Vật liệu nano cacbon GVHD : Ths.Nguyễn Kim Thanh SV thực : 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 Cacbon triển Fullerenes Ống nano cacbon I, Lịch sử giới thiệu chung Trước năm 1985, người ta cho cacbon tồn dạng thù hình : vơ định hình, graphit, kim cương Đến 1985, người ta phát tập hợp lớn nguyên tử cacbon kết tinh dạng phân tử dạng hình cầu kích cỡ nano met- thù hình gọi Fullerenes Một số cấu trúc fullerenes Năm 1991, quan sát kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao sản phẩm tạo phóng điện hồ quang hai điện cực graphit, người ta phát tinh thể cực nhỏ, dài bán điện cực catot Đó ống nano đa tường Hai năm sau , nhà nghiên cứu tiếp tục công bố kết tổng hợp ống nano cacbon đơn tường ✘ Carbon vật liệu độc nhất, làm dây dẫn kim loại tốt dạng than chì, chất bán dẫn Carbon cung cấp mơ hình vật liệu thể tồn phạm vi chất nano có cấu trúc thu nhỏ từ có khoảng trống rộng dạng kim cương, fulleren, hạt nano không chiều, đến ống polymer phản ứng với hydro nanocarbon, từ sợi nano chiều đến graphite, từ vật liệu hai chiều lớp không đẳng hướng, đến chất rắn fullerene, khối vật liệu ba chiều với phân tử fulleren khối cấu thành nên pha tinh thể II, Cacbon Fullerenes A, Cấu trúc ✘ Fullerenes lồng phân tử cacbon với nguyên tử cacbon xếp thành mặt cầu mặt elip ✘ Fullerenes biết đến là C60 , có dạng hình cầu gồm 60 nguyên tử C nằm đỉnh khối 32 mặt tạo 12 ngũ giác 20 lục giác Fullerenes C60 ✘ Liên kết chủ yếu nguyên tử cacbon liên kết sp2 , có xen lẫn với vài liên kết sp3 ngun tử cacbon khơng có tọa độ phẳng mà có dạng mặt cầu elip ✘ Cấu trúc phân tử C60 giống bóng đá nhiều múi nên để có mặt cầu, ngũ giác bao quanh lục giác Sự có mặt ngũ giác cấp độ cong cần thiết cho hình thành cấu trúc dạng lồng Mỗi mặt lục giác có liên kết đơn đôi xen kẽ, mặt ngũ giác xác định liên kết đơn Ngoài ra, độ dài liên kết đơn 1,46 A, dài so với chiều dài liên kết trung bình 1,44 A, liên kết đôi lại ngắn 1,40 A ✘ Các dạng Fullerenes khác C70 , C80 : Là mặt chứa kín hình lục giác ngũ giác với 12 hình ngũ giác số hình lục giác Phân tử C60 khối hai mươi mặt (b) Phân tử C70 với hình dạng bóng bầu dục (c) Phân tử C80 có dạng bóng bầu dục bị kéo dãn (d) Phân tử C80 dạng khối cầu có hai mươi mặt Ống nano cacbon đơn tường ✘ có cấu trúc giống cuộn lại lớp than chì độ dày nguyên tử thành hình trụ liền, khép kín đầu nửa phân tử fullerenes Do ống nano cacbon đơn tường biết đến fullerenes có dạng hình ống gồm ngun tử cacbon liên kết với lien kết cộng hóa trị sp bền vững Ống nano cacbon đa tường Gồm nhiều ống đơn tường đường kính khác lồng vào đồng trục, khoảng cách lớp từ 0,34-0,39 nm ✘ Ngoài ống đơn tường thường tự liên kết với để tạo thành xếp chặt tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với số mjang 1,7 nm Mỗi bó gồm hàng trăm ống nano cacbon đơn tường nằm song song với chiều dài lên tới vài mm Cấu trúc ống nano cacbon ✘ Cấu trúc vật liệu ống nano cacbon (CTNs) đặc trưng vecto Chiral (C h) : vecto hướng cuộn mạng graphit độ lớn đường kính ống ✘ ✘ ✘ Ch = na1 + ma2 = (n,m) n,m : số nguyên a1, a2 : vecto đơn vị mạng ✘ Theo vecto chiral, vật liệu CNTs có cấu trúc khác tương ứng với cặp số (n,m) khác ✘ Ba cấu trúc thường gặp : amchair, zingzang chiral tương ứng cặp số (n,n) ; (n,0) (n,m) 3, Tổng hợp ✘ Việc chuẩn bị xúc tác phương pháp phủ hạt xúc tác lên đế ( ống nano cacbon