Tài liệu Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi trên chất mang có cấu trúc

MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ Lời cam đoan liêm chính học thuật ....................................................................................... i Mục lục .................................................................................................................................ii Tóm tắt luận văn .................................................................................................................. iv Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ............................................................................... vi Danh mục các bảng.............................................................................................................vii Danh mục các hình ........................................................................................................... viii MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CARBON NANO SỢI ........................................................ 6 1.1. Giới thiệu chung về carbon nano sợi ............................................................................. 6 1.2. Các tính chất của CNFs ................................................................................................. 8 1.2.1. Tính chất nhiệt........................................................................................................ 8 1.2.2. Đặc tính cơ học ...................................................................................................... 9 1.2.3. Tính chất điện ....................................................................................................... 10 1.2.4. Tính chất hóa học ................................................................................................. 10 1.2.5. Tính chất phát xạ điện trường .............................................................................. 11 1.3. Các ứng dụng của CNFs .............................................................................................. 11 1.3.1. Ứng dụng trong y tế ............................................................................................. 11 1.3.2. Cảm biến hóa học, đầu dò .................................................................................... 11 1.3.3. Lưu trữ năng lượng .............................................................................................. 12 1.3.4. Vật liệu composite................................................................................................ 12 1.3.5. Chất mang xúc tác ................................................................................................ 14 1.3.6. Môi trường ........................................................................................................... 15 1.4. Các phương pháp tổng hợp.......................................................................................... 16 1.4.1. Phương pháp hồ quang điện ................................................................................. 16 1.4.2. Phương pháp cắt gọt bằng laser ........................................................................... 17 1.4.3. Phương pháp kết tụ hóa học trong pha hơi (CVD) .............................................. 19 ii 1.5. Lý do tổng hợp CNFs lên chất mang có cấu trúc ........................................................ 20 Chương 2: QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM ....................................................................... 21 2.1. Nguyên vật liệu............................................................................................................ 21 2.2. Quy trình tổng hợp ...................................................................................................... 22 2.2.1. Tổng hợp xúc tác .................................................................................................. 22 2.2.2. Tổng hợp composite CNFs/Carbon felt ............................................................... 24 2.3. Các phương pháp đánh giá sản phẩm .......................................................................... 27 2.3.1. Tính toán sự thay đổi khối lượng ......................................................................... 