Tài liệu Tổng hợp vật liệu nano molybdenum disulfide (mos2) bằng phương pháp hóa học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- TRẦN THANH TÂM TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO MOLYBDENUM DISULFIDE (MoS2) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU KIM LOẠI Mã số: 605291 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2015 i CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Lê Văn Thăng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Nguyễn Văn Dán (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Trần Xuân Phước (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 23 tháng 01 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. TS Huỳnh Công Khanh (Chủ tịch) 2. PGS.TS Nguyễn Văn Dán (Phản biện 1) 3. TS Trần Xuân Phước (Phản biện 2) 4. TS Đinh Sơn Thạch (Ủy viên) 5.TS Trần Văn Khải (Ủy viên kiêm thư ký) Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CNVL ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN THANH TÂM .................................... MSHV:12054944 ............ Ngày, tháng, năm sinh: 08/10/1989 ........................................... Nơi sinh: Bến Tre ............ Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU KIM LOẠI ............ Mã số : 605291 ............ I. TÊN ĐỀ TÀI: ‘Tổng hợp vật liệu nano Molybdenum Disulfide (MoS2) bằng phương pháp hóa học’ II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đề tài nghiên cứu tổng hợp ra vật liệu bột MoS2 có kích thước nano bằng phương pháp hóa học. Ở đây là bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (Chemical Vapour Deposition – CVD) với các thiết bị hiện có tại Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm ĐHQG – CNVL. Nội dung và nhiệm vụ của đề tài đặt ra cần đạt được như sau: + Quy trình tổng hợp MoS2 thích hợp, đơn giản và dễ thực hiện thí nghiệm với điều kiện trang thiết bị hiện có. + Tinh thể hóa trong lò phản ứng ngưng tụ hơi hóa học (CVD) để tạo ra pha tinh thể MoS2 với nhiệt độ, thời gian thích hợp với quy trình đề ra . + Sản phẩm cuối cùng của đề tài là bột MoS2 với kích thước vài chục nano mét. Sản phẩm được phân tích, đánh giá bằng các phương pháp đánh giá hiện đại, đáng tin cậy nhất III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/01/2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/11/2014 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :TS Lê Văn Thăng Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm ……. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU iii LỜI CẢM ƠN Nâng cao kiến thức cho bản thân cùng sự phát triển sự nghiệp sau này là việc quan trọng. Đặc biệt, được sự ủng hộ của gia đình tôi cảm thấy quyết tâm hơn trên con đường học tập. Cảm ơn Cha Mẹ cùng anh hai và em gái đã ủng hộ con suốt chặn đường vừa qua. Gia đình luôn là điểm tựa để con vững bước và giúp đỡ cho con những lúc khó khăn. Không có sự giúp đỡ của gia đình, con cũng không biết có vững bước đến bây giờ. Gia đình là số một trong con. “Muốn sang phải bắt cầu kiều. Muốn con hay chữ phải yêu lấy thầy”. Sự giúp đỡ từ những bước đầu vào học, em nhận được rất nhiều sự chỉ bảo tận tâm của thầy hướng dẫn. Từ cách định hướng đến cách thức nghiên cứu ra sao, thầy luôn chỉ bảo thẳng thắn và thật lòng. Từ khi được sự hướng dẫn của thầy, em như trở thành một người khác. Nắm vững nhiều kiến thức hơn và chín chắn hơn trong nhận thức khoa học. Em chân thành cảm ơn những điều đó từ thầy Lê Văn Thăng. Nhiều lúc em cũng làm thầy không hài lòng về công việc nghiên cứu trì trệ, thầy trách bảo rất thẳng và thật. Nhưng em vẫn một lòng tin tưởng vào thầy, em vẫn luôn cố gắng. Và để hoàn thành luận văn cao học này, công lao thầy đã giúp đỡ em là rất nhiều. Một lần nữa cảm ơn sự hướng dẫn của thầy. Ngoài ra, những anh chị, bạn bè xung quanh