Nghiên cứu chế tạo vật liệu có độ xốp cao dùng làm vật liệu điện cực cho siêu tụ điện

Trong các siêu tụ điện, năng lượng được lưu trữ tĩnh điện trên bề mặt của vật liệu, và các phản ứng hóa học.. Do đó, để khắc phục những nhược điểm và phát triển vật liệu mới cho siêu tụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CÔNG NGHỆ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

VÕ XUÂN ĐẠI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ ĐỘ XỐP CAO DÙNG LÀM VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC CHO SIÊU TỤ ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

Nha Trang, tháng 07 năm 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ ĐỘ XỐP CAO

DÙNG LÀM VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC CHO SIÊU TỤ ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

GVHD : TS NGUYỄN VĂN HÒA

SVTH: VÕ XUÂN ĐẠI

Nha Trang, tháng 07 năm 2017

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: Võ Xuân Đại

Lớp: 55CNHH

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu có độ xốp cao dùng làm vật liệu điện cực cho siêu tụ điện.”

Số trang: Số chương: Tài liệu tham khảo:

Hiện vật:

NHẬN XÉT

Kết luận

Nha Trang, ngày… tháng… năm 2017

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG ĐỀ TÀI

Họ và tên sinh viên: Võ Xuân Đại

Lớp: 55CNHH

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu có độ xốp cao dùng làm vật liệu điện cực cho siêu tụ điện.”

Số trang: Số chương: Tài liệu tham khảo:

Hiện vật:

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Kết luận

Nha Trang, ngày… tháng… năm 2017

Điểm phản biện

Bằng số Bằng chữ

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

(Ký và ghi rõ họ tên)

_

Điểm phản biện

Bằng số Bằng chữ

Nha Trang, ngày… tháng… năm 2017

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(Ký và ghi rõ họ tên)

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Văn Hòa, người đã dìu dắt tôi trên con đường nghiên cứu khoa học và trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài và viết luận văn tốt nghiệp

Tôi xin cảm ơn các bạn và gia đình đã động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Người thực hiện

Võ Xuân Đại

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

MỞ ĐẦU 1

PHẦN I: TỔNG QUAN 4

I.1 GIỚI THIỆU VỀ SIÊU TỤ ĐIỆN 4

I.1.1 Cấu tạo và phân loại siêu tụ điện 4

I.1.1.1 Cấu tạo 4

I.1.1.2 Phân loại 6

I.1.1.2.1 Tụ điện tĩnh lớp kép (EDLCs) 7

I.1.1.2.2 Giả tụ điện hóa 7

I.1.1.2.3 Tụ lai 8

I.1.2 Nguyên lý hoạt động của siêu tụ điện 9

I.1.3 Ứng dụng của siêu tụ điện 10

I.2 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU ỨNG DỤNG CHO SIÊU TỤ ĐIỆN 11

I.2.1 Vật liệu Carbon 11

I.2.1.1 Carbon hoạt tính 13

I.2.1.2 Ống carbon (CNTs) 14

I.2.1.3 Tấm Carbon (Graphene) 15

I.2.1.3.1 Cấu tạo của Graphene 16

I.2.1.3.2 Tính chất của Graphene 18

I.2.1.3.3 Ứng dụng của Graphene 20

I.2.1.3.4 Phương pháp tổng hợp graphene 20

I.2.1.3.4.1 Phương pháp cơ học: 20

I.2.1.3.4.2 Phương pháp hóa học thông qua GO 21

I.2.1.3.5 Than chì (Graphite) 22

I.2.1.3.6 Vật liệu Graphene oxide (GO) 24

I.2.1.3.6.1 Tính chất của Graphene Oxide 25

I.2.1.3.6.2 Tổng hợp Graphene Oxide (GO) 25

I.2.1.3.7 Reduced Graphene Oxide (rGO) 27

I.2.2 Oxit/hydroxit kim loại 27

I.2.3 Polymer dẫn điện 28

I.2.4 Vật liệu tổ hợp (composite) nền graphene 29

PHẦN II: THỰC NGHIỆM 31

II.1 Dụng cụ và hóa chất 31

II.1.1 Dụng cụ: 31

II.1.2 Hóa chất: 31

II.2 Tổng hợp vật liệu 32

II.2.1 Tổng hợp Graphene Oxide (GO) 32

II.2.2 Tổng hợp Composite rGO/Oxit kim loại 36

II.3 Chế tạo điện cực 39

II.4 Đánh giá tính chất 42

PHẦN III: KẾT QUẢ 46

III.1 Tính chất vật liệu 46

III.1.1 Graphene Oxide 46

III.1.2 Composite rGO/Co 2 O 3 ,NiO 46

III.1.3 Composite rGO/Co 2 O 3 49

III.1.4 Composite rGO/NiO 52

III.2 Tính chất Siêu tụ điện 56

PHẦN IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

IV.1 Kết luận 59

IV.2 Kiến nghị 59

PHỤ LỤC 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC SƠ ĐỒ

Sơ đồ I.1: Quy trình tổng quát tổng hợp graphene 21

Sơ đồ II.1 : Tổng hợp Graphene Oxide 33

Sơ đồ II.2: Quy trình tổng hợp composite 36

Sơ đồ II.3: Quy trình chế tạo siêu tụ điện 40

DANH MỤC BẢNG

Bảng I.1: Thông số về tính dẫn nhiệt của một số vật liệu: 19 Bảng III.1: Mối liên hệ giữa khối lượng và thời gian xả điện tích của siêu tụ điện: 44 Bảng III.2: Khảo sát tính ổn định của một số vật liệu làm siêu tụ điện 44 Bảng III.3: So sánh tính ổn định của chất điện ly 45

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Các loại siêu tụ điện thương mại 4

4

Hình 1.2: Cấu tạo của siêu tụ điện thương mại. 5

Hình 1.3: Cấu tạo chính của siêu tụ Hình 1.4: Mô hình sắp đặt điện tích trên siêu tụ điện 6

Hình 1.5: Các hình dạng thường gặp của siêu tụ điện 6

Hình 1.6: Hướng di chuyển của ion mang điện 9

Hình 1.7 : Quá trình xả và nạp 10

Hình 1.8: Cấu tạo của graphene 16

Hình 1.10: Ứng dụng của graphene 20

Hình 1.11: Tách graphene bằng phương pháp cơ học 21

Hình 1.11: a) Mẫu than chì, b) Quặng than chì 22

Hình 1.12 : Cấu tạo than chì (graphite) 23

Hình 1.15: Quá trình tạo composite 29

Hình 2.1: Một số dụng cụ thủy tinh thí nghiệm 31

Hình 2.2: Bột than chì, Hình 2.3: Tinh thể KMnO 4 32

Hình 2.6: Bình cầu tạo GO sau khi lắc, Hình 2.7:Hỗn hợp GO chuyển từ bình cầu 34

Hình 2.8: Quá trình tạo GO 35

Hình 2.9:Chuẩn bị vi sóng phá mẫu 37

Hình 2.11: Mẫu GO/Co 2 O 3 ,NiO sau khi vi sóng 38

Hình 2.12: Mẫu GO/Co 2 O 3 sau vi sóng, Hình 2.13: Mẫu GO/NiO sau vi sóng 38

Hình 2.14: Mẫu composite sau sấy 39

Hình II.15: Tiến hành nung mẫu composite: a) Composite trong cốc nung, b) Cốc composite đặt trong lò nung 39

