Nghiên cứu tổng hợp, biến tính vật liệu cacbon nano ống và ứng dụng

Năm 1991, vật liệu cacbon nano ống (carbon nanotubes - CNTs) được phát hiện bởi nhà nghiên cứu Nhật Bản - Iijima khi ông điều chế fulleren (một dạng thù hình của cacbon có cấu trúc hình cầu - C 60 ) bằng cách phóng điện hồ quang trong môi trường khí trơ. CNTs sở hữu nhiều tính chất đặc trưng hoàn hảo như khả năng dẫn điện, độ cứng cao, độ dẫn nhiệt tốt… vượt trội hơn so với nhiều vật liệu khác [69]. CNTs được tìm thấy trong đám muội than ở điện cực âm của thiết bị hồ quang điện, chúng có cấu trúc hình trụ với đường kính cỡ nanomet được tạo bởi một hay nhiều tấm graphen (lớp đơn nguyên tử gồm các nguyên tử cacbon lai hóa sp 2 được sắp xếp thành các vòng lục giác) cuộn tròn lại [69]. Như vậy, phóng điện hồ quang là một trong những phương pháp được sử dụng để tổng hợp loại vật liệu này. Kể từ khi được phát hiện, CNTs đã trở thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu khoa học sôi động bậc nhất. Sau đó, năm 1994, Guo và cộng sự [61] đã sử dụng phương pháp cắt laser để tổng hợp CNTs từ hơi cacbon. Nhược điểm của phương pháp hồ quang điện và cắt laser đòi hỏi nhiệt độ rất cao (trên 3000 0 C) nên thiết bị rất phức tạp và CNTs tạo thành thường lẫn nhiều tạp chất và thường tạo thành đám làm cản trở bước làm sạch và những ứng dụng sau đó. Phương pháp thứ ba đã được Endo [47] sử dụng để tổng hợp CNTs vào năm 1993 là lắng đọng hơi hóa học (Chemical Vapour Deposition-CVD). Cho đến nay, phương pháp CVD đã được sử dụng phổ biến để tổng hợp CNTs nhờ nhiệt độ tổng hợp thấp (dưới 1000 0 C), đơn giản, hiệu suất và độ tinh khiết của sản phẩm cao [146]. Khi sử dụng phương pháp CVD để tổng hợp CNTs, nguồn nguyên liệu chứa cacbon dạng khí như các hidrocacbon sẽ bị phân hủy ở nhiệt độ xác định và hơi cacbon được lắng đọng trên các hạt xúc tác thường là những kim loại chuyển tiếp như Fe, Co hay Ni và phát triển thành cấu trúc ống cacbon [43], [46]. Để có được xúc tác kim loại, trước đây, hầu như tất cả các nghiên cứu trên thế giới đều sử dụng một lượng lớn hidro làm nguồn khử xúc tác từ oxit thành kim loại [36], [37], [52], [80], [115], [122], [155] trước khi tiến hành quá trình phân hủy hidrocacbon và duy trì dòng khí hidro trong suốt quá trình tổng hợp với vai trò tạo môi trường khử ngăn sự oxi hóa CNTs tạo thành. Một số rất ít các nghiên cứu không sử dụng khí hidro nguyên liệu trong quá trình tổng hợp nhưng với xúc tác là Co và Ni là chủ yếu [97], [98]. Vì lượng khí hidro cần cho quá trình khử khá lớn nên sản phẩm CNTs tạo thành có giá thành cao và đặc biệt làm tăng mức độ nguy hiểm khi vận hành thiết bị có chứa khí hidro ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, do vậy quá trình tổng hợp CNTs vẫn cần được kiểm soát rất chặt chẽ. Ở Việt Nam, một số công trình nghiên cứu về vật liệu cacbon nano ống đã và đang được triển khai, song đa số là những nghiên cứu ứng dụng vật liệu như nghiên cứu hiệu ứng gia cường của ống nano cacbon đối với vật liệu polyme [7], ứng dụng làm cảm biến khí [64], [68], [78], hay khả năng tích trữ hidro điện hóa [9], xác định vết chì (Pb), indi (In) và cadimi (Cd) bằng phương pháp von-ampe hòa tan anot sử dụng điện cực paste ống nanocacbon biến tính bằng Bi 2 O 3 [6], một số các nghiên cứu tổng hợp CNTs như nhóm nghiên cứu của Huỳnh Anh Hoàng, Nguyễn Hữu Phú và Nguyễn Đình Lâm đã đưa ra những điều kiện tối ưu hóa tổng hợp ống nano cacbon từ khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) bằng phương pháp CVD với sự có mặt của khí H 2 [3]. Do vậy, những nghiên cứu tổng hợp CNTs không sử dụng khí hidro là rất cần thiết. Dầu mỏ là một trong những nhiên liệu hóa thạch quan trọng nhất của xã hội hiện đại, được sử dụng cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Tuy nhiên, việc chế biến và sử dụng các sản phẩm của dầu mỏ cũng cần được kiểm soát, do trong dầu mỏ luôn tồn tại một thành phần không mong muốn là các hợp chất chứa lưu huỳnh (thiophen, benzothiophen, dibenzothiophen, mercaptan, sunfua…). Khi cháy, các hợp chất này sẽ tạo ra khí sunfurơ là khí độc, gây ô nhiễm môi trường và gây hại đối với sức khỏe con người và động vật. Do vậy, hàm lượng lưu huỳnh trong các sản phẩm dầu mỏ trên thế giới hiện nay đang được quy định ngày càng nghiêm ngặt. Tiêu chuẩn Euro V là tiêu chuẩn cao nhất hiện nay với quy định hàm lượng lưu huỳnh trong diezen dưới 10 ppm. Việt Nam dự kiến vào năm 2021 sẽ áp dụng Tiêu chuẩn Euro V cho các sản phẩm dầu mỏ sử dụng trong nước. Do vậy, những