Nêu quy trình chế tạo graphene từ than đá

GRAPHENE VÀ GIẢI NOBEL HÓA HỌC 2010 Tiểu luận: Vật lý vật liệu nano HỌC VIÊN : NGUYỄN HÀ NGỌC DUNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN LỚP CAO HỌC VẬT LÝ CHẤT RẮN K20 CHỦ ĐỀ: Hãy trình bày hiểu biết bạn graphene làm sáng tỏ tính chất ưu việt graphene (giúp cho hai nhà khoa học phát graphene trao giải thưởng Nobelt vật lý năm 2010) Nêu quy trình chế tạo graphene từ than đá? I II Mở đầu Trong thời gian gần đây, chất liệu kết tinh chiều (2D) xác định phân tích; vật liệu lớp graphene – gồm lớp nguyên tử cacbon Lớp vật liệu có số tính chất độc đáo, khiến thật hấp dẫn cho nghiên cứu lẫn ứng dụng tương lai Hình 1: K Geim S Novoselov Graphene có tính chất điện bật Về bản, cứng thép dễ kéo căng Độ dẫn điện dẫn nhiệt cao dung làm chất dẫn dẻo Hai nhà khoa học Andre K Geim Konstantin S Novoselov trường đại học Manchester, Anh quốc thành công việc chế tạo, tinh lọc, nhận dạng mô tả đặc trưng graphene Năm 2010, họ vinh danh giải thưởng Nobel cho cơng trình Các dạng thù hình cacbon Graphite: Là dạng thù hình phổ biến cacbon, bao gồm cacbon có cấu trúc lục giác xếp chồng lên Dễ nhận biết thực tế than chì Các lớp cacbon Hình 2: Cấu trúc graphite liên kết yếu với nên dễ bóc chúng phương pháp học 2 Kim cương: Là dạng thù hình cacbon, kim cương, nguyên tử cacbon xếp thành ô mạng lập phương, nguyên tử cacbon mạng liên kết với liên kết cộng hóa trị chắn nên kim cương xem chất cứng tự nhiên Hình 3: Cấu trúc tinh thể kim cương Fullerene: Đây dạng thù hình cacbon, biết đến nhiều thập kỷ Fullerene lần đầu chế tạo thành công vào năm 1985, xem thành tựu vĩ đại loài người; lần đầu tiên, chế tạo vật liệu có kích thước nano Dạng phổ biến fullerene C60 Chứa 60 nguyên tử cacbon trơng bóng tạo thành từ 20 hình lục giác 12 hình tam giác cho phép bề mặt ghép lại thành hình cầu Sự khám phá fullerene Hình 4: Cấu trúc tinh thể fullerene trao giải thương Nobel hóa học năm 1996 Ống nano cacbon (CNTs): Là dạng thù hình cacbon, hình thành từ graphite cuộn lại với thành ống nano cacbon đơn tường(SWCNTs), nhiều graphite cuộn lồng vào với để tạo thành cấu trúc đa tường (MWCNTs) Hình 5: Cấu trúc CNTs Tính chất điện, nhiệt, CNTs tương đồng với graphene Graphene: Người ta biết rằng, graphite bao gồm cacbon lục giác xếp chồng lên nhau, họ tin graphite đơn (một lớp nguyên tử cacbon) sản xuất dạng tách biệt Tuy nhiên, vào tháng 10 năm 2004, hai nhà khoa học làm cộng đồng vật lý bất ngờ cho biết họ thành công việc cô lập lớp graphite nhận có độ bền cực cao Ta gọi đơn lớp cacbon graphene – dạng thù hình cacbon Cấu trúc graphene: Graphene có nguồn gốc từ Graphite, tách từ graphite Graphene đơn lớp Graphite Graphene có cấu trúc đặc biệt, gồm lớp nguyên tử cacbon hợp thành mạng hình lục giác (kiểu tổ ong), khoảng cách nguyên tử cacbon mạng khoảng 0,142nm III Hình : Graphene mạng lưới tổ ong hai chiều carbon Ở graphene, nguyên tử carbon liên kết với nguyên tử cacbon khác liên kêt cộng hóa trị chặt chẽ, tạo màng mỏng có cấu trúc chiều gồm nguyên tử cacbon xếp theo hình lục giác bền vững Graphene có hình dáng màng lưới có bề dày bề dày nguyên tử cacbon Về Graphene có cấu trúc chiều Hình 7: Cấu trúc tinh thể graphene - Về cấu trúc vùng lượng đơn lớp Graphene xem chất bán kim loại vì:Sơ đồ cấu trúc vùng lượng có độ rộng vùng cấm Đỉnh vùng hóa trị đáy vùng dẫn trùng Từ graphene, hoàn tồn tạo nên dạng thù hình khác cacbon fullerene hay CNTs cách cuộn theo cách khác Hình 8: Các cấu trúc cacbon IV Tính chất graphene: Graphene loại vật liệu mỏng tất vật liệu - Graphene có bề dày nguyên tử cacbon độ dày lớp màng Graphene 1/200000 sợi tóc Với độ mỏng Graphene hồn tồn suốt khơng thể nhìn thấy mắt thường mà nhìn thấy qua kính hiển vi điện tử đại - Graphene loại vật liệu có độ linh động độ bền cao - Graphene có cấu trúc chiều màng mỏng có độ linh động - Mặt dù linh động graphene lại có độ bền cao ( Graphen có sức bền khoảng 42N/m, độ bền thép có độ dày 0.084-0.40N/m).