Vật liệu nano cacbon Trương Kiều Trinh Publisher

Vật liệu nano cacbon
GVHD : Ths.Nguyễn Kim Thanh
SV thực hiện : Trương Kiều Trinh
Vũ Thị Duyên
Đỗ Thị Trang
Đặng Duy Khánh
Bùi Tiến Đạt
Nguyễn Hồng Sơn

Vật Liệu nano cacbon
Lịch sử phát
triển
Cacbon
Fullerenes
Ống nano
cacbon

I, Lịch sử và giới thiệu chung
Trước năm 1985, người ta vẫn cho rằng cacbon chỉ tồn
tại ở 3 dạng thù hình : vô định hình, graphit, kim cương.

Đến 1985, người ta phát hiện ra một tập hợp lớn các
nguyên tử cacbon kết tinh dưới dạng phân tử các dạng
hình cầu kích cỡ nano met- thù hình này gọi là Fullerenes
Một số cấu trúc của fullerenes

Năm 1991, khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua phân
giải cao trên sản phẩm tạo ra do phóng điện hồ quang giữa hai điện
cực graphit, người ta đã phát hiện ra các tinh thể cực nhỏ, dài bán ở
trên điện cực catot. Đó là các ống nano đa tường.
Hai năm sau , các nhà nghiên cứu tiếp tục công bố kết quả tổng hợp
ống nano cacbon đơn tường.

Carbon là vật liệu độc
nhất, có thể làm dây dẫn
kim loại tốt ở dạng than
chì, một chất bán dẫn có
khoảng trống rộng ở dạng
kim cương, hoặc là
polymer khi phản ứng với
hydro. .
✘Carbon cung cấp các mô hình về
vật liệu thể hiện toàn bộ phạm vi
của bản chất nano có cấu trúc thu
nhỏ từ fulleren, các hạt nano không
chiều, đến các ống nanocarbon, từ
sợi nano một chiều đến graphite, từ
một vật liệu hai chiều lớp không
đẳng hướng, đến các chất rắn
fullerene, một khối vật liệu ba chiều
với các phân tử fulleren như khối cơ
bản cấu thành nên của pha tinh thể.
.

II, Cacbon Fullerenes
A, Cấu trúc
✘Fullerenes là một lồng phân tử
cacbon với các nguyên tử cacbon sắp
xếp thành một mặt cầu hoặc mặt elip.
✘Fullerenes được biết đến đầu tiên là
là C 60 , có dạng hình cầu gồm 60
nguyên tử C nằm ở đỉnh của khối 32
mặt tạo bởi 12 ngũ giác đều và 20 lục
giác đều
Fullerenes C 60

✘Liên kết chủ yếu giữa các nguyên tử cacbon là liên kết sp2 , ngoài
ra có xen lẫn với một vài liên kết sp3 do vậy các nguyên tử cacbon
không có tọa độ phẳng mà có dạng mặt cầu hoặc elip.
✘Cấu trúc của phân tử C 60 giống như một quả bóng đá nhiều múi
nên để có mặt cầu, mỗi ngũ giác được bao quanh bởi 5 lục giác. Sự
có mặt của các ngũ giác cũng cấp độ cong cần thiết cho sự hình
thành cấu trúc dạng lồng.

Mỗi mặt lục giác đều có liên kết đơn và đôi xen kẽ, trong khi các
mặt ngũ giác được xác định bằng một liên kết đơn.
Ngoài ra, độ dài của các liên kết đơn là 1,46 A, dài hơn so với
chiều dài của liên kết trung bình là 1,44 A, trong khi các liên kết đôi lại
ngắn hơn là 1,40 A

✘Các dạng Fullerenes khác như C 70 , C 80 : Là mặt
chứa kín hình lục giác và ngũ giác với đúng 12 hình ngũ
giác và số hình lục giác bất kì.
Phân tử C 60 khối hai mươi mặt. (b) Phân tử C 70 với hình dạng như
quả bóng bầu dục. (c) Phân tử C 80 có dạng như một quả bóng bầu dục bị
kéo dãn. (d) Phân tử C 80- dạng như khối cầu có hai mươi mặt.