luôn là những người quan tâm, chia sẻ, giúp đỡ tận tình mỗi khi tôi gặp vấn đề khó khăn. Sự quan tâm đó giúp tôi kiên trì hơn, mạnh mẽ hơn và trưởng thành hơn. Chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các anh chị trong Khoa Công Nghệ Vật Liệu, Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm ĐHQG – CNVL, tất cả như người thân trong gia đình của tôi. Tôi luôn quý mếm mọi người. Chân thành cảm ơn! Hơn nữa, để hoàn thành luận văn này, tôi nhận được sự giúp đỡ tận tình về trang thiết bị dụng cụ từ PTN Trọng Điểm ĐHQG – CNVL, PTN bộ môn Cơ Sở Khoa Học Vật Liệu, PTN Trọng Điểm Quốc Gia Polymer và Composit rất nhiều. Cảm ơn các quý lãnh đạo đã hỗ trợ tận tình. Chúc quý lãnh đạo anh chị các phòng luôn dồi dào sức khỏe, thành đạt và hạnh phúc. iv TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ a. Tóm tắt luận văn Vật liệu nano MoS2 cấu trúc dạng lớp có tiềm năng ứng dụng cao trong các lĩnh vực như pin ion-lithium, pin mặt trời, cảm biến khí,… do khoảng cách giữa các lớp khoảng 0.65 nm tạo khoảng không gian đủ lớn để tạo hiệu ứng dẫn tốt. Đề tài này nghiên cứu tổng hợp ra nano MoS2 bằng phương pháp ngưng tụ hơi hóa học (CVD) để tinh thể hóa MoS2 từ muối ammonium trong môi trường khí trơ. Bằng cách phương pháp phân tích hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) xác định được sự hình thành tinh thể dạng lớp MoS2 ở kích thước nano. Ngoài ra, phổ tán xạ Raman cho xác định số lớp của tinh thể nano MoS2 là 4 đến 6 lớp. Phổ UV – Vis xác định năng lương vùng cấm trực tiếp của nano MoS2 là 1.86eV. Kết quả đã tổng hợp được nano MoS2 dạng tấm mỏng bằng phương pháp CVD ở 7000C trong 2 giờ và đây là tiền đề cho các ứng dụng trong tương lai. b. Abstract Materials nano MoS2 layer structures with high application potential in areas such as ion -lithium batteries, solar cells, gas sensors,… due to the distance between the layers about 0.65 nm create space large enough to good leads effects. This research studied the synthesis of nano-MoS2 by chemical vapor condensation (CVD) to crystallize MoS2 from ammonium salt in inert atmosphere. By modern analytical methods such as X-ray diffraction (XRD), Scanning electron microscopy (SEM) and Transmission electron microscopy (TEM) to identify the formation of crystals in the layer MoS2 nanoscale. In addition, Raman scattering spectroscopy to determine the number of layers of nanocrystals MoS2 is 4 to 6 layers. UV - Vis determine directly the band gap energy of nano-MoS2 is 1.86eV. Results were synthesized nano MoS2 thin films by using CVD at 7000C for 2 hours and is a prerequisite for future applications. v LỜI CAM ĐOAN Đề tài được nhận định từ tình hình nghiên cứu trên thế giới, khả năng thiết bị hiện có tại Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Đại Học Quốc Gia – Công Nghệ Vật Liệu và năng lực có thể thực hiện được. Được sự hướng dẫn của TS Lê Văn Thăng, nội dung nghiên cứu được xác định là không giống với các nghiên cứu trước đó trên thế giới – hiện trong nước chưa có nhóm nghiên cứu nào khác thực hiện. Do đó, tôi cam đoan đề tài không sao chép nguyên bản từ bất cứ luận văn hay nghiên cứu nào. Nghiên cứu được định hướng gắn với điều kiện thực hiện với cơ sở vật chất hiện có tại đơn vị. Tôi cũng xin cam đoan không trộm cắp ý tưởng từ bất cứ tài liệu hay từ đơn vị nào. Nếu tôi vi phạm về bản quyền thì tôi xin chịu mọi trách nhiệm hay hình phạt nào hợp pháp của nhà nước Việt Nam. Bên cạnh đó, đề tài được thực hiện và kiểm nghiệm kết quả bằng các thiết bị hiện đại trong nước, tôi cam đoan không làm sai lệch kết quả đo hay chỉnh sửa, thêm bớt dù chỉ là một số liệu kết quả nhỏ. Nếu tôi cố ý vi phạm những điều trên tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính trung thực của kết quả luận văn cao học này. Chân thành cảm ơn! vi DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1: Giá trị điện hóa của vật liệu làm điện cực trong pin ion – lithium ................ 