Hình 2.16: Bản cực tấm Niken 40

Hình 2.17: Chuẩn bị vật liệu composite cho điện cực: a) Thêm cồn, b) Thêm chitosan 41

Hình 2.18: Bản điện cực được phủ lớp vật liệu 41

Hình 2.18: Quấn lớp phân cách lên bản điện cực 42

Hình 2.19: Ghép bản cực siêu tụ điện: a) Nhỏ chất điện phân, b) Cố định bản điện cực siêu tụ bằng lớp quấn parafilm 42 Hình 2.20: Quá trình nạp điện tích 43 Hình 2.21: Quá trình xả điện tích 43

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Trong nền công nghiệp hiện đại ngày nay, lưu trữ năng lượng là thành phần quan trọng để tạo ra các hệ thống năng lượng bền vững Các công nghệ hiện tại, như pin quang điện mặt trời và tua-bin gió, có thể tạo ra năng lượng một cách bền vững

và thân thiện với môi trường Nhưng bản chất hoạt động liên tục vẫn cản trở khả năng ứng dụng của chúng, trở thành một thiết bị mang năng lượng sơ cấp Các công nghệ lưu trữ năng lượng có tiềm năng bù đắp cho vấn đề liên tục của các nguồn năng lượng tái tạo bằng cách lưu trữ năng lượng không liên tục và sau đó có thể tiếp cận theo yêu cầu ứng dụng Ngoài các ứng dụng lưới năng lượng, các công nghệ lưu trữ năng lượng cũng có tiềm năng để chuyển đổi hệ thống giao thông Việc vận hành các thiết bị lưu trữ năng lượng có thể thay thế cho hệ thống truyền động của các công nghệ vận chuyển hiện tại từ một hệ thống truyền động dựa vào nhiên liệu hoá học thành hệ thống truyền động điện Xe điện là một ví dụ điển hình về cách các công nghệ lưu trữ năng lượng có thể biến đổi hệ thống giao thông thành

mô hình bền vững hơn Các thiết bị điện tử đã trở nên phổ biến trong xã hội hiện đại, cũng phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ lưu trữ năng lượng Phạm vi rộng của các sản phẩm ngành công nghiệp mà lưu trữ năng lượng ảnh hưởng đến cho thấy những tiến bộ và bước đột phá có giá trị trong lĩnh vực này sẽ như thế nào trong tương lai

Quá trình nạp và xả pin trong các thiết bị điện tử di động là một quá trình chậm và có thể làm suy giảm các hợp chất hóa học bên trong pin theo thời gian Kết quả là, pin có mật độ năng lượng thấp và mất khả năng lưu trữ của nó do thiệt hại vật chất Từ đó, để khắc chế các nhược điểm của pin, các siêu tụ điện với cơ chế lưu trữ năng lượng khác nhau được ra đời Siêu tụ điện (SCs: Supercapacitors) là thiết

bị lưu trữ năng lượng, còn gọi là tụ điện lớp kép hay tụ điện hóa, là loại tụ chứa dung lượng cao với chỉ số điện dung cao hơn nhiều so với các loại tụ điện khác (nhưng giới hạn điện áp thấp) Là một trong những tụ điện công suất lớn nhất, một loại thiết bị lưu trữ năng lượng với nhiều tính năng hứa hẹn, bao gồm: tuổi thọ dài

khoảng cách năng lượng giữa các tụ điện điện môi truyền thống (có mật độ công suất cao và mật độ năng lượng thấp) và pin, pin nhiên liệu (có mật độ năng lượng cao và mật độ công suất điện thấp) Các ứng dụng của các tụ điện siêu tụ chủ yếu được chia thành ba loại: Cung cấp; ứng dụng chất lượng điện; Sao lưu, an toàn và các ứng dụng bảo trì thấp [1,2] Siêu tụ có khả năng tích trữ từ 10 đến hơn 100 lần năng lượng trên đơn vị thể tích hoặc khối lượng hơn các loại tụ hóa Có thể nhận và phân phối điện tích nhanh hơn nhiều lần so với pin và chịu chu kỳ xả và nạp cao hơn pin sạc

Trong các siêu tụ điện, năng lượng được lưu trữ tĩnh điện trên bề mặt của vật liệu, và các phản ứng hóa học Với cơ chế cơ bản của nó, các tụ siêu tụ điện có thể được sạc nhanh, dẫn đến mật độ công suất rất cao và không mất khả năng lưu trữ theo thời gian Các siêu tụ có thể tồn tại hàng triệu lần nạp/xả mà không mất khả năng tích trữ năng lượng Sự thiếu sót chính của các siêu tụ điện là mật độ năng lượng thấp, có nghĩa là lượng điện năng siêu tụ có thể lưu trữ trên một đơn vị trọng lượng là rất nhỏ khi so với pin và chi phí sản xuất của vật liệu siêu tụ thường quá cao Do đó, để khắc phục những nhược điểm và phát triển vật liệu mới cho siêu tụ cũng như giảm giá thành khi chế tạo và để ứng dụng siêu tụ rộng rãi hơn như một thiết bị năng lượng lưu trữ của tương tai, tôi chọn hướng nghiên cứu với nội dung:

“Nghiên cứu chế tạo vật liệu có độ xốp cao dùng làm vật liệu điện cực cho siêu tụ điện” để thực hiện mục đích trên

Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Graphene Oxide (GO) từ bột than chì

- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp (Composite) GO và oxit kim loại chuyển tiếp có độ xốp cao

- Nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện dùng vật liệu composite đã tổng hợp ở trên

- Khảo sát sử dụng các chất điện ly khác nhau cho siêu tụ

- Khảo sát và đánh giá tính chất, độ ổn định của vật liệu composite làm siêu

tụ

Ý nghĩa của đề tài

- Tổng hợp được một số tổ hợp vật liệu mới ứng dụng tạo siêu tụ điện có hiệu năng cao dùng cho lưu trữ năng lượng

- Đánh giá dung dịch điện ly phù hợp dùng trong siêu tụ điện, góp phần tăng hiệu năng của siêu tụ

- Việc chế tạo thành công vật liệu Graphene Oxide, vật liệu tổ hợp (composite) có độ xốp cao, hay siêu tụ điện có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, đặc biệt siêu tụ điện như thiết bị năng lượng trong tương lai