Độ bền graphen gấp 100 lần so với thép - Các phép đo cho thấy Graphene cứng kim cương Vật liệu Độ bền (GPa) Độ cứng (GPa) Thép 0,25 - 1,2 203 CNTs 80 – 150 1000 Kim cương 60 – 225 1220 Graphene 125 1020 Bảng 1: Độ bền & độ cứng vật liệu Graphene loại vật liệu dẫn điện dẫn nhiệt tốt - Ở dạng tinh khiết Graphene dẫn điện nhanh chất khác nhiệt độ bình thường Graphene truyền tải điện tốt đồng nhiều Hơn nữa, electron qua graphene không gặp điện trở nên sinh nhiệt - Bản thân graphene chất dẫn nhiệt, cho phép nhiệt qua phát tán nhanh Độ dẫn nhiệt graphene cỡ 5000 W/m.K Bên cạnh người ta cịn quan sát hiệu ứng Hall lượng tử graphene nhiệt độ phòng Bảng 2: Độ dẫn điện vật liệu Vật liệu Đồng Nhôm SWCNTs Graphene Độ dẫn điện (W/m.K) 350 – 400 205 – 250 3500 4840 - 5300 Chuyển động điện tử Graphene - Graphene tổng hợp có tính chất đặc biệt Chuyển động electron nhanh, electron dường khơng có khối lượng chuyển động gần vận tốc ánh sáng ( 1/ 300 vận tốc ánh sáng Electron Graphene có vận tốc lớn gấp 100 lần electron silicon.) - Đối với graphene, nguyên tử dao động nhiệt độ phòng tạo điện trở suất vào khoảng 1.0 microOhm-cm Điện trở suất graphene nhỏ điện trở suất đồng đến 35% điện trở suất thấp biết đến nhiệt độ phòng Hiệu ứng hall lượng tử graphene - Hiệu ứng Hall lượng tử tượng điện tử mang spin up spin down bị lệch phía đối diện bán dẫn kết tạo phân tách spin, tạo dịng spin vng góc với chiều dịng điện - Hiệu ứng lượng tử Hall thường thấy nhiệt độ thấp bán dẫn, lại xuất graphene nhiệt độ phịng Tính chất quang: Vì graphene mỏng cở từ đến vài lớp nguyên tử nên gần suốt với ánh sáng nhìn thấy, graphene cho phép 97,7% ánh sang truyền qua Do đó, graphene ứng dụng làm điện cực suốt pin mặt trời thiết bị điện tử khác với ưu điểm rẻ mềm dẻo nhiều so với vật liệu truyền thống khác Ứng dụng: Dây dẫn điện điện cực suốt: Graphene vật liệu suốt có tính dẫn điện tốt nên có tiềm dùng làm điện cực pin mặt trời, thay loại dây dẫn mạch điện tử thiết bị quang điện tử khác Chip máy tính: Các nhà nghiên cứu tạo bóng bán dẫn nhỏ giới-có bề dày nguyên tử bề V 3 rộng 10 nguyên tử từ graphene Bóng bán dẫn thiết bị quan trọng bảng vi mạch tảng thiết bị điện tử Những bóng bán dẫn làm việc nhiệt độ phịng Ưu điểm bóng bán dẫn graphene nhỏ gọn hoạt động tốt Màn hình cảm ứng: Hình 9: Điện cực & dây dẫn suốt Các nhà nghiên cứu Anh chế tạo thành cơng hình tinh thể lỏng cách sử dụng graphene Họ phân hủy mảnh graphite để thu graphene, sau phun tinh thể lên bề mặt thủy tinh Sau bề mặt sấy khô, họ lựa chọn mảnh nhỏ sử dụng chúng điện cực hình Màn hình tinh thể lỏng tạo từ graphene có độ phân giải pixel kích cỡ khoảng nm Viện Nghiên cứu Điện tử Viễn thông (ETRI) Hàn Quốc chế tạo Hình 10: Màn hình LCD graphene thành cơng hình OLED với điện cực suốt làm từ vật liệu graphene Nhóm nghiên cứu thay indium tin oxide (ITO) graphene để làm cho điện cực suốt OLED ITO mỏng manh, graphene vật liệu mỏng, uốn cong với độ bền cao Ứng dụng cảm biến: Một ứng dụng hứa