Carbon là một nguyên tố phổ biến trong lớp vỏ trái đất. Trong tự nhiên, carbon tồn tại chủ yếu dưới ba dạng thù hình là: dạng vô định hình, dạng tinh thể graphite và dạng tinh thể kim cương. Năm 1985, người ta phát hiện ra còn có một dạng nữa của carbon và đặt tên là fullerene. Ở dạng này, các nguyên tử carbon liên kết với nhau thành những phân tử lớn có dạng hình đa diện như quả bóng đá, các mặt của đa diện là các hình 6 cạnh hoặc 5 cạnh mà đỉnh của chúng là các nguyên tử carbon. Năm 1991 lại xảy ra một bất ngờ lớn nữa: Tiến sĩ Sumio Iijima một nhà khoa học Nhật Bản trong khi quan sát kỹ bột than để tìm fullerene đã phát hiện ra một dạng tinh thể kỳ lạ hơn của carbon, đó là các ống nano carbon (Tiếng anh: carbon nanotubes CNTs). Mới nhìn dưới kính hiển vi điện tử thì đó là những ống rỗng dài và thẳng với đường kính chỉ vài nanometer, trong khi chiều dài có thể đến vài trăm micrometer.1 Tìm hiểu kỹ về mặt cấu trúc, ống nano carbon có dạng hình trụ, bên trong rỗng, thành ống như một lá graphite cuộn tròn, hai đầu ống là hai nửa quả bóng fullerene úp lại. Có 2 loại ống nano carbon chính: ống nano carbon đơn lớp (SWCNTs – single wall carbon nanotubes) và ống nano carbon đa lớp (MWCNTs – multi wall carbon nanotubes). Với cấu trúc tinh thể đặc biệt, ống nano carbon có nhiều tính chất đặc biệt như: độ dẫn điện thay đổi theo cấu trúc và kích thước của ống, độ bền kéo cao, khả năng dẫn nhiệt tốt, diện tích bề mặt lớn, có khả năng phát xạ điện tử ở điện trường thấp ứng với mật độ dòng phát xạ lớn. Những tính chất trên làm cho chúng có khả năng hữu dụng cao trong rất nhiều ứng dụng của công nghệ nano, y học, môi trường, vật liệu học, công nghiệp điện tử, quang học và một số ngành khoa học khác. Tất cả các dạng cấu trúc của ống nano carbon đều do các nguyên tử carbon tự sắp xếp để hình thành. Để có ống nano carbon, vấn đề là phải tạo được những điều kiện hoá lý sao cho các nguyên tử carbon tự sắp xếp, liên kết lại thành một ống nano carbon.
Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng LỜI CẢM ƠN Lời nói em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy – ThS Lê Đức Duy – Bộ môn Công nghệ Hóa học Khoa Công nghệ, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ nhóm em suốt trình làm đồ án, thầy tạo điều kiện để nhóm em hoàn thành tốt chuyên đề này, chân thành cảm ơn thầy Đồng thời, nhóm xin gửi lời cảm ơn đến tập thể lớp Công nghệ Kỹ thuật Hóa học – K38 ủng hộ giúp đỡ nhóm suốt trình học tập Đồ án chuyên ngành Tuy có nhiều cố gắng để hoàn thành đồ án kiến thức thời gian có hạn nên tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp quý thầy cô bạn để đồ án hoàn chỉnh Xin chân thành cảm ơn! Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng MỤC LỤC Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Sơ lược ống nano carbon Carbon nguyên tố phổ biến lớp vỏ trái đất Trong tự nhiên, carbon tồn chủ yếu ba dạng thù hình là: dạng vô định hình, dạng tinh thể graphite dạng tinh thể kim cương Năm 1985, người ta phát có dạng carbon đặt tên fullerene Ở dạng này, nguyên tử carbon liên kết với thành phân tử lớn có dạng hình đa diện bóng đá, mặt đa diện hình cạnh cạnh mà đỉnh chúng nguyên tử carbon Năm 1991 lại xảy bất ngờ lớn nữa: Tiến sĩ Sumio Iijima nhà khoa học Nhật Bản quan sát kỹ bột than để tìm fullerene phát dạng tinh thể kỳ lạ carbon, ống nano carbon (Tiếng anh: carbon nanotubes - CNTs) Mới nhìn kính hiển vi điện tử ống rỗng dài thẳng với đường kính vài nanometer, chiều dài đến vài trăm micrometer.1 Tìm hiểu kỹ mặt cấu trúc, ống nano carbon có dạng hình trụ, bên rỗng, thành ống graphite cuộn tròn, hai đầu ống hai nửa bóng fullerene úp lại Có loại ống nano carbon chính: ống nano carbon đơn lớp (SWCNTs – single wall carbon nanotubes) ống nano carbon đa lớp (MWCNTs – multi wall carbon nanotubes) Với cấu trúc tinh thể đặc biệt, ống nano carbon có nhiều tính chất đặc biệt như: độ dẫn điện thay đổi theo cấu trúc kích thước ống, độ bền kéo cao, khả dẫn nhiệt tốt, diện tích bề mặt lớn, có khả phát xạ điện tử điện trường thấp ứng với mật độ dòng phát xạ lớn Những tính chất làm cho chúng có khả hữu dụng