3 Bảng 2: So sánh Modulus Young và độ bền phá hủy của các vật liệu ..................... 15 Bảng 3: Một vài công trình nghiên cứu tổng hợp nano MoS2 bằng phương pháp dưới – lên trong lò CVD ....................................................................................................... 21 Bảng 4: Các mặt tinh thể xuất hiện trong phổ nhiễu xạ tia X của mạng hexagonal (m là số nguyên) .................................................................................................................. 28 Bảng 5: Hóa chất, tính chất vật lý và hãng sản xuất sử dụng thực nghiệm .............. 42 Bảng 6: Thông tin phân tích EDX của mẫu sản phẩm .............................................. 60 Bảng 7: Số liệu giá trị x và y của các đỉnh của phổ Raman ...................................... 67 vii DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ TIẾNG ANH Thuật ngữ tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Ion – Lithium Batteries Pin Ion – Lithium Indirect Bandgap Miền cấm gián tiếp Direct bandgap Miền cấm trực tiếp Semiconductor Bán dẫn Field – effect transitors (FETs) Transitors hiệu ứng trường Top – down method Phương pháp trên – xuống Bottom – up method Phương pháp dưới – lên Mechanical Exfoliation Tách bóc cơ học Chemical Solvent Exfoliations Tách bóc dung môi hóa học Chemical Vapour Deposition (CVD) Ngưng tự hơi hóa học Chemical Synthesis Tổng hợp hóa học Teflon – Lined Stainless Steel Autoclave Bình thép không gỉ có lớp Teflon Mutiwalled Carbon Nanotubes (MWCNTs) Ống nano cacbon đa thành X – Ray Diffraction (XRD) Nhiễu xạ tia X Scanning Electron Microscopy (SEM) Kính hiển vi điện tử quét Hexagonal structure Cấu trúc lục giác xếp chặt Backscattered Electrons (BSE) Điện tử tán xạ ngược viii Secondary Electrons (SE) Điện tử thứ cấp Transmission Electron Microscopy (TEM) Kính hiển vi điện tử truyền qua Fast Fourier Transform (FFT) Chuyển đổi hàm Fourier Raman Scattering Spectroscopy Phổ tán xạ Raman Infrared Spectroscopy (IR) Phổ hồng ngoại Inductively Coupled Plasma – Mass Phổ khối lượng plasma Spectroscopy (ICP – MS) ix DANH SÁCH BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ 1. Tên bài báo: “ Tổng hợp hạt MoS2 bằng phương pháp ngưng tụ hóa học” Tạp chí đăng: Tạp chí Khoa Học và Công Nghệ Số: 51 – 5C (2013) 600 – 605 2. Tên bài báo: “Effect of polyvinyl pyrrolidone concentration onformation of silver nanowires in Anodic Aluminum Oxide Template” Hội nghị đăng: 2nd International Scientific Conference on Applied Sciences and Engineering ID: 444-ISCASE-15 x MỤC LỤC Trang bìa ................................................................................................................... i Hội đồng đánh giá luận văn ...................................................................................ii Nhiệm vụ luận văn .................................................................................................iii Lời cảm ơn ............................................................................................................. iv Tóm tắt luận văn ..................................................................................................... v Lời cam đoan .......................................................................................................... vi Danh sách các bảng .............................................................................................. vii Danh sách các thuật ngữ tiếng Anh ...................................................................viii Danh sách bài báo khoa học đã công bố ................................................................ x Mục lục ................................................................................................................... xi Phần 1: Giới thiệu ................................................................................................... 1 1. Lời mở đầu ........................................................................................................ 1 a.Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................................ 4 b.Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................. 5 Phần 2: Tổng quan về MoS2 ................................................................................. 7 2.1 Cấu trúc tinh thể và tính chất đặc trưng của MoS2 .......................................... 7 2.2 Các phương pháp tổng hợp ............................................................................ 16 2.2.1 Trên – xuống (top – down) ........................................................................ 17 2.2.2 Dưới – lên (bottom – up) ........................................................................... 18 2.3 Ứng dụng ....................................................................................................... 22 2.3.1 Vật liệu bôi trơn chịu nhiệt cao, chịu áp lực cao ....................................... 22 2.3.2 Transitors hiệu ứng trường (FETs) ............................................................ 23 2.3.3 Điện cực trong pin ...................................................................................... 25 xi Phần 3: Các phương pháp đánh giá ..................................................................... 27 3.1 Nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................................................... 27 3.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................................... 29 3.3 Kính hiển vi điện tử quét (TEM) .................................................................. 31 3.4 Phổ hấp thụ ánh sáng khả kiến – tử ngoại ( UV – Vis) ................................ 33 3.5 Phổ tán xạ Raman ......................................................................................... 34 3.6 Phổ dao động hồng ngoại IR ......................................................................... 35 3.7 Phổ khối lượng plasma (ICP – MS) .............................................................. 36 Phần 4: Giới thiệu thiết bị và quy trình thực nghiệm ......................................... 37 4.1 Thiết bị thí nghiệm ........................................................................................ 37 4.1.1 Cân vi lượng bốn số lẻ ............................................................................... 37 4.1.2 Thiết bị khuấy từ, gia nhiệt ........................................................................ 37 4.1.3 Thiết bị siêu âm .......................................................................................... 38 4.1.4 Thiết bị quay ly tâm ................................................................................... 38 4.1.5 Máy đo pH ................................................................................................. 39 4.1.6 Lò sấy ......................................................................................................... 39 4.1.7 Giấy lọc RC ................................................................................................ 40 4.1.8 Máy chưng cất nước 1 lần .......................................................................... 40 4.1.9 Máy hút chân không ................................................................................... 41 4.1.10 Lò T – CVD ............................................................................................. 42 4.2 Quy trình thực nghiệm .................................................................................. 