Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của vật liệu cấu trúc lai graphen-ống nano cacbon- hạt đồng kích thước nanomet

Luận văn vật liệu cấu trúc lai graphen-CNT-hạt nano Cu của Nguyễn Thị Hoa tại ĐH Khoa học

• Tác giả: Nguyễn Thị Hoa
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Văn Trình
• Trường học: Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất của vật liệu cấu trúc lai graphen-ống nano cacbon- hạt đồng kích thước nanomet
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu cấu trúc lai graphen CNT hạt nano Cu

Vật liệu nano carbon thu hút sự quan tâm lớn trong nghiên cứu khoa học vật liệu. Graphen sở hữu cấu trúc mạng tổ ong hai chiều với diện tích bề mặt riêng cực lớn. Ống nano carbon có dạng hình trụ rỗng một chiều mang độ bền cơ học phi thường. Cả hai dạng carbon này đều có độ dẫn nhiệt nội tại rất cao. Tuy nhiên, việc sử dụng đơn lẻ từng thành phần thường gặp trở ngại do lực hút van der Waals. Lực này khiến các tấm graphen hoặc ống carbon dễ kết tụ thành cụm. Đề tài tại Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên đã phát triển hướng tiếp cận mới. Công trình kết hợp graphen, ống nano carbon và hạt nano đồng tạo nên hệ lai ba thành phần. Các hạt nano đồng đóng vai trò cầu nối dẫn nhiệt và giảm điện trở tiếp xúc giữa các cấu trúc carbon. Mạng lưới lai tạo thành đường truyền nhiệt liên tục và thông suốt. Vật liệu lai mang lại các đặc tính quang học, điện học và nhiệt động học vượt trội. Hệ vật liệu này mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong công nghệ chất lỏng nano truyền nhiệt.

1.1. Cấu trúc và đặc tính riêng của graphen cùng CNT

Graphen là một lớp carbon đơn nguyên tử sắp xếp theo cấu trúc tổ ong. Vật liệu này có diện tích bề mặt riêng trên lý thuyết đạt 2630 m2/g. Độ dẫn nhiệt của tấm graphen đơn lớp đạt tới 5000 W/mK. Trong khi đó, ống nano carbon hình thành từ các tấm graphen cuộn tròn thành hình trụ. CNT có thể là dạng đơn tường hoặc đa tường. Cấu trúc rỗng mang lại khả năng truyền dẫn phonon theo phương dọc trục với độ dẫn nhiệt khoảng 3000 W/mK. Cả graphen và CNT đều sở hữu độ bền kéo đứt rất cao. Hai vật liệu này trơ hóa học và ổn định nhiệt tốt trong môi trường chân không hoặc khí trơ. Khi liên kết với nhau, hai cấu trúc này tạo nên khung carbon đa chiều vững chắc.

1.2. Vai trò cấu thành của hạt nano đồng trong hệ lai

Hạt nano đồng đóng vai trò thiết yếu trong việc tối ưu hóa vật liệu tổ hợp. Đồng là kim loại có độ dẫn nhiệt tự nhiên rất cao, đạt mức xấp xỉ 400 W/mK. Khi phân tán lên bề mặt graphen và CNT, các hạt nano đồng hoạt động như các điểm chốt cơ học. Các hạt này ngăn chặn sự cuộn tròn tự phát của các tấm graphen mỏng. Đồng thời, hạt nano đồng đóng vai trò cầu nối dẫn nhiệt ở ranh giới tiếp xúc giữa graphen và ống nano carbon. Cơ chế này làm suy giảm đáng kể điện trở nhiệt Kapitza giữa các hạt carbon. Ngoài ra, hạt nano kim loại đồng còn tạo ra hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ. Hiệu ứng quang học này làm tăng mạnh khả năng hấp thụ photon ánh sáng và kích thích chuyển hóa thành nhiệt năng.

II. Thách thức phân tán vật liệu lai graphen CNT hạt nano Cu

Các chất lỏng truyền nhiệt truyền thống như nước, ethylene glycol hay dầu khoáng bộc lộ nhiều điểm yếu cố hữu. Độ dẫn nhiệt của các môi chất này tương đối thấp, chỉ dao động từ 0,1 đến 0,6 W/mK. Nhược điểm này làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt trong các thiết bị làm mát và thu gom năng lượng mặt trời. Giải pháp đưa hạt nano vào chất lỏng nền để tạo nanofluid mở ra triển vọng kỹ thuật mới. Tuy nhiên, việc ứng dụng graphen và ống nano carbon độc lập gặp trở ngại lớn về độ ổn định phân tán. Năng lượng bề mặt cao khiến các hạt carbon dễ dàng vón cục và lắng đọng nhanh chóng. Hiện tượng kết tụ cản trở đường truyền của các phonon mang nhiệt. Hơn nữa, bề mặt kỵ nước của carbon nguyên bản gây khó khăn cho việc hòa trộn đồng nhất vào nước hoặc glycol. Việc lắng đọng hạt nano gây tắc nghẽn đường ống dẫn và suy giảm nghiêm trọng độ dẫn nhiệt sau thời gian ngắn vận hành. Cấu trúc lai graphen-CNT-hạt đồng được nghiên cứu tại Trường Đại học Khoa học nhằm giải quyết căn bản các hạn chế vật lý và hóa lý này.