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn được thuận hiện bằng phương pháp thực nghiệm

Bố cục của luận văn

Luận văn được chia làm 4 phần:

Phần I: Tổng quan về siêu tụ điện, vật liệu Carbon trong chế tạo siêu tụ,

những tính chất nổi bật, các phương pháp chế tạo và các ứng dụng của siêu tụ, vật liệu Carbon

Phần II: Thực nghiệm tổng hợp Graphene Oxide, tổng hợp vật liệu tổ hợp

(composite) GO và oxit kim loại chuyển tiếp, chế tạo siêu tụ điện

Phần III: Kết quả

Đưa ra các kết quả tổng hợp hay chế tạo bằng hình ảnh từ thực nghiệm, các hình ảnh phân tích bằng kính hiển vi điện tử (SEM) để thảo luận, đánh giá tính chất của vật liệu chế tạo siệu tụ điện, siêu tụ điện

Phần IV: Kết luận và kiến nghị

Kết luận những kết quả nghiên cứu đã đạt được và tiếp tục định hướng hướng nghiên cứu trong tương lai

PHẦN I: TỔNG QUAN I.1 GIỚI THIỆU VỀ SIÊU TỤ ĐIỆN

I.1.1 Cấu tạo và phân loại siêu tụ điện

I.1.1.1 Cấu tạo

Hình 1.1: Các loại siêu tụ điện thương mại

Hình 1.2: Cấu tạo của siêu tụ điện thương mại

Như hình trên, các siêu tụ điện thương mại được chế tạo từ nhiều lớp vật liệu ghép với nhau và được bao quanh bởi lớp vỏ kim loại bên ngoài, cho thấy các thiết

bị này có độ an toàn cao khi sử dụng

Về đặc trưng cấu tạo chính của siêu tụ điện gồm 3 phần chính:

- Điện cực siêu tụ:

+ Bản cực: vật liệu carbon, các tấm kim loại: đồng, nhôm, niken… + Vật liệu phủ bản cực: vật liệu carbon, oxit/hydroxit kim loại, các polymer dẫn điện

- Lớp phân cách: polymer không dẫn điện: giấy lọc, giấy mềm

- Chất điện ly: các chất phân ly ion mang điện: bazơ, axit, muối, chất lỏng ion

Hình 1.3: Cấu tạo chính của siêu tụ

Một lớp kép được tạo thành tại mỗi bề mặt phân cách nơi mà các bột carbon hoạt hóa tiếp xúc với chất điện phân Khi sạc siêu tụ điện, các ion âm và được gắn trên chỗ trống trên bề mặt điện cực dương, các ion dương và các điện tử trên bề mặt cực âm được sắp xếp ngang trên bề mặt phân cách Trạng thái sắp đặc của các ion

và điện tử được gọi là lớp điện kép [1] Bởi vì đây là lớp được tạo thành bởi chuyển động vật lý của các ion Điều này cho thấy siêu tụ điện có chu kỳ nạp/xả tốt hơn Đó

là lý do sử dụng carbon hoạt tính trên điện cực nhầm tăng diện tích bề mặt của chúng Các lỗ nhỏ trên bề mặt carbon hoạt tính làm tăng diện tích bề mặt của điện cực Từ đó, diện tích bề mặt được tăng lên, khả năng nạp tăng lên, có thể tích lũy điện tốt hơn, siêu tụ điện có khả năng đạt mức điện dung rất cao [2]

Hình 1.4: Mô hình sắp đặt điện tích trên siêu tụ điện

I.1.1.2 Phân loại

Siêu tụ điện được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi chu kỳ nạp/xả phải nhanh, lưu trữ năng lượng tích trong các thiết bị nhỏ gọn dài hạn: Sử dụng trong xe ôtô, xe buýt, tàu hỏa, cần trục và thang máy, chúng được dùng cho phanh tái tạo

có thời hạn tích lũy năng lượng ngắn hoặc trong chế độ phát điện Các đơn vị nhỏ hơn được sử dụng làm bộ nhớ lưu trữ cho bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh (SRAM: static random-access memory) [1]

Siêu tụ điện đã được tạo ra rất đa dạng bằng việc dựa trên hình dạng và cấu trúc Các hình dạng khác nhau của siêu tụ điện được mô tả hình dưới

Hình 1.5: Các hình dạng thường gặp của siêu tụ điện

I.1.1.2.1 Tụ điện tĩnh lớp kép (EDLCs)

Tụ điện tĩnh điện lớp kép (EDLCs: Electric double-layer capacitors): Dùng vật liệu carbon làm chất liệu cho điện cực với điện dung giải phóng tức thời của lớp kép tĩnh điện cao hơn nhiều so với giả tụ hóa, đạt được việc tách điện tích trong lớp kép Helmholtz tại mặt phân cách giữa bề mặt điện cực dẫn điễn và chất điện phân

Sự phân tách của điện tích cỡ vài ångströms (0.3-0.8 nm), nhỏ hơn nhiều so với tụ điện thông thường [1,3] Trong hầu hết các trường hợp, EDLCs được dựa trên các vật liệu điện cực carbon xốp, lưu trữ điện tích bằng cách sử dụng hấp phụ thuận nghịch các ion điện phân lên các điện cực carbon hoạt hóa ổn định, điện cực hóa bề mặt cao Diện tích bề mặt cụ thể của EDLCs được mở rộng bằng cách làm cho phần lớn vật liệu carbon xốp Về nguyên tắc, các yêu cầu chính đối với điện cực EDLCs bao gồm: (i) tốc độ sạc nhanh; (ii) vùng điện thế lớn; (iii) độ dẫn cao; (iv) diện tích

bề mặt lớn [4]

I.1.1.2.2 Giả tụ điện hóa

Giả tụ điện hóa (Pseudocapacitor): Sử dụng các oxit kim loại hoặc polymer dẫn điện có giả điện dung hóa cao làm vật liệu cho điện cực, giả tụ điện hóa đạt được bằng việc chuyển dời điện tử theo kiểu Faraday với các phản ứng oxy-hóa khử hoặc sự hấp thụ điện đan xen [1,2,6] Các phản ứng oxi hóa nhanh trong suốt quá trình nạp/xả ở bề mặt của chúng Thực tế việc tích trữ điện tích dựa trên quy trình phản ứng oxi hóa khử có nghĩa là các bộ giả tụ có một số hoạt động giống như pin (phản ứng nhiệt hóa) trong quá trình nạp/xả Do đó, bộ giả tụ cho thấy điện dung lưu trữ cao hơn EDLCs, mặc dù chúng có tốc độ sạc điện chậm hơn EDLCs Sự quan tâm đang gia tăng trong việc phát triển các vật liệu được cải tiến cho các bộ giả tụ hóa Để cải thiện điện dung của bộ giả tụ, cần phải có bốn yếu tố chính: (i) sự pha tạp của polymer dẫn để tăng trạng thái oxy hóa khử và độ dẫn điện; (ii) trạng thái xả/nạp; (iii) diện tích bề mặt cao cho phản ứng oxi hóa khử; (iv) tiềm năng điện thế rộng [6]