cao nhiều ứng dụng công nghệ nano, y học, môi trường, vật liệu học, công nghiệp điện tử, quang học số ngành khoa học khác Tất dạng cấu trúc ống nano carbon nguyên tử carbon tự xếp để hình thành Để có ống nano carbon, vấn đề phải tạo điều kiện hoá lý cho nguyên tử carbon tự xếp, liên kết lại thành ống nano carbon CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng Hình Các dạng thù hình phổ biến carbon: (a) Kim cương, (b) Than chì, (c) Lonsdaleite, (d) C60, (e) C540, (f) C70, (g) Carbon vô định hình, (h) Ống nano carbon 1.2 Cấu trúc 1.2.1 Cấu trúc chung Ống nano carbon có cấu trúc giống lớp mạng graphene (tấm than chì độ dày nguyên tử) cuộn lại thành hình trụ rỗng khép kín đầu bán cầu có cấu trúc buckyball Tùy theo hướng cuộn, số lớp mạng graphene mà ống nano carbon phân thành loại khác Tên ống nano carbon đặt theo hình dạng, kích thước (đường kính ống nano carbon vào cỡ vài nanometer, xấp xỉ nhỏ 50.000 lần sợi tóc), độ dài chúng tới vài trăm micrometer điều kiện thí nghiệm thích nghi độ dài chúng lên đến vài milimeter.2 Bản chất liên kết ống nano carbon giải thích hóa học lượng tử, cụ thể xen phủ orbital Các cấu trúc mạng tinh thể graphene không gian thực bao gồm xếp nguyên tử carbon hình lục giác hình 1-2(a) Một nguyên tử carbon trạng thái kích thích có bốn electron hóa trị orbital 2s ba orbital 2p Trong trình hình thành graphene, ba orbitan nguyên tử nguyên tử carbon: 2s, 2px 2py lai hóa với tạo thành ba orbitan sp2 Các orbitan sp2 nằm mặt phẳng orbital 2pz hình thành liên kết π CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng lại vuông góc với mặt phẳng graphene hình 1-2(b) Liên kết hóa học ống nano carbon cấu tạo hoàn toàn liên kết sp 2, tương tự với than chì Các ống nano carbon thông thường tự xếp thành “sợi dây thừng” giữ với lực Van der Waals.3 Hình (a) Cấu trúc lục giác graphene, (b) Cấu trúc orbital graphene 1.2.2 Ống nano carbon đơn vách Phần lớn ống nano đơn vách có đường kính gần nanometer, với độ dài đường ống gấp hàng nghìn lần Cấu trúc ống nano carbon đơn vách hình dung cuộn graphene thành hình trụ liền mạch Cách đặt tên ống nano (n,m) tưởng tượng vector Ch graphene vô hạn mà mô tả cách “cuộn” graphene để tạo ống nano carbon Vector Ch định nghĩa công thức: Trong đó: , vector đơn vị dọc theo hai hướng lưới tinh thể hình tổ ong graphene n, m giá trị vector đơn vị Nếu m=0, ống nano gọi “zigzag” Nếu n=m, ống nano gọi “armchair” Nếu không, chúng gọi “chiral” CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng Hình Cuộn graphene theo hướng khác 1.2.3 Ống nano carbon đa vách Hình Cấu trúc (a) Đơn vách, (b) Hai vách, (c) Đa vách ống nano carbon MWCNTs gồm hai hay nhiều lớp graphene cuộn lên để tạo thành hình trụ liền mạch Ống nano carbon hai vách - DWCNTs coi loại đặc biệt MWCNTs có hai graphene đồng tâm cuộn lên Có thể mô tả cấu trúc MWCNTs theo kiểu: - Russian doll: gồm graphene xếp theo hình trụ đồng tâm Parchment: graphene đơn cuộn quanh Khoảng cách lớp MWCNTs gần khoảng cách lớp graphene graphite, xấp xỉ 0,34 nanometer CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng 1.3 Tính chất 1.3.1 Tính chất Ống nano carbon vật liệu cứng bền xét phương diện độ bền kéo module đàn hồi tương ứng Độ bền có liên kết cộng hóa trị orbital lai hóa sp2 hình thành nguyên tử carbon Năm 2000, ống nano carbon đa vách kiểm tra có kết độ bền kéo 63 GPa – tức có khả chịu 6300 kg diện tích mặt cắt ngang 1mm Với loại ống nano carbon có mật độ thấp 1,3 -1,4 g.cm -3 (siêu nhẹ), độ bền riêng lớn lên tới 48.000 kN.m.kg-1 - so với độ bền thép carbon chất lượng cao 154 kN.m.kg-1 Khi chịu ứng suất kéo mức, ống nano carbon bị biến dạng dẻo CNTs gần bền nén, cấu trúc rỗng có hệ số co cao, nên thường có khuynh hướng bị oằn chịu ứng suất nén, xoắn hay uốn Dựa vào cấu trúc hình học kiểm tra xác, ống nano carbon theo phương bán kính mềm so với phương trục dọc.3 Bảng So sánh tính chất học CNTs với cấu trúc khác nhau.3 Vật liệu Suất Young (GPa) Độ bền kéo (GPa) Mật độ khối lượng (g/cm3) SWCNTs 1054 150 1,4 MWCNTs 1200 150 2,6 Steel 208 0,4 7,8 Epoxy 3,5 0,005 1,25 Wood 16 0,008 0,6 Trong bảng 1.1, so với