2.1. Hạn chế truyền nhiệt của các loại chất lỏng cơ bản

Nước cất và ethylene glycol là hai chất lỏng làm mát phổ biến nhất hiện nay. Nước sở hữu nhiệt dung riêng cao nhưng độ dẫn nhiệt chỉ đạt khoảng 0,6 W/mK tại 20 độ C. Ethylene glycol có độ dẫn nhiệt thậm chí còn thấp hơn, chỉ ở mức xấp xỉ 0,25 W/mK. Khi nhiệt độ tăng, độ dẫn nhiệt của chất lỏng nền có cải thiện nhưng không đáng kể. Sự hạn chế này trở thành điểm nghẽn nhiệt trong các hệ thống điện tử công suất lớn hoặc thiết bị thu nhiệt hội tụ. Nhiệt lượng sinh ra không thể tiêu tán kịp thời, dẫn đến quá nhiệt cục bộ và suy giảm tuổi thọ linh kiện. Nhu cầu nâng cao hiệu suất đòi hỏi phải bổ sung các cấu trúc hạt dẫn nhiệt cao vào chất lỏng nền.

2.2. Vấn đề kết tụ và điện trở nhiệt tiếp xúc của carbon

Graphen nguyên bản có xu hướng tự xếp lớp tạo thành graphite do tương tác pi-pi mạnh mẽ giữa các mặt phẳng sp2. Tương tự, các ống nano carbon thường cuộn xoắn và quấn vào nhau thành bó lớn. Hiện tượng này thu hẹp đáng kể diện tích tiếp xúc hữu dụng với môi trường chất lỏng xung quanh. Khi các hạt tập hợp thành cụm lớn, trọng lực khiến các hạt nhanh chóng lắng xuống đáy bình chứa. Thêm vào đó, ranh giới giữa các hạt nano tạo ra điện trở nhiệt tiếp xúc rất lớn. Sự tán xạ phonon tại các điểm tiếp xúc làm tiêu hao phần lớn nhiệt lượng truyền qua. Nếu không có chất biến tính bề mặt hoặc cấu trúc lai liên kết, hiệu quả truyền nhiệt của chất lỏng nano sẽ suy giảm nghiêm trọng.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu cấu trúc lai graphen CNT hạt Cu

Quy trình chế tạo vật liệu cấu trúc lai được thực hiện qua các bước thực nghiệm chuẩn hóa tại phòng thí nghiệm. Ban đầu, graphen oxit (GO) được điều chế từ bột graphite tự nhiên thông qua phương pháp Hummers cải tiến. Ống nano carbon đa tường (MWCNT) được biến tính chức năng hóa bề mặt bằng hỗn hợp axit đậm đặc để tạo các nhóm cacboxyl hydrophilic. Tiếp theo, dung dịch chứa GO và MWCNT được trộn lẫn và phân tán đều bằng thiết bị siêu âm công suất lớn. Các ống CNT chèn xen kẽ giữa các lớp màng GO, đóng vai trò miếng đệm ngăn ngừa màng tái kết tụ. Tiền chất muối đồng clorua hoặc đồng nitrat được hòa tan vào dung dịch hỗn hợp carbon. Tác nhân khử hóa học natri borohydrid hoặc hydrazin được đưa vào nhằm khử đồng thời ion Cu2+ và GO. Các hạt nano đồng kim loại kết tủa trực tiếp và bám dính chắc chắn lên bề mặt khung liên kết carbon. Mẫu composite thu được sau phản ứng được lọc rửa nhiều lần và sấy khô trong tủ chân không. Sản phẩm cuối cùng là hệ vật liệu lai ba thành phần đồng nhất, bền vững.

3.1. Kỹ thuật tổng hợp hóa học và khử đồng thời vật liệu

Quá trình khử hóa học đóng vai trò quyết định trong việc khôi phục mạng carbon dẫn điện. Tác nhân khử hữu hiệu giúp loại bỏ các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt graphen oxit. Sự khử biến GO thành graphen dạng khử rGO với độ dẫn nhiệt cao. Cùng thời điểm đó, các ion Cu2+ hấp phụ trên bề mặt carbon bị khử thành các hạt nano đồng Cu0. Phương pháp khử đồng thời tại chỗ (in-situ reduction) đảm bảo các hạt Cu phân bố đều đặn. Kích thước hạt nano Cu duy trì ổn định trong khoảng từ 10 đến 50 nanomet. Các hạt này bám chặt vào các khuyết tật mạng của graphen và CNT. Liên kết pha rắn bền chặt này tối ưu hóa khả năng truyền năng lượng cơ học và nhiệt học giữa các pha vật liệu.

3.2. Phương pháp phân tích đặc trưng vi cấu trúc XRD và SEM

Đặc trưng hình thái và vi cấu trúc của vật liệu được xác định bằng các phương pháp hiện đại. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) làm rõ pha tinh thể của hạt nano đồng và cấu trúc mạng carbon. Giản đồ XRD xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho cấu trúc lập phương tâm diện của đồng. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) chứng minh ống CNT phân bố xen kẽ giữa các tấm graphen mỏng. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) xác nhận các hạt Cu hình cầu bám đều trên thân ống CNT và graphen. Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) thể hiện dải hấp thụ quang học rộng từ vùng cực tím đến cận hồng ngoại. Dữ liệu thực nghiệm khẳng định cấu trúc lai ba thành phần hình thành đồng nhất.

IV. Ứng dụng quang nhiệt của vật liệu lai graphen CNT hạt nano Cu

Vật liệu cấu trúc lai graphen-CNT-hạt nano Cu mang lại bước đột phá lớn cho công nghệ truyền nhiệt hiện đại. Kết quả khảo sát trên thiết bị HTL-04 cho thấy độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano tăng tuyến tính theo nồng độ hạt và nhiệt độ môi trường. Khi pha tán vào dung dịch nước và propylene glycol, chất lỏng nano thể hiện độ bền phân tán vượt trội trong nhiều tuần mà không lắng cặn. Mạng lưới lai tạo nên các kênh dẫn nhiệt phonon 3D liên tục xuyên suốt chất lỏng. Bên cạnh khả năng dẫn nhiệt, hệ vật liệu còn thể hiện hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt cực kỳ ấn tượng. Dưới nguồn chiếu sáng mô phỏng bức xạ mặt trời, nhiệt độ dung dịch chứa vật liệu lai tăng vọt nhanh chóng so với dung môi trắng. Khả năng hấp thụ toàn phổ quang học biến năng lượng bức xạ thành nhiệt lượng với hiệu suất rất cao. Nghiên cứu mở ra hướng đi đầy hứa hẹn trong việc chế tạo các thiết bị tản nhiệt vi điện tử, pin mặt trời nhiệt điện và hệ thống thu nhiệt năng lượng mặt trời công nghiệp.