hẹn graphene cảm biêns khí, cảm biến sinh học Nguyên lý hoạt động cảm biến dựa thay đổi độ dẫn graphene hấp thụ nguyên tử, phân tử lên bề mặt nó.Bởi tạo graphene có độ dày vài lớp nguyên tử nên cảm biến sử dụng graphene có độ nhạy cực cao giới hạn phát nhỏ Transisto siêu nhỏ - Transistor graphene chế tạo cách lắp Graphene vào mạch điện siêu nhỏ Transistor graphen chế tạo nhà khoa học Manchester (Tiến sỹ Kostya Novoselov giáo sư Andre Geim) 6 Graphene transistor Sản xuất bin lượng mặt trời - Để tạo pin mặt trời có suất chuyển hốn cao ta phải dùng loạt chất bán dẫn có vùng cấm khác để hấp thụ lượng photon toàn thể quang phổ, nghĩa từ tia hồng ngoại đến tia tử ngoại Việc khả thi giá thành phẩm cao ngất ngưởng Vì khơng có vùng cấm, graphene thoải mái hấp thụ lượng photo tần số quang phổ mặt trời Hy vọng pin mặt trời graphene chiếu sáng tương lai Chế tạo pin - Các kĩ sư trường đại học Northwestern phát cực dương graphene giữ điện tốt cực dương than chì với thời lượng nạp nhanh đến 10 lần, nhà nghiên cứu tích cực thí nghiệm với hợp chất graphene để áp dụng vào công nghệ pin - Mới công ty Trung Quốc sản thành công ứng dụng vật liệu graphene sản xuất thành công loại bin có dung lượng dung 4.800 mAh xạc đầy vịng 15 phút Loại pin sạc/xả lên đến 3.500 lần, tức gấp lần so với pin Li-Ion thông thường - Việc graphene giúp tạo hệ pin tốt tin vui cho nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt công nghiệp sản xuất xe điện VI Quy trình chế tạo Graphene từ than đá - Với đặc tính ưu việt mà khơng loại vật liệu có được, graphene ngày nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, chế tạo Phương pháp hiệu để thu graphene lắng đọng hóa học từ pha hơi, nhiên, phương pháp phức tạp áp dụng quy mô lớn Mới đây, nhóm nhà khoa học đề xuất quy trình sản xuất graphene từ than đá quy mô công nghiệp, cho phép sản xuất lượng lớn graphene với chi phí thấp Theo đó, graphene tạo thành từ trình phân giải graphene oxit  Graphene oxit tổng hợp axit H2SO4 đậm đặc NaNO2: 2,5g than đá với 2g NaNO2 khuấy tan 120 ml dung dich H2SO4 15 nhiệt độ phịng  Pha lỗng dung dịch dung dịch HNO3 1M Sau cho quay ly tâm với tốc độ 10000 vòng/phút 15 phút  Để loại bỏ tạp chất không mong muốn, cho dung dịch phân tán nước tiếp tục quay ly tâm với tốc độ 12000 vòng/phút vòng 15 phút Tiến hành lần  Tiến hành ủ nhiệt loại bỏ nhóm chức oxi graphene oxit thu graphene Kết thực nghiệm cho thấy, thu graphene cấu trúc hồn hảo, có tính dẫn điện tương tự bán dẫn loại n, graphene oxit không dẫn điện VII KẾT LUẬN Với cấu trúc màng mỏng có bề dày nguyên tử, Graphene có nhiều tính chất gây bất ngờ thú vị Cấu tạo Graphene đơn giản để tạo khơng đơn giản chút nào.Trong tương lai cơng nghệ chế tạo graphene hồn thiện sản xuất graphene quy mơ cơng nghiệp siêu vật liệu ứng dụng nhiều hơn, mang lại giá trị thiết thực cho sống người  ... đề xuất quy trình sản xuất graphene từ than đá quy mô công nghiệp, cho phép sản xuất lượng lớn graphene với chi phí thấp Theo đó, graphene tạo thành từ q trình phân giải graphene oxit  Graphene. .. Li-Ion thông thường - Việc graphene giúp tạo hệ pin tốt tin vui cho nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt công nghiệp sản xuất xe điện VI Quy trình chế tạo Graphene từ than đá - Với đặc tính ưu việt... ngun tử, Graphene có nhiều tính chất gây bất ngờ thú vị Cấu tạo Graphene đơn giản để tạo khơng đơn giản chút nào.Trong tương lai công nghệ chế tạo graphene hồn thiện sản xuất graphene quy mơ cơng