44 Phần 5: Kết quả phân tích ..................................................................................... 56 5.1 Nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................................................... 56 5.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................................... 57 xii 5.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ........................................................ 61 5.4 Phổ tán xạ Raman ......................................................................................... 65 5.5 Phổ hấp thu ánh sáng khả kiến và tử ngoại (UV – Vis) ................................ 68 5.6 Phổ hồng ngoại (FTIR) ................................................................................. 70 5.7 Phổ khối lượng (ICP – MS) .......................................................................... 71 Phần 6: Tổng kết ...................................................................................................... 73 6.1 Kết luận ......................................................................................................... 73 6.2 Thuận lợi ....................................................................................................... 74 6.3 Khó khăn ....................................................................................................... 74 6.4 Hướng phát triển đề tài ................................................................................. 75 Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 76 Phụ lục ..................................................................................................................... 82 xiii PHẦN 1: GIỚI THIỆU 1. Lời mở đầu Năng lượng đang là lĩnh vực mà thế giới đã và đang quan tâm rất nhiều. Nguồn năng lượng tự nhiên ngày càng cạn kiệt và thời gian tái sinh tự nhiên cũng kéo dài khoảng hàng ngàn năm – như năng lượng hóa thạch: dầu mỏ, than đá,…Do vậy, một trong những vấn đề được đầu tư ngày càng lớn đó là năng lượng thay thế, năng lượng tái tạo nhanh như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy điện, năng lượng thủy triều, … đã được thực hiện trong những năm qua và mãi đến thế kỷ 21 này. Tuy nhiên, nguồn “năng lượng xanh” cũng bộc lộ nhiều hạn chế. Đa số, nguồn năng lượng tự nhiên phụ thuộc vào sự thay đổi của thời tiết, chu kỳ ngày đêm và tùy thuộc địa hình từng vùng nên các thiết bị chuyển hóa năng lượng không thể hoạt động liên tục mà đòi hỏi cần phải lưu trữ năng lượng. Chính điều này đã thu hút nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu trong việc phát triển hệ thống thiết bị có khả năng lưu trữ năng lượng. Hơn thế, thiết bị lưu trữ cần có khả năng tái sử dụng sau khi hết năng lượng tức là sử dụng lại được nhiều lần nhằm tiết kiệm chi phí. Do đó, nghiên cứu những loại vật liệu có khả năng sử dụng tái tạo năng lượng cho thiết bị lưu trữ được ưu tiên hơn hết. Nhiều hệ thống lưu trữ năng lượng được nghiên cứu như ắc quy, pin lithium, pin ion – lithium, …Hệ thống pin ion – lithium (ion – lithium batteries) được coi là một trong những giải pháp tối ưu hiện tại. Pin ion – lithium là thế hệ thứ 2 của pin lithium kim loại, pin có mật độ năng lượng cao và cơ chế phản ứng tương đối đơn giản. Hiện tại, pin ion – lithium được ứng dụng cho các thiết bị điện tử di động như pin cho điện thoại di động, máy vi tính di động, pin cho đèn chiếu siêu sáng cầm tay, pin cho thiết bị đo đạc cầm tay di động,… và đã được các nước trên thế giới sử dụng rộng rãi trong hơn hai mươi năm qua. Pin có cấu tạo đơn giản gồm các phần: điện cực dương, điện cực âm và chất điện giải. Điện cực dương phổ biến nhất cho pin ion – lithium được làm từ các hợp chất carbon (LixC6) và oxit kim loại chuyển tiếp (MoO2, WO2) có cấu trúc tinh