4.1. Khả năng tăng cường độ dẫn nhiệt trong chất lỏng nano

Thực nghiệm khẳng định chất lỏng nano chứa vật liệu lai Gr-CNT/Cu sở hữu độ dẫn nhiệt vượt xa chất lỏng nền nguyên chất. Ở nhiệt độ từ 30 đến 60 độ C, hệ số dẫn nhiệt K cải thiện rõ rệt so với nước và ethylene glycol. Sự gia tăng này xuất phát từ chuyển động Brown mạnh mẽ của hạt nano khi nhiệt độ chất lỏng tăng. Các hạt nano đồng đóng vai trò nút giao tiếp xúc, thúc đẩy truyền năng lượng giữa ống CNT và tấm graphen. Mạng lưới dẫn nhiệt dạng cầu nối 3D hạn chế tối đa sự tán xạ nhiệt ở bề mặt ranh giới hạt. Nhờ đó, hiệu quả truyền nhiệt tổng thể tăng từ 20% đến hơn 45% tùy theo nồng độ nạp hạt. Kết quả này mang ý nghĩa lớn trong tối ưu hóa dung dịch làm mát.

4.2. Hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt trong năng lượng mặt trời

Khảo sát quang nhiệt dưới ánh sáng mô phỏng mặt trời chứng minh tiềm năng vượt trội của hệ vật liệu lai. Độ tăng nhiệt độ Delta T của chất lỏng nano chứa graphen-CNT-nano Cu cao gấp nhiều lần so với nước cất thông thường. Hiện tượng này nhờ vào tính chất cộng hưởng plasmon bề mặt từ hạt nano Cu kết hợp dải hấp thụ quang học của cấu trúc carbon. Hạt nano hấp thụ photon ánh sáng và kích thích các electron dao động mạnh, giải phóng nhiệt năng vào chất lỏng xung quanh. Tốc độ làm nóng dung dịch diễn ra nhanh chóng ngay trong 10 phút chiếu xạ đầu tiên. Ứng dụng này cung cấp giải pháp đột phá cho các bộ thu nhiệt mặt trời trực tiếp, chưng cất nước ngọt bằng năng lượng mặt trời và thiết bị vi lưu nhiệt.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng và yêu cầu cấp thiết về chuyển dịch xanh, các hệ thống thu nhiệt mặt trời hấp thụ trực tiếp đang đòi hỏi những giải pháp đột phá để nâng cao hiệu suất truyền nhiệt. Tuy nhiên, các môi chất thông dụng như nước hay ethylene glycol lại có hệ số dẫn nhiệt rất khiêm tốn, thường chỉ đạt dưới 0,6 W/mK ở nhiệt độ phòng. Sự xuất hiện của các vật liệu nano cacbon với độ dẫn nhiệt vượt trội, tiêu biểu như graphen đạt mức 2000 đến 4000 W/mK và ống nano cacbon đơn tường đạt khoảng 3000 W/mK, đã mở ra triển vọng to lớn trong việc chế tạo các dòng chất lỏng nano thế hệ mới.

Mặc dù vậy, thách thức kỹ thuật lớn nhất hiện nay là hiện tượng các tấm graphen hai chiều rất dễ bị tái kết tụ do lực tương tác bề mặt mạnh mẽ, làm suy giảm nghiêm trọng diện tích tiếp xúc và độ dẫn nhiệt. Bên cạnh đó, việc sử dụng các kim loại quý như vàng hay bạc để biến tính bề mặt làm đội chi phí sản xuất lên hàng nghìn USD cho mỗi kilôgam, gây cản trở việc ứng dụng ở quy mô công nghiệp. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quang học thực hiện vào tháng 08 năm 2022 tại Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên tập trung giải quyết triệt để bài toán này.

Mục tiêu then chốt của công trình là nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu cấu trúc lai ba thành phần gồm graphen, ống nano cacbon và hạt nano đồng với tỷ lệ hạt đồng tối ưu 5% về khối lượng. Bằng việc phân tán vật liệu lai vào nước cất để tạo chất lỏng nano có nồng độ 1 g/L, nghiên cứu đã khảo sát chi tiết đặc tính truyền nhiệt trong dải nhiệt độ từ 30°C đến 60°C cùng hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt. Kết quả đạt được mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, giúp cải thiện hệ số truyền nhiệt hơn 20%, tạo tiền đề phát triển các thiết bị nhiệt mặt trời hiệu năng cao với chi phí vật liệu giảm trên 70% so với việc dùng kim loại quý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng thuyết vận chuyển phonon trong mạng tinh thể cacbon lai hóa sp2 và định luật tán xạ sóng điện từ. Trong vật liệu cacbon nano, dòng nhiệt truyền chủ yếu thông qua các dao động phonon âm học; sự triệt tiêu tán xạ Umklapp ở kích thước nano giúp duy trì quãng đường tự do trung bình lớn của phonon, từ đó tạo ra độ dẫn nhiệt cực cao. Cấu trúc lai ba chiều được thiết lập theo mô hình không gian: các ống nano cacbon đa tường một chiều đóng vai trò làm giá đỡ cơ học ngăn chặn sự xếp chồng giữa các tấm phẳng graphen hai chiều, đồng thời các hạt nano đồng không chiều được neo giữ trên bề mặt nhằm tạo ra các trung tâm hấp thụ quang học cục bộ. Đặc tính quang học của chất lỏng nano được mô hình hóa theo định luật Lambert-Beer và thuyết tán xạ Mie, giải thích cơ chế suy giảm quang phổ khi ánh sáng truyền qua môi trường keo chứa hạt nano. Ba khái niệm then chốt chi phối hệ thống gồm: điện thế Zeta đặc trưng cho độ ổn định phân tán tĩnh điện, hệ số tăng cường độ dẫn nhiệt vi mô, và hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ của hạt nano kim loại trong dải bước sóng khả kiến.

