Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi trên chất mang có cấu trúc

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRẦN NGUYÊN NGỌC TRẦN NGUYÊN NGỌC KỸ THUẬT HOÁ HỌC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CARBON NANO SỢI TRÊN CHẤT MANG CĨ CẤU TRÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HỐ HỌC KHOÁ 34 Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRẦN NGUYÊN NGỌC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CARBON NANO SỢI TRÊN CHẤT MANG CÓ CẤU TRÚC Chuyên ngành : Mã số: KỸ THUẬT HOÁ HỌC 8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRƢƠNG HỮU TRÌ Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các thơng tin trích dẫn nghiên cứu rõ nguồn gốc rõ ràng, tuân theo định số 29/QĐ-ĐHBK ngày 09/01/2017 trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng Liêm học thuật Nếu có vi phạm hành vi định bịa đặt, gian lận, đạo văn giúp người khác vi phạm, tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Các số liệu, kết nêu đồ án tốt nghiệp trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Học viên Cao học Trần Nguyên Ngọc i MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ Lời cam đoan liêm học thuật i Mục lục ii Tóm tắt luận văn iv Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt vi Danh mục bảng vii Danh mục hình viii MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CARBON NANO SỢI 1.1 Giới thiệu chung carbon nano sợi 1.2 Các tính chất CNFs 1.2.1 Tính chất nhiệt 1.2.2 Đặc tính học 1.2.3 Tính chất điện 10 1.2.4 Tính chất hóa học 10 1.2.5 Tính chất phát xạ điện trường 11 1.3 Các ứng dụng CNFs 11 1.3.1 Ứng dụng y tế 11 1.3.2 Cảm biến hóa học, đầu dị 11 1.3.3 Lưu trữ lượng 12 1.3.4 Vật liệu composite 12 1.3.5 Chất mang xúc tác 14 1.3.6 Môi trường 15 1.4 Các phương pháp tổng hợp 16 1.4.1 Phương pháp hồ quang điện 16 1.4.2 Phương pháp cắt gọt laser 17 1.4.3 Phương pháp kết tụ hóa học pha (CVD) 19 ii 1.5 Lý tổng hợp CNFs lên chất mang có cấu trúc 20 Chương 2: QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM 21 2.1 Nguyên vật liệu 21 2.2 Quy trình tổng hợp 22 2.2.1 Tổng hợp xúc tác 22 2.2.2 Tổng hợp composite CNFs/Carbon felt 24 2.3 Các phương pháp đánh giá sản phẩm 27 2.3.1 Tính tốn thay đổi khối lượng 27 2.3.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 28 2.3.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 30 2.3.4 Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt BET 32 2.3.5 Phổ Raman 34 2.3.6 Phân tích nhiệt trọng lượng TGA 36 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 3.1 Tổng hợp đánh giá đặc tính sản phẩm 39 3.2 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ tổng hợp lên số đặc tính mẫu 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 57 PHỤ LỤC 58 iii TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CARBON NANO SỢI TRÊN CHẤT MANG CÓ CẤU TRÚC Học viên: Trần Nguyên Ngọc Chuyên ngành: Kỹ thuật hoá học Mã số: 8520301 Khóa: 34 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Carbon nano sợi (CNFs) loại vật liệu có nhiều tính chất ưu việt, ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nghiên cứu nhà khoa học giới Thế nhưng, CNFs tồn số nhược điểm Ở nghiên cứu này, CNFs tổng hợp gắn bề mặt vật liệu carbon xốp phương pháp kết tụ hóa học pha với xúc tác nickel Sản phẩm xác định đặc tính phương pháp phân tích hóa lý đại BET, Raman, SEM, TEM hay TGA Kết phân tích cho thấy, lượng CNFs phủ lên carbon xốp 92,5% khối lượng carbon xốp Bề mặt riêng sản phẩm thu tăng lên đáng kể, 105 lần, so với bề mặt riêng carbon xốp ban đầu Lớp CNFs phủ lên bề mặt carbon xốp có cấu trúc mao quản với kích thước lỗ nằm vùng mesoporous Và việc đưa CNFs lên carbon xốp làm tăng khuyết tật cấu trúc vật liệu, giảm độ bền oxy hóa sản phẩm Ngồi ra, nghiên cứu cịn tiến hành khảo sát vài đặc tính sản phẩm thay đổi nhiệt độ tổng hợp thu số kết định Từ khóa - CNFs; Carbon xốp; TGA; BET; Raman; SEM; TEM ABSTRACT OF THESIS SYNTHESIS OF CARBON NANO FIBERS ON MACROSCOPIC STRUCTURED MATERIAL Student: Trần Nguyên Ngọc Major: Chemical Engineering Code: 8520301 Course: K34 Polytechnic University – University of Danang Abstract - Carbon nanofibers (CNFs) have a lot of novel properties, it has been applied in different areas CNFs is still being studied by scientists around the world However, the carbon nanofibers causes a number of disadvantages In this study, nano-carbon fibers are synthesized and grafted on the surface of carbon felt by chemical vapour deposition using nickel as an active phase The product has been characterized by