27 2.3.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) .......................................................................... 28 2.3.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ............................................................... 30 2.3.4. Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt BET ................................................................ 32 2.3.5. Phổ Raman ........................................................................................................... 34 2.3.6. Phân tích nhiệt trọng lượng TGA ......................................................................... 36 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.......................................................................... 39 3.1. Tổng hợp và đánh giá đặc tính sản phẩm .................................................................... 39 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp lên một số đặc tính của mẫu ................... 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 50 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 52 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ..................................................................... 57 PHỤ LỤC ........................................................................................................................... 58 iii TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CARBON NANO SỢI TRÊN CHẤT MANG CÓ CẤU TRÚC Học viên: Trần Nguyên Ngọc Chuyên ngành: Kỹ thuật hoá học Mã số: 8520301 Khóa: 34 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Carbon nano sợi (CNFs) là một loại vật liệu có nhiều tính chất ưu việt, đã và đang được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau và vẫn đang được nghiên cứu bởi các nhà khoa học trên thế giới. Thế nhưng, CNFs vẫn tồn tại một số nhược điểm. Ở nghiên cứu này, CNFs đã được tổng hợp và gắn trên bề mặt vật liệu carbon xốp bằng phương pháp kết tụ hóa học trong pha hơi với xúc tác nickel. Sản phẩm đã được xác định đặc tính bằng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại như BET, Raman, SEM, TEM hay TGA. Kết quả phân tích cho thấy, lượng CNFs được phủ lên carbon xốp bằng 92,5% khối lượng carbon xốp. Bề mặt riêng của sản phẩm thu được tăng lên đáng kể, 105 lần, so với bề mặt riêng của carbon xốp ban đầu. Lớp CNFs phủ lên bề mặt carbon xốp có cấu trúc mao quản với kích thước lỗ nằm trong vùng mesoporous. Và việc đưa CNFs lên carbon xốp làm tăng các khuyết tật cấu trúc trong vật liệu, giảm độ bền oxy hóa của sản phẩm. Ngoài ra, nghiên cứu còn tiến hành khảo sát một vài đặc tính của sản phẩm khi thay đổi nhiệt độ tổng hợp và thu được một số kết quả nhất định. Từ khóa - CNFs; Carbon xốp; TGA; BET; Raman; SEM; TEM. ABSTRACT OF THESIS SYNTHESIS OF CARBON NANO FIBERS ON MACROSCOPIC STRUCTURED MATERIAL Student: Trần Nguyên Ngọc Major: Chemical Engineering Code: 8520301 Course: K34 Polytechnic University – University of Danang Abstract - Carbon nanofibers (CNFs) have a lot of novel properties, it has been applied in different areas. CNFs is still being studied by scientists around the world. However, the carbon nanofibers causes a number of disadvantages. In this study, nano-carbon fibers are synthesized and grafted on the surface of carbon felt by chemical vapour deposition using nickel as an active phase. The product has been characterized by several techniques such as BET, Raman, SEM, TEM and TGA. The results show that the amount of nano-carbon fiber decorated on carbon felt surface is 92.5 %wt relative to carbon felt. The specific surface area of the as-product significantly increases, 105 times, compared to that of carbon felt. Pore sizes of nanocarbon fibers decorated on carbon felt surface are mainly in iv the mesoporous region. And, the obtained product has less oxidation stability. In addition, we also investigated some characteristics of the product when changing the synthesizing temperature and obtained some results. Key words - CNFs; Carbon felt; TGA; BET; Raman; SEM; TEM. v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: %wt : phần trăm theo khối lượng Các chữ viết tắt: CNFs : Carbon nanofibers (Carbon nano sợi) CFs : Carbon fibers (Sợi carbon) CNTs : Carbon nano