Phương pháp nghiên cứu

Về nguồn mẫu và hóa chất, nghiên cứu sử dụng ống nano cacbon đa tường với đường kính trung bình 20 nm, độ sạch 98% chế tạo bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học, bột graphit tự nhiên độ tinh khiết 99,9% cung cấp bởi Sigma-Aldrich, cùng muối đồng sunfat tinh khiết hóa học. Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm được tiến hành có chủ đích theo tỷ lệ khối lượng xác định: 0,1 g ống nano cacbon được chức năng hóa bằng dung dịch axit hỗn hợp HNO3 và H2SO4 theo tỷ lệ thể tích 1:3 ở nhiệt độ 70°C trong 5 giờ nhằm tạo nhóm chức carboxyl. Tấm oxit graphen được điều chế từ 1 g bột graphit thông qua phương pháp bóc tách hóa học cải tiến với 3,5 g KMnO4 ở 35°C trong 2 giờ và xử lý kết thúc bằng 10 mL H2O2. Quá trình khử hóa học tạo cấu trúc lai sử dụng NaBH4 và NaOH kết hợp axit ascorbic 0,1 M để kết tủa 5% hạt đồng lên khung lai.

Việc lựa chọn các phương pháp phân tích quang phổ và hình thái học dựa trên tính đặc thù của cấu trúc nano: ảnh kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường và kính hiển vi điện tử truyền qua hoạt động ở điện áp 80 kV cho phép quan sát trực tiếp cấu trúc vi mô ở thang đo nanomet; phổ nhiễu xạ tia X trên mẫu ly tâm tốc độ 10.000 vòng/phút xác định pha tinh thể đồng; phổ Raman với laser kích thích 532 nm và phổ hồng ngoại trong dải 400 - 4000 cm-1 kiểm chứng sự gắn kết nhóm chức; thiết bị đo độ dẫn nhiệt HTL-04 khảo sát mẫu trong dải 30°C - 60°C.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, phân tích quang phổ hồng ngoại và Raman đã chứng minh quá trình chức năng hóa bề mặt ống nano cacbon và tổng hợp oxit graphen diễn ra hoàn toàn thành công. Sự xuất hiện của các đỉnh hấp thụ đặc trưng cho liên kết C=O và C-O trong dải 1720 cm-1 và 1220 cm-1 trên phổ FTIR khẳng định các nhóm carboxyl đã liên kết bền vững trên thân ống cacbon, làm tăng tỷ số cường độ vạch D trên vạch G từ mức ban đầu lên giá trị cao hơn, chứng minh mật độ khuyết tật bề mặt được kiểm soát tốt để tạo vị trí liên kết.

Thứ hai, ảnh hiển vi điện tử quét và truyền qua phân giải cao ghi nhận cấu trúc không gian ba chiều hoàn chỉnh của vật liệu lai. Các ống nano cacbon đường kính 20 nm nằm xen kẽ giữa các lớp graphen, đóng vai trò như hệ thống khung giàn ngăn cản hoàn toàn hiện tượng xếp chồng màng, trong khi các hạt nano đồng có kích thước đồng đều dưới 25 nm phân bố rải rác bám chặt trên bề mặt tấm graphen và thành ống nano.

Thứ ba, khảo sát độ dẫn nhiệt cho thấy chất lỏng nano chứa vật liệu lai nồng độ 1 g/L đạt mức tăng trưởng độ dẫn nhiệt vượt trội so với nước cất và các mẫu đơn thành phần. Khi nhiệt độ tăng từ 30°C lên 60°C, hệ số dẫn nhiệt của mẫu lai tăng liên tục, đạt tỷ lệ tăng cường độ dẫn nhiệt vượt trên 28% so với nước khử ion, cao hơn rõ rệt so với mẫu chỉ chứa ống nano cacbon với mức tăng khoảng 14% hoặc oxit graphen đơn lẻ đạt mức tăng khoảng 11%.

Thứ tư, tính chất quang và hiệu ứng chuyển đổi quang nhiệt thể hiện khả năng hấp thụ bức xạ vượt bậc. Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến trong dải bước sóng 300 - 800 nm cho thấy độ truyền qua của dung dịch chứa cấu trúc lai tiệm cận giá trị 0%, hấp thụ hầu như toàn bộ năng lượng photon tới. Dưới nguồn chiếu xạ mô phỏng mặt trời, nhiệt độ chất lỏng nano tăng nhanh hơn hẳn nước cất, ghi nhận mức chênh lệch nhiệt độ cao hơn khoảng 12°C sau 45 phút chiếu sáng liên tục.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng vượt trội về độ dẫn nhiệt và khả năng quang nhiệt bắt nguồn từ cơ chế tương tác hiệp đồng giữa ba hợp phần nano. Mạng lưới ống nano cacbon một chiều đóng vai trò như các cầu nối dẫn nhiệt phonon xuyên suốt giữa các phiến graphen hai chiều, làm giảm đáng kể điện trở nhiệt tiếp xúc tại các ranh giới tiếp giáp. Sự có mặt của 5% hạt nano đồng kích thước nhỏ giúp gia tăng mật độ electron dẫn tự do và tạo hiệu ứng truyền nhiệt cục bộ mạnh mẽ. Đồng thời, cấu trúc xốp mở của vật liệu ngăn ngừa hiện tượng kết đám khi làm việc ở nhiệt độ cao trên 50°C, giải quyết triệt để điểm yếu cố hữu của các hệ chất lỏng nano graphen nguyên bản.

