CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ỐNG NANO CACBON – Tài liệu text

với hai điện cực than được đặt trong môi trường Argon hay Heli. Khi phóng điện khí

giữa hai cực than bị ion hóa trở thành dẫn điện. Đó là plasma, vì vậy phương pháp này

còn được gọi dưới một cái tên khác là hồ quang plasma. Hồ quang plasma làm cho

than ở điện cực anot bị bốc bay và bám vào điện cực đối diện, tức là bám vào catot, khi

đó ống nano cacbon được hình thành. Thông thường khi cho dòng hồ quang là 100A

thì ta thu được hiệu suất khoảng 30% về khối lượng. Sản phẩm tạo thành có thể là

SWCNT hoặc MWCNT 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.

Với điện cực là carbon tinh khiết, ta thu được MWCNTs còn khi có kim loại xúc

tác (Ni, Co, Fe) ta thu được SWCNTs.

Các kĩ thuật chế tạo CNTs bằng hồ quang khác:

–

Chế tạo CNTs bằng hồ quang ngoài không khí.

Chế tạo CNTs bằng hồ quang trong nitơ lỏng.

Chế tạo CNTs bằng hồ quang trong từ trường.

Chế tạo CNTs bằng hồ quang với điện cực plasma quay.

Nhược điểm của phương pháp là ống nano thu được ngắn, chỉ khoảng dưới 50

micromet.

Hình 2.2. Hệ thiết bị chế tạo CNT bằng phương pháp hồ quang điện

14

2.2.2.

Phương pháp phóng điện hồ quang có Coban

Cũng dùng phóng điện hồ quang, nhưng có thêm khoảng 3% coban. Phương pháp

này cho sản phẩm là nhiều ống nano cacbon một lớp liên kết lại, trong sợi có lẫn một

chút coban rất nhỏ, một số hạt cacbon vô định hình v.v…

2.2.3.

Phương pháp dùng laser

Người ta cho tia laser chiếu vào một thanh graphit có pha hạt Co và Ni với tỉ lệ

50:50, kích thước hạt cỡ 1 micromet. Thanh graphit được đặt trong môi trường khí trơ

Ar, tia laser năng lượng cao (xung hoạt liên tục) chiếu vào làm graphit nóng đến

1200oC và graphit bị bốc hơi bay tạo thành các sản phẩm nano cacbon. Tiếp đó là gia

công nhiệt ở 1000oC để lấy đi C60 và các fulơren khác để thu được ống nano cacbon.

Phương pháp này chủ yếu sản xuất ra những ống nano cacbon 1 lớp, hiệu suất >70%.

Sản phẩm tạo thành có thể là SWCNT hoặc MWCNT phụ thuộc vào có sử dụng hay

không chất xúc tác kim loại [4]. CNTs được chế tạo bằng phương pháp này có độ tinh

khiết cao hơn so với phương pháp hồ quang điện. Tuy nhiên hạn chế của phương pháp

này là cần những nguồn laser có cường độ cực lớn, và vì vậy mà nó rất tốn kém.

Hình 2.3. Hệ chế tạo CNTs bằng phương pháp dùng chùm laser

2.2.4.

Phương pháp nghiền bi

Dùng một bình thép không gỉ bên trong có chứa các hòn bi cũng bằng thép không

gỉ và thật cứng. Đổ vào bình thép này bột graphit tinh khiết (99,8%), sau đó cho khí Ar

15

thổi qua với áp suất khoảng 300kPa. Bước tiếp theo là cho quay bình thép để có các

hòn bi bên trong nghiền bột graphit, thời gian nghiền kéo dài trong 150 giờ. Sau đó ta

thu được sản phẩm. Sản phẩm của phương pháp này là các ống nano cacbon nhiều lớp.

Đây là phương pháp rất kinh tế, công nghệ không quá phức tạp nhưng không đạt được

những ống nano có kích thước đều đặn.

2.2.5.

Phương pháp tổng hợp từ ngọn lửa

Nguyên tắc của phương pháp này là dùng khí hydro cacbon đốt thành ngọn lửa

tạo ra nhiệt độ cao, khi đó phần khí chưa cháy hết sẽ bị phân hủy, sau đó kết hợp lại

tạo thành ống nano cacbon. Tuy nhiên sản phẩm tạo thành có kích thước không đều

đặn, nhưng có hiệu suất cao thích hợp cho công nghiệp.

2.2.6.

Phương pháp lắng động pha hơi CVD (Chemical vapour deposition)

Trong phương pháp lắng đọng pha hơi hoá học (CVD) thường sử dụng nguồn

carbon là các hyđrocarbon (CH4, C2H2) hoặc CO và sử dụng năng lượng nhiệt hoăc

plasma hay laser để phân ly các phân tử khí thành các nguyên tử carbon hoạt hóa. Các

nguyên tử cacbon này khuếch tán xuống đế, lắng đọng trên các hạt kim loại xúc tác

(Fe, Ni, Co), và CNT được tạo thành. Nhiệt độ vào khoảng 650oC –900oC

Hình 2.4. Hệ thiết bị chế tạo CNTs bằng phương pháp CVD

Yêu cầu của phương pháp CVD là phải sử dụng xúc tác trong quá trình lắng

đọng, tùy theo từng loại xúc tác khác nhau mà ta có các sản phẩm ống nano cacbon

16

khác nhau, như đơn lớp hay đa lớp, xếp trật tự hay không trật tự. Để chế tạo được một

lượng lớn ống nano cacbon, ta thường sử dụng xúc tác là các kim loại Co và Fe.