tubes (Carbon nano ống) CVD : Chemical Vapour Deposition (Ngưng tụ hóa học trong pha hơi) SEM : Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) BET : Brunauer-Emmett –Teller XPS : X-ray Photoelectron Spectroscopy (Phổ quang điện tử tia X) TGA : Thermogravimetric Analysis (Phân tích nhiệt lượng trọng trường) TEM : Transmission Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử truyền qua) LPG : Liquefied Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng) EMI : Electro Magnetic Interference (Can nhiễu điện từ) ESD : Electrostatic discharge (phóng/xả tĩnh điện) vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Điều kiện tổng hợp xúc tác ................................................................................ 24 Bảng 2.2. Các điều kiện tổng hợp CNFs ban đầu .............................................................. 26 Bảng 3.1. Đặc tính của sản phẩm thu được ........................................................................ 40 Bảng 3.2. Hiệu suất tổng hợp và diện tích bề mặt riêng BET các mẫu ở các nhiệt độ khác nhau .................................................................................................................................... 45 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Hệ thống phản ứng tổng hợp CNFs của T. V. Hughes và C. R. Chambers ............ 1 Hình 2. CNT tổng hợp được trong nghiên cứu của Liu và các cộng sự ............................... 3 Hình 1.1. Cấu trúc hình thái của CNF .................................................................................. 6 Hình 1.2. Cơ chế phát triển của CNFs khi tổng hợp bằng phương pháp CVD sử dụng xúc tác kim loại .......................................................................................................................... 7 Hình 1.3. Kết quả nghiên cứu độ dẫn nhiệt của composite CNFs–CNT-polymer ............... 9 Hình 1.4. Ảnh SEM bề mặt composite CNFs-polypropylene trong nghiên cứu của E. Hammel .............................................................................................................................. 13 Hình 1.5. Sự giảm điện trở suất của các loại polymer composite trong nghiên cứu của E. Hammel .............................................................................................................................. 14 Hình 1.6. Sơ đồ biểu diễn thiết bị phản ứng hồ quang điện ............................................... 17 Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp cắt bằng laser. ............................................. 18 Hình 1.8. Sơ đồ thiết bị CVD ............................................................................................. 19 Hình 2.1. Carbon felt từ công ty CeraMaterials ................................................................. 21 Hình 2.2. Các giai đoạn tổng hợp CNFs/carbon felt .......................................................... 22 Hình 2.3. Quy trình tổng hợp xúc tác Ni/carbon felt.......................................................... 23 Hình 2.4. Sơ đồ tổng hợp composite .................................................................................. 25 Hình 2.5. Sơ đồ thí nghiệm tổng hợp CNFs theo phương pháp CVD ............................... 26 Hình 2.6. Giản đồ nhiệt quá trình tổng hợp ........................................................................ 27 Hình 2.7. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ........................................................................ 28 Hình 2.8. Sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện tử quét (SEM) .................................................. 29 Hình 2.9. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .............................................................. 30 Hình 2.10. Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua ........................................... 31 Hình 2.11. Vòng trễ trên đường đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp. ........................................ 32 Hình 2.12. Thiết bị đo hấp phụ đẳng nhiệt BET ................................................................ 34 Hình 2.13. Nguyên lý phổ Raman ...................................................................................... 