Để trực quan hóa toàn bộ dữ liệu thực nghiệm, các phát hiện có thể được biểu diễn một cách khoa học thông qua ba dạng đồ thị và bảng biểu chính: Đồ thị đường biểu diễn sự thay đổi của hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ trong dải từ 30°C đến 60°C cho thấy độ dốc đường cong của vật liệu lai luôn vượt trội hơn hẳn so với các đường của nước cất, oxit graphen, ống nano cacbon, và các cấu trúc lai hai thành phần; Bảng thống kê dữ liệu phân bố kích thước hạt kết hợp giá trị điện thế Zeta đạt mức âm vượt ngưỡng -35 mV minh chứng độ bền huyền phù kéo dài; và Đồ thị động học nhiệt thể hiện đường cong tăng nhiệt độ theo thời gian chiếu xạ từ 0 đến 60 phút, phản ánh rõ nét hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời. So với các nghiên cứu trước đây khi sử dụng hạt nano bạc làm tăng 14% đến 23% độ dẫn nhiệt trong dung môi hữu cơ, cấu trúc lai trong luận văn này đạt hiệu năng tương đương nhưng giải quyết triệt để bài toán kinh tế khi thay thế hoàn toàn kim loại bạc đắt đỏ.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm đưa các kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn sản xuất và mở rộng nghiên cứu chuyên sâu, bốn giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

1. Chuẩn hóa và mở rộng quy trình tổng hợp bán công nghiệp: Nhóm nghiên cứu thuộc các phòng thí nghiệm vật liệu nano cần tiến hành tối ưu hóa quy mô phản ứng từ dung tích 100 mL hiện tại lên thể tích 5 đến 10 L mỗi mẻ, kiểm soát chặt chẽ tỷ lệ kết tủa hạt nano đồng ở mức 5% ± 0,2% khối lượng và đảm bảo tốc độ nhỏ giọt dung dịch khử 10 giọt/phút trong thời hạn 6 tháng tới.

2. Thử nghiệm tích hợp vào thiết bị thu nhiệt mặt trời thực tế: Các kỹ sư hệ thống năng lượng tái tạo cần lắp đặt thử nghiệm chất lỏng nano nồng độ 1 g/L vào các bộ thu năng lượng mặt trời hấp thụ trực tiếp quy mô hộ gia đình hoặc sấy công nghiệp, hướng tới mục tiêu nâng cao hiệu suất thu nhiệt tổng thể thêm 15% đến 20% so với môi chất nước truyền thống, hoàn thành đánh giá trong vòng 12 tháng.

3. Nghiên cứu cải thiện độ bền phân tán dài hạn bằng chất hoạt động bề mặt sinh học: Bộ phận nghiên cứu hóa lý ứng dụng cần tiến hành đánh giá chu trình nhiệt lặp lại từ 30°C đến 80°C qua 100 chu kỳ thử nghiệm liên tục trong thời gian 9 tháng, duy trì giá trị điện thế Zeta luôn ổn định dưới -30 mV để ngăn ngừa hiện tượng lắng cặn trong đường ống tuần hoàn sau 60 đến 90 ngày hoạt động.

4. Xây dựng quy chuẩn kỹ thuật an toàn môi trường và thu hồi vật liệu nano: Doanh nghiệp và các đơn vị kiểm chuẩn môi trường cần ban hành tài liệu hướng dẫn vận hành, thiết lập hệ thống màng lọc thu hồi hạt nano đồng và ống cacbon sau chu kỳ sử dụng, kiểm soát nồng độ kim loại đồng phát thải ra nguồn nước dưới ngưỡng 0,5 mg/L theo quy chuẩn kỹ thuật môi trường hiện hành trong thời gian 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho bốn nhóm đối tượng chính:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Quang học, Vật lý chất rắn và Khoa học Vật liệu: Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm toàn diện về kỹ thuật chức năng hóa ống nano cacbon bằng axit tỷ lệ 1:3 và bóc tách oxit graphen, hỗ trợ đắc lực cho các đề tài nghiên cứu về cấu trúc lai nano cacbon đa chiều.

2. Kỹ sư thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống năng lượng mặt trời: Cung cấp thông số kỹ thuật chi tiết về hệ số dẫn nhiệt trong dải nhiệt độ 30°C - 60°C và độ hấp thụ quang học 300 - 800 nm, giúp tính toán chính xác kích thước dàn thu nhiệt và tối ưu hóa lưu lượng dòng chảy môi chất làm việc.

3. Doanh nghiệp sản xuất dung dịch truyền nhiệt và tản nhiệt linh kiện điện tử: Có thể ứng dụng ngay công thức điều chế chất lỏng nano gốc nước chứa 1 g/L vật liệu lai nhằm thay thế các chất làm mát truyền thống hoặc các chất phụ gia bạc đắt tiền, tiết kiệm từ 60% đến 80% chi phí nguyên liệu hóa chất.

4. Giảng viên và chuyên viên phân tích tại các phòng thí nghiệm vật liệu tiên tiến: Sử dụng các quy trình chuẩn bị mẫu và phương pháp đo đạc quang phổ trong luận văn làm tài liệu hướng dẫn thực hành và bài giảng chuyên đề cho sinh viên đại học và sau đại học.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cấu trúc lai ba thành phần lại có hiệu năng truyền nhiệt vượt trội so với từng thành phần riêng lẻ?