I.1.1.2.3 Tụ lai

Tụ lai (Hybrid capacitors): Các tụ điện lai bao gồm EDLCs và các bộ khuếch đại giả tụ hóa kết hợp với nhau trong cùng một thiết bị để tận dụng lợi thế của chúng Đó là mật độ năng lượng và công suất cao Sử dụng các điện cực với những đặc tính trên và đạt được mức điện dung cao nhất [2] Cơ chế lưu trữ điện tích trong các thiết bị như vậy là sự kết hợp của hiện tượng hấp thụ và hấp thụ hấp thu hoàn toàn ở điện cực và phản ứng oxi hóa khử ở điện cực Ngoài ra, để đạt được mật độ năng lượng cao, các hệ thống tụ điện lai bao gồm vật liệu oxi hóa đã được nghiên cứu và phát triển tích cực trong những năm gần đây Cả EDLCs và giả tụ hóa đều rất cần thiết cho việc chế tạo tụ điện hiệu năng cao Tụ điện hóa học bao gồm các

chất điện ly, chất tách, chất kết dính, và các vật liệu điện cực Ở đây, chúng tôi tập

trung vào nghiên cứu các vật liệu điện cực cấu trúc sử dụng loại tụ điện hóa kết hợp giữa EDLCs và giả tụ điện hóa : Tụ điện lai

Với các ưu điểm của tụ lai, làm cho các siêu tụ điện có nhiều tính năng:

- Độ tin cậy cao: Các siêu tụ được bịt kín thành các khối và việc tối ưu hóa

sự giảm suất hiệu suất của hệ thống đã được so sánh với các tụ điện thông thường [4]

Các chất điện ly tạo thành một liên kết dẫn các ion giữa hai điện cực và phân biệt chúng với các tụ điện phân thông thường nơi các lớp kép luôn tồn tại, và chất điện phân là một phần quan trọng của điện cực (cực âm hoặc chính xác hơn là cực dương) Siêu tụ điện điện phân cực bằng cách thiết kế dạng điện cực không đối

xứng, hoặc điện cực đối xứng, bằng một điện thế được áp dụng trong quá trình sản xuất

I.1.2 Nguyên lý hoạt động của siêu tụ điện

Các siêu tụ điện không có lớp điện môi giữa các điện cực dương và âm không giống các tụ điện gốm hoặc các tụ điện điện phân Thay vào đó, một chất điện ly (rắn hoặc lỏng) có ion dương và ion âm được lấp đầy giữa hai điện cực Một trạng thái điện gọi là "lớp điện kép", là một cặp electron và ion dương hình thành trên các bề mặt của điện cực, hoạt động như một điện phân và mang điện dung cao

Siêu tụ điện xảy ra hai cơ chế lưu trữ chính:

- Hiện tượng vật lý: Sự di chuyển của các ion mang điện về các bản cực trái dấu, các ion này bám lên trên bề mặt điện cực tạo thành các lớp điện kép Khi xả năng lượng thì các ion mạng điện sẽ thoát khỏi bề mặt và sẽ di chuyển tạo thành dòng điện và làm các thiết bị điện sẽ hoạt động

- Phản ứng hóa học: Các phản ứng hóa học xảy ra do các oxit kim loại hay các polymer dẫn điện trên điện cực tạo ra các ion mang điện Khi xả năng lượng thì các ion này tạo thành dòng điện và được giải phóng ra khỏi siêu tụ điện

Hình 1.6: Hướng di chuyển của ion mang điện

Giá trị điện dung của siêu tụ tương ứng với diện tích bề mặt của điện cực Do

đó, để có được điện dung cao, vật liệu carbon có diện tích bề mặt khá lớn được sử dụng làm vật liệu điện cực trong nhiều trường hợp Quá trình nạp điện tích xảy ra bởi các ion di chuyển bề mặt điện cực trái dấu tương ứng Ngược lại, quá trình xả các ion được thải ra đi ra khỏi bề mặt điện cực tạo ra một dòng điện làm bóng đèn

sáng (Hình I.6)

Hình 1.7 : Quá trình xả và nạp

I.1.3 Ứng dụng của siêu tụ điện

Siêu tụ điện là các nguồn năng lượng điện hóa với sự phân phối và thu nhận năng lượng cao, với chu kỳ sử dụng dài Chúng được sử dụng khi nhu cầu điện năng cao là cần thiết, chẳng hạn như cho buồng điện và các đơn vị tiết kiệm năng lượng, nhưng cũng rất quan tâm đến việc thu hồi năng lượng Các thiết bị nhỏ (một số ít) được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng buồng điện hoặc để lưu trữ bộ nhớ trong

đồ chơi, máy ảnh, máy ghi hình, điện thoại di động,…[2]

Các công cụ không dây như tua vít và máy cắt điện bằng siêu tụ đã có trên thị trường Các hệ thống này, sử dụng thiết bị của một vài chục fara, có thể được sạc đầy hoặc thải ra trong ít hơn 2 phút, đặc biệt phù hợp với các ứng dụng này, với chu

kỳ của siêu tụ vượt quá công suất của dụng cụ Máy bay phản lực A380 của Airbus

sử dụng các dãy siêu tụ để mở cửa khẩn cấp Ứng dụng này rõ ràng là một thị trường thích hợp, nhưng nó là một minh chứng cho thấy công nghệ siêu tụ điện đã trưởng thành về hiệu năng, độ tin cậy và sự an toàn [2] Ngoài ra, các siêu tụ còn được ứng dụng trong các lĩnh vực:

- Trong vận tải: xe buýt, xe ôtô, xe điện

- Tăng cường công suất trong tăng tốc

- Điều chỉnh điện áp vào lưới năng lượng

- Hỗ trợ các thiết bị tải điện

- Điện dự phòng cho các thiết bị yêu cầu việc nạp/xả nhanh

- Các thiết bị điện trong gia đình

- Các thiết bị tích hợp năng lượng

Khả năng ứng dụng của các siêu tụ điện so với các thiết bị khác đã được chứng minh và thể hiện tính chất phù hợp so với pin và các tụ điện hóa khác

I.2 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU ỨNG DỤNG CHO SIÊU TỤ ĐIỆN

