vật liệu nano cacbon

Đến 1985, người ta phát hiện ra một tập hợp lớn các nguyên tử cacbon kết tinh dưới dạng phân tử các dạng hình cầu kích cỡ nano met- thù hình này gọi là FullerenesMột số cấu trúc của full

Vật liệu nano cacbon

GVHD : Ths.Nguyễn Kim Thanh

SV thực hiện : Trương Kiều Trinh

Vật Liệu nano cacbon

Lịch sử phát

triển

Cacbon Fullerenes

Ống nano cacbon

I, Lịch sử và giới thiệu chung

Trước năm 1985, người ta vẫn cho rằng cacbon chỉ tồn tại ở 3 dạng thù hình : vô định hình, graphit, kim cương.

Đến 1985, người ta phát hiện ra một tập hợp lớn các nguyên tử cacbon kết tinh dưới dạng phân tử các dạng hình cầu kích cỡ nano met- thù hình này gọi là Fullerenes

Một số cấu trúc của fullerenes

Năm 1991, khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao trên sản phẩm tạo ra do phóng điện hồ quang giữa hai điện cực graphit, người ta đã phát hiện ra các tinh thể cực nhỏ, dài bán ở trên điện cực catot Đó là các

ống nano đa tường.

Hai năm sau , các nhà nghiên cứu tiếp tục công bố kết quả tổng hợp ống nano cacbon đơn tường

Carbon là vật liệu độc nhất, có thể làm dây dẫn

kim loại tốt ở dạng than chì, một chất bán dẫn

có khoảng trống rộng ở dạng kim cương, hoặc

là polymer khi phản ứng với hydro .

✘ Carbon cung cấp các mô hình về vật liệu thể hiện toàn

bộ phạm vi của bản chất nano có cấu trúc thu nhỏ từ fulleren, các hạt nano không chiều, đến các ống nanocarbon, từ sợi nano một chiều đến graphite, từ một vật liệu hai chiều lớp không đẳng hướng, đến các chất rắn fullerene, một khối vật liệu ba chiều với các phân tử fulleren như khối cơ bản cấu thành nên của pha tinh thể.

.

II, Cacbon Fullerenes

A, Cấu trúc

✘ Fullerenes là một lồng phân tử cacbon với các nguyên tử

cacbon sắp xếp thành một mặt cầu hoặc mặt elip.

✘ Fullerenes được biết đến đầu tiên là là C60 , có dạng hình

cầu gồm 60 nguyên tử C nằm ở đỉnh của khối 32 mặt tạo bởi

12 ngũ giác đều và 20 lục giác đều

Fullerenes C60

✘ Liên kết chủ yếu giữa các nguyên tử cacbon là liên kết sp2 , ngoài ra có xen lẫn với một vài liên kết sp3 do vậy các nguyên tử cacbon không có tọa độ phẳng mà có dạng mặt cầu hoặc elip.

✘ Cấu trúc của phân tử C60 giống như một quả bóng đá nhiều múi nên để có mặt cầu, mỗi ngũ giác được bao

quanh bởi 5 lục giác Sự có mặt của các ngũ giác cũng cấp độ cong cần thiết cho sự hình thành cấu trúc dạng lồng.

Mỗi mặt lục giác đều có liên kết đơn và đôi xen kẽ, trong khi các mặt ngũ giác được xác định bằng một liên kết đơn

Ngoài ra, độ dài của các liên kết đơn là 1,46 A, dài hơn so với chiều dài của liên kết trung bình là 1,44 A, trong khi các liên kết đôi lại ngắn hơn là 1,40 A

✘ Các dạng Fullerenes khác như C70 , C80 : Là mặt chứa kín hình lục giác và ngũ giác với

đúng 12 hình ngũ giác và số hình lục giác bất kì

Phân tử C60 khối hai mươi mặt (b) Phân tử C70 với hình dạng như quả bóng bầu dục (c) Phân tử C80 có dạng như một quả bóng bầu dục bị kéo dãn (d) Phân tử C80 dạng như khối cầu có hai mươi mặt.

Fullerenes đa diện đều 20 mặt C540 

B, Phương pháp tổng hợp

+ Fulleren thường được tổng hợp bằng cách phóng hồ quang điện giữa các điện cực graphit với áp suất khoảng

200 torr của khí He, được Kratschmer cùng các đồng nghiệp tiến hành

+ Nhiệt tạo ra ở điểm tiếp xúc giữa các điện cực làm bay hơi carbon để tạo thành bồ hóng và fulleren, làm ngưng tụ trên các bức tường làm mát bằng nước của lò phản ứng Việc phóng điện này tạo ra một lượng bồ hóng có thể chứa tối đa khoảng 15% fulleren: C60 (xấp xỉ 13%) và C70 (xấp xỉ 2%).

+ Các fulleren được tách tiếp theo từ muội, bằng cách sử dụng sắc ký lỏng và dung môi có thể là toluen Tuy nhiên, sự hiểu biết về cơ chế tăng trưởng của fulleren vẫn chưa được rõ ràng.

III, Ống nano cacbon

Ống nano cacbon đa tường Ống nano cacbon đơn tường

Ống nano cacbon đơn tường

✘ có cấu trúc giống như là sự cuộn lại của một lớp than chì độ dày một nguyên tử thành một hình trụ liền, được khép kín ở mỗi đầu bằng một nửa phân tử fullerenes Do đó ống nano cacbon đơn tường còn được biết đến như là fullerenes có dạng hình ống gồm các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng lien kết cộng hóa trị sp2 bền vững.