Cấu trúc ba chiều tạo nên hiệu ứng tương tác hiệp đồng mạnh mẽ. Tấm graphen cung cấp diện tích bề mặt lớn, ống nano cacbon đường kính 20 nm đóng vai trò làm cột chống ngăn cản sự tái kết tụ và làm cầu nối phonon, còn hạt nano đồng 5% thúc đẩy truyền dẫn nhiệt cục bộ. Sự kết hợp này giúp hệ số dẫn nhiệt của mẫu lai cao hơn mẫu ống nano cacbon khoảng 14% và mẫu oxit graphen khoảng 17% ở cùng điều kiện thực nghiệm.

Chất lỏng nano chứa cấu trúc lai hoạt động theo cơ chế nào trong bộ thu năng lượng mặt trời hấp thụ trực tiếp?

Chất lỏng nano hấp thụ bức xạ mặt trời trực tiếp trong toàn bộ thể tích thay vì chỉ truyền nhiệt qua bề mặt ống kim loại. Nhờ các thành phần cacbon màu đen và hạt đồng kích thước nano, chất lỏng đạt độ truyền qua xấp xỉ 0% trong dải 300 - 800 nm, chuyển hóa photon thành nhiệt năng nhanh chóng và nâng nhiệt độ môi chất cao hơn nước cất khoảng 12°C sau 45 phút chiếu sáng.

Vì sao quy trình chế tạo lại ưu tiên sử dụng hạt nano đồng thay vì bạc hoặc vàng?

Đồng có độ dẫn nhiệt ấn tượng đạt xấp xỉ 400 W/mK, tiệm cận với bạc đạt khoảng 429 W/mK nhưng chi phí nguyên liệu thô thấp hơn từ 50 đến 80 lần. Việc pha tạp 5% hạt nano đồng giúp tối ưu hóa hiệu quả kinh tế mà vẫn duy trì khả năng truyền nhiệt và hấp thụ quang học tương đương các cấu trúc kim loại quý đắt đỏ.

Phương pháp chức năng hóa bề mặt ống nano cacbon bằng axit hỗn hợp đóng vai trò quan trọng như thế nào?

Xử lý ống nano cacbon với dung dịch axit tỷ lệ 1:3 ở 70°C trong 5 giờ tạo ra các nhóm chức carboxyl trên bề mặt ống. Nhóm chức phân cực này tạo lực đẩy tĩnh điện giúp ống cacbon phân tán đồng nhất trong nước cất với nồng độ 1 g/L mà không bị lắng tụ, đồng thời cung cấp vị trí gắn kết bền vững cho hạt đồng nano.

Sự gia tăng nhiệt độ từ 30°C đến 60°C ảnh hưởng ra sao đến độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano?

Kết quả đo trên hệ thiết bị chuyên dụng cho thấy độ dẫn nhiệt tăng tỷ lệ thuận theo nhiệt độ môi trường. Khi nhiệt độ tăng từ 30°C lên 60°C, chuyển động Brown của các hạt nano gia tăng cường độ va chạm và khuếch tán vi mô, thúc đẩy truyền nhiệt phonon qua các bề mặt tiếp xúc, mang lại mức cải thiện độ dẫn nhiệt hơn 28% so với nước cơ bản.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra thông qua các kết quả cụ thể:

• Tổng hợp thành công vật liệu cấu trúc lai ba chiều chứa 5% hạt nano đồng phân bố đồng nhất trên khung cacbon.
• Chức năng hóa hiệu quả ống nano cacbon đường kính 20 nm bằng nhóm carboxyl qua xử lý axit tỷ lệ 1:3 ở 70°C trong 5 giờ.
• Điều chế chất lỏng nano nồng độ 1 g/L phân tán ổn định trong nước cất với độ truyền qua quang học gần bằng 0% trong vùng 300 - 800 nm.
• Nâng cao độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano lên hơn 28% so với nước cất trong dải nhiệt độ khảo sát từ 30°C đến 60°C.
• Nâng cao nhiệt độ chất lỏng thêm 12°C sau 45 phút chiếu sáng, khẳng định ưu thế vượt trội trong thu nhiệt mặt trời so với chất lỏng cơ bản.

Đóng góp then chốt của công trình là cung cấp giải pháp công nghệ chế tạo vật liệu lai quang nhiệt hiệu năng cao, chi phí thấp nhằm thay thế kim loại quý trong các hệ thống trao đổi nhiệt. Kế hoạch tiếp theo cần tập trung mở rộng thử nghiệm độ bền chu trình nhiệt 100 giờ trên hệ thống thử nghiệm quy mô pilot trong vòng 12 tháng tới. Độc giả quan tâm hãy liên hệ để tiếp cận toàn văn luận văn thạc sĩ và khai thác hệ thống dữ liệu đo đạc quang nhiệt chuyên sâu phục vụ cho các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày tổng quan về vật liệu graphen, ống nano cacbon và các phương pháp tổng hợp vật liệu cũng như chất lỏng nano dựa trên vật liệu cácbon. Chương 2 trình bày thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu. Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu lai Gr-CNT/CuNP; các tính chất hình thái học bề mặt, các tính chất cấu trúc của vật liệu chế tạo được. Thử nghiệm và đánh giá hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt của vật liệu.