35 Hình 2.14. Phổ Raman cho các liên kết tương ứng ............................................................ 36 Hình 2.15. Máy phân tích nhiệt trọng lượng TGA ............................................................. 37 Hình 3.1. Hình thái bên ngoài của vật liệu trước và sau khi tổng hợp ............................... 39 viii Hình 3.2. Đường hấp phụ và giải hấp phụ của sản phẩm thu được ................................... 40 Hình 3.3. Sự phân bố thể tích theo đường kính mao quản ................................................. 41 Hình 3.4. Kết quả chụp SEM và TEM ............................................................................... 42 Hình 3.5. Kết quả phép đo Raman ..................................................................................... 43 Hình 3.6. Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng của carbon felt và sản phẩm, (A) sự giảm khối lượng, (B) vi phân khối lượng theo nhiệt độ. ............................................................. 44 Hình 3.7. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất tổng hợp và diện tích bề mặt riêng BET 46 Hình 3.8. Ảnh SEM mẫu CNFs ở 620°C, 650°C, 680°C và 710°C ................................... 47 Hình 3.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp lên nhiệt độ phân huỷ của composite .......... 48 ix Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi trên chất mang có cấu trúc MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Carbon nano sợi (carbon nanofibers - CNFs) được tổng hợp năm 1889 bởi Theophilus Vaughan Hughes và Charles Roland Chambers [1] nhưng phải đến những năm 1950 mới bước đầu có những đề tài nghiên cứu chuyên sâu. Hệ thống phản ứng tổng hợp CNFs được T. V. Hughes và C. R. Chambers mô tả trong Hình 1. Hình 1. Hệ thống phản ứng tổng hợp CNFs của T. V. Hughes và C. R. Chambers Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS. TS. Trương Hữu Trì 1 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi trên chất mang có cấu trúc Vật liệu carbon cấu trúc nano đã thu hút sự quan tâm mạnh mẽ của cộng đồng các nhà khoa học cũng như các nhà sản xuất trong những thập niên vừa qua nhờ vào các tính chất ưu việt của chúng khi có kích thước đến nanomet [2, 3]. Khi vật liệu giảm đến kích thước này thì các hiệu ứng lượng tử xuất hiện gọi là hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt, từ đó tạo ra những tính chất mới đặc biệt. Trên thực tế nhóm vật liệu này đã được sử dụng nhiều trong sản xuất vật liệu composite [2, 4], lưu trữ năng lượng [5], chất hấp phụ [6] làm chất xúc tác hay chất mang cho xúc tác trong các phản ứng hóa học [7, 8]. Vật liệu carbon cấu trúc nano có thể được tổng hợp từ nhiều phương pháp với nhiều nguồn carbon khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng [9]. Trong quá trình tổng hợp, nhóm vật liệu này thường thu được ở dạng rắn với kích thước rất nhỏ, do đó rất khó khăn trong thao tác hay sử dụng, đặc biệt khi chúng được sử dụng làm chất hấp phụ hay chất mang xúc tác trong các thiết bị với tầng xúc tác cố định. Để giải quyết những khó khăn này cần phải thực hiện gắn kết vật liệu nano thành những khối có kích thước lớn hơn với hình dạng theo mục đích sử dụng hay gắn kết chúng trên những vật liệu có kích thước và hình dạng đã định. Đã có nhiều kết quả nghiên cứu được công bố nhằm giải quyết vấn đề nêu trên, ở hướng nghiên cứu thứ nhất, Linkov và các cộng sự [10] đã sử dụng phương pháp kết tụ hóa học trong pha hơi (CVD: Chemical Vapor Deposition) để tổng hợp và gắn carbon cấu trúc nano ống trên tấm Silic. Sản phẩm thu được có thể sử dụng làm xúc tác trong các phản ứng hóa học hay phân tách các hợp chất. Ở hướng nghiên cứu thứ hai, Liu và các cộng sự [11] đã sử dụng Alginate làm tác nhân kết dính, kết quả thu được CNTs ở nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Kết quả nghiên cứu được thể hiện một phần trong hình 2. Đánh giá đặc trưng sản phẩm thu được cho thấy bề mặt riêng sản phẩm giảm đi không đáng kể, ngược lại tổn thấp áp suất khi vận tốc dòng lưu chất đi qua khối vật liệu giảm đi nhiều lần so với CNTs ở dạng bột ban đầu. Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS. TS. Trương Hữu Trì 2 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi trên chất mang có cấu trúc Hình 2. CNT tổng hợp được trong nghiên cứu của Liu và các cộng sự Ngoài hai xu hướng trên các nhà khoa học cũng đã thành công trong việc đưa vật liệu carbon cấu trúc nano, là vật liệu có bề mặt riêng lớn, lên trên bề mặt các vật liệu có cấu trúc 3D, là vật liệu có bề mặt riêng rất thấp (thường nhỏ hơn 1 m2/g), nhằm tăng cường bề mặt riêng cho sản phẩm thu được [12-15]. Vật liệu có cấu trúc 3D có thể được tạo thành từ kim loại, oxide kim loại hay carbon và được tạo hình theo dạng lưới [15] hay định hình dưới dạng cấu trúc tổ ong (solid form) [12-14]. Carbon xốp (carbon felt) là vật liệu có độ bền cơ, bền nhiệt tốt, đặc biệt là chúng khá trơ về mặt hóa học, ngoài ra có thể dễ dàng cắt chúng theo bất kỳ hình dạng mong muốn nào. Tuy nhiên loại vật liệu này có bề mặt riêng rất nhỏ, tính chất này sẽ không thuận tiện khi carbon xốp được sử dụng làm chất hấp phụ hay làm chất mang cho xúc tác. Vì vậy, đưa vật liệu carbon cấu trúc nano lên bề mặt carbon xốp sẽ tăng bề mặt riêng cho sản phẩm thu được khi đó sẽ làm tăng khả năng ứng dụng của sản phẩm. Với những phân tích trên, đề tài này tập trung vào nghiên cứu “Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi trên chất mang có cấu trúc” để ngày càng hoàn thiện công nghệ chế tạo, Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS. TS. Trương Hữu Trì 3 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi trên chất mang có cấu trúc tìm điều kiện tổng hợp tối ưu để nâng cao hiệu suất tổng hợp, tăng tính cạnh tranh trên thị trường, đồng thời khắc phục được vấn đề ô nhiễm môi trường. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu tổng hợp CNFs trong điều kiện có sẵn tại phòng thí nghiệm khoa Hoá, trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. - Đánh giá các đặc trưng của sản phẩm - Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp lên các đặc tính của sản phẩm. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tƣợng nghiên cứu Tổng hợp CNFs bằng phương pháp CVD dựa trên nguồn nguyên liệu và các thiết bị sau đây:  Đối với tổng hợp xúc tác: Tiền chất của pha hoạt tính được sử dụng là muối Nickel Nitrate (Ni(NO3)2.6H2O) có độ tinh khiết trên 98.5%. - Chất mang xúc tác: carbon xốp (carbon felt).  Đối với tổng hợp CNFs trên bề mặt chất mang: - Nguồn carbon được sử dụng cho quá trình tổng hợp CNFs là LPG. - Chất mang: xúc tác tổng hợp được từ quá trình tổng hợp xúc tác. - Khí Argon: đuổi khí O2 trước khi tổng hợp, làm trơ môi trường phản ứng nhằm đảm bảo an toàn cho quá trình thí nghiệm. - Khí H2: khử NiO về Ni kim loại, pha loãng nồng độ của nguồn carbon tạo môi trường tổng hợp CNFs, khử và làm sạch sản phẩm tạo thành sau phản ứng. b. Phạm vi nghiên cứu - Trong phòng thí nghiệm. - Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp đến tính chất của sản phẩm thu được. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng phương pháp toán học để tính toán hiệu suất thu sản phẩm trong các điều kiện khác nhau và các phương pháp phân tích Hoá lý hiện đại để tiến hành đánh giá các đặc tính của sản phẩm thu được như: - Kính hiển vi điện tử quét (SEM). Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS. TS. Trương Hữu Trì 4 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi trên chất mang có cấu trúc - Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). - Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt BET. - Phương pháp đo phổ Raman. - Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA). Ngoài ra, kết quả của các phép đo được tổng hợp và phân tích bằng các thông số, đồ thị thu được nhằm đánh giá một cách trực quan và đầy đủ thông tin cần thiết nhất. Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS. TS. Trương Hữu Trì 5 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi trên chất mang có cấu trúc Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CARBON NANO SỢI 1.1. Giới thiệu chung về carbon nano sợi Carbon nano sợi là một loại vật liệu đã và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống nhờ những tính chất vượt trội so với các loại vật liệu truyền thống. Cùng với sự phát triển của khoa học – kỹ thuật, carbon nano sợi vẫn đang được nghiên cứu bởi các nhà khoa học trên toàn thế giới nhằm mục đích sử dụng loại vật liệu này một cách rộng rãi và thông dụng hơn. Sợi nano carbon là một dạng thù hình của carbon với cấu trúc nano, kiểu lai hóa