Fullerenes đa diện đều 20 mặt C 540

B, , Phương pháp tổng hợp
+ Fulleren thường được tổng hợp bằng cách phóng hồ quang
điện giữa các điện cực graphit với áp suất khoảng 200 torr của
khí He, được Kratschmer cùng các đồng nghiệp tiến hành
+ Nhiệt tạo ra ở điểm tiếp xúc giữa các điện cực làm bay hơi
carbon để tạo thành bồ hóng và fulleren, làm ngưng tụ trên các
bức tường làm mát bằng nước của lò phản ứng. Việc phóng điện
này tạo ra một lượng bồ hóng có thể chứa tối đa khoảng 15%
fulleren: C 60 (xấp xỉ 13%) và C 70 (xấp xỉ 2%).
+ Các fulleren được tách tiếp theo từ muội, bằng cách sử dụng
sắc ký lỏng và dung môi có thể là toluen. Tuy nhiên, sự hiểu biết
về cơ chế tăng trưởng của fulleren vẫn chưa được rõ ràng.

C, tinh thể fullerenes
✘+ Trong trạng thái rắn, các phân tử fulleren kết tinh
thành các cấu trúc tinh thể thông qua các lực liên phân tử
yếu và mỗi phân tử fulleren có vai trò như một khối cơ
✘+ Các dạng tinh thể fullerene thường được gọi là fullerit.
✘+ Các dạng tinh thể fullerene thường được gọi là fullerit.
Fullerit đơn tinh thể có thể được tạo từ phương pháp sử
dụng duch môi như CS 2 và toluene hoặc bằng cách thăng hoa
chân không. Sản phẩm thăng hoa đạt hiệu suất cao hơn và
thường là phương pháp hay được lựa chọn.bản của pha tinh
thể

III, Ống
nano cacbon
Ống nano cacbon
đơn tường
Ống nano cacbon đa
tường

Ống
nano cacbon đơn tường
✘có cấu trúc giống như là sự cuộn lại của một lớp than chì độ
dày một nguyên tử thành một hình trụ liền, được khép kín ở
mỗi đầu bằng một nửa phân tử fullerenes. Do đó ống nano
cacbon đơn tường còn được biết đến như là fullerenes có dạng
hình ống gồm các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng lien
kết cộng hóa trị sp 2 bền vững.

Ống
nano cacbon đa tường
Gồm nhiều ống đơn tường đường kính khác nhau
lồng vào nhau và đồng trục, khoảng cách giữa các lớp
từ 0,34-0,39 nm.

✘Ngoài ra các ống đơn tường thường tự liên kết với nhau để
tạo thành từng nó xếp chặt và tạo thành mạng tam giác hoàn
hảo với hằng số mjang là 1,7 nm. Mỗi bó có thể gồm hàng trăm
ống nano cacbon đơn tường nằm song song với nhau và chiều
dài có thể lên tới vài mm.

2. Cấu trúc ống
nano cacbon
✘Cấu trúc của vật liệu ống nano cacbon (CTNs) đặc trưng bởi
vecto Chiral (C h ) : vecto này chỉ hướng cuộn của các mạng graphit
và độ lớn đường kính ống
✘C h = na 1 + ma 2 = (n,m)
✘n,m : các số nguyên
✘a 1 , a 2 : các vecto đơn vị của mạng

✘Theo vecto chiral, vật liệu CNTs có cấu trúc khác nhau
tương ứng với các cặp chỉ số (n,m) khác nhau.
✘Ba cấu trúc thường gặp đó là : amchair, zingzang và chiral
tương ứng các cặp chỉ số (n,n) ; (n,0) và (n,m)

3, Tổng hợp
✘Việc chuẩn bị xúc tác phương pháp phủ hạt xúc tác
lên đế ( ống nano cacbon sẽ được mọc trên bề mặt đế
này) đóng vai trò rất quan trọng. Các đặc tính như kích
thước hạt của chất xúc tác sẽ quyết định đến đường
kính của CNTs và sản phẩm chế tạo ra sẽ là đơn tường
hay đa tường.

