Graphene và các vật liệu trên cơ sở graphene - Giải pháp triển vọng cho công nghệ xử lý môi trường

Trong những năm gần đây, graphene được xem là một trong những vật liệu nano carbon tiên tiến có nhiều triển vọng ứng dụng trong khoa học và công nghệ. Với cấu trúc đặc biệt, graphene là vật liệu gồm một lớp nguyên tử carbon sắp xếp thành mạng tinh thể hai chiều (2D), dạng lục giác (kiểu tổ ong), có độ dày chỉ bằng một lớp nguyên tử và các nguyên tử carbon liên kết với nhau bằng liên kết sp². Khi hai lớp graphene xếp chồng lên nhau tạo thành graphene hai lớp (bilayer graphene); từ 2 đến 10 lớp được gọi là graphene ít lớp (few-layer graphene). Graphene sở hữu nhiều đặc tính nổi bật như diện tích bề mặt lớn, độ bền cơ học cao, độ linh động điện tử rất cao, khả năng dẫn điện và truyền electron tốt, đồng thời dễ kết hợp với các oxit kim loại, polymer và vật liệu chức năng khác. Những đặc điểm này tạo cơ sở cho việc ứng dụng graphene trong điện tử, cảm biến, lưu trữ năng lượng, xúc tác và đặc biệt là xử lý ô nhiễm môi trường. Trong lĩnh vực môi trường, graphene có thể đóng vai trò là chất hấp phụ, giá đỡ cho các hạt nano, vật liệu thu gom dầu hoặc thành phần dẫn truyền electron trong các hệ xúc tác quang. Các nghiên cứu gần đây cho thấy việc thiết kế vật liệu trên cơ sở graphene không chỉ giúp nâng cao hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm mà còn cải thiện khả năng thu hồi, tái sử dụng và hướng tới phát triển các công nghệ xử lý môi trường hiệu quả và bền vững.

Cấu trúc và tính chất nổi bật

Graphene gồm các nguyên tử carbon liên kết thành mạng tinh thể hai chiều dạng tổ ong, chiều dày chỉ tương đương một hoặc vài lớp nguyên tử. Nhờ cấu trúc hai chiều với mạng liên kết sp² liên tục, graphene và các dẫn xuất như GO, rGO hay aerogel graphene có nhiều đặc điểm cấu trúc thuận lợi cho xử lý môi trường. Ở dạng oxit graphene (GO), oxit graphene khử (reduced graphene oxide, rGO) hoặc aerogel graphene, cấu trúc nhăn và mạng xốp giúp hạn chế kết tụ, tăng khả năng khuếch tán và hấp phụ chất ô nhiễm; khả năng dẫn điện tốt giúp giảm tái kết hợp electron - lỗ trống trong xúc tác quang, thúc đẩy phân hủy chất hữu cơ. Ở dạng GO và rGO, các nhóm chức hydroxyl, epoxy, carbonyl, carboxyl trên bề mặt giúp tăng khả năng phân tán và liên kết với chất ô nhiễm.

Phân loại vật liệu graphene

Tùy theo số lớp, mức độ oxy hóa và hình thái, graphene được chia thành các nhóm. Graphene đơn lớp và ít lớp gần với cấu trúc lý tưởng, có tính chất nổi bật nhưng yêu cầu chế tạo và kiểm soát chất lượng. Graphene nanoplates hoặc nanoplatelets gồm một hay nhiều lớp, kích thước ngang từ vài đến hàng chục micromét, chiều dày nano, phù hợp sản xuất quy mô lớn, làm chất hấp phụ, chất độn và giá đỡ hạt nano. GO chứa nhóm chức oxy nên có tính ưa nước, phân tán tốt trong nước và biến tính; khi khử một phần bằng phương pháp hóa học hoặc nhiệt sẽ tạo rGO. Graphene aerogel là mạng ba chiều nhẹ, xốp, hấp phụ cao nhưng khó thu hồi, nên kết hợp Fe₃O₄ để tạo tính từ. Ngoài ra, graphene còn được phối hợp với oxit kim loại, polymer hoặc xúc tác để tạo composite đa chức năng.

Các phương pháp tổng hợp graphene

Các phương pháp tổng hợp graphene gồm hai hướng chính: “từ trên xuống” và “từ dưới lên”. Hướng từ trên xuống tách graphite bằng các phương pháp cơ học, pha lỏng, siêu âm hoặc hóa học (oxy hóa - khử); phương pháp hóa học và pha lỏng dễ mở rộng quy mô, phù hợp sản xuất graphene nanoplates, GO và rGO. Hướng từ dưới lên tổng hợp graphene từ tiền chất carbon, phổ biến là lắng đọng hơi hóa học (Chemical Vapor Deposition - CVD) trên nền đồng (Cu) hoặc nickel (Ni), phù hợp chế tạo màng đồng đều, ổn định; composite graphene được tạo bằng đồng kết tủa hoặc xử lý nhiệt tiền chất kim loại trên bề mặt graphene.