thép, suất Young CNTs gấp khoảng đến lần độ bền kéo gấp 375 lần Trong đó, khối lượng riêng CNTs nhẹ tới lần so với thép Điều chứng tỏ CNTs có đặc tính học tốt, bền nhẹ, thích hợp cho việc gia cường vào vật liệu composite cao su, polymer, để tăng cường độ bền, khả chịu mài mòn ma sát cho vật liệu CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng 1.3.2 Tính chất điện Tính dẫn điện CNTs phụ thuộc mạnh vào cấu trúc ống Tùy thuộc vào cặp số (n,m) mà độ dẫn CNTs bán dẫn hay kim loại Cơ học lượng tử độ dẫn mạng graphene nằm bán dẫn kim loại Tuy nhiên, cuộn lại thành ống, liên kết C-C vuông góc với trục ống hình thành, dẫn đến cấu trúc điện tử số loại CNTs giống kim loại dẫn điện tốt Cu, Au Các cách cuộn khác mạng graphene tạo ống với khe lượng nhỏ Do đó, độ dẫn CNTs tương ứng bán dẫn kim loại Bảng Phân loại đặc trưng dẫn số loại CNTs Cấu trúc CNTs Chỉ số a (m,n) Đặc tính dẫn điện Armchair (n,n) Kim loại Zigzag (n,0) n/3 nguyên Kim loại Zigzag (n,0) n/3 không nguyên Bán dẫn Chiral |n-m| = 3k Kim loại Chiral |n-m| = 3k +1 Bán dẫn 1.3.3 Tính chất nhiệt Các ống nano carbon dẫn nhiệt tốt theo phương dọc trục, biết đến tính chất dẫn nhiệt theo hướng, cách nhiệt tốt theo phương vuông góc với trục ống Có thể dự đoán ống nano carbon truyền tới 6000 W.m -1.K-1 nhiệt độ phòng đồng truyền 385 W.m -1.K-1 Nhiệt độ ổn định ống nano carbon lên tới 2800 oC chân không 750 oC không khí.5 1.3.4 Tính chất hóa học CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 10 Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng nano carbon xảy nhiệt độ thấp khoảng 550 oC Dưới tác dụng nhiệt độ, gốc hydroxyl tạo thành bám lên hạt xúc tác kim loại nhằm loại bỏ nguyên tử carbon tạo liên kết dây cản trở hình thành ống nano carbon đơn lớp tinh khiết Đường kính ống thu khoảng nm Hình 16 Sơ đồ hệ thống thiết bị phương pháp CVD xúc tác alcohol Nhiệt độ phản ứng tương đối thấp thu ống nano carbon tinh khiết giúp cho việc áp dụng phương pháp vào sản xuất thực tế với quy mô lớn trở nên dễ dàng Bên cạnh nhiệt độ phản ứng thấp 600 oC giúp cho công nghệ dễ ứng dụng vào việc tạo thành ống nano carbon đơn lớp trực tiếp thiết bị bán dẫn thử nghiệm với hệ nhôm.3 CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 22 Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA CARBON NANOTUBES 3.1 Ứng dụng y học Trong thập kỷ qua, CNTs nghiên cứu phương pháp điều trị xâm nhập vào tế bào mà không gây độc cho tế bào CNTs cho phép tải lượng lớn trọng tải dọc theo chiều dài ống mà không ảnh hưởng đến khả chuyển động thâm nhập Với tải trọng thích hợp, CNTs thực phương pháp điều trị đa chức năng, bao gồm loại thuốc, gen nhắm mục tiêu phân tử, thành tế bào để phát huy tác dụng đa hóa trị Trong năm gần đây, CNTs sử dụng thành công kỹ thuật mô tế bào gốc ứng dụng dựa điều trị, bao gồm liệu pháp tim, hình thành xương, tái tạo tế bào thần kinh Hơn nữa, tính chất quang học riêng biệt nên CNTs ứng dụng việc phát sinh học hình ảnh Vì nên CNTs có nhiều ứng dụng quan trọng y sinh học lĩnh vực phân phối thuốc, chuyển gen, liệu pháp tế bào gốc, liệu pháp nhiệt, phát sinh học hình ảnh.9 3.1.1 Ứng dụng phân phối thuốc hóa trị liệu Ung thư nguyên nhân phổ biến gây tử vong toàn giới Ngoài phẫu thuật cắt bỏ khối u hóa trị phương pháp điều trị thường sử dụng bệnh ung thư Tuy nhiên, hiệu loại thuốc hóa trị thường bị hạn chế độc tính mô khác thể Bởi hầu hết thuốc hóa trị liệu không cụ thể tiêu diệt tế bào ung thư mà tiêu diệt tất tế bào phân chia nhanh chóng Các hạt nano áp dụng để phân phối thuốc cho thấy cải thiện hiệu thuốc giảm độc tính mô khác thể Các thuộc tính CNTs có lợi cho việc phân phối thuốc trị ung thư hạt nano khác, kích thước CNTs chức hóa thích hợp cho việc tích tụ mô khối u CNTs có diện tích bề mặt lớn tạo điều kiện tải loại thuốc phân tử mục tiêu Các cấu trúc vòng benzene CNTs sử dụng để tải loại thuốc có chứa cấu trúc vòng benzen doxorubicin (DOX), epirubicin (EPI), daunorubicin (DAU).9 CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 23 Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng Hình 17 Ứng dụng CNTs phân phối thuốc hóa trị liệu Hạt nano ống