CHẾ tạo ỐNG NANO CACBON

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN - BÀI CHUYÊN ĐỀ Chuyên đề: Hãy đề xuất/xây dựng phƣơng án chế tạo loại vật liệu nano trƣờng/đơn vị công tác mình? GVHD : PGS.TS Phạm Thành Huy HVTH : Nguyễn Thị Diệu Hƣơng Lớp : Cao học Vật Lí Chất Rắn K-20 Quy Nhơn, tháng 02 năm 2018 PHƢƠNG ÁN CHẾ TẠO ỐNG NANO CACBON I TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ỐNG NANO CACBON Các dạng thù hình cacbon 1.1 Kim cƣơng (Hình 1) Kim cƣơng tồn dạng cubic hexagonal, có độ dẫn nhiệt cao (25 W/cm.K) nhiệt độ nóng chảy cao (4500K) 1.2 Graphin (Hình 1) Có cấu tạo nhiều lớp, liên kết nguyên tử liên kết cộng hóa trị, cịn lớp liên kết yếu Vanderwaars 1.3 Cacbon nano dạng cầu (Hình 1) Fullerence phân tử dạng hình cầu, đƣờng kính 0,7 nm đƣợc cấu tạo từ 60 nguyên tử cacbon Các dạng Fullerence khác Hình 1: Các dạng thù hình cacbon 1.4 Ống nano cacbon Ống nano carbon (CNTs) vật liệu nano carbon dạng ống với đƣờng kính kích thƣớc nm (1-20 nm) CNTs có chiều dài từ vài nm đến μm Ống nano carbon đƣợc phát vào năm 1991 Lijima Với cấu trúc tinh thể đặc biệt tính chất học quý (nhẹ, độ cứng lớn), tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, tính chất phát xạ điện từ mạnh… Ống nano carbon đƣợc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ - Ống nano carbon gồm hai loại chính: + Ống nano carbon đơn tƣờng (SWCNT) có cấu trúc nhƣ graphene cuộn trịn lại thành hình trụ liền (hình 2) + Ống nano carbon đa tƣờng (MWCNT)có cấu trúc nhƣ nhiều graphene lồng vào cuộn lại graphene cuộn lại thành nhiều lớp (hình 2) Hình 2: Ống nano Cacbon đơn tường ống nano cacbon đa tường II PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO ỐNG NANO CACBON 2.1 Cơ chế mọc ống nano cacbon Có thể hiểu cách đơn giản q trình mọc nhƣ sau: Hạt xúc tác đƣợc tạo đế Khí chứa cacbon đƣợc phân ly thành nguyên tử cacbon sản phẩm khác lƣợng nhiệt, lƣợng plasma có vai trị xúc tác Các sản phẩm sau phân ly lắng đọng hạt xúc tác Ở đây, xảy trình tạo liên kết C–C hình thành CNTs Kích thƣớc CNTs phụ thuộc kích thƣớc hạt xúc tác Liên kết hạt xúc tác đế mà ống nano cacbon định chế mọc: mọc từ đỉnh hạt lên hay mọc từ đế lên tạo thành CNTs Kích thƣớc hạt xúc tác kim loại điều kiện liên quan khác định ống nano cacbon đơn vách hay đa vách 2.2 Chế tạo vật liệu CNTs phƣơng pháp lắng đọng pha hóa học (CVD) Lắng đọng pha hóa học (CVD) phƣơng pháp chế tạo CNTs phổ biến CVD có nhiều điểm khác so với phƣơng pháp phóng điện hồ quang phƣơng pháp bốc bay laser Phóng điện hồ quang bốc bay laser hai phƣơng pháp thuộc nhóm nhiệt độ cao (>3000K, thời gian phản ứng ngắn (µs - ms), cịn phƣơng pháp CVD lại có nhiệt độ trung bình (700 - 1473K) thời gian phản ứng dài tính phút hàng Mặt hạn chế phƣơng pháp phóng điện hồ quang phƣơng pháp bốc bay laser là: sản phẩm CNTs đƣợc tạo không đồng đều, xếp hỗn độn, không theo quy tắc cho trƣớc định hƣớng bề mặt Hiện nay, có nhiều phƣơng pháp CVD sử dụng nguồn lƣợng khác để tổng hợp CNTs, ví dụ nhƣ: phƣơng pháp CVD nhiệt, phƣơng pháp CVD tăng cƣờng plasma, phƣơng pháp CVD xúc tác alcohol, phƣơng pháp CVD có laser hỗ trợ, v.v… Hệ CVD nhiệt có cấu tạo gồm ống thạch anh đƣợc bao quanh lò nhiệt Bản chất hiệu suất tổng hợp tiền chất phản ứng bị ảnh hƣởng nhiều yếu tố khác nhƣ 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 phƣơng pháp CVD nhiệt thƣờng đƣợc dùng để chế tạo MWCNTs với nguồn hydrocacbon thƣờng dùng axetylene ( ) ethylene ( ) hạt nano Fe, Ni, Co nhƣ chất xúc tác Nhiệt độ mọc CNTs thông thƣờng nằm dải nhiệt độ 500 - 900 Ở dải nhiệt độ hydrocacbon phân tách thành cacbon hydro Cacbon lắng đọng hạt nano kim loại khuếch tán vào hạt nano Khi lƣợng cacbon đạt đến giá trị bão hồ bắt đầu q trình mọc CNTs Đƣờng kính CNTs phụ thuộc vào kích thƣớc hạt xúc tác kim loại Với hạt kim loại xúc tác có kích thƣớc 13 nm đƣờng kính ống CNTs vào khoảng 30 - 40 nm Khi kích thƣớc hạt xúc tác 27 nm đƣờng kính ống CNTs dao động từ 100 200 nm Để tăng hiệu suất mọc CNTs, ngồi việc sử dụng thích hợp điều kiện nhƣ: nhiệt độ, tỷ lệ liều lƣợng khí nhƣ chất xúc tác kim loại, ngƣời ta sử dụng thêm chất hỗ trợ xúc tác chẳng hạn nhƣ , , v.v…Có thể tạo lƣợng lớn ống nano cacbon cách cho acetylene ngƣng 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 ngƣng tụ Co/Zêolit, ta có đƣợc ống nano cacbon nhiều vách nhƣng đồng thời có fullerenes ống nano cacbon đơn vách  ... 2: Ống nano Cacbon đơn tường ống nano cacbon đa tường II PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO ỐNG NANO CACBON 2.1 Cơ chế mọc ống nano cacbon Có thể hiểu cách đơn giản q trình mọc nhƣ sau: Hạt xúc tác đƣợc tạo. .. ống nano cacbon định chế mọc: mọc từ đỉnh hạt lên hay mọc từ đế lên tạo thành CNTs Kích thƣớc hạt xúc tác kim loại điều kiện liên quan khác định ống nano cacbon đơn vách hay đa vách 2.2 Chế tạo. ..PHƢƠNG ÁN CHẾ TẠO ỐNG NANO CACBON I TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ỐNG NANO CACBON Các dạng thù hình cacbon 1.1 Kim cƣơng (Hình 1) Kim cƣơng tồn dạng cubic