Phương pháp lắng đọng hoá học pha hơi thường tạo ra ống nano carbon đa vách

hoặc đơn vách với độ sạch không cao, thường người ta phải phát triển các phương

pháp làm sạch. Phương pháp này có ưu điểm là dễ chế tạo và rẻ tiền.

Một số kỹ thuật CVD tạo CNTs thường được sử dụng là:

–

Phương pháp CVD nhiệt.

Phương pháp CVD tăng cường Plasma.

Phương pháp CVD xúc tác alcohol.

Phương pháp CVD nhiệt có laser hỗtrợ.

Phương pháp mọc pha hơi.

Phương pháp CVD với xúc tác Co-Mo ( CoMoCat).

CHƯƠNG 3: CÁC ỨNG DỤNG CỦA CNTs

3.1.

Các ứng dụng về năng lượng

Sử dụng CNTs trong pin litium có thể tăng dung lượng pin lên 10 lần. Các nhà

nghiên cứu tại Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát hiện ra rằng, nếu sử

dụng các lớp ống nano carbon đã qua xử lý để làm điện cực, chúng có thể tăng năng

lượng tích lũy trên mỗi đơn vị trọng lượng của pin lên hơn 10 lần. (10 kW/Kg–trong

khi pin Lithium thông thường 1 kW/kg). Pin có sự ổn định rất tốt theo thời gian, sau

khi 1000 chu kỳ sạc và xả pin thử nghiệm, không phát hiện có sự thay đổi của vật liệu.

Điều này hứa hẹn khả năng ứng dụng của CNTs trong xe hơi, các thiết bị điện tử cầm

tay [8]. Bằng phương pháp “layer by layer”. Các nhà khoa học đã chế tạo được điện

cực làm từ CNTs đa tường để tạo thành điện cực dương, và lithium titanium oxide để

làm điện cực âm. Thông qua ảnh TEM độ phân giải cao và so sánh chu trình phóng

nạp của pin trước và sau khi xử lý nhiệt với khí hidro, họ cũng chứng minh được rằng,

nguyên nhân của sự cải thiện về mặt tích trữ năng lượng là do các nhóm chức có chứa

oxi trên bề mặt của CNTs. Do CNTs có cấu trúc dạng trụ rỗng và đường kính cỡ

nanomét nên vật liệu CNTs có thể tích trữ chất lỏng hoặc khí trong lõi trơ thông qua

17

hiệu ứng mao dẫn. Hấp thụ này được gọi là hấp thụ vật lý. CNTs cũng có thể tích trữ

hydrogen theo cách hóa học (hấp thụ nguyên tử hydrogen). Vì vậy CNTs có thể được

sử dụng cho việc tích trữ Hidro, làm thành pin nhiên liệu dùng cho ô tô [9].

Hình 3.1. Mô hình sự xen giữa của Li và hấp thụ H2

Bằng cách xử lý CNTs trong một dung dịch siêu axit, các nhà khoa học ở trường

Đại học Rice (Mỹ) đã thu được những sợi dài, có thể sử dụng làm những dây dẫn nhẹ,

hiệu quả cho mạng lưới điện, hoặc làm cơ sở cho những vật liệu dẫn điện. Họ cho biết

đã tìm ra được một phương pháp mới để lắp ráp CNTs với nhau, bằng cách hoà tan

CNTs trong dung dịch siêu axít chlorosulphonic tạo ra dung dịch có nồng độ về khối

lượng lên đến 0,5Wt% cao hơn 1000 lần so với các axit khác đã báo cáo trước đó. Ở

trạng thái mật độ cao này, chúng tạo thành tinh thể lỏng, có thể tạo thành những sợi

dài hàng trăm mét, hoặc nguyên khối. Vì CNTs rất bền, cho nên trong tương lai, rất có

thể ống nano carbon sẽ được sử dụng để thay thế cho dây điện kim loại truyền thống.

3.2.

Thiết bị phát xạ điện tử trường

Yêu cầu chung là ngưỡng thế phát xạ của vật liệu phải thấp, mật độ dòng phải có

độ ổn định cao, vật liệu phát xạ phải có đường kính nhỏ cỡ nanomet, cấu trúc tương

đối hoàn hảo, độ dẫn điện cao, độ rộng khe năng lượng nhỏ và ổn định về mặt hóa

học. Các điều kiện này, vật liệu CNTs đáp ứng đầy đủ. Hơn nữa, CNTs lại tương đối

trơ về mặt hóa học nên có độ ổn định về mặt hóa học rất cao.

18

Source: https://vh2.com.vn
Category custom BY HOANGLM with new data process: Chế Tạo