nano carbon hai loại vật liệu nghiên cứu nhiều dùng làm mặt (platform) tải thuốc chức hoá với nhóm chức thích hợp để cảm nhận độ pH, nhiệt kích thích nhả thuốc gặp mục tiêu Chúng giống tàu ngầm tí hon bơm vào mạch máu, len lỏi vào tế bào để tiêu diệt tế bào bệnh nhưng không gây ảnh hưởng đến tế bào bình thường Ống nano carbon xem kim xuyên qua tế bào mục tiêu sau kích hoạt nhả thuốc Hiện nay, hạt sinh học lyposome thức dùng để tải thuốc trị ung thư doxorubicin Nhưng lyposome tải - 10 wt% thuốc ống nano carbon tải đến 60 wt% Ngoài ra, thuốc tải ống nano carbon phóng thích dễ dàng qua kích hoạt tia cận hồng ngoại Dù có nhiều ưu điểm liposome, ống nano carbon chưa hội đủ điều kiện cần thiết để đưa vào thể người Thứ nhất, ống nano carbon vào thể phải có tương thích sinh học, không gây độc tính dị ứng thể Thứ hai, sau hoàn thành việc tải nhả thuốc ống nano carbon phải tự phân hủy chất phân hủy độc tố cần thải Ống nano carbon chưa thỏa mãn hai điều kiện Nhưng có số công trình thực nhằm thay đổi bề mặt ống nano carbon để gia tăng tính tương thích tự phân hủy Một CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 24 Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng công trình bật gắn nhóm chức lên ống nano carbon qua nhóm chức phản ứng phân hủy xảy chi phối enzyme thể động vật.9 3.1.2 Ứng dụng việc tiêu hủy nhiệt khối u Khi liên tục hấp thụ lượng khu vực cận hồng ngoại (NIR), SWCNTs phát nhiệt Sự gia nhiệt liên tục dẫn đến giết chết tế bào SWCNTs thiết kế với phân tử nhận dạng khối u Trong điều kiện xạ NIR, tế bào ung thư bị giết cắt bỏ nhiệt Các hiệu ứng cắt đốt nhiệt kết hợp với liệu pháp khác Hình 18 Ứng dụng CNTs tiêu hủy nhiệt khối u Tế bào gốc ung thư kiểm soát phương thức điều trị chuẩn hóa trị, xạ trị có xu hướng tồn sau điều trị Phương pháp điều trị ung thư dựa nhiệt ngày trở thành thay tiềm cho phương pháp khác Kết hợp với liệu pháp sử dụng CNTs tăng thân nhiệt tăng thêm hiệu cách đồng thời loại bỏ tế bào gốc tế bào ung thư với số lượng lớn Sự dẫn nhiệt hấp thụ mạnh xạ điện từ CNTs tạo lượng nhiệt đáng kể kích thích ánh sáng cận hồng ngoại mà không ảnh hưởng đến hệ thống sinh học bao gồm da Như hiệu ứng quang nhiệt sử dụng để tạo tế bào chết nhiệt cách không xâm lấn Như vậy, CNTs cục hoá khối u, chúng kích thích với xạ hồng CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 25 Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng ngoại gần lượng tần số vô tuyến để tạo vùng nhiệt cụ thể Trong thể sống, kết hợp MWCNTs NIR làm suy thoái khối u tồn lâu dài mô hình chuột Liệu pháp nhiệt làm giảm độc tính cho thể, hệ phân phối nhiệt đồng khắp khối u CNTs kích hoạt Báo cáo gần cho tế bào gốc ung thư vú có khả chống lại phương pháp điều trị nhiệt thông thường, điều trị thành công với liệu pháp quang nhiệt dựa CNTs cách thúc đẩy tế bào chết hoại tử Các nghiên cứu cho thấy MWCNTs bao phủ ADN hiệu so với MWCNTs việc chiếu xạ NIR phương pháp có hiệu thể sống cho trình cắt bỏ có chọn lọc tế bào ung thư nhiệt.9 3.2 Ứng dụng lượng Sử dụng CNTs pin lithium tăng dung lượng pin lên 10 lần Các nhà nghiên cứu Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) phát rằng, sử dụng ống nano carbon qua xử lý để làm điện cực, chúng tăng lượng tích lũy đơi vị trọng lượng pin lên 10 lần Pin có ổn định tốt theo thời gian, sau 1000 chu kì sạc xả pin thử nghiệm, không phát thay đổi vật liệu Điều hứa hẹn khả ứng dụng CNTs xe hơi, thiết bị cầm tay Bằng phương pháp “layer by layer” nhà khoa học chế tạo điện cực dương làm từ MWCNTs cực âm làm từ lithium titanium oxide Thông qua ảnh TEM độ phân giải cao so sánh chu trình phóng nạp pin trước sau xử lý nhiệt với khí hydro, họ chứng minh cải thiện mặt tích trữ lượng nhóm chức có chứa oxygen bề mặt CNTs CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 26 Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng Hình 19 Ứng dụng CNTs làm điện cực pin lithium Do CNTs có cấu trúc dạng trụ rỗng, đường kính vài nanometer nên CNTs tích trữ chất lỏng khí lõi trơ thông qua hiệu ứng mao dẫn Hấp thụ gọi hấp thụ vật lý CNTs hấp thụ nguyên tử hydrogen theo hóa học nên sử dụng cho