I.2.1 Vật liệu Carbon

Vật liệu carbon được coi là vật liệu điện cực tiềm năng cho công nghiệp hóa Thông thường, vật liệu carbon lưu trữ điện tích chủ yếu trong lớp điện kép được tạo thành tại giao diện giữa điện cực và chất điện phân Do đó, điện dung chủ yếu phụ thuộc vào diện tích bề mặt có thể tiếp cận được với ion điện phân Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất điện hóa của chúng là diện tích bề mặt cụ thể, sự phân bố kích thước lỗ, hình dạng lỗ và cấu trúc, tính dẫn điện, và tính năng bề mặt [6,7]

Carbon là nguyên tố đóng vai trò quan trọng cho sự sống và là nguyên tố cơ bản của hàng triệu hợp chất hóa học hữu cơ Trong một nguyên tử carbon, các electron lớp ngoài cùng có thể hình thành nên nhiều kiểu lai hóa khác nhau, do đó khi các nguyên tử này liên kết lại với nhau chúng cũng có khả năng tạo nên nhiều dạng cấu trúc tinh thể như: Cấu trúc tinh thể ba chiều (3D), hai chiều (2D), một chiều (1D) và không chiều (0D) Điều này được thể hiện thông qua sự phong phú về các dạng thù hình của vật liệu carbon là: Kim cương, graphite, graphene, carbon nanotube hay ống carbon, fullerenes

Carbon là chất duy nhất có lượng lớn các thù hình và phạm vi phân bố rất rộng Hầu hết các carbon sử dụng ngày nay là do được sản xuất hoặc được thiết kế các carbon truyền thống Chúng có cấu trúc vô định hình với sự sắp xếp lôn xộn các cấu trúc vi mô giống nhau đã được tìm ra trong than chì Các tính chất điện của carbon có ảnh hưởng lớn đến tính chất điện của siêu tụ điện Các tính chất điện của vật liệu carbon phụ thuộc chính vào cấu trúc của chúng [8]

Siêu tụ điện cũng được chia ra thành các loại khác nhau dựa trên vật liệu carbon được sử dụng làm vật liệu điện cực Carbon có nhiều lợi thế khi được sử dụng như là chất điện, bao gồm [8]:

và tốc độ chậm hơn tại nhiệt độ này Trong suốt quá trình xử lý nhiệt, các electron

bị tách ra từ các liên kết và trở thành các chất mang điện tích Hơn nữa, độ dẫn điện tăng như các hệ thống liên hợp riêng kết nối với nhau để tạo thành một mạng dẫn

Do đó, xử lý nhiệt tăng tính dẫn của carbon bằng cách thay đổi sự hỗn lộn cấu trúc [8]

Cơ chế lưu trữ được sử dụng bởi vật liệu carbon là lớp điện hóa kép được tạo thành tại giao diện giữa điện cực và chất điện phân Do đó, điện dung chủ yếu phụ thuộc vào diện tích bề mặt có thể tiếp cận được với ion điện phân Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất điện hóa là diện tích bề mặt cụ thể, hình dạng lỗ xốp

và cấu trúc, sự phân bố kích thước lỗ, tính năng bề mặt và độ dẫn điện Vật liệu carbon có diện tích bề mặt riêng cao dẫn đến khả năng tích lũy điện ở bề mặt điện

cực và điện phân cao Khi cải thiện dung tích riêng cho vật liệu carbon, ngoài kích thước lỗ xốp và diện tích bề mặt cụ thể cao, chức năng bề mặt phải được xem xét

Một số dạng về vật liệu carbon tiềm năng được sử dụng chủ yếu làm vật liệu điện cực:

I.2.1.1 Carbon hoạt tính

Vật liệu điện cực được sử dụng rộng rãi nhất là carbon hoạt tính Do diện tích bề mặt lớn, tính chất điện tốt và chi phí vừa phải Carbon hoạt tính có thể được sản xuất bằng cách kích hoạt vật lý hoặc hoá học từ các loại vật liệu carbon khác nhau (ví dụ: gỗ, vỏ than ) Kích hoạt vật lý liên quan đến việc xử lý carbon tiền thân ở nhiệt độ cao (700-1200oC) với sự có mặt của các khí oxy hóa như hơi nước,

CO2 và không khí Trong trường hợp kích hoạt hóa học, nó được thực hiện ở nhiệt

độ thấp hơn (400-700o

C) sử dụng các tác nhân kích hoạt như natri hydroxit, kali hydroxit, kẽm clorua và axit photphoric [8] Tùy thuộc vào các phương pháp kích hoạt và các tiền thân carbon, carbon hoạt tính có nhiều đặc tính lý hoá với diện tích

bề mặt được phát triển tốt lên đến 3000 m2 / g Nghiên cứu mở rộng đã được tiến hành để phát triển cấu trúc xốp Kích thước lỗ nhỏ của vật liệu carbon dẫn đến các vùng bề mặt cụ thể lớn Tuy nhiên, ở một kích cỡ lỗ nhất định, kích thước bề mặt hiệu quả của lớp kép được tối đa hóa trong khi duy trì sự trao đổi ion tối ưu với chất điện phân [2]

Nhiều nhà nghiên cứu đã kiểm tra mối quan hệ giữa điện dung riêng và diện tích bề mặt riêng của carbon hoạt tính và có vẻ như có sự khác biệt giữa chúng Có một diện tích bề mặt riêng cao khoảng 3000 m2/g, một điện dung tương đối nhỏ đã thu được Điều này cho thấy không phải tất cả các lỗ xốp đều có hiệu quả trong quá

trình tích tụ Do đó, mặc dù diện tích bề mặt riêng trong siêu tụ là một tham số quan trọng đối với hiệu suất, nhưng một số khía cạnh khác cũng được xem xét trong các vật liệu carbon ảnh hưởng đến hiệu suất điện hóa đến mức phân bố kích thước lỗ xốp Ngoài ra, quá trình kích hoạt quá mức dẫn đến kích thước lỗ xốp lớn, dẫn đến những nhược điểm như độ dẫn điện, mật độ năng lượng thấp Các vật liệu carbon xốp này có tác dụng khi được sử dụng kết hợp với các vật liệu carbon khác Sự kết hợp giữa vật liệu carbon xốp và các hạt nano được gọi là nano carbon, như graphene, ống nano carbon (CNTs), và các sợi nano carbon (CNFs) Có thể cải thiện hiệu suất điện dung dựa hoàn toàn trên nguyên tắc lớp điện hóa kép Các composite từ vật liệu carbon đã được chuẩn bị cho điện cực siêu tụ điện

I.2.1.2 Ống carbon (CNTs)

