Chương 2: CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU NANO
2.6. Công nghệ chế tạo vật liệu nano C
Căn cứ vào điều kiện trang thiết bị hiện có của phòng thí nghiệm vật lý kỹ thuật, tác giả lựa chọn phương pháp phân hủy khí thiên nhiên trong môi trường khí trơ để chế tạo vật liệu nano C. Đây là phương pháp thường được sử dụng để chế tạo vật liệu nano C và nanotube cácbon [66, 74]. Bột nano cácbon được chế tạo bằng phương pháp phân hủy khí đốt thiên nhiên trong môi trường khí N2 và khí trơ Ar ở nhiệt độ 700 - 1000oC.
Nguyên liệu đầu vào được sử dụng là khí ga dùng trong sinh hoạt và khí acetylen. Quá trình được tiến hành trong lò khuếch tán Samostel (Hình 2.19) của phòng thí nghiệm Vật lý Kỹ thuật, Học viện KTQS. Để tạo được
bột nano cácbon, hỗn hợp khí được thổi qua vào reactor đã được nâng lên nhiệt độ phù hợp. Kết quả ta nhận được bột nano C dưới dạng bột mịn, nhẹ hơn nước và có màu đen đặc trưng.
Hình 2.19: Thiết bị lò khuếch tán Samostel 2.6.2. Khảo sát tính chất của vật liệu nano C
2.6.2.1 Khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen
Hình 2.20 trình bày phổ nhiễu xạ Rơnghen của vật liệu nano C chế tạo được. Ta thấy rằng vật liệu nhận được là vật liệu vô định hình.
Hình 2.20: Phổ nhiễu xạ Rơnghen của vật liệu nano cácbon
2.6.2.2. Khảo sát bằng phương pháp hiển vi điện tử quét
Trên Hình 2.21 biểu diễn ảnh TEM của vật liệu nano C nhận được ở điều kiện thời gian phân hủy ngắn. Ta thấy lúc này vật liệu nhận được là
vật liệu nano có kích thước hạt cỡ 20nm. Các hạt có dạng hình cầu rất nhỏ có kích thước lớn dần lên nếu ta kéo dài thời gian phân hủy khí ga lên từ vài chục phút lên nhiều giờ.
Hình 2.21: Ảnh TEM của vật liệu nano C ở điều kiện thời gian phân hủy ngắn
Hình 2.22: Ảnh TEM của các quả cầu cácbon.
Khi đó kích thước của những quả cầu có thể đạt tới 400 – 500 nm, thậm chí cỡ micromet (Hình 2.22). Các hạt vật liệu có dạng hình cầu gần như lý tưởng khi chúng đạt kích thước lớn cỡ hàng trăm nano mét.
Đây là một hiện tượng hiếm thấy, tuy nhiên trong các thực nghiệm đã thực hiện, sự hình thành các quả cầu cácbon này hầu như được lặp lại.
Bước đầu đánh giá khối lượng riêng của vật liệu chế tạo được cho phép giả thiết rằng các quả cầu này là có cấu trúc nano vì vật liệu chế tạo được
có tỷ khối chỉ vào quãng 0,1g/cm3. Sự hình thành và lớn dần lên của các quả cầu cácbon cũng được khẳng định trên Hình 2.23 trình bày ảnh SEM của vật liệu nano các bon nhận được.
Hình 2.23: Ảnh SEM của vật liệu nano cácbon
Hình 2.24: Ảnh SEM phân giải cao của các quả cầu cácbon.
Khi chụp ảnh SEM ở chế độ phân giải cao như trên Hình 2.24, ta thấy rõ các quả cầu này được bồi đắp nên từ những vảy nhỏ. Để khẳng định điều đó nghiên cứu sinh đã tiến hành xử lý bột cácbon tạo được trong môi trường dung môi, kết quả cho thấy các quả cầu cácbon đã vỡ thành các hạt nhỏ có kích thước dưới 50 nm (Hình 2.25).
Hình 2.25: Ảnh TEM quả cầu cácbon tan trong dung môi.
Bước tiếp theo, tiến hành xử lý bột cácbon ở nhiệt độ 1000oC trong môi trường khí CO2. Khi đó lộ ra rất rõ trên ảnh SEM phân giải cao cấu trúc nano của các hạt cácbon: trên các Hình 2.26 có thể thấy các quả cầu cácbon lớn sau khi xử lý chuyển thành những vảy tròn cácbon có đường kính cỡ 50 – 100 nm và có chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với đường kính của chúng, chỉ cỡ 10 nm. Ngoài ra ta còn có thể thấy rằng chính các vảy này lại được tạo thành từ những hạt nano cácbon có kích thước nhỏ hơn nữa, chỉ vào cỡ nano mét.
Như vậy có thể khẳng định rằng vật liệu nano cácbon thu được có kích thước hạt kết tinh rất nhỏ, chỉ vào cỡ nanomet, điều này là phù hợp với kết quả khảo sát XRD và đo diện tích bề mặt riêng (200 - 400 m2/g) của vật liệu nano cácbon chế tạo được.
Hình 2.26: Ảnh SEM của vật liệu nano cácbon sau khi xử lý.
2.6.2.3. Khảo sát bằng phương pháp từ kế mẫu rung
Hình 2.27 trình bày đường cong từ trễ của vật liệu nano cácbon thu được. Trên hình này ta thấy rõ vật liệu nano C nhận được là vật liệu nghịch từ. Điều này là hợp lý vì xét về nguyên tắc nguyên tử cácbon phải có tính nghịch từ và vật liệu cácbon nguyên chất phải là vật liệu nghịch từ.
-10000 -5000 0 5000 10000
-0.06 0.00 0.06
M (emu/g)
H (Oe)
MAU 01- F01
Hình 2.27: Đường cong từ trễ của vật liệu nano cácbon chế tạo được.