việc tích trữ hydro, làm thành pin nhiên liệu dùng cho ô tô Bằng cách xử lý CNTs dung dịch siêu acid, nhà khoa học Đại học Rice (Mỹ) thu sợi dài, sử dụng làm dây dẫn nhẹ, hiệu cho mạng lưới điện làm sở cho vật liệu dẫn điện Họ tìm phương pháp để lắp ráp CNTs với cách hòa tan CNTs vào dung dịch siêu acid chlorosulfonic tạo dung dịch có nồng độ khối lượng lên đến 0,5 wt% cao 1000 lần so với acid báo cáo trước Ở trạng thái mật độ cao này, chúng tạo thành tinh thể lỏng, tạo thành sợi dài hàng trăm mét nguyên khối Vì CNTs bền nên CNTs thay dây điện kim loại truyền thống tương lai Tụ điện linh kiện điện học dùng để nạp điện, tích điện phóng điện cần thiết Tụ điện pin có chức tích trữ lượng Nhưng pin phóng điện với tốc độ chậm tụ điện phóng điện thật nhanh Cũng pin, nhu cầu đại đòi hỏi tụ điện nạp điện nhanh trữ lượng cao Do chất, kích cỡ tụ điện nên thường cồng kềnh nặng Tụ điện cần phải thu nhỏ gia tăng hiệu suất để đáp ứng nhu cầu dụng cụ điện tử đại Những đòi hỏi đẩy mạnh đời siêu tụ điện Siêu tụ điện có suất cao CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 27 Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng thu nhỏ nhiều lần Chiếc đèn chớp máy ảnh kỹ thuật số ứng dụng siêu tụ điện Mỗi lần chớp sáng phóng điện thật nhanh từ siêu tụ điện Sau siêu tụ điện nhanh chóng nạp điện từ nguồn điện pin sẵn sàng cho ánh chớp Siêu tụ điện cài đặt dụng cụ cầm tay điện thoại thông minh đại đến phương tiện to lớn xe chạy điện Siêu tụ điện có thị trường rộng lớn tiềm doanh thu dồi Vấn đề tích trữ lượng pin hay siêu tụ điện liên quan đến việc di chuyển tích trữ ion Cả hai dụng cụ tích điện cần chất điện giải có ion âm dương Trong pin, phản ứng hóa học di chuyển ion chất điện giải vào hay khỏi điện cực tương ứng với trình pin nạp điện hay phóng điện Trong siêu tụ điện, điện trường kích động di chuyển ion nhập vào hay khỏi bề mặt điện cực việc nạp hay phóng điện mà không qua trung gian phản ứng hóa học Đây khác biệt pin tụ điện Cũng khác biệt nên phóng điện pin trình lâu dài với điện lượng nhỏ phóng điện tụ điện xảy khoảnh khắc phóng thích điện lượng cao Cơ sở lý luận cho việc chế tạo siêu tụ điện tương đối đơn giản Đặc tính tụ điện diễn tả điện dung C có công thức sau: Trong đó: ε số điện môi, A diện tích điện cực d khoảng cách hai điện cực Vì vậy, để điện "tụ" mật độ cao (điện dung C cao), ε phải lớn, A rộng d nhỏ Trong ba biến số lựa chọn vật liệu có số điện môi ε lớn có nhiều khó khăn, độ dày d giảm đến giới hạn định Chỉ có diện tích bề mặt A biến số có nhiều khả làm gia tăng So với tụ điện thông thường, điện dung siêu tụ điện gia tăng nhiều lần, so với pin có kích cỡ tương đương siêu tụ điện trữ tối đa 5% tích điện pin điện cực pin có diện tích tàng trữ nhiều lần to Nếu điện dung siêu tụ điện tiếp tục gia tăng, dẫn đến cách mạng lượng ứng dụng dụng cụ điện tử công nghiệp ô tô Ống nano carbon dùng vật liệu điện cực để gia CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 28 Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng tăng diện tích bề mặt điện cực Hiện nay, điện cực siêu tụ điện bán thị trường phủ lớp carbon xốp hoạt tính có vô số lỗ vi mô tạo diện tích bề mặt 1.000 – 2.000 m2.g-1 Như lớp carbon xốp gia tăng diện tích bề mặt từ 10.000 đến 100.000 lần nhiều tụ điện thông thường Điện dung điện cực than thường khoảng 20 - 50 µF.cm -2 Nếu diện tích bề mặt carbon xốp 1.000 m 2.g-1 điện dung 200 - 500 F.g-1 (F.g-1: Faraday cho gram vật liệu) Nhưng thực tế siêu tụ điện cho vài chục F.g-1 - 10% trị số lý thuyết Lý đơn giản chất điện giải không thấm vào điện cực Điều cho thấy dù có diện tích bề mặt lớn thẩm thấu toàn diện vào điện cực điện dung dừng lại số vài phần trăm lý thuyết Vì cần phải gia tăng thẩm thấu Ống nano carbon có diện tích bề mặt lớn khoảng 1.315 m 2.g-1 nên việc gia tăng diện tích bề mặt điện cực cách sử dụng ống nano carbon Kết nghiên cứu cho thấy điện cực MWCNTs cho điện dung 113 F.g-1 điện cực SWCNTs 180 F.g-1 lớn nhiều so với carbon xốp Tuy nhiên, ống nano carbon dùng cho điện cực mạng hỗn tạp Để gia tăng hiệu bề mặt ống nano carbon ống cần xếp cách trật tự Công trình nghiên cứu