Với sự phát hiện của CNTs đã có một tiến bộ đáng kể trong khoa học và kỹ thuật của vật liệu carbon Yếu tố quyết định mật độ công suất trong siêu tụ là độ bền tổng thể của các bộ phận Rất nhiều sự chú ý đến CNTs như là vật liệu điện cực siêu

tụ vì cấu trúc lỗ rỗng độc nhất của nó, ổn định cơ khí và nhiệt tốt và các tính chất điện cao cấp Các ống nano carbon được sản xuất thông qua sự phân hủy xúc tác của một số hydrocarbon, có thể tạo ra các cấu trúc nano trong các cấu hình khác nhau và cũng có thể kiểm soát cấu trúc tinh thể của chúng Ống nano carbon không giống các điện cực carbon khác, có các lỗ xốp kết nối với nhau, hoạt động linh hoạt trong cả chất lỏng điện phân và chất điện phân gel, điều này cho phép phân phối điện liên tục sử dụng hầu hết tất cả các bề mặt có thể tiếp cận CNTs có thể được phủ trực tiếp lên các bề mặt linh hoạt không dẫn điện (màng nhựa, giấy cellulose và giấy văn phòng) như là điện cực hiện tại và bộ thu dòng, hoặc các chất nền dẫn điện mềm dẻo (ví dụ, các màng plastic tráng phủ kim loại) làm vật liệu điện cực [9] CNTs có một điện trở kháng tương đương thấp hơn than hoạt tính vì các ion điện phân có thể khuếch tán vào mạng xốp

CNTs có thể được phân loại như các ống nano carbon đơn tường hoặc các ống nano carbon nhiều tường, cả hai đều được khám phá như các vật liệu điện cực siêu tụ Khi nói đến vật liệu điện cực cao, CNTs được nhắc đến do tính dẫn điện tốt

và diện tích bề mặt dễ tiếp cận Ngoài ra, chúng còn cung cấp hỗ trợ tốt cho các vật

liệu hoạt động do khả năng phục hồi cơ học cao và mạng lưới ống mở Nói chung, CNTs có diện tích bề mặt nhỏ (<500 m2/g), dẫn tới mật độ năng lượng thấp so với than hoạt tính CNTs có thể được kích hoạt hóa học bằng kali hydroxit, để cải thiện dung riêng của nó Phương pháp trên có thể dẫn đến sự gia tăng diện tích bề mặt của CNTs (gấp hai lần đến ba lần) và vẫn duy trì hình thái nano

Để cải thiện hơn nữa hiệu năng của các siêu tụ dựa trên CNTs nguyên sơ, sự kết hợp các hợp chất CNTs với các oxit kim loại chuyển tiếp hoặc các polyme dẫn

đã được sử dụng để tạo ra các giả tụ hóa cho các siêu tụ điện linh hoạt Các điện cực dựa trên CNTs phân tán ngẫu nhiên có điện trở cao và cấu trúc lỗ rỗng phức tạp làm cho vận chuyển ion chậm Không giống như các mạng CNTs ngẫu nhiên, CNTs thẳng đứng (VA-CNTs) có thể tạo ra một cấu trúc xốp thẳng đứng với khoảng cách giữa các ống tương đối rõ ràng để tạo ra một bề mặt tiếp xúc với điện phân lớn hơn

để lưu trữ và phân phối điện tích hiệu quả Mô phỏng lý thuyết và thí nghiệm đã chứng minh rằng các siêu tụ điện dựa trên VA-CNTs thể hiện năng suất cao hơn (khả năng thải 50% năng lượng lưu trữ của nó trong khoảng dưới 0,76 ms) so với các siêu tụ điện dựa trên các mạng CNTs ngẫu nhiên [9]

I.2.1.3 Tấm Carbon (Graphene)

Tiếp nối quả bóng Fullerene C60 và ống nano, sự ra đời của graphene thuộc

họ carbon mang đến cộng đồng nghiên cứu khoa học một tiến bộ mới và vật liệu này như là một niềm hy vọng lớn cho vật liệu tiên tiến trong tương lai Graphene là vật liệu carbon có hình dạng mạng lưới lục giác nối kết các nguyên tố carbon giống

tổ ong và có độ dày của một nguyên tử carbon, vì vậy graphene là vật liệu 2 chiều (2D) [10]

Chất liệu mới này có một số tính chất độc nhất vô nhị, khiến nó thật hấp dẫn cho các nghiên cứu cơ bản lẫn các ứng dụng trong tương lai Các tính chất điện tử của chất liệu 2D này dẫn tới, chẳng hạn, một hiệu ứng Hall lượng tử dị thường Nó

là một chất dẫn điện trong suốt mỏng một nguyên tử [11]

I.2.1.3.1 Cấu tạo của Graphene

Thực chất, graphene đã được nghiên cứu về mặt lý thuyết như một ví dụ về các tính trạng thái vật lý của chất rắn trong năm 1947 bởi P.R.Wallace Ông đã dự đoán cấu trúc điện tử là giải thích mối quan hệ phân tán tuyến tính Ngoài ra, phương trình sóng kích thích năm 1956 của J.W McClure và phương trình Dirac được thảo luận bởi G.W Semenoff năm 1984 cũng đã đề cập đến song người ta tin rằng không thể cô lập tấm graphene do chúng không tồn tại ở điều kiện môi trường Đến năm 2004, Andre Geim và Konstantin Novoselve chứng minh bằng phương pháp đơn giản (tách bóc cơ học bằng băng dính) có thể thu graphene đơn lớp mà trước đó người ta chỉ có thể tạo ra một khối nhỏ hơn 100 nguyên tử C và đó học đã được giải Nobel (năm 2010) về vấn đề trên [12]

Hình 1.8: Cấu tạo của graphene

Graphene là một lớp carbon hợp thành một mạng hình lục giác (kiểu tổ ong), với khoảng cách carbon-carbon là 0,142 nm Nó là chất liệu kết tinh hai chiều thật

sự đầu tiên và nó là đại diện của một họ hàng hoàn toàn mới của các chất liệu 2D, bao gồm chẳng hạn các đơn lớp Boron-Nitride (BN) và Molybdenum-disulphite (MoS2), cả hai chất đều được chế tạo sau năm 2004 Thật thú vị khi biết rằng mọi người dùng bút chì thông thường có khả năng đã từng tạo ra những cấu trúc kiểu graphene mà bản thân chẳng hề hay biết Bút chì có chứa graphene, và khi nó di chuyển trên một tờ giấy, graphite bị chẻ thành những lớp mỏng bám lên trên giấy, tạo thành chữ viết hay hình vẽ mà chúng ta muốn có Một tỉ lệ nhỏ trong những lớp mỏng này sẽ chứa chỉ một vài lớp hoặc thậm chí một lớp graphite, tức là graphene

Do chỉ có 6 điện tử tạo thành lớp vỏ của nguyên tử carbon nên chỉ có 4 điện

tử phân bố ở trạng thái 2s và 2p đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết hóa học giữa các nguyên tử với nhau Các trạng thái 2s và 2p của nguyên tử carbon lai hóa với nhau tạo thành 3 trạng thái sp định hướng trong một mặt phẳng hướng ra 3 phương tạo với nhau một góc 120o

