Nghiên cứu chế tạo và tính chất hóa lý của vật liệu composite trên cơ sở ống nano carbon đa tường polyaniline

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Y Z ĐẶNG THỊNH PHONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE TRÊN CƠ SỞ ỐNG NANO CARBON ĐA TƯỜNG - POLYANILINE Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ HÓA HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, 12/2008 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THÀNH Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2008 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHUÙC Tp HCM, ngày tháng năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : ĐẶNG THỊNH PHONG Phái : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 02/01/1978 Nơi sinh : PHÚ YÊN Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ HÓA HỌC MSHV : 00506090 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu chế tạo tính chất hóa lý vật liệu composite sở ống nano carbon đa tường - polyaniline II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ¾ Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite ống nano carbon đa tường – polyaniline phương pháp polymer hóa học dung dịch aniline hòa tan ống nano carbon ¾ Khảo sát tính chất vật liệu composite ống nano carbon đa tường – polyaniline chế tạo phương pháp hóa học môi trường HCl H2SO4 thành phần khối lượng khác ¾ Nghiên cứu ứng dụng composite ống nano carbon đa tường – polyaniline làm vật liệu điện cực cho tụ điện III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/01/2008 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội đồng Chuyên ngành thông qua TRƯỞNG PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Ngày tháng năm 2008 TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lò ng biế t ơn sâ u sắc đến: PGS.TS Nguyễn Đình Thành, người thầy tận tình hướng dẫn có góp ý vô q giá để hoàn thành luận văn Tất anh chị Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng giúp đỡ tạo điều kiện cho suốt trình tiến hành thực nghiệm Các Thầy Cô khoa Công nghệ Hóa học phòng Đào tạo Sau Đại học Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh truyền đạt kiến thức q báu giúp đỡ thời gian học trường Các Thầy Cô Hội đồng chấm luận văn thạc só có góp ý nhận xét hữu ích cho luận văn Gia đình, bạn bè ủng hộ tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian học cao học Tác giả CÁC TỪ VIẾT TẮT COPs: Conducting organic polymers – Polymer hữu dẫn điện CNTs: Carbon nanotubes – OÁng nano carbon MWNTs: Multi-walled carbon nanotubes - Ống nano carbon đa tường SWNTs: Single-walled carbon nanotubes - Ống nano carbon đơn tường PANI : Polyaniline PPy : Polypyrrole PA : Polyacetylene PTh : Polythiophene PEDOT : Poly(3,4-ethylene-dioxithiophene) PPV : Poly (phenyl vinlene) XRD: X-ray diffraction - Sự nhiễu xạ tia X FESEM: Field emission scanning electron microscopy - Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FTIR : Fourier transform infrared- Phổ hồng ngoại ABSTRACT Polyaniline (PANI) is one of the more important conducting polymers due to its relatively facile processability, electrical conductivity, and environmental, stability The wide range of associated electrical, electrochemical, and optical properties makes polyaniline potentially attractive for applicatios a synthetic metal Polyaniline is unique among conducting polymers in that its electrical properties can be resersibly controlled by both charge – transfer doping and protonation Multi – walled carbon nanotubes (MWNTs) are relatively chemical inert, exhibit excellent electrical and thermal conductivity, and show nonlinear optical properties and superior mechanical strength MWNTs / PANI composite products with good uniformity and dispersion were prepare by chemical polymerization of aniline can be containing welldissolved MWNTs The results of field emission scanning electron microscopy (FESEM) and Fourier transform infrared (FTIR) show that aniline can be used to solubilize MWNTs via formation of donor – acceptor complexes Besides, products were prepared in a solution HCl 1M better than in a solution H2SO4 1M The result of X-ray diffraction (XRD) show that formation and stability of the MWNTs composite structures is enhanced when combined with polyaniline The conductivity of MWNTs /PANI composite increased rapid from 1,1 – 12,6 S/cm as the MWNTs content ranging from to 8wt% The electrochemical capacitance properties of the composite were measured by cyclic voltammetry , the specific capacitance of MWNTs /PANI composite increased from 22 – 166 F/g as the MWNTs content ranging from to 8wt% All of the above implies that, the MWNTs composite/ PANI was a kind of promising electrode material of supercapacitor Đặng Thịnh Phong i Luận văn thạc só MỤC