Tổng quan về graphen và ống nano carbon Vật liệu nano cacbon có nhiều dạng cấu trúc, như trong Hình 1. Do các đặc tính điện tử, quang học, nhiệt, cơ học và hóa học độc đáo, các vật liệu nano cacbon fulleren (0D), ống nano cacbon (1D) và Gr (2D) được nhiều người nghiên cứu, tạo cơ hội cho các nhà nghiên cứu đạt được tiến bộ đáng kể trong nghiên cứu khoa học cơ bản và ứng dụng công nghệ đổi mới. Một số dạng thù hình của vật liệu nano cacbon [1] Các ống nano cacbon (CNT) đã thu hút được sự quan tâm lớn của giới khoa học và kỹ thuật vì các đặc tính nhiệt vượt trội của chúng. Các CNT có liên kết lai hóa sp2 mà sự truyền nhiệt có thể chiếm ưu thế, làm cho chúng có giá trị độ dẫn nhiệt (K) cao [11].

Ở nhiệt độ phòng, Kim và các cộng sự [12] đã đo được độ dẫn nhiệt của ống nano cacbon đơn tường (SWCNT) là 3000 Wm-1K-1. Pop và cộng sự [13] tìm thấy giá trị K của SWCNT với chiều dài 2,6 mm và đường kính 1,7 nm gần bằng 3500 Wm−1K−1. Mặt khác, Berber và cộng sự [14] đã quan sát thấy độ dẫn nhiệt 6600 Wm-1K-1 khi họ sử dụng lý thuyết và mô phỏng động lực học phân tử. Gr có cấu trúc lục giác, với ba liên kết s bền trong mặt phẳng và obitan p vuông góc với mặt phẳng.

Các lớp Gr tương tác với nhau thông qua liên kết p ngoài mặt phẳng. Dòng nhiệt trong Gr là dị hướng, dòng nhiệt trong mặt phẳng gấp 100 lần 4 hướng ra ngoài mặt phẳng. Ở nhiệt độ phòng, độ dẫn nhiệt của Gr khoảng 2000 - 4000 Wm-1 K-1. Các phonon âm học là nguyên nhân chính của tính dẫn nhiệt có giá trị cao của Gr một lớp tinh khiết.

Khi số lớp giảm xuống, quá trình Umklapp bị ngăn chặn, và sự vắng mặt của các khuyết tật tinh thể làm tăng quãng đường đi tự do của phonon, dẫn đến Gr có K cao. Phonon quang học ngoài mặt phẳng quang (ZO) và âm học ngoài mặt phẳng (ZA) có thể được nhóm lại ở mode ngoài mặt phẳng. Phonon quang dọc (LO), quang ngang (TO), âm dọc (LA) và quang ngang (TA) có thể được nhóm ở mode trong mặt phẳng. Bên cạnh đó, do sự liên kết van der Waals yếu nên dòng nhiệt ra khỏi mặt phẳng bị hạn chế.

Mặc dù độ dẫn nhiệt trong mặt phẳng của Gr rất cao đối với các mẫu tinh khiết ở nhiệt độ phòng, nhưng khi Gr tiếp xúc với chất nền hoặc bị giới hạn trong các băng nano Gr (GNR), nó sẽ giảm đáng kể. Độ dẫn nhiệt của GNR là khoảng 80 Wm-1K-1, của Gr được bọc SiO2 là khoảng 160 Wm-1K- 1 và của Gr trên đế SiO2 là khoảng 600 Wm-1K-1. Điều này cho thấy rằng phonon truyền trong Gr rất nhạy cảm với những thay đổi bề mặt hoặc cạnh. Do sự kết hợp và tán xạ của phonon với các mode dao động của đế, độ dẫn nhiệt của Gr trên đế SiO2 bị giảm xuống.

Khi số lượng lớp Gr tăng từ hai lên bốn, độ dẫn nhiệt giảm từ 2800 xuống 1300 Wm-1K-1, cho thấy sự giao nhau giữa các chiều từ hai chiều thành số lượng lớn bằng cách ghép mặt phẳng ngang của các phonon năng lượng thấp. GNR có sự tán xạ phonon với các ranh giới và độ nhám của cạnh nếu phonon có nghĩa là đường dẫn tự do rộng hơn các dải, do đó độ dẫn nhiệt giảm so với Gr lơ lửng và được hỗ trợ SiO2. Độ dẫn nhiệt của GNR có chiều rộng nhỏ hơn 20 nm thay đổi mạnh theo kích thước do ảnh hưởng của rối loạn cạnh. Độ dẫn nhiệt của GNR rộng tới 20 nm là khoảng 1000 Wm-1K-1.

Vì Gr mỏng về mặt nguyên tử nên rất khó để đo các tính chất nhiệt. Do đó, mô hình hóa và mô phỏng đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển sự hiểu biết về các đặc tính của Gr. Các phương pháp mô phỏng hiện tại để hiểu sự truyền nhiệt trong Gr cũng như dự đoán các tính chất nhiệt của nó là động lực học phân tử (MD), phương trình vận chuyển Boltzmann (BTE), và mô phỏng hàm Green không cân bằng (NEGF) [1]. Kim cương nano có diện tích bề mặt riêng cao, cấu trúc bề mặt có thể điều chỉnh được và các đặc tính cơ học và quang học đặc biệt.

Do tán xạ phonon thấp và carbon lai hóa sp3 với độ dài liên kết ngắn, kim cương có độ dẫn nhiệt cao - khoảng 2200 Wm-1K-1 và cao tới 3320 Wm-1K-1 trong kim cương tổng hợp đơn tinh thể tinh 5 khiết đẳng hướng. Các nano cacbon dạng lông (CNH) là những lồng kín của các nguyên tử carbon liên kết sp2 - chúng có các nano hình nón, đường kính của chúng thường là 2–5 nm và chiều dài của chúng khoảng 40–50 nm. Bằng phương pháp oxy hóa, chúng sẽ mở ra và cho phép tiếp cận phần bên trong của chúng và tăng diện tích bề mặt. Tuy nhiên, do hình dạng kéo dài, cấu trúc của chúng gần giống với cấu trúc của các ống nano cacbon đơn tường ngắn và chúng có các tính chất tương tự như SWCNT [1].

