5. Cấu trúc của đề tài
1.3.2. Ống nano các bon
Ống nano các bon (CNTs) là vật liệu nano các bon dạng ống với đường kính ở kích thước nm (1-20 nm). CNTs có chiều dài từ vài nm đến μm. CNTs được phát hiện vào năm 1991 bởi Lijima. Với cấu trúc tinh thể đặc biệt và các tính chất cơ học quý (nhẹ, độ cứng rất lớn), tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, tính chất phát xạ điện từ mạnh…, CNTs đang được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ [49].
- Ống nano các bon gồm hai loại chính:
+ Ống nano các bon đơn tường (SWCNT) có cấu trúc như một tấm graphene cuộn tròn lại thành hình trụ liền.
+ Ống nano các bon đa tường (MWCNT) có cấu trúc như nhiều tấm graphene lồng vào nhau và cuộn lại hoặc một tấm graphene cuộn lại thành nhiều lớp.
1.3.2.1.Tính chất của CNTs
- Tính chất cơ: CNTs là vật liệu có tính chất cơ rất tốt, bền và nhẹ thích
hợp cho việc gia cường các vật liệu như cao su, polymer, kim loại để tăng cường độ bền, độ chống mài mòn…Suất Young của CNTs gấp 6, độ bền kéo gấp 375 lần so với thép nhưng lại nhẹ hơn thép rất nhiều [8].
- Tính chất điện: Tính chất điện của CNTs phụ thuộc mạnh vào cấu trúc
của nó. Nó có thể có tính dẫn điện của kim loại hoặc bán dẫn
- Tính chất nhiệt: CNTs là vật liệu dẫn nhiệt rất tốt(3.104 W/m.K)
- Tính chất hóa học: CNTs tương đối trơ về mặt hóa học, ống CNTs có
kích thước càng nhỏ thì hoạt động hóa học càng mạnh. Để tăng hoạt tính hóa học của ống CNTs, người ta thường tạo các sai hỏng trên ống hoặc biến tính bề mặt của ống.
- Tính chất phát xạ trường: CNTs có khả năng phát xạ điện từ mạnh ngay cả ở điện thế thấp (10V) [8].
1.3.2.2. Các phương pháp tổng hợp CNTs
- Phương pháp hồ quang điện: Phương pháp này sử dụng dòng hồ quang điện để tạo ra hơi các bon từ một điện cực làm bằng các bon. Sau đó các ống CNTs được phát triển từ hơi các bon trên điện cực còn lại. Sản phẩm tạo thành có thể là Các bon đơn tường hoặc đa tường tùy thuộc vào việc có hay không sử dụng xúc tác (Ni, Fe, Co..). Hiệu suất của quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ của điện cực lắng đọng CNTs và môi trường plasma.
- Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD): Là phương pháp sử dụng năng lượng (nhiệt, lazer) để phân ly các phân tử khí chứa các bon (thường là các hydrocác bon như C2H2, CH4) thành các nguyên tử các bon hoạt hóa. Sau đó lắng đọng các nguyên tử này và phát triển chúng thành các ống CNTs. Đây là phương pháp tổng hợp CNTs đơn giản, rẻ tiền và có thể chế tạo với lượng lớn. Tuy nhiên chất lượng của các ống CNTs thường chưa cao.
- Phương pháp sử dụng nguồn lazer: Phương pháp này sử dụng nguồn laze
năng lượng cao bắn phá bia graphite tạo ra hơi các bon ở nhiệt độ cao và lắng đọng hơi các bon trên đế. Quá trình lắng đọng trong môi trường khí trơ ở áp suất cao. Sản phẩm tạo thành có thể là SWCNT hoặc MWCNT phụ thuộc vào có sử dụng hay không chất xúc tác kim loại [8]. CNTs được chế tạo bằng phương pháp này có độ tinh khiết cao hơn so với phương pháp hồ quang điện.
Nói chung Graphene và CNTs đều là những vật liệu có tính chất cơ học quý như độ bền, độ chống mài mòn cao, chịu nén tốt, nhẹ, khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Bởi vậy, chúng được nghiên cứu ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ như tích trữ năng lượng, pin mặt trời, transistors, xúc tác, cảm biến, vật liệu polymer tổ hợp. Có nhiều phương pháp tổng hợp graphene và CNT, mỗi phương pháp có ưu khuyết điểm riêng, tuy nhiên trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Việt Nam, phương pháp thermal CVD là phù hợp hơn cả.