LỤC Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Sự đời phát triển polymer daãn 1.2 Cơ chế dẫn điện polymer dẫn 1.3 Tính chất polymer daãn 11 1.3.1 Điện tính .11 1.3.2 Tính bền .13 1.4 Cấu trúc CNTs 13 1.4.1 Cấu trúc SWNTs 15 1.4.2 Cấu trúc MWNTs 16 1.5 Tính chất CNTs .17 1.5.1 Các tính chất chung 17 1.5.2 Tính chất lý 18 1.5.3 Khả phản öùng 19 1.5.4 Tính chất điện tử 20 1.5.5 Tính chất hấp phụ 22 1.5.5.1 Diện tích bề mặt riêng SWNTs .23 1.5.5.2 Bề mặt hấp phụ lượng liên kết 24 1.6 Ứng dụng vật liệu composite : polymer dẫn ống carbon nano 25 1.6.1 Thiết bị tích trữ lượng 26 1.6.1.1 Siêu tụ điện 26 1.6.1.2 Pin naïp ñieän 30 1.6.2 Thiết bị cảm biến (sensor) 32 Mục lục Đặng Thịnh Phong ii Luận văn thạc só 1.6.2.1 Sensor hóa học .32 1.6.2.2 Sensor sinh hoïc .36 1.6.3 Đèn phát quang hữu 38 1.6.4 Linh kiện điện tử : diode Schottky transistor 40 1.7 Quá trình tinh chế CNTs 42 1.7.1 Quá trình oxy hóa .43 1.7.2 Quá trình xử lý acid 44 1.7.3 Quá trình siêu âm 44 1.7.4 Quá trình làm học 45 1.7.5 Quá trình tạo nhóm chức 45 1.7.6 Quá trình loïc micro 46 1.7.7 Đánh giá phương pháp làm 46 1.8 Phương pháp tổng hợp composite : CNTs / polymer dẫn 42 1.8.1 Phương pháp polymer hóa học .43 1.8.2 Phương pháp polymer điện hóa 44 1.8.3 Tổng hợp lớp phim composite 49 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .51 2.1 Nghiên cứu trình tinh chế MWNTs 51 2.1.1 Chuẩn bị nguyên liệu hóa chất dụng cụ thiết bị .51 2.1.2 Phương pháp tinh chế MWNTs 51 2.2 Nghiên cứu chế tạo composite MWNTs / PANI 52 2.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu hóa chất dụng cụ thiết bị .52 2.2.2 Phương pháp chế tạo composite MWNTs / PANI .52 2.3 Nghiên cứu ứng dụng làm vật liệu điện cực cho tụ điện 66 2.3.1 Chuẩn bị nguyên liệu hóa chất dụng cụ thiết bị .66 Mục lục Đặng Thịnh Phong iii Luận văn thạc só 2.3.2 Phương pháp xác định điện dung vật liệu composite 66 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 68 3.1 Caáu trúc MWNTs 68 3.2 Cấu trúc tính dẫn cuûa composite MWNTs/ PANI 70 3.2.1 Kết phân tích FTIR .70 3.2.2 Kết đo FESEM XRD 80 3.2.3 Kết đo độ dẫn điện .83 3.3 Kết đường quét vòng 85 CHƯƠNG KẾT LUẬN 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Mục lục Phụ lục 3.11 Đường cong điện vò ng củ a composite 4% MWNTs/ PANI tổng hợp môi trường HCl 1M Phụ lục 3.12 Đường cong điện vò ng củ a composite 8% MWNTs/ PANI tổng hợp môi trường HCl 1M Phụ lục 3.13 Đường cong điện vò ng củ a PANI tổ ng hợ p môi trường H2SO4 1M Phụ lục 3.14 Đường cong điện vò ng củ a composite 2% MWNTs/ PANI tổng hợp môi trường H2SO4 1M Phụ lục 3.15 Đường cong điện vò ng củ a composite 4% MWNTs/ PANI tổng hợp môi trường H2SO4 1M Phụ lục 3.16 Đường cong điện vò ng củ a composite 8% MWNTs/ PANI tổng hợp môi trường H2SO4 1M Phụ lục 3.17 Phổ XRD củ a mẫu MWNTs trước m Phụ lục 3.18 Phổ XRD củ a mẫu MWNTs sau làm Phụ lục 3.19 Phổ XRD củ a PANI tổng hợ p môi trường HCl 1M Phụ lục 3.20 Phổ XRD củ a composite 8%MWNTs / PANI tổ ng hợp môi trườ ng HCl 1M Phụ lục 3.21 Hình ả nh FESEM củ a MWNTs m Phụ lục 3.22 Hình ả nh FESEM củ a PANI tổ ng hợp phương pháp polymer hóa học Phụ lục 3.23 Hình ả nh FESEM củ a composite 8% MWNTs/ PANI tổng hợp mô i trường HCl 1M Phụ lục 3.24 Hình ả nh FESEM củ a composite 8% MWNTs/ PANI tổng hợp mô i trường H2SO4 1M LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : ĐẶNG THỊNH PHONG Ngày, tháng, năm sinh : 02/01/1978 Nơi sinh: Phú Yên Địa liên lạc: 82/47 Đường 138, Kp 2, P TânPhú, Q 9, Tp, Hồ Chí Minh Điện thoại : 0938057087 Email : dangthinhphong@yahoo.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1996 - 2001: Học đại học Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh, chuyên ngành Công nghệ Hóa Hữu Cơ 2006 - 2008: Học cao học Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, chuyên ngành Công nghệ Hóa học QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC: 2001 - 2007: Là Nhân viên Kỹ thuật Nhà máy Thủy Tinh – Điện Quang, KCN Biên Hòa I – Đồng Nai 2007 - nay: Là Giáo Viên Trường PTTT Quốc Văn Sài Gòn, 456 – Nơ Trang Long – P.13 - Q Bình Thạnh, Tp Hồ Chí Minh ... HÓA HỌC MSHV : 00506090 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu chế tạo tính chất hóa lý vật liệu composite sở ống nano carbon đa tường - polyaniline II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ¾ Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite. .. composite ống nano carbon đa tường – polyaniline phương pháp polymer hóa học dung dịch aniline hòa tan ống nano carbon ¾ Khảo sát tính chất vật liệu composite ống nano carbon đa tường – polyaniline chế. .. – Ống nano carbon MWNTs: Multi-walled carbon nanotubes - Ống nano carbon đa tường SWNTs: Single-walled carbon nanotubes - Ống nano carbon đơn tường PANI : Polyaniline PPy : Polypyrrole PA : Polyacetylene