học vị tiến sĩ Riaccardo Signorelli ví dụ bật Tiến sĩ Riccardo Signorelli tổng hợp ống nano carbon chất Si/SiO2, thạch anh hay thủy tinh theo phương pháp CVD thông dụng Nhưng chất vật cách điện Bằng phương thức độc đáo Signorelli dùng nhôm, chí nhôm mỏng dùng nhà bếp, phủ chất xúc tác oxide sắt lên chất từ tổng hợp ống nano carbon Bằng chân không, Signorelli hút chất điện giải xuyên qua khoảng cách ống nano Như vậy, điện cực ống nano carbon hoàn thành cho siêu tụ điện CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 29 Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng Hình 20 (a) Siêu tụ điện có điện cực carbon xốp hoạt tính (b) siêu tụ điện có điện cực ống nano carbon có diện tích bề mặt gia tăng Năm 2009, Signorelli cho biết mẫu ông có điện dung 225 F.g -1 tích điện lần nhiều siêu tụ điện thông thường Tốt nghiệp tiến sĩ năm 2009, vị tiến sĩ trẻ tuổi cộng sau thành lập công ty FastCap năm 2011 sản xuất siêu tụ điện có tích điện 15 lần nhiều siêu tụ điện bán thị trường Siêu tụ điện FastCap làm cách mạng lượng bối cảnh chuyển đổi từ lượng xăng dầu sang điện cho phương tiện vận chuyển tương lai 3.3 Ứng dụng xử lý nước Ô nhiễm nguồn nước coi vấn đề môi trường quan trọng nhất, đe dọa tới toàn sống trái đất nói chung người nói riêng Có nhiều phương pháp đưa nhằm giải vấn đề này, kể tới phương pháp hấp phụ, phương pháp đông tụ keo tụ, phương pháp trao đổi ion, phương pháp kết tủa,… Trong số kỹ thuật này, hấp phụ coi phương pháp hiệu tính linh hoạt hoạt động xử lý chất ô nhiễm khả tái sinh trình giải hấp phù hợp, đem lại hiệu sử dụng cao Quá trình hấp phụ đứng đầu kỹ thuật quan trọng để loại bỏ kim loại nặng nước thải Do đó, việc nghiên cứu chất hấp phụ ứng dụng cho việc loại bỏ kim loại nặng trở thành mối quan tâm thách thức nhà khoa học xử lý môi trường toàn giới Vật liệu hấp phụ nano carbon khai thác CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 30 Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng sử dụng tiềm lớn Do có diện tích bề mặt lớn, ống nano carbon sử dụng làm chất hấp phụ kim loại nặng, F -, chất hữu chất phóng xạ Một nghiên cứu Peng cộng gắn hạt Al 2O3 vô định hình ống nano carbon, kết cho thấy vật liệu tổ hợp (CNTs/AL 2O3) có dung lượng hấp phụ F- cao lần so với γ-Al 2O3 Một vật liệu tổ hợp khác sở CNTs Fe2O3 nghiên cứu sử dụng làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng Pb(II), Cu(II), As(V) Tại pH=3, dung lượng hấp phụ cực đại As(V) theo mô hình langmuir đạt 44,1 mg.g-1 So với sắt oxide nhôm, mangan oxide có lực với kim loại nặng nên thường dùng để cố định lên than hoạt tính, zeolite, cát thạch anh,… để hấp phụ kim loại nặng Shu-Guang Wang cố định MnO CNTs làm vật liệu hấp phụ Pb(II) nước Phổ nhiễu xạ X-ray cho biết MnO mang vật liệu tồn dạng vô định hình Theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt langmuir, dung lượng hấp phụ Pb(II) cực đại vật liệu MnO 2/CNTs 78,74 mg.g-1 Lượng MnO2 cố định chiếm 30% khối lượng vật liệu cho khả hấp phụ Pb(II) tốt Whang cộng tiến hành gắn nhóm chức lên bề mặt CNTs cách acid hóa với HNO3 thời gian khác dùng vật liệu để hấp phụ Pb(II) Kết cho thấy dung lượng hấp phụ vật liệu acid hóa tăng lên đáng kể từ 7,2 mg.g-1 lên 91 mg.g-1 Các vật liệu tổng hợp từ tính có khả hấp phụ cao nhiều so với CNTs thông thường Vật liệu tổng hợp ống nano carbon đa lớp với oxide sắt từ nhóm nhà khoa học C.Chen, J.Hu, D.Shao, J.Li, X.Wang nghiên cứu vào năm 2009 cho hấp phụ Ni(II) Sr(II) Kết nghiên cứu cho thấy khả hấp phụ tốt phụ thuộc nhiều vào pH cường độ ion Đồng thời dễ dàng giải hấp phụ Ni(II) vật liệu tổng hợp từ tính pH < 2,0 Vật liệu tổng hợp từ tính MWCNTs/oxide sắt từ xem vật liệu đầy hứa hẹn cho việc hấp phụ ion kim loại nặng hạt nhân phóng xạ từ khối lượng lớn dung dịch nước Than hoạt tính phủ với ống nano carbon tìm thấy vật liệu hấp phụ xuất sắc để loại bỏ ion Cr(VI) với khả hấp phụ 9,0 mg.g-1 Trong số nghiên khác, CNTs cố định calcium alginate (CNTs/CA) CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 31 Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng dùng để hấp phụ đồng, kết cho thấy hiệu loại bỏ đồng