng hợp, đặc trưng và thử nghiệm cho sự phân hủy quang của thuốc nhuộm hữu cơ mô hình (methyl orange) trong nước. Cụ thể, các nanorod oxit kẽm đã được thu được bằng phương pháp thủy nhiệt trên bề mặt của các lớp đôi rGO được lắp đặt trên bề mặt thạch anh. Động học phân hủy thuốc nhuộm đã được nghiên c...... hiện toàn bộ
#nanocomposite #oxit kẽm #graphene khử #phân hủy quang #xúc tác dị thể
Cải thiện hoạt tính kháng khuẩn của Poly Vinyl Pyrrolidone/Chitosan được bổ sung graphene oxide NPs qua phương pháp bốc bay laser Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 28 - Trang 1-8 - 2021
Phương pháp bốc bay laser đã được sử dụng để tạo ra các nanocomposite mới từ hỗn hợp Chitosan-Poly (Vinyl Pyrrolidone) (PVP) kết hợp các hạt nano graphene oxide (GONPs) để ứng dụng trong lĩnh vực vi sinh vật. Sự thay đổi trong các tính chất cấu trúc và quang học của Chitosan-PVP nguyên chất sau khi bổ sung graphene oxide đã được nghiên cứu. Kết quả XRD xác nhận sự kết hợp của GO vào hỗn hợp Chitos...... hiện toàn bộ
#Chitosan #Poly Vinyl Pyrrolidone #graphene oxide #bốc bay laser #hoạt tính kháng khuẩn
Nghiên cứu hành vi của các hạt oxit graphene khử tại giao diện nước-không khí Dịch bởi AI
Allerton Press - Tập 68 - Trang 449-454 - 2014
Các hạt oxit graphene khử (RGO) được thu được từ graphit tự nhiên và nhân tạo bằng phương pháp khử hóa học. Các hạt này được đặt trên bề mặt của một pha nước trong một bể Langmuir từ các dung dịch trong tetrachloride carbon. Các isotherm nén của các lớp hạt RGO đã được thu thập cho các lượng chất khác nhau được lắng đọng trên pha nước. Các lớp trên bề mặt pha nước đã được nghiên cứu bằng kính hiển...... hiện toàn bộ
#oxit graphene khử #bể Langmuir #isotherm nén #kính hiển vi Brewster #điện thế bề mặt
Chuẩn bị điện xúc tác nanohybrid dựa trên lớp graphene oxit khử được trang trí bằng hạt nano Pt cho phản ứng sinh hydrogen Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 16 - Trang 101-109 - 2018
Một nanohybrid của hạt nano Pt và graphene oxit khử (Pt/rGO) được chuẩn bị và khai thác cho phản ứng sinh hydrogen (HER) trong môi trường axit. Đầu tiên, điện cực carbon thủy tinh (GCE) được sửa đổi bằng các tấm nanosheets graphene oxit (GO). Sau đó, trong quá trình khử điện hóa, màng GO được chuyển đổi thành rGO. Cuối cùng, rGO/GCE được ngâm trong dung dịch axit K2PtCl6 nM trong 20 phút và sau đó...... hiện toàn bộ
#nanohybrid #hạt nano Pt #graphene oxit khử #phản ứng sinh hydrogen #xúc tác điện.
Ảnh hưởng của nhiệt độ và môi trường đến quá trình khử graphene oxide thông qua nghiên cứu độ dẫn điện Dịch bởi AI
Journal of Materials Science: Materials in Electronics - Tập 31 - Trang 11847-11854 - 2020
Trong bài viết này, chúng tôi báo cáo một nghiên cứu được thực hiện nhằm hiểu cách mà những thay đổi về môi trường và nhiệt độ, trong đó quá trình khử graphene oxide (GO) diễn ra, làm biến đổi các đặc tính điện của các phim tạo ra. Thực tế, có thể cải thiện hiệu suất khử GO bằng cách lựa chọn môi trường và nhiệt độ phù hợp. Để thực hiện điều này, ba môi trường khác nhau (chân không, không khí và n...... hiện toàn bộ
#graphene oxide #độ dẫn điện #khử nhiệt #môi trường #nhiệt độ
Tính dẫn điện và tính chất ma sát của vật liệu composite Cu/Graphene oxide khử được nén dưới áp suất chân không Dịch bởi AI
Journal of Materials Engineering and Performance - Tập 26 - Trang 4434-4441 - 2017
Các viên nén graphene oxide khử/copper (rGO/Cu) ở quy mô nano được tổng hợp bằng cách khử dung dịch nước của graphene oxide và CuSO4. Các đĩa composite Cu/rGO có độ dẫn điện cao được chế tạo bằng phương pháp nén nóng chân không. Các composite đã được đặc trưng bằng kính hiển vi điện tử truyền qua, kính hiển vi quét phát xạ trường và nhiễu xạ tia X. Kết quả cho thấy quá trình nén nóng chân không có...... hiện toàn bộ
#Cu/rGO #độ dẫn điện #tính chống mài mòn #nén nóng chân không #graphene oxide khử
Nghiên cứu tính chất điện hóa của Rhodamine B trên điện cực thủy tinh biến tính bằng Fe3O4/rGO
Vật liệu graphene oxide (GO) được tổng hợp bằng phương pháp Hummers và sau đó được khử bằng axit ascorbic và biến tính bằng Fe3O4. Các đặc trưng lý hóa của vật liệu được xác định bằng phép đo phổ hồng ngoại (IR) và phổ nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy sự xuất hiện các đỉnh đặc trưng của rGO và Fe3O4. Vật liệu rGO/Fe3O4 sau khi tổng hợp được dùng để biến tính điện cực than thuỷ tinh (GCE). Kết quả khả...... hiện toàn bộ
#Graphene oxide khử #Fe3O4 #GCE #xác định điện hóa #Rhodamine B
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC GLASSY CARBON BIẾN TÍNH BẰNG GRAPHENE OXIDE DẠNG KHỬ VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH AMARANTH TRONG MẪU KẸO BẰNG PHƯƠNG PHÁP VON-AMPE
Tạp chí Phân tích Hóa, Lý và Sinh học - Tập 29 Số 2 - Trang 8 - 2023
The glassy carbon electrode modified with reduced graphene oxide (ErGO/GCE) was fabricated by electrochemical reduction using cyclic voltammetry with conditions: graphene oxide 1 mg/mL, pH = 7: potential range from -1.5 V to 0 V. The ErGO/GCE was applied to determine amaranth in food with optimal conditions such as Britton-Robinson buffer pH 3.0, adsorption potential 0 V, adsorption time 30 s, sca...... hiện toàn bộ
Tổng số: 23   
  • 1
  • 2
  • 3