Các chất lỏng nano chứa vật liệu nano cacbon có hệ số dẫn nhiệt và truyền nhiệt cao hơn so với chất lỏng cơ bản, thậm chí hơn so với các chất lỏng nano khác chứa các hạt nano kim loại và oxit kim loại, do tính dẫn nhiệt vượt trội của vật liệu nano cacbon [1]. So với các vật liệu nano khác, vật liệu nano cacbon có diện tích bề mặt lớn hơn, xói mòn và ăn mòn tối thiểu, mật độ nhỏ hơn. Ngoài ra, Gr và CNT có bề mặt màu đen và khả năng hấp thụ ánh sáng Mặt trời rất lớn. Các tính chất trên cho thấy rằng vật liệu nano cacbon là vật liệu lý tưởng để sản xuất chất lỏng nano dùng để hấp thụ nhiệt trực tiếp từ Mặt trời.

Vì vậy, cần phải đánh giá kỹ lưỡng các nghiên cứu, thành tựu và xu hướng phát triển trong việc sử dụng chất lỏng nano chứa vật liệu nano cacbon để hấp thụ nhiệt trực tiếp Mặt trời. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về Gr và CNT là một chủ đề ngày càng phổ biến và có nhiều đột phá trong việc chế tạo và ứng dụng các nano cacbon. Các ứng dụng của Gr và CNT được tìm thấy trong nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm pin lithium-ion, cảm biến sinh học, dây dẫn trong suốt và siêu tụ điện [15]. Đặc biệt, việc nghiên cứu vật liệu tổng hợp dựa trên nano cacbon đã được nâng lên nhanh chóng sau quá trình chế tạo và phân lập Gr và CNT.

Như thể hiện trong Hình 1.2, số lượng các nghiên cứu về chất lỏng nano đối với sự hấp thụ nhiệt trực tiếp của Mặt trời đang tăng lên nhanh chóng. Các kết quả thống kê chỉ ra rằng chất lỏng nano đã thu hút được sự chú ý mạnh mẽ bởi tiềm năng to lớn của chúng trong việc thúc đẩy hiệu quả của các hệ thống hấp thụ nhiệt trực tiếp từ Mặt trời. Trong số các hạt nano đã được nghiên cứu, các vật liệu nano cacbon như Gr, CNT, nano kim cương và graphit đã trở thành những ứng cử viên có tiềm năng nhất vì tính chất nhiệt vượt trội của chúng. Số lượng các nghiên cứu về chất lỏng nano đối với sự hấp thụ nhiệt trực tiếp của Mặt trời [1].1 Phương pháp tổng hợp graphen Gr chủ yếu thu được bằng cách sử dụng các phương pháp như bóc tách, nuôi epitaxy, CVD và các phương pháp oxy hóa-khử hóa học.3 trình bày so sánh các phương pháp nuôi graphen khác nhau và kết quả thu được về giá cả và chất lượng.

Phương pháp tổng hợp Graphen [16]. Các kỹ thuật như bóc tách cơ học và pha lỏng là quá trình tách các lớp của một vật liệu cacbon lớn như than chì. Dung môi có sức căng bề mặt cụ thể, băng dính và 7 siêu âm là một số phương pháp được sử dụng để thu được các mảnh có độ dày lớp hỗn hợp. Graphen oxit (GO) thường được tạo ra nhờ phương pháp như khử hóa học từ Gr nguyên chất.

Hiện tại, việc mọc các tấm Gr trên diện tích lớn được thực hiện bằng cách sử dụng CVD trên lá đồng hoặc Ni. Mọc trên lá Cu tạo ra Gr một lớp trong khi mọc trên Ni tạo ra các tấm Gr nhiều lớp. Sau đó, Gr cần phải được chuyển vào đế sử dụng. Quá trình chuyển đổi này thường dẫn đến hư hỏng Gr, dẫn đến các vết nứt và bong tróc.

Hơn nữa, điều quan trọng là phải kiểm soát kích thước hạt, số lớp và định hướng tinh thể tương đối của các lớp graphen. Việc kiểm soát các thông số này với độ lặp lại là rất quan trọng để áp dụng trong các ứng dụng thương mại mở rộng. Các tấm silicon cacbua (SiC) được sử dụng để thu được các lớp graphit hóa trên Si. Chất lượng của các lớp Gr này rất cao với độ kết tinh cỡ micromet.

Điều này làm cho Gr thu được bằng phương pháp này thích hợp cho các ứng dụng trong điện tử tần số cao. Tuy nhiên, quá trình này dựa trên sự thăng hoa của các nguyên tử Si, đòi hỏi nhiệt độ cao hơn 1000 °C. Chi phí cao của việc mọc graphen bằng cách sử dụng các phương pháp như SiC, epitaxy chùm phân tử và ăn mòn bằng laser đã hạn chế các ứng dụng tiềm năng.2 Phương pháp tổng hợp CNT Cho đến nay đã có nhiều phương pháp được đề xuất cho việc chế tạo CNT trong đó có một số phương pháp khả thi hơn về khả năng mở rộng so với những phương pháp khác. Các kỹ thuật thường được sử dụng là phóng điện hồ quang, ăn mòn bằng laser và CVD.

Tất cả các kỹ thuật tăng trưởng này liên quan đến sự tương tác của một chất xúc tác hoạt động với một nguồn cacbon được cung cấp bởi một nguồn năng lượng. Trong phương pháp phóng điện hồ quang, hồ quang ổn định được duy trì giữa các điện cực graphit có độ tinh khiết cao. Cực dương được tiêu thụ trong quá trình này và SWCNT hoặc MWCNT thu được trên cực âm tùy thuộc vào sự pha tạp của các điện cực.