CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tổng hợp và đánh giá đặc tính vật liệu
3.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc tính sản phẩm
Nhiệt độ là một trong những điều kiện tổng hợp quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất cũng như chất lượng của sản phẩm. Trong nghiên cứu này, mẫu được tổng hợp ở các nhiệt độ lần lượt là 676 oC, 725 oC, 784 oC (tương ứng với cường độ 19,41 A; 20,81 A; 22,41 A). Kết quả tính tốn hiệu suất và giá trị bề mặt riêng BET được thể hiện trong hình 3.8.
Hình 3.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất và giá trị BET
Từ hình 3.8 ta thấy rằng hiệu suất thu sản phẩm tăng gần như tuyến tính theo nhiệt độ, từ 22 %wt đến 66 %wt. Khi nhiệt độ tổng hợp tăng từ 676 oC đến 725 oC, giá trị BET tăng từ 36 m2/g lên đến 74 m2/g và sau đó ít thay đổi, có giá trị 73 m2/g tại 784 oC.
Sự khác nhau về xu hướng phát triển của giá trị BET so với hiệu suất có thể đến từ nhiều yếu tố, trong đó giá trị bề mặt riêng BET của CNTs là một yếu tố quan trọng. Vì vậy trong nghiên cứu này ngồi việc đánh giá diện tích bề mặt riêng của C-CNTs, tác giả đã xem xét đến giá trị bề mặt riêng BET của CNTs hình thành trong quá trình tổng hợp vật liệu và ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ đến sự thay đổi tính chất này của CNTs. Giá trị BET của CNTs được tính từ cơng thức (3.1). Sản phẩm C-CNTs là sự kết hợp cộng tính về khối lượng giữa carbon felt và CNTs, về bản chất khơng có sự tương tác hóa học dẫn đến sự thay đổi đặc tính bề mặt của vật liệu. Vì vậy cơng thức (3.1) được xây dựng từ giá trị diện tích bề mặt riêng của C-CNTs và của carbon felt với giả thiết bề mặt riêng của C-CNTs bằng tổng bề mặt riêng thành phần của từng loại vật liệu riêng lẻ và tuyến tính theo phần trăm khối lượng, kết quả được thể hiện trên hình 3.8.
BETC-CNTs = BETcarbon felt x a + BETCNTs x (1-a)
BETC-CNTs x (100 + H) = BETcarbon felt x 100 + BETCNTs x H (3.1)
Với:
- BETC-CNTs: Giá trị BET của C-CNTs, - BETcarbon felt: Giá trị BET của carbon felt, - BETCNTs: Giá trị BET của CNTs,
- a: phần khối lượng của carbon felt trong vật liệu tổng hợp, - H: Hiệu suất thu sản phẩm.
Giá trị bề mặt riêng của CNTs tăng lên rất nhanh trong khoảng nhiệt độ 676 oC và 725 oC, từ 197 m2/g đến 240 m2/g. Tuy nhiên khi nhiệt độ tiếp tục tăng lên đến 784 oC
thì giá trị bề mặt riêng của CNTs lại giảm mạnh xuống cịn 182 m2/g. Vì vậy có thể sự suy giảm về giá trị BET của CNTs khi tổng hợp ở nhiệt độ cao đã làm cho diện tích bề mặt riêng của sản phẩm tổng hợp không tăng theo hiệu suất thu sản phẩm. Theo một công bố của M. Bahgat [45], khi nhiệt độ tiến hành quá trình chưa đủ lớn, tốc độ phân hủy nguồn carbon nhỏ hơn so với tốc độ hình thành CNTs trên bề mặt xúc tác. Khi đó, nếu tăng nhiệt độ của quá trình thì tốc độ phân hủy nguồn carbon và hình thành CNTs tăng lên, dẫn đến hiệu suất thu sản phẩm cũng như bề mặt riêng của chúng cũng tăng nhanh. Tuy nhiên, theo kết quả đã được cơng bố của nhóm tác giả Hu Ming và W.Z.Li [46, 47] cùng cộng sự, khi nhiệt độ tăng đến một giá trị nhất định, tốc độ phân hủy nguồn carbon nhanh hơn tốc độ hình thành CNTs trên bề mặt xúc tác, khi đó phần carbon đã bị phân hủy mà khơng tiếp xúc được với bề mặt pha hoạt tính có thể kết hợp với nhau hình thành nên carbon vơ định hình hay các dạng carbon khác. Một lý do quan trọng khác là khi nhiệt độ cao, một số pha hoạt tính của xúc tác có thể kết tụ với nhau nên làm giảm bề mặt riêng của pha hoạt tính, từ đó làm tăng khả năng hình thành các dạng carbon khác. Chính các dạng carbon khác này đã làm giảm giá trị BET.
Hình 3.9 thể hiện hình thái của vật liệu tại các nhiệt độ tổng hợp khác nhau. Kết quả cho thấy rằng, tại nhiệt độ phản ứng thấp 676 oC (hình 3.9A), ống nano carbon tổng hợp được có kích thước khơng đồng đều. Với sự gia tăng nhiệt độ, đường kính CNTs dần trở nên lớn, đồng đều hơn và khơng có nhiều thay đổi khi tổng hợp ở nhiệt độ cao hơn (hình 3.9B, 3.9C). Kết quả thu được phù hợp với với cơng bố trước đây của nhóm tác giả W.Z. Li [47]. Tuy nhiên ở nhiệt độ cao, mật độ hình thành sản phẩm lại có xu hướng giảm xuống.
Hình 3.9. Ảnh SEM của mẫu ở các nhiệt độ tổng hợp khác nhau