+ Từ những ống nano cacbon đầu tiên được chế tạo bằng phương
pháp hồ quang điện, cho đến nay các nhà khoa học đã phát triển rất
nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu
3 phương pháp phổ biến nhất :
PP phóng
điện hồ
quang
PP bốc bay
laser
PP lắng
đọng pha
hơi hóa học

A, Phương pháp phóng điện hồ quang
✘Nguyên lý : sự phóng điện hồ
quang được thực hiện giữa hai điện
cực graphite đặt đối diện và cách
nhau một khoảng 1mm trong một
buồng kín chứa khí trơ He hoặc Ar,
áp suất 50 mbar-700 mbar. Giữa 2
điện cực có dòng điện một chiều 50-
100 A, hiệu điện thế 20-50V, nhiệt
độ trong buồng lên đến 3000-4000K.
Sự phóng điệ này làm cho cacbon
chuyển sang pha hơi, ống nano
cacbon được tạo ra trong quá trình
lắng đọng trên điện cực.
Mô hình mô tả phương pháp hồ quang
điện chế tạo CNTs

+ Để chế tạo ống đa tường thì không cần có mặt của xúc
tác
+Tuy nhiên để tạo ống đơn tường thì cần sử dụng các
chất xúc tác, đặc biệt là xúc tác kim loại chuyển tiếp.Các
chất xúc tác thường được sử dụng : Fe, Co, Ni và một số
kim loại chuyển tiếp
+ Hỗn hợp của những chất xúc tác trên như FE/Ni hay
Co/Ni lại thường được sử dụng để chế tạo ra bó ống
nano đơn tường (SWCNTs)

B, PP bốc bay laser
Nguyên lý : Một miếng graphite dùng làm bia bị bốc bay hơi bởi
bức xa laser dưới áp suất cao trong môi trường khí trơ. Chùm hơi
nóng được tạo thành, nở ra và sau đó được làm lạnh nhanh, ống
nano cacbon hình thành được ngưng tụ nhờ hệ thống làm lạnh
bằng điện cực đồng.

✘ Nếu dùng bia graphit tinh khiết sẽ thu được ống nano đa
tường ( MWCNTs)
✘ Nếu bia được pha thêm khoảng 1,2 % nguyên tử Co/Ni
với khối lượng Ni và Co bằng nhau sẽ thu được ống nano
đơn tường.
✘ Ưu điểm : sản phẩm có độ sạch cao so với hồ quang
điện.
✘Tuy nhiên lượng sản phẩm tạo ra ít mà lại tốn kém

C, PP lắng đọng pha hơi hóa học (CVD)
✘+ Cấu tạo : bao gồm một
ống thạch anh, thông
thường có đường kính 15-
20mm, chiều dài từ 1m đến
1.2m,được bao quanh bởi
một lò nhiệt có khả năng
nâng nhiệt trong thời gian
ngắn.
Sơ đồ khối hệ CVD
nhiệt

✘ Hiệu suất và chất lượng của sản phẩm CNTs thu được chế
tạo bằng phương pháp này phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác
nhau như nhiệt độ phản ứng, xúc tác, nguồn cung cấp
hydrocacbon, thời gian phản ứng, lưu lượng khí…
✘ Hầu hết phương pháp CVD nhiệt thường được dùng dể chế
tạo ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) với nguồn
hydrocacbon thuờng dùng là axetylene
✘ Ðể tăng hiệu suất , ngoài việc sử dụng thích hợp các điều
kiện như:
nhiệt độ, tỷ lệ liều lượng khí cũng như chất xúc tác kim loại,
người ta còn sử dụng thêm chất hỗ trợ xúc tác chẳng hạn như
CaCO 3 , MgCO 3 , v.v…

✘PP lắng đọng pha hơi hóa học là phương pháp chế tạo
ống nano cacbon phổ biến nhất và có nhiều điểm khác so
với phương pháp phóng điện hồ quang và bốc bay bằng
laser.
✘Phóng điện hồ quang và bốc bay laser là 2 pp sử dụng
nhiệt độ cao ( >3000K, thời gian phản ứng ngắn. Còn pp
CVD có nhiệt độ trung bình (700-1400K) , thời gian phản
ứng tính bằng phút cho đến hàng giờ
✘Mặt hạn chế chính của 2 pp phóng điện hồ quang và và
bốc bay bằng laser là sản phẩn CNTs không đều, sắp xếp
hỗ độn và không theo quy tắc cho trước hoặc định hướng
bề mặt.

THANKS!
Any questions?
You can find me at
✘ @kiềutrinh
✘ trinhkh@gmail.me
v