CNTs/CA cao đạt 69,9% chí độ pH thấp 2,1, dung lượng hấp phụ đồng CNTs/CA đạt 67,9 mg.g-1 nồng độ cân đồng 5mg.l-1 Ngoài ống nano carbon đa vách biến tính với chitosan sử dụng để loại bỏ đồng, kẽm, cadimi, niken ion từ dung dịch nước cho thấy hiệu tuyệt vời cho mục tiêu loại bỏ ion kim loại từ dung dịch nước nanocomposite sử dụng cho ứng dụng môi trường khác CNTs có khả hấp phụ hàng loạt hợp chất hữu ô nhiễm từ nước Ví dụ dioxin, hợp chất thơm đa vòng, clobenzene, clophenol, thuốc nhuộm, thuốc diệt cỏ Vật liệu composite CNTs với polymer xốp cho phép hấp phụ cách triệt để hợp chất hữu này.10 CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 32 Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng CHƯƠNG KẾT LUẬN Carbon nanotubes vật liệu có nhiều tính chất đặc biệt vượt trội so với vật liệu khác: độ dẫn điện thay đổi theo cấu trúc ống, dẫn điện tốt kim loại bán dẫn, nhẹ thép lần lại bền 100 lần, chịu nhiệt độ cao tốt, độ dẫn nhiệt cao Vì nên carbon nanotubes ứng dụng nhiều lĩnh vực khác y học, môi trường, công nghiệp điện tử công nghiệp lượng Có nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu carbon nanotubes, tùy theo mục đích sử dụng điều kiện công nghệ mà ta chọn phương pháp chế tạo phù hợp Ngày nay, người ta thường sử dụng phương pháp lắng đọng pha hóa học (CVD) phương pháp chế tạo CNTs thẳng hàng, đồng Ngoài điều khiển kích thước vị trí mọc ống Tuy có nhiều ưu điểm bật trình thương mại hóa sản xuất vật liệu gặp nhiều khó khăn giá thành cao vật liệu có tiềm phát triển lớn tương lai CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 33 Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 34 Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Valentin N Popov, 2004 “Carbon nanotubes: Properties and application” A Review Journal, R 43, 61–102 [2] Ahmad Aqel, Kholoud M.M Abou El-Nour, Reda A.A Ammar, Abdulrahman AlWarthan, 2012 “Carbon nanotubes, science and technology part (I) structure, synthesis and characterisation” Arabian Journal of Chemistry, 5, 1-23 [3] Kalpna Varshney, Assistant Professor, 2014 “Carbon Nanotubes: A Review on Synthesis, Properties and Applications” International Journal of Engineering Research and General Science, 4, 660-677 [4] Lê Thị Bích Liên, 2014 “Chất bán dẫn Graphene” Luận văn tốt nghiệp [5] Nguyễn Duy Khanh, 2011 “Nghiên cứu chế tạo đặc trưng tính chất màng mỏng nanocomposite sở ống carbon nano ứng dụng chế tạo OLED” Luận văn tốt nghiệp Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội [6] Nguyễn Đình Hoàng, 2011 “Nghiên cứu cấu trúc ống nano carbon tác động loại xạ lượng cao định hướng ứng dụng môi trường vũ trụ” Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội [7] Andrea Szabó, Caterina Perri, Anita Csató, Girolamo Giordano, Danilo Vuono, János B Nagy, 2010 “Synthesis Methods of Carbon Nanotubes and Related Materials” Materials, 3, 3092-3140 [8] Jan Prasek, Jana Drbohlavova, Jana Chomoucka, Jaromir Hubalek, Ondrej Jasek, Vojtech Adam, Rene Kizek, 2011 “Methods for carbon nanotubes synthesis – review” Journal of Materials Chemistry, 21, 15872-15884 [9] Wei Shao, Paul Arghya, Mai Yiyong, Laetitia Rodes, Satya Prakash, 2015 “Carbon Nanotubes for Use in Medicine: Potentials and Limitations” InTechOpen, 13, 1-30 CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 35 Tìm hiểu carbon nanotubes ứng dụng [10] Cao Thị Diệu, 2014 “Nghiên cứu biến tính ống nano carbon -hydroxyquinoline ứng dụng để tách số kim loại nặng khỏi nước” Luận văn thạc sĩ khoa học Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 36 [...]