Mỗi trạng thái sp của nguyên tử carbon này xen phủ với một trạng thái sp của nguyên tử carbon khác hình thành một liên kết cộng hóa trị dạng sigma bền vững Chính các liên kết sigma này quy định cấu trúc mạng tinh thể graphene dưới dạng hình tổ ong và lý giải vì sao graphene rất bền vững về mặt hóa học và trơ về mặt hóa học Ngoài liên kết sigma, giữa hai nguyên tử carbon lân cận tồn tại một liên kết pi kém bền vững được hình thành do sự xen phủ của các obital px không bị lai hóa với các obital s Do liên kết pi này yếu và có định hướng không gian vuông góc với các obital sp nên các điện tử tham gia liên kết này rất linh động và quy định tính chất điện và quang của graphene [13]

Chế tạo thành công vật liệu hai chiều (2D) là graphene đã bổ xung đầy đủ hơn về các dạng thù hình tồn tại trước đó của carbon là graphite (3D), ống nano carbon (1D) và fulleurene (0D) Tuy nhiên vật liệu graphene mới tìm ra này lại có những tính chất cơ , nhiệt, quang đặc biệt tốt hơn hẳn các dạng thù hình khác, điều này mở ra những hướng nghiên cứu đầy tiềm năng hứa hẹn trong tương lai như công nghiệp điện tử như tăng tốc chip điện tử, sử dụng trong các vật liệu bán dẫn, vật liệu siêu dẫn,… đặc biệt là trong chế tạo siêu tụ điện

Graphene được xem là cấu trúc cơ bản của các dạng thù hình khác nhau của carbon như: than chì, ống carbon, fellurene

Hình 1.9: Quá trình tạo các dạng thù hình của carbon từ graphene

a) Graphene b) Fellurene c) Ống carbon d) Graphite

I.2.1.3.2 Tính chất của Graphene

Tính chất điện – điện tử

Graphene có độ lịnh động điện tử cao ~ 15.000 cm2

/V.s ở nhiệt độ phòng, trong khi Si ~ 1400 cm2/V.s, ống nano carbon ~ 10.000 cm2/V.s, bán dẫn hữu cơ (polyme, oligomer) < 10 cm2/V.s

Điện trở suất của graphene ~ 106

Ω.cm, thấp hơn điện trở suất của bạc (Ag),

là vật chất có điện trở suất thấp nhất ở nhiệt độ phòng [14]

Tính chất nhiệt

Độ dẫn nhiệt của vật liệu graphene được đo ở nhiệt độ phòng ~ 5000 W/mK cao hơn các dạng cấu trúc khác của carbon là ống nano carbon, than chì và kim cương Graphene dẫn nhiệt theo các hướng là như nhau Khi mà các thiết bị điện tử

ngày càng được thu nhỏ và mật độ mạch tích hợp ngày càng tăng lên thì yêu cầu tản nhiệt cho các linh kiện ngày càng quan trọng Với khả năng dẫn nhiệt tốt, graphene hứa hẹn sẽ là một vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng tương lai [15]

Bảng I.1: Thông số về tính dẫn nhiệt của một số vật liệu:

Tính trong suốt quang học

Graphene trên thực tế là trong suốt Trong vùng quang học, nó hấp thụ chỉ 2,3% ánh sáng Trái với các hệ 2D nhiệt độ thấp xây dựng trên chất bán dẫn, graphene vẫn duy trì các tính chất 2D của nó ở nhiệt độ phòng

I.2.1.3.3 Ứng dụng của Graphene

Hình 1.10: Ứng dụng của graphene

I.2.1.3.4 Phương pháp tổng hợp graphene

I.2.1.3.4.1 Phương pháp cơ học:

Nguyên tắc của phương pháp này là phá hủy lực liên kết Van Der Waals tương đối yếu giữa các lớp graphite để tách thành các lớp mỏng một vài đơn lớp carbon ta sẽ thu được graphene

Để thu được vật liệu graphene, tấm graphite được nghiền thành những mảng nhỏ, sau đó được gắn lên một băng dính, việc này được lặp đi lặp lại nhiều lần nhằm mục đích chia mỏng những lớp graphite còn lại vài lớp chính là cấu trúc graphene Sau đó những lớp này được chuyển lên bề mặt SiO2 để có thể tiến hành một số phương pháp xác định độ dày các mảng graphene thông qua độ tương phản của hình ảnh quang học

Graphene được ứng dụng rộng rãi nhờ trong hầu hết mọi lĩnh vực nhờ các tính chất đặc biệt của nó trong các lĩnh vực [16]: máy tính bản, đồng hồ điện tử, pin mặt trời, điện thoại di động,

Hình 1.11: Tách graphene bằng phương pháp cơ học a) Gắn băng dính lên graphite b) Lớp graphene

c,d) Lớp graphene trên bề mặt SiO 2

Phương pháp này tồn tại một hạn chế đó là chất lượng màng không đồng đều nên ảnh hưởng đến tính chất điện tử của màng, đồng thời không phù hợp cho yêu cầu tạo những màng graphene diện tích lớn [15]

I.2.1.3.4.2 Phương pháp hóa học thông qua GO

Tổng hợp graphene thông qua Graphene Oxide (GO) đã và đang được chú ý

vì khả năng có thể sản xuất trên quy mô công nghiệp và hiệu quả kinh tế của chúng mang lại Quá trình này có thể biểu diện bởi sơ đồ sau:

Sơ đồ 1.1: Quy trình tổng quát tổng hợp graphene Trong nghiên cứu này, chúng tôi không tổng hợp graphene mà chỉ dừng lại ở công đoạn tổng hợp GO và sau đó thực hiện việc loại bỏ các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt GO (rGO: reduce Graphene Oxide) với kết hợp oxit kim loại chuyển

I.2.1.3.5 Than chì (Graphite)

Than chì hay graphite là một dạng thù hình của carbon, là sự sắp xếp của

các tấm graphene với nhau Không giống như kim cương, graphite là một chất dẫn điện và có thể sử dụng, ví dụ như là vật liệu để làm các điện cực của đèn hồ quang,

tụ điện, siêu tụ Trong cấu trúc tinh thể của graphite, mỗi nguyên tử carbon chiếm hữu một obitan lai hóa sp2 Các obitan lai hóa này liên kết với nhau tạo thành những vòng lục giác (tương tự như benzen), chúng gắn kết tạo thành các lớp xếp chồng lền nhau Các điện tử pi obitan phân bố ngang qua cấu trúc lục giác của nguyên tử carbon góp phần vào tính dẫn điện của graphite Trong một tấm graphite định hướng, suất dẫn điện theo hướng song song với các tấm này lớn hơn so với suất dẫn điện theo hướng vuông góc với chúng [10] Trên cấu trúc của graphite, mỗi lớp được gọi là graphene, đây là một dạng thù huỳnh của carbon có cấu trúc 2D