thể. Còn điện cực âm thường được làm từ hợp chất có chứa ion – lithium để giúp ổn định điện cực trong quá trình trao đổi điện tích như LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2 (bảng 1). Bảng 1 thể hiện các giá trị điện hóa của vật liệu làm điện 1 cực cho pin ion – lithium. Điện cực dương và điện cực âm được ngăn cách bởi chất điện giải là chất không dẫn điện tử nhưng dẫn ion lithium như LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiBC4O8,…. Cấu tạo cụ thể của hệ thống pin ion – lithium như hình 1.1 [1]. Hình 1.1: Cấu tạo nguyên lý hoạt động của pin ion – lithium khi xả và sạc Khi sạc, các ion lithium di chuyển từ cực âm sang cực dương qua chất điện giải, còn khi xả thì các ion lithium di chuyển ngược lại. Vật liệu cho cả hai điện cực thường có cấu trúc khối nên tuổi thọ, khả năng tích điện, khả năng nạp/xả và mật độ dòng điện tạo ra thấp. Để cải thiện các tính năng này, người ta cải tiến điện cực của pin bằng cách ứng dụng vật liệu kích thước nano như fullerene – C60, ống nano cacbon đa thành hoặc đơn thành, ống nano MoS2, hạt nano thin films MoS2,….Khi vật liệu ở kích thước nano sẽ xuất hiện những tính chất hóa lý rất đặc biệt mà ở vật liệu khối không có được do ảnh hưởng của kích thước lượng tử. Với kích thước nano, vật liệu có khả năng tích trữ ion lithium lớn hơn, mật độ dòng điện tăng rất nhiều do diện tích bề mặt lớn. Vật liệu ở kích thước nano còn thể hiện khả năng nạp/xả lớn, giúp tăng thời gian sống của pin lên đáng kể. Bên cạnh đó, giá thành của vật liệu nano làm điện cực pin cũng là một yếu tố quan trọng cho việc phát triển nghiên cứu. Vật liệu đáp ứng tốt tính năng làm điện cực có giá thành thấp, dễ tổng hợp là xu hướng nghiên cứu chung cho các nhà 2 khoa học trên thế giới nhằm sản xuất và ứng dụng vào thiết bị điện tử ở quy mô công nghiệp. Vật liệu có cấu trúc dạng tấm (lớp) - kích thước hai chiều lớn hơn rất nhiều so với chiều còn lại – đang được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Hầu hết, hợp chất của kim loại chuyển tiếp và phi kim thường có cấu trúc dạng lớp (WS2, MoSe2, MoS2, WSe2,…). Trong đó, MoS2 được xem là vật liệu thu hút sự đầu tư nghiên cứu nhiều nhất. CNTs là vật liệu khá phức tạp khi tổng hợp và giá thành thì vẫn còn quá cao. Vật liệu được quan tâm nhiều sau CNTs là graphene (đơn lớp của graphite). Graphene có những tính chất rất tuyệt vời như khả năng dẫn điện cực cao, diện tích bề mặt lớn, tính bền hóa tốt,… Tuy nhiên, vật liệu này vẫn có giá thành cao do việc tổng hợp cũng gặp nhiều khó khăn trong việc làm giảm khuyết tật mạng, độ dẻo thấp. MoS2 có cấu trúc đơn lớp giống graphene nhưng lại dễ dàng tổng hợp hơn rất nhiều và tính chất cơ, tính bền hóa tốt. Do đó, việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu MoS2 chất lượng tốt, sẽ hứa hẹn có nhiều ứng dụng trong vật liệu làm điện cực pin ion – lithium hay ứng dụng khác trong những thiết bị điện tử. Bảng 1: Giá trị điện hóa của vật liệu làm cực âm và cực dương trong pin ion – lithium [2] Vật liệu Khối lượng Mật độ Khoảng khả phân tử (g/cm3) nghịch (∂x) Dung tích chứa đặc trưng (mAh/g) Cực dương LixC6(c) 72.06 2.0 0.5 186 LixC6(g) 72.06 2.25 1.0 372 WO2 215.8 12.11 1.0 124 MoO2 127.9 6.47 0.5 105 Cực âm 3 LiMn2O4 180.8 5.16 1.0 148 LiCoO2 97.9 4.28 0.5 137 LiNiO2 97.6 4.78 0.7 192 a. Tổng quan tình hình nghiên cứu thế giới Theo công bố của trang khoa học Sciencedirect.com, số lượng các công trình nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến vật liệu nano MoS2 tăng dần qua các năm (Hình1.2). Tuy chưa thể so sánh với số lượng các công trình nghiên cứu về ống nano carbon (CNTs) hay graphene nhưng với sự tăng dần số lượng công trình nghiên cứu về nano MoS2 cho thấy các nhà khoa học trên thế giới đang thật sự quan tâm đến vật liệu này. Trước năm 1995, một vài