several techniques such as BET, Raman, SEM, TEM and TGA The results show that the amount of nano-carbon fiber decorated on carbon felt surface is 92.5 %wt relative to carbon felt The specific surface area of the as-product significantly increases, 105 times, compared to that of carbon felt Pore sizes of nanocarbon fibers decorated on carbon felt surface are mainly in iv the mesoporous region And, the obtained product has less oxidation stability In addition, we also investigated some characteristics of the product when changing the synthesizing temperature and obtained some results Key words - CNFs; Carbon felt; TGA; BET; Raman; SEM; TEM v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: %wt : phần trăm theo khối lượng Các chữ viết tắt: CNFs : Carbon nanofibers (Carbon nano sợi) CFs : Carbon fibers (Sợi carbon) CNTs : Carbon nano tubes (Carbon nano ống) CVD : Chemical Vapour Deposition (Ngưng tụ hóa học pha hơi) SEM : Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) BET : Brunauer-Emmett –Teller XPS : X-ray Photoelectron Spectroscopy (Phổ quang điện tử tia X) TGA : Thermogravimetric Analysis (Phân tích nhiệt lượng trọng trường) TEM : Transmission Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử truyền qua) LPG : Liquefied Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng) EMI : Electro Magnetic Interference (Can nhiễu điện từ) ESD : Electrostatic discharge (phóng/xả tĩnh điện) vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Điều kiện tổng hợp xúc tác 24 Bảng 2.2 Các điều kiện tổng hợp CNFs ban đầu 26 Bảng 3.1 Đặc tính sản phẩm thu 40 Bảng 3.2 Hiệu suất tổng hợp diện tích bề mặt riêng BET mẫu nhiệt độ khác 45 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Hệ thống phản ứng tổng hợp CNFs T V Hughes C R Chambers Hình CNT tổng hợp nghiên cứu Liu cộng Hình 1.1 Cấu trúc hình thái CNF Hình 1.2 Cơ chế phát triển CNFs tổng hợp phương pháp CVD sử dụng xúc tác kim loại Hình 1.3 Kết nghiên cứu độ dẫn nhiệt composite CNFs–CNT-polymer Hình 1.4 Ảnh SEM bề mặt composite CNFs-polypropylene nghiên cứu E Hammel 13 Hình 1.5 Sự giảm điện trở suất loại polymer composite nghiên cứu E Hammel 14 Hình 1.6 Sơ đồ biểu diễn thiết bị phản ứng hồ quang điện 17 Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý phương pháp cắt laser 18 Hình 1.8 Sơ đồ thiết bị CVD 19 Hình 2.1 Carbon felt từ công ty CeraMaterials 21 Hình 2.2 Các giai đoạn tổng hợp CNFs/carbon felt 22 Hình 2.3 Quy trình tổng hợp xúc tác Ni/carbon felt 23 Hình 2.4 Sơ đồ tổng hợp composite 25 Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm tổng hợp CNFs theo phương pháp CVD 26 Hình 2.6 Giản đồ nhiệt trình tổng hợp 27 Hình 2.7 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 28 Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện tử quét (SEM) 29 Hình 2.9 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 30 Hình 2.10 Sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện tử truyền qua 31 Hình 2.11 Vịng trễ đường đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp 32 Hình 2.12 Thiết bị đo hấp phụ đẳng nhiệt BET 34 Hình 2.13 Nguyên lý phổ Raman 35 Hình 2.14 Phổ Raman cho liên kết tương ứng 36 Hình 2.15 Máy phân tích nhiệt trọng lượng TGA 37 Hình 3.1 Hình thái bên vật liệu trước sau tổng hợp 39 viii Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc [20] Wang JL, Gu M, Zhang X, Song Y, “Thermal conductivity measurement of an individual fibre using a T type probe method”, J Phys D Appl Phys 2009; 42(10):105502 [21] Wang JL, Gu M, Ma W, Zhang X, Song Y, “Temperature dependence of the thermal conductivity of individual pitch-derived carbon fibers”, New Carbon Mater 2008; 23(3): 259-63 [22] Piraux L, Nysten B, Haquenne A, Issi JP, Dresselhaus MS, Endo M, “The temperature variation of the thermal conductivity of benzene-derived carbon fibers”, Solid State Commun 1984;50(8):697–700 [23] Nysten B, Piraux L, Issi JP, “Thermal conductivity of pitchderived fibres”, J Phys D Appl Phys 1985;18(7):1307-10 [24] Tanil Ozkan, Mohammad Naraghi, Ioannis Chasiotis, “Mechanical Properties of Individual Carbon Nanofibers” [25] L Fourdrinier, H Le Poche, N Chevalier, D Mariolle and E Rouviere, “Electrical properties of individual carbon nanofibers” [26] H.P Calis, A.W Gerritsen, C.M van den Bleek, C.H Legein, J.C Jansen, H van Bekkum, Can J Chem Eng 73 (1995) 120 [27] John Hopkins University, at Northwestern University and at the University of Pennsylvania, “Nanofibers: Uses and pplications of Nanofibers” [28] Li, L.; Li, J.; Lukehart, C.M, “Graphitic carbon