Ống nano cacbon Năm 1991, trong quá trình chế tạo fullerenes S Iijima 2 đã khám phá ra một cấu trúc mới của cacbon với kích thước cỡ nanomet và có dạng hình ống, cấu trúc này được gọi là ống nano ca. Dùng ôn tập tiểu luận nano carbon
Ống nano cacbon Năm 1991, trình chế tạo fullerenes S Iijima [2] khám phá cấu trúc cacbon với kích thước cỡ nanomet có dạng hình ống, cấu trúc gọi ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) (hình 1.5) Hai năm sau, Iijima Bethune tiếp tục khám phá ống nano cacbon đơn tường (SWCNTs) có đường kính 1,4 nm chiều dài cỡ micromet Kể từ đến nay, có hai loại ống nano cacbon (CNTs) biết đến là: CNTs đơn tường (SWCNTs) CNTs đa tường (MWCNTs) (hình 1.6a, hình 1.6b) Hình 1.5 Hình ảnh TEM MWCNTs lần Ijima 1991[2] Ống nano cacbon đơn tường có cấu trúc giống cuộn lại lớp than chì độ dày ngun tử (cịn gọi graphene) thành hình trụ liền, khép kín đầu nửa phân tử fullerenes Do đó, CNTs cịn biết đến fullerenes có dạng hình ống gồm nguyên tử cacbon liên kết với liên kết cộng hố trị sp2 bền vững (Hình 1.6a) Ống nano cacbon đa tường gồm nhiều ống đơn tường đường kính khác lồng vào đồng trục, khoảng cách lớp từ 0,34 nm đến 0,39 nm Ngoài ra, SWCNTs thường tự liên kết với để tạo thành bó xếp chặt (được gọi SWCNTs ropes) tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với số mạng 1,7 nm Mỗi bó gồm hàng trăm ống SWCNTs nằm song song với chiều dài lên đến vài mm (hình 1.6b) Hình 1.6 Các dạng cấu trúc CNTs: a) SWCNTs; b) MWCNTs Phát ống nano cacbon tính chất đặc biệt thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Sự góp mặt CNTs đánh dấu đời ngành khoa học vật liệu mới: vật liệu dựa sở cacbon - vật liệu cho tương lai 1.1.2 Cấu trúc ống nano cacbon SWCNTs định nghĩa graphene cuộn thành hình trụ trịn với đường kính khoảng 0,7 đến 10 nm (hầu hết < 2nm) Mặc dù chế phát triển không hoàn toàn graphene, mơ hình graphene lại sử dụng để giải thích cho tính chất ống nano cacbon Tùy theo hướng cuộn, số lớp mạng graphene mà vật liệu CNTs phân thành loại khác CNTs có đường kính từ vài nanomet tới vài chục nanomet chiều dài từ vài micromet đến vài minimet, dẫn tới tỉ lệ chiều dài/đường kính diện tích bề mặt lớn Tuy nhiên, cấu trúc lý tưởng CNTs Trên thực tế, cấu trúc CNTs tồn sai hỏng hay gọi defect Các defect phân loại theo cấu trúc hình học hay dạng lai hóa ngun tử cacbon cấu thành nên CNTs Các defect theo cấu trúc hình học ống CNTs xuất vịng cacbon khơng phải cạnh Các vịng cacbon cạnh cạnh, chủ yếu xảy đầu ống gần vùng liên kết ống (hình 1.9) Các defect theo kiểu lai hóa, hiểu dạng lai hóa nguyên tử cacbon CNTs kết hợp dạng lai hóa sp sp 3, cấu trúc CNTs không gồm liên kết C - C lai hóa dạng sp mà cịn sp2+α (-13000K, thời gian phản ứng ngắn (µs - ms), cịn phương pháp CVD lại có nhiệt độ trung bình (700 - 1473K) thời gian phản ứng dài tính phút hàng Mặt hạn chế phương pháp phóng điện hồ quang phương pháp bốc bay laser là: sản phẩm CNTs tạo không đồng đều, xếp hỗn độn, không theo quy tắc cho trước định hướng bề mặt Hiện nay, có nhiều phương pháp CVD sử dụng nguồn lượng khác để tổng hợp CNTs, ví dụ như: phương pháp CVD nhiệt, phương pháp CVD tăng cường plasma, phương pháp CVD xúc tác alcohol, phương pháp CVD có laser hỗ trợ, v.v… Hệ CVD nhiệt có cấu tạo gồm ống thạch anh bao quanh lị nhiệt (hình 1.18) Bản chất hiệu suất tổng hợp tiền chất phản ứng bị ảnh hưởng nhiều yếu tố khác chất tự nhiên xúc tác kim loại tác dụng chất xúc tác này, nguồn hydrocacbon, tốc độ khí, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng v.v… Hầu hết phương pháp CVD nhiệt thường dùng để chế tạo MWCNTs với nguồn hydrocacbon thường dùng axetylene (C 2H2) ethylene (C2H4) hạt nano Fe, Ni, Co chất xúc tác Nhiệt độ mọc CNTs thông thường nằm dải nhiệt độ 500 - 900oC Ở dải nhiệt độ hydrocacbon phân tách thành cacbon hydro Cacbon lắng đọng hạt nano kim loại khuếch tán vào hạt nano Khi lượng cacbon đạt đến giá trị bão hoà bắt đầu q trình mọc CNTs Đường kính CNTs phụ thuộc vào kích thước hạt xúc tác kim loại Với hạt kim loại xúc tác có kích thước 13 nm đường kính ống CNTs vào khoảng 30 - 40 nm Khi kích thước hạt xúc tác 27 nm đường kính ống CNTs dao động từ 100 - 200 nm [3] 10 Hình 1.18 Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt [3] Để tăng hiệu suất mọc CNTs, việc sử dụng thích hợp điều kiện như: nhiệt độ, tỷ lệ liều lượng khí chất xúc tác kim loại, người ta sử dụng thêm chất hỗ trợ xúc tác chẳng hạn CaCO3, MgCO3v.v…Có thể tạo lượng lớn ống nano cacbon cách cho acetylene ngưng đọng zêolit có xúc tác Co Fe Vì zêolit chất có nhiều lỗ trống cực nhỏ, phân tử dễ dàng lọt vào lỗ trống nên cho acetylene ngưng tụ Co/Zêolit, ta có ống nano cacbon nhiều vách đồng thời có fullerenes ống nano cacbon đơn vách 11 12 ... cho việc gia cường vào vật liệu composite cao su, polyme để tăng cường độ bền, khả chịu mài mòn ma sát cho vật liệu Bảng So sánh tính chất CNTs với số vật liệu Vật liệu Suất Young Độ bền kéo... không ổn định nên phương pháp tạo lượng lớn CNTs CNTs tạo bám bề mặt catốt xếp không theo quy tắc nào, dịng chuyển động điện trường không Các kết nghiên cứu cho thấy, mật độ cacbon nhiệt độ không... chất CNTs, đặc biệt tính chất cơ, điện Nó làm giảm độ bền mặt học làm thay đổi cấu trúc dải điện tử CNTs 1.1.3 Tính chất vật liệu CNTs Với cấu trúc trình bày trên, vật liệu CNTs thể nhiều tính chất