mọc bề mặt đế này) đóng vai trò quan trọng Các đặc tính kích thước hạt chất xúc tác định đến đường kính CNTs sản phẩm chế tạo đơn tường hay đa tường + Từ ống nano cacbon chế tạo phương pháp hồ quang điện, nhà khoa học phát triển nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu phương pháp phổ biến : PP phóng điện hồ quang PP lắng đọng pha PP bốc bay laser hóa học A, Phương pháp phóng điện hồ quang ✘ Nguyên lý : phóng điện hồ quang thực hai điện cực graphite đặt đối diện cách khoảng 1mm buồng kín chứa khí trơ He Ar, áp suất 50 mbar-700 mbar Giữa điện cực có dòng điện chiều 50-100 A, hiệu điện 2050V, nhiệt độ buồng lên đến 3000-4000K Sự phóng điệ làm cho cacbon chuyển sang pha hơi, ống nano cacbon tạo trình lắng đọng điện cực Mơ hình mơ tả phương pháp hồ quang điện chế tạo CNTs + Để chế tạo ống đa tường khơng cần có mặt xúc tác +Tuy nhiên để tạo ống đơn tường cần sử dụng chất xúc tác, đặc biệt xúc tác kim loại chuyển tiếp.Các chất xúc tác thường sử dụng : Fe, Co, Ni số kim loại chuyển tiếp + Hỗn hợp chất xúc tác FE/Ni hay Co/Ni lại thường sử dụng để chế tạo bó ống nano đơn tường (SWCNTs) B, PP bốc bay laser Nguyên lý : Một miếng graphite dùng làm bia bị bốc bay xa laser áp suất cao mơi trường khí trơ Chùm nóng tạo thành, nở sau làm lạnh nhanh, ống nano cacbon hình thành ngưng tụ nhờ hệ thống làm lạnh điện cực đồng ✘ ✘ Nếu dùng bia graphit tinh khiết thu ống nano đa tường ( MWCNTs) Nếu bia pha thêm khoảng 1,2 % nguyên tử Co/Ni với khối lượng Ni Co thu ống nano đơn tường ✘ ✘ Ưu điểm : sản phẩm có độ cao so với hồ quang điện Tuy nhiên lượng sản phẩm tạo mà lại tốn C, PP lắng đọng pha hóa học (CVD) ✘ + Cấu tạo : bao gồm ống thạch anh, thông thường có đường kính 15-20mm, chiều dài từ 1m đến 1.2m,được bao quanh lò nhiệt có khả nâng nhiệt thời gian ngắn Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt ✘ Hiệu suất chất lượng sản phẩm CNTs thu chế tạo phương pháp phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhiệt độ phản ứng, xúc tác, nguồn cung cấp hydrocacbon, thời gian phản ứng, lưu lượng khí… ✘ Hầu hết phương pháp CVD nhiệt thường dùng dể chế tạo ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) với nguồn hydrocacbon thuờng dùng axetylene ✘ Ðể tăng hiệu suất , việc sử dụng thích hợp điều kiện như: nhiệt độ, tỷ lệ liều lượng khí chất xúc tác kim loại, người ta sử dụng thêm chất hỗ trợ xúc tác chẳng hạn CaCO3, MgCO3 , v.v… ✘ PP lắng đọng pha hóa học phương pháp chế tạo ống nano cacbon phổ biến có nhiều điểm khác so với phương pháp phóng điện hồ quang bốc bay laser ✘ Phóng điện hồ quang bốc bay laser 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 phút hàng ✘ Mặt hạn chế pp phóng điện hồ quang và bốc bay laser sản phẩn CNTs không đều, xếp hỗ độn không theo quy tắc cho trước định hướng bề mặt THANKS! Any questions? You can find me at ✘ ✘ @kiềutrinh trinhkh@gmail.me v .. .Vật Liệu nano cacbon Lịch sử phát Cacbon triển Fullerenes Ống nano cacbon I, Lịch sử giới thiệu chung Trước năm 1985, người ta cho cacbon tồn dạng thù hình : vơ... cao thường phương pháp hay lựa chọn.bản 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 cuộn lại lớp than chì độ... mjang 1,7 nm Mỗi bó gồm hàng trăm ống nano cacbon đơn tường nằm song song với chiều dài lên tới vài mm 2 Cấu trúc ống nano cacbon ✘ Cấu trúc vật liệu ống nano cacbon (CTNs) đặc trưng vecto Chiral