Trên cơ sở các phương pháp tổng hợp nêu trên, trong những năm gần đây nhiều hệ vật liệu trên cơ sở graphene đã được phát triển nhằm xử lý các nhóm chất ô nhiễm khác nhau. Các vật liệu này được thiết kế theo từng mục tiêu ứng dụng cụ thể, như hấp phụ ion kim loại nặng, thu gom dầu, xúc tác quang phân hủy chất hữu cơ hoặc loại bỏ thuốc bảo vệ thực vật trong nước. Một số nghiên cứu tiêu biểu được giới thiệu dưới đây. Vật liệu graphene@Fe-Mg-Cu oxit được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt một bước, với các hạt oxit kích thước 5-10 nm phân bố đồng đều trên bề mặt graphene, nhờ đó tăng rõ rệt khả năng hấp phụ Pb(II) so với từng thành phần riêng lẻ. Vật liệu đạt dung lượng hấp phụ Pb(II) cực đại 251,26 mg/g tại pH 7, có tính chọn lọc và khả năng tái sử dụng tốt; khi xử lý mẫu nước ô nhiễm tại Hưng Yên, nồng độ Pb(II) giảm từ 3,2 xuống 0,009 mg/L (https://doi.org/10.1039/c7nj03064a). Graphene nanoplates được tổng hợp bằng phương pháp bóc tách hóa học trực tiếp từ graphite tự nhiên, có hàm lượng carbon 99,6%, khối lượng riêng biểu kiến 0,015 g/mL, kích thước ngang 5-15 µm và chiều dày dưới 15 nm. Vật liệu hấp thu dầu và dung môi hữu cơ với lượng gấp 21-42 lần khối lượng của chính nó chỉ sau 2 phút, đồng thời duy trì hiệu quả tốt sau 5 chu kỳ, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý dầu tràn và nước nhiễm dung môi hữu cơ (https://doi.org/10.3390/su11247228). Composite graphene@Fe-Ti oxit được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ quặng ilmenite, với các hạt oxit kích thước khoảng 16,4 nm phân bố trên graphene và diện tích bề mặt đạt 133,7 m²/g. Trong điều kiện thí nghiệm, vật liệu chứa 20% graphene loại bỏ hoàn toàn xanh methylene sau khoảng 20 phút chiếu sáng mô phỏng mặt trời, giảm khoảng 95% nhu cầu oxy hóa học (COD) và chỉ suy giảm hiệu quả dưới 10% sau 4 chu kỳ tái sử dụng (https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101474). Aerogel Fe₃O₄/graphene được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp khử một phần GO và đông khô, tạo mạng xốp ba chiều chứa các hạt Fe₃O₄ kích thước dưới 100 nm. Vật liệu đạt dung lượng hấp phụ 2,4-D cực đại 42,918 mg/g, hoạt động tốt ở pH 5-6 và có thể dễ dàng thu hồi khỏi nước bằng nam châm nhờ độ từ hóa bão hòa 20,66 emu/g (https://doi.org/10.1039/d4ra03567d).

Hình 1. Minh họa quá trình hấp phụ Pb(II) bằng composite graphene@Fe-Mg-Cu oxit. Nguồn: La và cộng sự, New Journal of Chemistry, 2017.

Triển vọng nghiên cứu và ứng dụng

Graphene là nền tảng thiết kế các hệ chức năng xử lý môi trường. Graphene nanoplates thích hợp để hấp thu dầu và dung môi hữu cơ; GO, aerogel tạo mạng xốp và nhóm chức bề mặt; composite graphene-oxit kim loại có thể hấp phụ ion kim loại hoặc xúc tác quang phân hủy chất hữu cơ. Để ứng dụng thực tế, cần ưu tiên nguyên liệu sẵn có, quy trình đơn giản, giảm hóa chất và năng lượng, đánh giá độ an toàn, khả năng tái sinh và hiệu quả trên nước thải thực. Đồng thời, vật liệu phải được thu hồi sau sử dụng nhằm hạn chế ô nhiễm thứ cấp và bảo đảm tính bền vững trong tương lai.

Graphene là vật liệu carbon hai chiều có cấu trúc độc đáo, tính chất vượt trội và khả năng biến đổi linh hoạt, cho thấy tiềm năng rõ rệt trong hấp phụ kim loại nặng, thu gom dầu và dung môi, xúc tác quang phân hủy chất màu, xử lý thuốc bảo vệ thực vật trong nước. Với những ưu điểm đó, graphene được đánh giá là một trong những vật liệu có nhiều triển vọng trong xử lý môi trường; việc tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện quy trình chế tạo, nâng cao khả năng tái sử dụng và giảm chi phí sản xuất sẽ tạo điều kiện để các vật liệu trên cơ sở graphene được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn, góp phần phát triển các công nghệ xử lý môi trường hiện đại, hiệu quả và bền vững./.

Tin bài: Nguyễn Thị Hoài Phương, Nguyễn Thị Thu Hằng, Lã Đức Dương (Viện Hóa học và Môi trường nhiệt đới)