5. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
1.3.1. Vật liệu graphite
Carbon là nguyên tố đóng vai trò quan trọng cho sự sống và là nguyên tố cơ bản của hàng triệu hợp chất hóa học hữu cơ. Trong một nguyên tử carbon, các electron lớp ngoài cùng có thể hình thành nên nhiều kiểu lai hóa khác nhau. o đó khi các nguyên tử này liên kết lại với nhau chúng cũng có khả năng tạo nên nhiều dạng cấu trúc tinh thể nhƣ: cấu trúc tinh thể ba chiều (3D), hai chiều (2D), một chiều (1D) và không chiều (0 ). iều này đƣợc thể hiện thông qua sự phong phú về các dạng thù hình của vật liệu carbon là: kim cƣơng, graphite, graphene, carbon nanotube và fullerenes [59].
Kim cƣơng và graphite là hai dạng thù hình có cấu trúc tinh thể 3 chiều của carbon đƣợc biết đến nhiều. Trong kim cƣơng, mỗi nguyên tử carbon ở trạng thái lai hóa sp3 liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử carbon khác bằng 4 liên kết trong một mạng tứ diện với độ dài liên kết C-C khoảng 0,1544 nm. Cấu trúc tinh thể kim cƣơng dạng này là cấu trúc lập phƣơng tâm mặt (FCC) (Hình 1.4) với hằng số mạng a = 3,567 Å.
Trong cấu trúc tinh thể của graphite, mỗi nguyên tử carbon ở trạng thái lai hóa sp2 liên kết cộng hóa trị với 3 nguyên tử carbon xung quanh cùng nằm trong một lớp tạo thành vòng 6 cạnh tƣơng đối phẳng. Khoảng cách giữa các nguyên tử carbon trong cùng một lớp là khoảng 0,14 nm trong khi đó khoảng cách giữa các lớp với nhau là khoảng 0,34 nm (gấp ~ 2,5 lần) do vậy tƣơng tác giữa các lớp yếu hơn tƣơng tác giữa các nguyên tử cùng lớp rất nhiều. hính vì tƣơng tác giữa các lớp với nhau tƣơng đối yếu nên các lớp này có thể trƣợt lên nhau, dẫn đến tính dẻo nhƣng không đàn hồi của graphite. Do vậy, graphite có thể dùng làm dầu bôi trơn. Liên kết C- trong than chì tƣơng đối bền, do ngoài các liên kết σ với 3 nguyên tử carbon xung quanh thì nguyên tử carbon trung tâm còn có 1 liên kết π không định vị với các nguyên
tử xung quanh. Ngoài ra, chính vì sự tồn tại các liên kết π không định vị trong các lớp mạng sẽ tạo ra một hệ thống liên hợp dạng (-C=C-C=C-C=C-), đó chính là vùng không gian mà các electron π có thể chuyển động tƣơng đối tự do. ác electron π phân bố ngang qua cấu trúc lục giác của nguyên tử carbon góp phần vào tính dẫn điện của graphite.
Hình 1.4. C u trúc tinh thể củ im cƣơng và gr phit 3D [71]
Có hai dạng của graphite đã biết, là alpha (lục giác) và beta (rhombohedral), cả hai có các thuộc tính vật lý giống nhau, ngoại trừ về cấu trúc tinh thể. Các loại graphite có nguồn gốc tự nhiên có thể chứa tới 30% dạng beta, trong khi graphite tổng hợp chỉ có dạng alpha. Dạng alpha có thể chuyển thành dạng beta thông qua xử lý cơ học và dạng beta chuyển thành dạng alpha khi bị nung nóng trên 1000 oC.
Cấu trúc lớp của graphite cho phép các nguyên tử, ion lạ xâm nhập vào một cách dễ dàng tạo thành nhiều loại hợp chất mới có các tính chất đặc biệt. Chất xâm nhập có thể là á kim, kim loại, muối...