Chủ nhật, 05/04/2020 | 20:15

Chủ nhật, 05/04/2020 | 20:15

Tin tổng hợp

Cập nhật 09:07 ngày 26/03/2020

Tổng hợp Graphene từ vỏ cây khuynh diệp

Trong một thời gian dài, nhiều nghiên cứu đã được đầu tư triển khai nhằm tìm ra các phương pháp tổng hợp graphene mới vừa có chi phí thấp, vừa thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, đa phần các nghiên cứu này đều cho hiệu suất chuyển hóa thấp, graphene điều chế không có độ bền cao trong dung môi phân tán.
Chính vì vậy, gần đây, nhóm nghiên cứu của GS Vishnu Shanker (Khoa Hóa học, Học viện Kỹ thuật quốc gia Warangal, Ấn Độ) đã đề nghị một phương pháp mới nhằm tổng hợp graphe hòa tan: tận dụng các hợp chất polyphenol lấy từ vỏ cây khuynh diệp làm tác nhân khử graphene oxide thành graphene. Nghiên cứu này đã gây một sự chú ý lớn trong cộng đồng các nhà khoa học trên thế giới, khẳng định hướng sử dụng các chất khử có nguồn gốc tự nhiên trong tổng hợp graphene hòa tan cần tiếp tục được nghiên cứu sâu. 
Trong vài năm gần đây, tìm kiếm và phát triển những phương pháp thân thiện môi trường nhằm tổng hợp graphene đã trở thành một trong những chủ đề nghiên cứu hấp dẫn nhất trên thế giới. Kể từ lần đầu tiên được điều chế bằng phương pháp băng dính Scotch vào năm 2004, graphene đã thu hút sự chú ý rất lớn của cộng đồng khoa học nói chung và các nhà khoa học vật liệu nói riêng. Vốn là một vật liệu nanocarbon hai chiều độc đáo với cấu trúc bao gồm những lớp nguyên tử carbon lai hóa sp2 liên kết chặt chẽ với nhau, hình thành nên bề mặt dạng tổ ong, graphene được nhìn nhận có tiềm năng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực công nghệ nhờ vào hàng loạt đặc tính thú vị, chẳng hạn diện tích bề mặt riêng lớn, độ bền cơ học cao, đặc biệt là khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt vượt trội. Thật vậy, liên tục nhiều công trình cho thấy graphene hoàn toàn có thể được đưa vào sử dụng trong siêu tụ điện, đầu dò sinh học, siêu cảm biến, pin Li ion, xúc tác quang hóa và pin nhiên liệu.
 Cấu trúc của graphene.
Chính vì thế, để tổng hợp graphene, không ít phương pháp hiện đại và chính xác đã được đề nghị, bao gồm phương pháp kết tủa hơi hóa học, phát triển epitaxy, kỹ thuật xen kẽ graphite và kỹ thuật khử thủy nhiệt graphene oxide .
Trong những phương pháp trên, kỹ thuật khử hóa học graphene oxide gần như là phương pháp chủ lực do cho phép tổng hợp graphene khối lượng lớn với chi phí thấp. Tuy nhiên, phương pháp này lại cần sử dụng những hóa chất độc hại, dễ phát nổ như sodium borohydride, hydrazine hydrate và dimethyl hydrazine, có nguy cơ dẫn đến nhiều vấn đề về sức khỏe và môi trường. Vì vậy, tìm kiếm một con đường mới, có thể điều chế graphene từ graphene oxide mà không dùng hóa chất độc hại cũng như thiết bị đắt tiền vẫn đang là mục tiêu của rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới.
Tổng hợp graphene theo con đường hóa học xanh
Kể từ thập kỷ trước, nhiều tác nhân khử graphene oxide thân thiện với môi trường đã lần lượt được các nhà khoa học đề nghị. Trong hầu hết các trường hợp, hiệu suất chuyển hóa từ graphene oxide sang graphene khá thấp. Ngoài ra, sản phẩm graphene được tạo thành thường có hình thái kết tụ cao khi không được bổ sung chất làm bền từ bên ngoài.