Hình 1.11: a) Mẫu than chì b) Quặng than chì

Than chì là tập hợp của những lớp graphene và từ lâu người ta đã biết cấu trúc lớp của nó Những lớp này giống mạng lưới hình tổ ong được nối với nhau bởi liên kết yếu khiến cho nó có thể trượt lên nhau và tách ra khi có một ngoại lực tác động Khoảng cách giữa hai lớp graphene trong than chì là 0,34 nm, như vạy cứ 1

mm than chì ta có 3 triệu lớp graphene chồng bám lên nhau Con người dùng bút chì đã có vài trăm năm nhưng không ai nghĩ ra động tác viết lên giấy là dùng sức để phá vỡ những liên kết giữa các lớp graphite

Hình 1.12 : Cấu tạo than chì (graphite)

Sự liên kết lỏng lẻo giữa các tấm trong graphite đóng góp vào một thuộc tính quan trọng trong công nghiệp khác - bột graphite được sử dụng như chất bôi trơn dạng khô Các nghiên cứu gần đây cho rằng hiệu ứng gọi là siêu nhớt có thể cũng được tính cho hiệu ứng này Nó thông thường không được sử dụng trong dạng nguyên chất như là vật liệu có cấu trúc vì tính dễ vỡ của nó, nhưng các thuộc tính cơ học của các composite sợi carbon và gang đúc xám chịu ảnh hưởng rất mạnh của graphite trong chúng

Graphite cũng được sử dụng như là vỏ bọc (khuôn) và phần điều tiết trong các lò phản ứng nguyên tử Thuộc tính cho nơtron đi qua rất ít theo mặt cắt ngang làm cho nó cũng được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân

Về thuộc tính: Các khoáng chất tự nhiên chứa graphite bao gồm: thạch

anh, calcit, mica, thiên thạch chứa sắt và tuamalin

Các đặc trưng khác: các lớp mỏng graphite là dẻo nhưng không đàn hồi,

khoáng chất này có thể để lại dấu vết màu đen trên tay và giấy, dẫn điện và có độ nhớt cao

Các khoáng vật thường đi kèm với than chì như thạch anh, canxit, mica, sắt, meterotit và tourmalin Trung Quốc là một trong những nước sản xuất than chì lớn

trên thế giới, đứng sau là Ấn Độ và Brazil Graphit có phổ biến ở New York và Texas (Mỹ)

Về ứng dụng: Graphite có giá trị trong các ứng dụng công nghiệp cho tính

chất bôi trơn, tự bôi trơn và khô của chúng Tính chất bôi trơn của graphite chỉ là do

sự liên kết giữa các lớp mỏng trong cấu trúc Tuy nhiên, nó đã được chỉ ra rằng trong môi trường chân không (như trong công nghệ sử dụng trong không gian), graphite tính bôi trơn giảm, do điều kiện thiếu oxy Nghiên cứu này đã dẫn đến giả thuyết rằng sự bôi trơn là do sự hiện diện chất lỏng giữa các lớp, chẳng hạn như không khí và nước, được hấp thụ tự nhiên từ môi trường Giả thuyết này đã bị bác

bỏ bởi các nghiên cứu cho thấy không khí và nước không bị hấp thụ Việc sử dụng graphite bị hạn chế bởi khuynh hướng tạo ra sự ăn mòn rỗ trong một số thép không

gỉ và để thúc đẩy sự ăn mòn điện giữa các kim loại khác nhau (do độ dẫn điện của nó) Nó cũng ăn mòn với nhôm khi có sự ẩm ướt Vì lý do này Không lực Hoa Kỳ

đã cấm sử dụng nó như một chất bôi trơn trong máy bay nhôm và không khuyến khích sử dụng nó trong các vũ khí tự động chứa nhôm Ngay cả bút chì graphite đánh dấu trên các bộ phận bằng nhôm cũng có thể gây ăn mòn Một chất bôi trơn boron lục giác lục giác có độ nhớt cao khác, có cùng cấu trúc phân tử như graphite

Nó đôi khi được gọi là graphite trắng, do tính chất tương tự của nó [11]

Khi một số lượng lớn tinh thể khuyết tật kết nối các mặt phẳng này lại với nhau, than chì sẽ mất đi tính chất bôi trơn và trở thành than chì pyrolytic Nó cũng rất đẳng hướng, và có độ từ, do đó nó sẽ ở giữa không khí phía trên một nam châm mạnh Nếu nó được làm ở tầng sôi ở nhiệt độ 1000-1300 ° C, nó được sử dụng trong các thiết bị tiếp xúc với máu như van tim cơ học và được gọi là carbon pyrolytic, và không có từ trường Graphite Pyrelytic và Pyrelytic Carbon thường bị lẫn lộn nhưng là những vật liệu rất khác nhau

Các graphite tự nhiên và tinh thể thường không được sử dụng ở dạng tinh khiết như các vật liệu cấu trúc, do máy cắt, tính dòn và các tính chất cơ học không nhất quán

I.2.1.3.6 Vật liệu Graphene oxide (GO)

I.2.1.3.6.1 Tính chất của Graphene Oxide

GO là sản phẩm oxy hóa bằng các tác nhân oxy hóa mạnh, qua đó gắn các nhóm chức có oxy lên trên bề mặt các tấm graphene nằm trong cấu trúc graphite như: carbonyl, carboxyl, hydroxi,… Các nhóm chức này giúp GO dễ dàng phân tán trong nước do có các nhóm phân cực dễ dàng tạo liên kết hydro với nước và làm gia tăng khoảng cách giữa các lớp GO Đây là một lợi ích lớn khi kết hợp vật liệu với

ma trận polymer hoặc gốm hoặc tạo vật liệu tổ hợp (composite) để tăng cường tính chất của chúng

Hình 1.13 : Cấu tạo của graphene oxide

Đối với độ dẫn điện, GO hoạt động như một chất cách điện, do sự xáo trộn của các mạng liên kết sp2 Điều quan trọng là phải loại bỏ các nhóm chức chứa oxy (giảm cấp) của graphene oxide để phục hồi mạng lưới lục giác graphene có tổ ong, nhằm khôi phục độ dẫn điện

Sau khi một số lượng lớn các nhóm chức oxy đã được loại bỏ, không dễ để phân tán các rGO, bởi vì vật liệu này có xu hướng dễ tập hợp lại với nhau thành khối

Graphene oxide có thể được sử dụng như một chất trung gian trong việc sản xuất tấm graphene lớp đơn hoặc vài lớp graphene Để đạt được điều này, cần phải phát triển quá trình oxy hoá và giảm cấp có thể cô lập các lớp carbon và tách ra mà không thay đổi cấu trúc [17]