công trình nghiên cứu về vật liệu MoS2 ở kích thước nano đã được công bố. Tuy vậy, số lượng các công trình nghiên cứu vẫn không thay đổi đáng kể đến năm 2002. Một mặt, các công trình nghiên cứu về nano MoS2 chỉ ứng dụng trong vật liệu bôi trơn khô hay bước đầu nghiên cứu ứng dụng trong transitors. Mặt khác, giai đoạn này các nhà khoa học đa phần tập trung nghiên cứu vật liệu ống nano carbon hay graphene. Bắt đầu từ năm 2003, công trình nghiên cứu về vật liệu nano MoS2 mới tăng ngày một rõ ràng. Đặc biệt nhất, số lượng công trình năm 2013 (345) tăng gần gấp đôi năm 2012 (181) và năm 2014 (617) tăng gần gấp đôi năm 2013. Qua đó cho thấy, vật liệu nano MoS2 đang được các nhà khoa học quan tâm bởi cấu trúc, tính chất đặc biệt của nó. 4 Hình 1.2: Biểu đồ các công trình nghiên cứu về vật liệu nano MoS2 từ trước năm 1995 đến 12/2014 Những năm gần đây đã có vài công trình nghiên cứu về vật liệu nano MoS2 làm vật liệu nền để các nguyên tử, ion hay phân tử xen vào khoảng cách các lớp do liên kết yếu giữa các lớp để ứng dụng cho điện cực pin sạc đã được công bố [3-6]. Ngoài ra, vật liệu MoS2 còn kết hợp với vật liệu khác để tạo ra vật liệu lai có tính năng kết hợp ứng dụng trong pin ion – lithium như kết hợp với CNTs, graphene,…[7,8]. Như vậy, tiềm năng ứng dụng của vật liệu nano MoS2 rất lớn nên được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. b. Tình hình nghiên cứu trong nước Hiện nay, Việt Nam vẫn chưa thấy xuất hiện công bố công trình nghiên cứu nào liên quan đến vật liệu nano MoS2 ngoại trừ công trình nghiên cứu được đăng trên tạp chí khoa học và công nghệ số 51 – 5C của nhóm nghiên cứu năm 2013 với đề tài “Tổng hợp hạt MoS2 bằng phương pháp ngưng tự hóa học”. Cùng với con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nghiên cứu vật liệu nano nhiều tiềm năng ứng dụng như vật liệu MoS2 đáng được quan tâm ở Việt Nam. Với những ưu điểm như khả năng 5 tổng hợp đơn giản dễ thực hiện, giá thành thấp, nghiên cứu về vật liệu nano MoS2 sẽ là một đề tài hấp dẫn và có tính cấp thiết cần được quan tâm và đầu tư. Từ những nhận định trên về tình hình thế giới và trong nước, việc tổng hợp thành công hạt nano MoS2 sẽ mang lại nhiều khả năng ứng dụng và phát triển cho các thiết bị hiện đại giải quyết nhu cầu của thế giới về vật liệu năng lượng giá thành thấp, tính chất tốt. Đề tài của luận văn này cũng nhằm mục tiêu đạt được quy trình tổng hợp hạt nano MoS2 đơn giản dễ thực hiện với điều kiện trong nước. 6 PHẦN 2: TỔNG QUAN VỀ MoS2 2.1 Cấu trúc tinh thể và tính chất đặc trưng của MoS2 Ngoài tự nhiên, tinh thể Molydbenite (Molybdenum disulfide) MoS2 tồn tại sẵn ở trong khoáng của nó (hình 2.1). Tinh thể khoáng ban đầu có cấu trúc đặc trưng dạng lớp và thuộc loại hợp chất của kim loại chuyển tiếp Mo với phi kim S. Một lớp nguyên tử Mo nằm giữa 2 lớp nguyên tử S liên kết chặt chẽ bằng liên kết cộng hóa trị. Giữa 2 lớp MoS2 liên kết với nhau bằng lực liên kết Van der Waals rất yếu nên rất dễ tách các lớp MoS2 ra với nhau có thể tới từng lớp riêng lẻ nhờ các công nghệ tách bằng các phương pháp hóa học hay tách bằng cơ học. Nhờ liên kết yếu giữa các lớp nên MoS2 ứng dụng rất tuyệt vời và rộng rãi trong vật liệu bôi trơn khô. Khi ma sát các lớp MoS2 trượt lên nhau dễ dàng và do liên kết của S – Mo – S rất bền nên nó chịu được nhiệt độ cao khi làm việc trong các chi tiết ma sát sinh nhiệt lớn. MoS2 là vật liệu cực kỳ quan trọng làm chất bôi trơn khô cho chi tiết làm việc trong môi trường nhiệt độ cao, áp lực cao do có hệ số ma sát thấp, hoạt tính bề mặt cao, diện tích bề mặt đặc trưng lớn. Hình 2.1: Khoáng MoS2 ngoài tự nhiên MoS2 có ba kiểu dạng cấu trúc sắp xếp: kiểu dạng tứ giác (Tetragonal – 1T), dạng lục giác xếp chặt (Hexagonal – 2H), và kiểu cấu trúc khối sáu mặt thoi (Rhombohedral – 3R) (hình 2.2). 7