sp2. Sợi nano carbon (CNFs) được tạo nên từ các lớp graphite chồng lên nhau, tương thích với hầu hết các kỹ thuật chế tạo polymer, có thể phân tán trong dung môi theo đẳng hướng hay dị hướng. CNFs có độ bền cơ, độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao. CNFs được tổng hợp từ một nguồn carbon và xúc tác kim loại (Ni, Fe, Co), có một lõi rỗng được bao quanh bởi một sợi hình trụ gồm các lớp graphite xếp chồng lên nhau khoảng 25 độ so với trục dọc của sợi [16]. Hình thái học gọi là “cốc xếp chồng lên nhau” hoặc “xương cá” (Hình 1.1). Sợi nano carbon có đường kính trung bình dưới 100 nm. Hình 1.1. Cấu trúc hình thái của CNF [17] Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS. TS. Trương Hữu Trì 6 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi trên chất mang có cấu trúc CNFs có giá trị trong các lĩnh vực: điện tử, quang học và những lĩnh vực khác của khoa học công nghệ và vật liệu. Ngoài ra, CNFs được xem như là nguyên liệu cho những cấu trúc vật liệu khác nhau. Sợi nano riêng lẻ liên kết với nhau bằng lực Van Der Waals. Một trong những đặc tính khác thường của sợi nano carbon là cơ tính và lý tính. Sợi nano có độ cứng, độ bền rất cao và truyền nhiệt tốt. Cấu trúc của sợi có thể được thiết kế để thay đổi độ dẫn nhiệt của kim loại đồng đến bán dẫn. Những đặc tính này đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học và các ngành công nghiệp. CNFs được sản xuất theo nhiều phương pháp khác nhau: phân hủy xúc tác các khí chứa carbon hay còn gọi là kết tụ hóa học trong pha hơi (CVD), cắt gọt bằng laser (Ablation laser) và hồ quang điện (Electric arc), trong đó phương pháp CVD là phương pháp phổ biến nhất hiện này vì đơn giản, rẻ tiền và dễ triển khai ở quy mô lớn. Cơ chế phát triển của CNFs khi tổng hợp bằng phương pháp kết tụ hoá học trong pha hơi, sử dụng xúc tác kim loại được mô tả trong Hình 1.2 [43]. Hình 1.2. Cơ chế phát triển của CNFs khi tổng hợp bằng phương pháp CVD sử dụng xúc tác kim loại [44] Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS. TS. Trương Hữu Trì 7 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi trên chất mang có cấu trúc Theo đó, trong phản ứng tổng hợp, nguồn Carbon (có thể là methane, carbon monoxide, khí tổng hợp H2/CO, ethyne hoặc ethene) được sử dụng, nhiệt độ được đưa lên đến (700÷1200) K, sự lắng đọng của các Hydrocarbon trong xúc tác kim loại và kết tủa dưới bề mặt kim loại dưới dạng các tấm Graphite, tạo nên cấu trúc “cốc xếp chồng” của CNFs. Cấu trúc này bị chi phối bởi hình dạng của các tâm xúc tác với kích thước nano. 1.2. Các tính chất của CNFs Vật liệu carbon cấu trúc nano nói chung và CNFs nói riêng có những đặc tính ưu việt. Các nhà khoa học luôn tìm cách tối ưu hoá các đặc tính của chúng cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Nhiều ngành khoa học - công nghệ hiện đại vận dụng các đặc tính này để sản xuất ra hàng loạt các sản phẩm có giá trị trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống. 1.2.1. Tính chất nhiệt Carbon nano sợi là loại vật liệu có khả năng dẫn nhiệt thay đổi trong một khoảng rộng. Độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào đường kính mẫu, phương pháp tổng hợp hay chất lượng, kết cấu vật liệu và quá trình xử lý vật liệu. Trong nhiều nghiên cứu [18-23], các phép đo cho thấy độ dẫn nhiệt của sợi carbon nano ở các kích thước từ (4÷71.4) nm có khả năng dẫn nhiệt từ (12÷1950) W/m-K. Nhờ vậy ta có thể thay đổi độ dẫn nhiệt của nó phù hợp với mục đích sử dụng. Với độ dẫn nhiệt lớn ta có thể sử dụng để làm bộ phận tản nhiệt trong các vi mạch điện tử, với độ dẫn nhiệt thấp ta sử dụng làm vật liệu cách nhiệt. Trong một nghiên cứu của mình, Eric Mayhew, Rajib Paul, Vikas Prakash đã cùng nhau nghiên cứu để xác định độ dẫn nhiệt của composite CNFs–CNT-polymer tính trên đơn vị sợi với kích thước khoảng (12÷14) μm. Các phép đo độ dẫn nhiệt được thực hiện bằng cách sử dụng cấu hình thử nghiệm loại T sử dụng đầu dò Wollaston bên trong thiết bị SEM. Độ dẫn nhiệt đo trung bình của các mẫu sợi CNT đo được là (448±61) và (225±15) Wm-1K-1 đối với sợi tổng hợp CNT-polymer (Hình1.2). Các giá trị độ dẫn nhiệt này đối với sợi CNT cao hơn nhiều so với trước đây đối với bất kỳ sợi CNT nào. Nguyên nhân của sự tăng độ dẫn nhiệt được phỏng đoán là do độ cứng tăng, điện trở ranh giới CNT-CNT thấp hơn và sự liên kết CNT tốt hơn dọc theo chiều dài của sợi được tạo ra bởi sự xoắn và kéo sợi trong quá trình tổng hợp composite [41]. Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS. TS. Trương Hữu Trì 8 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi trên chất mang có cấu trúc Hình 1.3. Kết quả nghiên cứu độ dẫn nhiệt của composite CNFs–CNT-polymer 1.2.2. Đặc tính cơ học CNFs có cấu tạo chỉ từ các nguyên tử carbon xếp lên nhau thành sợi với kích thước nano nên chúng rất nhẹ. Khối lượng riêng của carbon khoảng (1.4÷1.6) g/cm3, bằng 1/5 khối lượng riêng của sắt 7.87 g/cm3. Sợi carbon cũng nhẹ hơn nhôm và sợi thủy tinh có khối lượng riêng lần lượt là 2.7 g/cm3 và 2.5 g/cm3. Bên cạnh đó liên kết giữa các nguyên tử carbon đều là liên kết cộng hoá trị sp2 tạo nên một cấu trúc tinh thể hoàn hảo vừa nhẹ vừa bền và được coi là vật liệu rất bền và cứng từng được khám phá trong các thử nghiệm về độ bền kéo và mô đun đàn hồi [24]. CNFs có cấu trúc không có lõi nên có độ bền lớn, nhất là độ bền nén, xoắn và uốn, độ bền của nó có giá trị trong khoảng (2.8÷3.3) GPa được xác định bằng độ bền kéo riêng, tính bằng độ bền kéo chia cho khối lượng riêng, xấp xỉ khoảng 10 lần so với cường độ của sắt. Độ cứng xấp xỉ 600 GPa so với 230 GPa của thép. Mô đun đàn hồi riêng (được xác định bằng cách chia mô đun độ dãn dài cho khối lượng riêng) gấp 7 lần so với Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS. TS. Trương Hữu Trì 9 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi trên chất mang có cấu trúc của sắt. Đó là lý do sợi carbon là một vật liệu nhẹ phù hợp để thay thế các vật liệu kim loại thông thường. Nhờ tính chất này mà CNFs có thể sử dụng làm chất tăng cường độ bền cho vật liệu composite ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. 1.2.3. Tính chất điện CNFs là chất dẫn điện rất tốt. Độ dẫn điện phụ thuộc nhiều vào cấu trúc, cách sắp xếp của các lớp graphene. Điện trở của nó được xác định bởi lớp vỏ lượng tử và hoàn toàn không phụ thuộc vào chiều dài ống mà phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu, nếu ta thay đổi cấu trúc thì độ dẫn điện của CNFs cũng thay đổi [25]. Hình dạng sợi lại đưa đến một tính chất đặc biệt rất quan trọng là sự truyền điện, trong đó điện tử (electron) chuyển động thẳng theo một phương hướng nhất định, không bị vướng và không có sự va chạm đến các nguyên tử của vật liệu. Sự truyền điện thông thường trong kim loại thường gây ra nhiệt vì khi di động điện tử thường xuyên va chạm vào nguyên tử và đó là nguyên nhân gây ra điện trở và nhiệt. Độ dẫn điện nội tại của sợi nano carbon là 5×10-5 Ω.cm, gần với điện trở suất của graphite, vì hầu như trong CNFs đều là mạng lưới các tấm graphite. Do độ dẫn điện cao và tỷ lệ co cao, CNFs có độ dẫn điện tương đương với hỗn hợp ở tải thấp hơn so với chất độn dẫn điện thông thường. Ngoài ra, bằng cách kiểm soát cấu trúc, người ta có thể sản xuất vật liệu tổng hợp với các giá trị điện trở suất khác nhau. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng đòi hỏi điện trở suất trong các phạm vi khác nhau như tản tĩnh điện (ESD), sơn tĩnh điện, bảo vệ EMI và bảo vệ chống sét. 1.2.4. Tính chất hóa học CNFs hoạt động hóa học mạnh hơn so với graphene. Tuy nhiên, thực tế cho thấy CNFs vẫn tương đối trơ về mặt hóa học, khá bền trong môi trường acid hay base nên có thể sử dụng chúng trong một thời gian dài ở nhiều điều kiện khắc nghiệt. Để tăng hoạt tính hóa học của CNFs người ta tạo ra các khuyết tật trên bề mặt của sợi, gắn kết với các phân tử hoạt động khác để tạo ra các vi đầu dò nhạy với hoá chất. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, CNFs có đường kính càng nhỏ thì hoạt động hóa học càng mạnh. Đó là do ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt với các vật liệu nano. Ngoài ra, CNFs có tính siêu kỵ nước, vì vậy để sử dụng cho mục đích làm chất hấp phụ các chất trong nước ta phải tiến hành chức hóa bề mặt để thay đổi tính chất này. Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS. TS. Trương Hữu Trì 10 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi trên chất mang có cấu trúc 1.2.5. Tính chất phát xạ điện trƣờng Sự phát xạ điện trường là quá trình phát xạ điện tử từ bề mặt của một pha rắn vào chân không dưới tác dụng của một điện trường tĩnh. Khi áp một điện trường đủ lớn, các điện tử tại bề mặt xuyên qua hàng rào thế và thoát ra ngoài. Với CNFs, do tỷ lệ chiều dài/đường kính lớn, cấu trúc dạng tip, độ ổn định hóa, nhiệt cao và độ dẫn nhiệt, dẫn điện cũng rất cao nên khả năng phát xạ điện tử là rất cao, ngay ở điện thế thấp [26]. 