Nhằm khắc phục nhược điểm này, gần đây, một số nhà nghiên cứu đã đề nghị tổng hợp dung dịch chứa graphene hòa tan, vốn được nhận thấy có thể ứng dụng ngay trong composite polymer hoặc trong các lớp màng mỏng dẫn điện trong suốt. Cụ thể, Wang và các cộng sự đã tổng hợp thành công graphene hòa tan với nhiều đặc tính sinh học bằng cách sử dụng dung dịch polyphenol chiết xuất từ lá trà [19]. Công trình thú vị này ngay lập tức tạo ra một hướng nghiên cứu mới được rất nhiều nhà khoa học quan tâm: phát triển các tác nhân khử thiên nhiên, thân thiện môi trường để có thể tổng hợp hiệu quả graphene hòa tan với chi phí thấp.
Xuất phát từ định hướng đó, nhóm nghiên cứu của GS Vishnu Shanker (Khoa Hóa học, Học viện Kỹ thuật quốc gia Warangal, Ấn Độ) đã thử nghiệm tổng hợp graphene hòa tan bằng cách sử dụng các chiết xuất lấy từ vỏ cây khuynh diệp (Eucalyptus globulus, còn được gọi là cây bạch đàn), vốn có hơn 900 loài, phân loài trên khắp thế giới và có gần 170 loài được tìm thấy ở khu vực Nam Á và Đông Nam Á.
Từ lâu, các nước châu Á đã sử dụng nước nóng để thu được các chiết xuất từ lá cây khuynh diệp khô. Các thành phần trong chiết xuất này có khả năng chống viêm, hạ sốt, giảm đau rất hiệu quả. Vì vậy, tinh dầu khuynh diệp đã được thương mại hóa rộng rãi, không chỉ là thành phần tạo hương trong nước giải khát, nước hoa, thực phẩm mà còn được sử dụng cho mục đích trị liệu nhiều căn bệnh như cảm lạnh, cúm, viêm phế quản, viêm phổi và các bệnh về đường hô hấp khác. Không chỉ có lá, chiết xuất từ vỏ cây khuynh diệp cũng được nhận thấy có nhiều tiềm năng ứng dụng khi chứa đến 29 hợp chất polyphenol, tất cả đều thể hiện hoạt tính sinh học. Chính vì vậy, GS Vishnu Shanker và các cộng sự tin rằng có thể tận dụng nguồn polyphenol phong phú từ vỏ cây khuynh diệp để tổng hợp hiệu quả graphene hòa tan với chi phí thấp, từ đó có thể ứng dụng trong sản xuất siêu tụ điện.
Thân và lá của cây khuynh diệp.
Những đặc tính của vật liệu E-graphene
Để đặc tính hóa sản phẩm, đồng thời chứng minh khả năng khử graphene oxide thành graphene của các hợp chất polyphenol chiết xuất từ vỏ cây khuynh diệp, GS Vishnu Shanker và các cộng sự đã sử dụng một loạt các phương pháp phân tích vật liệu hiện đại, bao gồm nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD), phổ Raman, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và đặc biệt là phổ quang điện tử tia X (XPS).
Bằng việc tận dụng các hoạt chất polyphenol chiết xuất từ vỏ cây khuynh diệp, một nguồn nguyên liệu rẻ tiền, có sẵn tại nhiều nước châu Á, GS Vishnu Shanker và các cộng sự đã tổng hợp thành công graphene hòa tan từ graphene oxide với hiệu suất vượt trội, hơn hẳn các tác nhân khử khác, kể cả chất khử độc hại hydrazine monohydrate. Hệ graphene hòa tan này cũng thể hiện độ bền đáng kể trong các môi trường dung môi khác nhau. Công trình này, vì vậy đã góp phần mở rộng thêm các giải pháp xanh cho phản ứng khử hóa học graphene oxide, từ đó cho phép tổng hợp graphene chỉ với chi phí thấp.

Lê Tiến Khoa (tổng hợp)
lên đầu trang