Ống nano cacbon đa tường

Gồm nhiều ống đơn tường đường kính khác nhau lồng vào nhau và đồng trục, khoảng cách giữa các lớp từ 0,34-0,39 nm

✘ Ngoài ra các ống đơn tường thường tự liên kết với nhau để tạo thành từng nó xếp chặt và tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với hằng số mjang là 1,7 nm Mỗi bó có thể gồm hàng trăm ống nano cacbon đơn tường nằm song song với nhau và chiều dài có thể lên tới vài mm.

2 Cấu trúc ống nano cacbon

✘ Cấu trúc của vật liệu ống nano cacbon (CTNs) đặc trưng bởi vecto Chiral (Ch) : vecto này chỉ hướng cuộn

của các mạng graphit và độ lớn đường kính ống

✘ Ch = na1 + ma2 = (n,m)

✘ n,m : các số nguyên

✘ a1, a2 : các vecto đơn vị của mạng

✘ Theo vecto chiral, vật liệu CNTs có cấu trúc khác nhau tương ứng với các cặp chỉ số (n,m) khác nhau

✘ Ba cấu trúc thường gặp đó là : amchair, zingzang và chiral tương ứng các cặp chỉ số (n,n) ; (n,0) và (n,m)

3, Tổng hợp

✘ Việc chuẩn bị xúc tác phương pháp phủ hạt xúc tác lên đế ( ống nano cacbon sẽ được mọc trên bề mặt đế này) đóng vai trò rất quan trọng Các đặc tính như kích thước hạt của chất xúc tác sẽ quyết định đến đường kính của CNTs và sản phẩm chế tạo ra sẽ là đơn tường hay đa tường.

+ Từ những ống nano cacbon đầu tiên được chế tạo bằng phương pháp hồ quang điện, cho đến nay các nhà khoa học đã phát triển rất nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu

A, Phương pháp phóng điện hồ quang

✘ Nguyên lý : sự phóng điện hồ quang được thực hiện

giữa hai điện cực graphite đặt đối diện và cách nhau

một khoảng 1mm trong một buồng kín chứa khí trơ

He hoặc Ar, áp suất 50 mbar-700 mbar Giữa 2 điện

cực có dòng điện một chiều 50-100 A, hiệu điện thế

20-50V, nhiệt độ trong buồng lên đến 3000-4000K Sự

phóng điệ này làm cho cacbon chuyển sang pha hơi,

ống nano cacbon được tạo ra trong quá trình lắng

đọng trên điện cực.

Mô hình mô tả phương pháp hồ quang điện chế tạo CNTs

+ Để chế tạo ống đa tường thì không cần có mặt của xúc tác

+Tuy nhiên để tạo ống đơn tường thì cần sử dụng các chất xúc tác, đặc biệt là xúc tác kim loại chuyển tiếp.Các chất xúc tác thường được sử dụng : Fe, Co, Ni và một số kim loại chuyển tiếp + Hỗn hợp của những chất xúc tác trên như FE/Ni hay Co/Ni lại thường được sử dụng để chế tạo

ra bó ống nano đơn tường (SWCNTs)

B, PP bốc bay laser

Nguyên lý : Một miếng graphite dùng làm bia bị bốc bay hơi bởi bức xa laser dưới áp suất cao trong môi trường khí trơ Chùm hơi nóng được tạo thành, nở ra và sau đó được làm lạnh nhanh, ống nano cacbon hình thành được ngưng tụ nhờ hệ thống làm lạnh bằng điện cực đồng.

✘ Nếu dùng bia graphit tinh khiết sẽ thu được ống nano đa tường ( MWCNTs)

✘ Nếu bia được pha thêm khoảng 1,2 % nguyên tử Co/Ni với khối lượng Ni và Co bằng nhau sẽ thu được ống nano đơn tường.

✘ Ưu điểm : sản phẩm có độ sạch cao so với hồ quang điện.

✘ Tuy nhiên lượng sản phẩm tạo ra ít mà lại tốn kém

C, PP lắng đọng pha hơi hóa học (CVD)

✘ + Cấu tạo : bao gồm một ống thạch anh,

thông thường có đường kính 15-20mm,

chiều dài từ 1m đến 1.2m,được bao

quanh bởi một lò nhiệt có khả năng

nâng nhiệt trong thời gian

ngắn

Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt

✘ Hiệu suất và chất lượng của sản phẩm CNTs thu được chế tạo bằng phương pháp này phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như nhiệt độ phản ứng, xúc tác, nguồn cung cấp hydrocacbon, thời gian phản ứng, lưu lượng khí…

✘ Hầu hết phương pháp CVD nhiệt thường được dùng dể chế tạo ống nano cacbon đa tường

(MWCNTs) với nguồn hydrocacbon thuờng dùng là axetylene

✘ Ðể tăng hiệu suất , ngoài việc sử dụng thích hợp các điều kiện như:

nhiệt độ, tỷ lệ liều lượng khí cũng như chất xúc tác kim loại, người ta còn sử dụng thêm chất hỗ trợ xúc tác chẳng hạn như CaCO3, MgCO3 , v.v…

✘ PP lắng đọng pha hơi hóa học là phương pháp chế tạo ống nano cacbon phổ biến nhất và có nhiều điểm khác so với phương pháp phóng điện hồ quang và bốc bay bằng laser

✘ Phóng điện hồ quang và bốc bay laser là 2 pp sử dụng nhiệt độ cao ( >3000K, thời gian phản ứng ngắn Còn pp CVD có nhiệt độ trung bình (700-1400K) , thời gian phản ứng tính bằng phút cho đến hàng giờ

✘ Mặt hạn chế chính của 2 pp phóng điện hồ quang và và bốc bay bằng laser là sản phẩn CNTs không đều, sắp xếp hỗ độn và không theo quy tắc cho trước hoặc định hướng bề mặt.