... khiển các kích thước và vị trí mọc ống Tuy có rất nhiều ưu điểm nổi bật nhưng quá trình thương mại hóa sản xuất vật liệu này còn gặp nhiều khó khăn do giá thành cao nhưng vẫn là một vật liệu có tiềm năng phát triển lớn trong tương lai CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 33 Tìm hiểu về carbon nanotubes và những ứng dụng CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 34 Tìm hiểu về carbon nanotubes và những ứng dụng TÀI LIỆU THAM... thành việc tải và nhả thuốc ống nano carbon phải tự phân hủy và những chất phân hủy không phải là độc tố và cần được thải ra ngoài Ống nano carbon chưa thỏa mãn hai điều kiện này Nhưng đã có một số công trình được thực hiện nhằm thay đổi bề mặt của ống nano carbon để gia tăng tính tương thích và tự phân hủy Một CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 24 Tìm hiểu về carbon nanotubes và những ứng dụng công trình... này dễ ứng dụng vào việc tạo thành ống nano carbon đơn lớp trực tiếp trên các thiết bị bán dẫn đã được thử nghiệm với hệ nhôm.3 CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 22 Tìm hiểu về carbon nanotubes và những ứng dụng CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CỦA CARBON NANOTUBES 3.1 Ứng dụng trong y học Trong thập kỷ qua, CNTs được nghiên cứu trong phương pháp điều trị do nó có thể xâm nhập vào các tế bào mà không gây độc cho tế bào CNTs... tụ điện nạp điện nhanh và trữ năng lượng cao Do bản chất, kích cỡ của tụ điện nên nó thường rất cồng kềnh và nặng Tụ điện cần phải được thu nhỏ và gia tăng hiệu suất để đáp ứng nhu cầu của các dụng cụ điện tử hiện đại Những đòi hỏi này đã đẩy mạnh sự ra đời của siêu tụ điện Siêu tụ điện có năng suất cao và CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 27 Tìm hiểu về carbon nanotubes và những ứng dụng được thu nhỏ nhiều... trong các ứng dụng của dụng cụ điện tử và công nghiệp ô tô Ống nano carbon dùng như một vật liệu điện cực để gia CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 28 Tìm hiểu về carbon nanotubes và những ứng dụng tăng diện tích bề mặt điện cực Hiện nay, điện cực của siêu tụ điện bán trên thị trường được phủ bởi một lớp carbon xốp hoạt tính có vô số lỗ vi mô tạo một diện tích bề mặt 1.000 – 2.000 m2.g-1 Như vậy lớp carbon xốp... 32 Tìm hiểu về carbon nanotubes và những ứng dụng CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN Carbon nanotubes là một vật liệu có nhiều tính chất đặc biệt và vượt trội hơn so với những vật liệu khác: độ dẫn điện thay đổi theo cấu trúc của ống, có thể dẫn điện tốt như kim loại hay cũng có thể là bán dẫn, nhẹ hơn thép 6 lần nhưng lại bền hơn 100 lần, chịu nhiệt độ cao rất tốt, độ dẫn nhiệt cao Vì vậy nên carbon nanotubes được ứng. .. điều kiện tải các loại thuốc và các phân tử mục tiêu Các cấu trúc vòng benzene của CNTs có thể được sử dụng để tải các loại thuốc có chứa cấu trúc vòng benzen như doxorubicin (DOX), epirubicin (EPI), và daunorubicin (DAU).9 CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 23 Tìm hiểu về carbon nanotubes và những ứng dụng Hình 17 Ứng dụng CNTs trong phân phối thuốc hóa trị liệu Hạt nano và ống nano carbon là hai loại vật liệu... bay hơi như methanol và ethanol được sử dụng cùng với các hạt xúc tác kim loại Fe và Co trên nền zeolite Sự tạo thành ống CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 21 Tìm hiểu về carbon nanotubes và những ứng dụng nano carbon có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp khoảng 550 oC Dưới tác dụng của nhiệt độ, các gốc hydroxyl được tạo thành bám lên trên các hạt xúc tác kim loại nhằm loại bỏ các nguyên tử carbon tạo liên kết dây... nano carbon có đặc tính được xác định trước, đó chính là phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) Sử dụng phương pháp CVD, người ta có thể chế tạo được CNTs thẳng hàng, đồng đều Ngoài ra còn có thể điều khiển các kích thước và vị trí mọc ống CBHD: ThS Lê Đức Duy Trang 19 Tìm hiểu về carbon nanotubes và những ứng dụng Phương pháp CVD được thực hiện theo nguyên tắc: sử dụng các chất khí có chứa carbon. .. nano carbon sẽ được hình thành và phát triển NH3 thường được sử dụng như là chất khắc ăn mòn Chất khí chứa carbon ở buồng phản ứng được chuyển thành nguyên tử carbon linh động bằng cách sử dụng nguồn năng lượng như plasma hoặc cuộn dây nóng Carbon linh động này sẽ được khuếch tán về phía bề mặt được phủ màng xúc tác và phát triển trong ống nano carbon Nguồn carbon thường được sử dụng là khí methane, carbon ... cho chúng trở lại cấu trúc dạng cầu Chất xúc tác mở cấu trúc cầu chúng bám vào cấu trúc Từ bó sợi ban đầu, phân tử dạng ống phát triển dần tạo thành lớp riêng lẻ ống nano carbon hạt xúc tác trở