nanofiber-poly (acrylate) polymer brushes as gas sensors”, Sens Actuators B Chem 2008, 130, 783-788 [29] Ji, L.; Lin, Z.; Medford, A.J.; Zhang, “Porous carbon nanofibers from electrospun polyacrylonitrile/SiO2 composites as an energy storage material”, Carbon 2009, 47, 3346–3354 [30] Qie, L.; Chen, W.M.; Wang, Z.H.; Shao, Q.G.; Li, X.; Yuan, L.X.; Hu, X.L.; Zhang, W.X.; Huang, Y.H, “Nitrogen-doped porous carbon nanofiber webs as anodes for lithium ion batteries with a superhigh capacity and rate capability”, Adv Mater 2012, 24, 2047–2050 [31] E Hammel, X Tang, M Trampert, T Schmitt, K Mauthner, A Eder, P P€otschke, “Carbon nanofibers for composite applications” Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì 54 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc [32] R T K Baker, “Catalytic growth of carbon filaments”, Carbon, Vol 27, No 3, pp 315-323, 1989 [33] M Jose–Yacaman, M Miki-Yoshida, L Rendon, J.G Santiesteban (1993), “ pplied Physics Letters”, 62, pp 657-659 [34] http://www.pvgasn.vn/San-pham-Dich-vu/San-pham/LPG-Dan-Dung/Binh-gas12kg.aspx [35] http://www.ceramaterials.com/graphitecarbonfelt.html [36] Trương Hữu Trì, Nguyễn Đình Lâm, “Tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc”, ISSN 1859-1531, Tạp chí Khoa học cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, Số (112).2017, Quyển số [37] Brunauer S, Deming LS, Deming WE, Teller E, “On a theory of the van der Waals adsorption of gases”, J Amer Chem Soc., Vol 62, (1940), p.1723-1732 [38] Dikio, E.D.; Thema, F.T.; Dikio, C.W.; Mtunzi, F.M 2010, “Synthesis of carbon nanotubes by catalytic decomposition of ethyne using Co-Zn-Al catalyst”, Int J Nanotech Appl Vol 4, p.117-124 [39] David Bom, Rodney Andrews, David Jacques, John Anthony, Bailin Chen, Mark S Meier, and John P Selegue, “Thermogravimetric Analysis of the Oxidation of Multiwalled Carbon Nanotubes: Evidence for the Role of Defect Sites in Carbon Nanotube Chemistry”, Nano Lett., Vol 2, No (2002), p.615-619 [40] Gregg S B McKee and Kenneth S Vecchio, “Thermogravimetric nalysis of Synthesis Variation Effects on CVD Generated Multiwalled Carbon Nanotubes”, J Phys Chem B 2006, 110, p.1179-1186 [41] Eric Mayhew, Rajib Paul, Vikas Prakash, “Thermal Conductivity of Carbon nanofibers”, Nanotube Superfiber Materials, Chapter 19 (2019) [42] Guifu Zou, Dawei Zhang, Chao Dong, Hui Li, Kan Xiong, Linfeng Fei, Yitai Qian, “Carbon nanofibers: Synthesis, characterization, and electrochemical properties”, Carbon 44, 828-832 (2006) [43] LichaoFeng, NingXie and Jing Zhong, “Carbon Nanofibers and Their Composites: Review of Synthesizing, Properties and pplications”, Materials 2014, 7, 3919-3945 [44] Zheng, R.; Zhao, Y.; Liu, H.; Liang, C.; Cheng, G, “Preparation, characterization and growth mechanism of platelet carbon nanofibers” Carbon 2006, 44, 742-746 Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì 55 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc [45] Nelize Maria de Almeida CoelhoI; Jomar Livramento Barros FurtadoI; Cuong PhamHuuII; Ricardo Vieira, “Carbon nanofibers: a versatile catalytic support”, Materials Research, Vol 11, No (2009) Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì 56 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì 57 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc PHỤ LỤC Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì 58 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì 59 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì 60 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì 61 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì 62 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì 63 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì 64 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì 65 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì 66 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì 67 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì 68 ... nhiệt độ tổng hợp lên nhiệt độ phân huỷ composite 48 ix Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Carbon nano sợi (carbon nanofibers - CNFs) tổng hợp năm... GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc Theo đó, phản ứng tổng hợp, nguồn Carbon (có thể methane, carbon monoxide, khí tổng hợp H2/CO, ethyne ethene)... dài sợi tạo xoắn kéo sợi trình tổng hợp composite [41] Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS TS Trương Hữu Trì Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi chất mang có cấu trúc Hình 1.3 Kết nghiên cứu