Năm 1995, nhóm của Smalley ở trường đại học Rice đã công bố kết quả tổng hợp ống cacbon bằng phương pháp bốc bay lade. Các thiết bị dùng để tổng hợp của nhóm Smalley giống như trên (Hình 2.14).
Hình 2.14: Hệ bốc bay bằng lade.
Một nguồn lade xung hoặc liên tục được dùng để làm bay hơi một lõi graphit trong một lò nhiệt ở 1200 0C. Sự khác nhau giữa hai loại lade này là ở chỗ nếu sử dụng lade xung thì cần dùng với năng lượng lớn hơn (100 kW/cm2 thay vì 12 kW/cm2 của xung liên tục). Lò được bơm đầy khí He hoặc Ar và giữ ở áp suất 500 torr. Một chùm hơi rất nóng được tạo thành sau đó mở rộng ra và nguội đi rất nhanh. Các phần tử bay hơi như các phân tử và nguyên tử cacbon tập trung nhanh lại thành các đám lớn, có thể bao gồm cả fulơren. Các phần tử kim loại xúc tác cũng tập trung lại nhưng với tốc độ chậm hơn, gắn vào với đám cacbon, ngăn cản không cho chúng tạo thành cấu trúc khép kín. Các hạt xúc tác này thậm chí còn có thể mở các cấu trúc khép kín đó. Từ các đám ban đầu này, các phân tử dạng ống mọc lên tạo thành SWNT cho đến khi các hạt kim loại trở lên quá lớn hoặc điều kiện nhiệt độ giảm làm các nguyên tử cacbon không thể khuếch tán xuyên qua hoặc vượt qua bề mặt của các hạt kim loại. Cũng có thể là các hạt kim loại đã có quá nhiều nguyên tử cacbon bao bọc xung quanh đến nỗi mà nó không thể hấp thụ thêm được nữa và do đó CNT ngừng mọc. SWCNT tạo thành trong trường hợp này thường
30
Có một điều đáng lưu ý rằng: phổ phát xạ của các phần tử bị kích thích trong bốc bay lade của các composit graphit khá giống với phổ phát xạ của hơi C60. Từ điều này có thể đưa ra tiên đoán rằng fulơren có thể đã hình thành trong hơi cacbon bốc bay từ các phiến graphit có pha xúc kim loại cũng như không pha xúc tác. Sau đó, các xung lade đã kích thích các fulơren tạo thành các phân tử có kiểu liên kết C - C mà bị hấp thụ trên bề mặt của các hạt kim loại và trở thành điểm khởi đầu cho quá trình hình thành ống cacbon. Tuy nhiên vẫn chưa đủ bằng chứng để khẳng định một cách chắc chắn giả thuyết này.
Bốc bay lade thì gần giống như là phóng điện hồ quang ở chỗ các cách tối ưu hoá bằng khí và xúc tác về cơ bản là giống nhau. Điều này có thể là do các điều kiện cần thiết để tổng hợp là giống nhau và cơ chế phản ứng có thể cũng tương tự nhau.
2.5.4.1 Tổng hợp ống cacbon đơn vách với số lượng lớn
Bởi vì CNT tổng hợp bằng phương pháp này có chất lượng tốt, các nhà khoa học đang cố gắng để tăng quy mô của nó lên. Tuy nhiên kết quả vẫn không được tốt như phương pháp phóng điện hồ quang, nhưng chúng vẫn rất khả quan. Sau đây là phần trình bày về hai phương pháp mới để tăng quy mô của phương pháp lên.
Thứ nhất là “phương pháp sử dụng xung cao tần từ chùm lade điện tử tự do”. Thứ hai là “phương pháp bột – lade sóng liên tục”. Tăng quy mô lên là điều có thể làm được nhưng vấn đề là ở chỗ giá thành của nó quá cao vì phải dùng lade và rất nhiều năng lượng.
Phương pháp sử dụng xung cao tần từ chùm lade điện tử tự do Thường thì xung trong hệ Nd: YAG có độ rộng khoảng 10 ns còn trong hệ lade điện tử tự do (FEL), độ rộng vào khoảng 400 fs. Tần số của xung tăng nhiều lần từ 10 Hz lên 75 MHz. Để cho dòng lade có năng lượng giống như của xung trong hệ Nd:YAG, xung đó phải được tập trung lại. Cường độ của
31
chùm lade sau kính hội tụ đạt tới 5×1011 (W/cm2), lớn hơn khoảng 1000 lần so với hệ Nd:YAG.
Một vòi phun khí Ar nóng (khoảng 1000 0C) qua đầu vòi tới sát mẫu graphit đang quay (có chứa xúc tác). Khí Ar làm lệch chùm hơi cacbon gần 900 so với chiều của chùm FEL, làm bay hơi cacbon khỏi khu vực phía trước mẫu. Muội SWNT tạo ra được thu gom trên một bản lạnh. Quá trình này được mô tả trên (Hình 2.15).
Hình 2.15: Hệ thống trong bốc bay xung cao tần.
Hiệu suất đạt được là 1,5 (g/h), với 20 % công suất cực đại của FEL chưa cải tiến. Nếu FEL được cải tiến và làm việc ở công suất tối đa, hiệu suất sẽ đạt khoảng 45 (g/h) với giả thiết hiệu suất đó không bị ảnh hưởng bởi công suất lade lớn. Hiệu suất tối đa này đạt được với xúc tác là Ni - Co hoặc Ni - Y, trong môi trường khí Ar ở 1000 0C và bước sóng lade là 3000 nm. SWNTs tạo được dưới dạng bó có độ rộng từ 8 ÷ 200 nm và chiều dài là 5 ÷ 20μm. Kích thước của ống nano vào khoảng 1÷ 1,4 nm.
Phương pháp sử dụng bột và lade liên tục
Trong phương pháp này, thay vì sử dụng nguồn cacbon là một khối graphit người ta sử dụng hỗn hợp bột graphit trộn với chất xúc tác. Nguồn lade CO2 liên tục có công suất là 2 (kW). Do cacbon ở dạng các hạt có kích hước cỡ micromet nên đã làm giảm rất nhiều mất mát nhiệt do truyền nhiệt trong quá trình chiếu
32
lade, do đó làm giảm năng lượng tiêu thụ. Hiệu suất đạt được là 5 (g/h) với hỗn hợp xúc tác là Ni/Co (tỷ lệ 1:1), nhiệt độ là 1100 0C. Trong lớp bồ hóng có khoảng 20 ÷ 40 % là SWCNT với kích thước từ 1,2 ÷ 1,3 nm.