1.3. Các ứng dụng của CNFs Với những đặc tính ưu việt như vừa trình bày, CNFs được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong phần này tác giả sẽ trình bày một số ứng dụng đã, đang được nghiên cứu và hứa hẹn sẽ mang lại những bước tiến vượt bậc trong các lĩnh vực của cuộc sống. 1.3.1. Ứng dụng trong y tế CNFs đang được nghiên cứu để sử dụng cho việc phân tán thuốc trong cơ thể người bệnh. Người ta đang phát triển một loại vật liệu đàn hồi từ carbon nano sợi, sau đó sử dụng nó như một bong bóng chứa thuốc rồi bơm vào các mô bệnh, khi các bóng này vỡ, CNFs có tác dụng vận chuyển thuốc đến các tế bào bị bệnh. Phương pháp này giúp giảm lượng thuốc cần dùng và tập trung vào tế bào bệnh, hạn chế lượng thuốc dư ra gây ảnh hưởng cơ thể người [27]. 1.3.2. Cảm biến hóa học, đầu dò Chức năng cảm biến của CNFs được thực hiện bằng cách kiểm tra sự thay đổi các tính chất điện khi ta thay đổi các điều kiện bên ngoài. Li và cộng sự sử dụng CNFs/poly (acrylate) làm cảm biến khí. Trong nghiên cứu này, hơi có thể được phát hiện thông qua năm đơn vị độ lớn thay đổi độ dẫn điện. Ngoài cảm biến hơi, cảm biến khí độc nano đồng trục CNFs/(polypyrrole) PPy được chế tạo để phát hiện khí gây kích ứng, như NH3 và HCl [28]. Nhìn chung chức năng cảm biến đầu dò là do sự thay đổi độ dẫn điện của CNFs khi có sự tác động của yếu tố ngoại cảnh, từ đó xây dựng được các giản đồ phụ thuộc giữa nồng độ hay chỉ số của các yếu tố đó và độ dẫn điện của vật liệu, sử dụng các thuật toán để tính toán ra kết quả. Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS. TS. Trương Hữu Trì 11 Nghiên cứu tổng hợp carbon nano sợi trên chất mang có cấu trúc 1.3.3. Lƣu trữ năng lƣợng Hiện nay, vật liệu tổng hợp CNFs làm vật liệu điện cực cho pin và siêu tụ điện đã được nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới. Yêu cầu chính đối với pin hiệu suất cao và siêu tụ điện là vật liệu điện cực có độ xốp cao, chứa đủ chất điện phân và đáp ứng vận chuyển ion nhanh và có thể sử dụng dài hạn. Ji và cộng sự đã tổng hợp một vật liệu CNFs xốp có thể sử dụng làm anode của pin mà không cần thêm bất kỳ chất kết dính hoặc than hoạt tính [29]. Qie cùng cộng sự đã sử dụng polypyrrole làm tiền chất để tổng hợp CNFs xốp làm cực dương cho pin ion lithium, đảm bảo khả năng lưu trữ dòng điện lên tới 943 mAh/g, có thể sử dụng kéo dài tới 600 chu kỳ [30]. Hay trong nghiên cứu của mình, Guifu Zou và nhóm nghiên cứu của mình đã tiến hành tổng hợp CNFs bằng cách sử dụng xúc tác cho phản ứng phụ giữa C2H5OC2H5, Zn và Fe trong 10h ở 650 °C để dùng làm điện cực cho pin Lithium-ion. Kết quả thu được CNFs có đường kính khoảng 80 nm. Khi sử dụng để thay điện cực cho pin thì lượng điện lưu trữ được tăng lên đến 220 mAh/g và khả năng chuyển đổi dòng điện tăng lên đến 60.5% [42]. 1.3.4. Vật liệu composite Carbon nano sợi có triển vọng cách mạng hóa một số lĩnh vực trong khoa học vật liệu vì những tính chất ưu việt của nó về đồ bền, độ cứng, khả năng chịu lực cao. CNFs được xem là ứng cử viên lý tưởng cho những ứng dụng về cấu trúc. Sợi carbon được dùng như là vật liệu gia cường cho nhiều loại composite độ bền cao, tính khả dụng cao và khối lượng nhẹ. Người ta có thể tìm thấy những ứng dụng rộng rãi của công nghệ này, từ cây vợt tennis đến thân máy bay và tàu không gian. Nhờ sự ra đời của phương pháp tổng hợp kết tụ hóa học trong pha hơi giúp việc sản xuất với lượng lớn trở nên dễ dàng hơn cùng với chi phí thấp nên quá trình ứng dụng CNFs để tạo ra nhiều vật liệu composite mới càng được đẩy mạnh. Trong một nghiên cứu của mình E. Hammel và các cộng sự đã tổng hợp hợp một lượng lớn CNFs và chế tạo composite CNFs-polypropylene và CNFs-polycarbonate với tỉ lệ CNFs trong composite khác nhau với việc phân tán CNFs vào mạng lưới polymer bằng phương pháp ép đùn [31]. Kết quả nhóm nghiên cứu thu được các polymer composite có sự phân tán của CNFs vào mạng lưới polymer khá tốt (Hình 1.4). Học viên: Trần Nguyên Ngọc GVHD: PGS. TS. Trương Hữu Trì 12