Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường nghiên cứu quá trình phân tán ống nanocacbon đa thành mwnts trong nước bằng chất hoạt động bề mặt

Nghiên cứu quá trình phân tán ống nanocacbon đa thành MWNTs trong nước bằng chất hoạt động bề mặt, ứng dụng trong khoa học vật liệu.

• Tác giả: Nguyễn Thị Minh Nguyệt
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu quá trình phân tán ống nanocacbon đa thành (MWNTs) trong nước bằng chất hoạt động bề mặt
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp trường
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu phân tán ống nanocacbon MWNTs

Nghiên cứu tập trung vào việc phân tán ống nanocacbon đa thành (MWNTs) trong nước bằng chất hoạt động bề mặt. Ống nanocacbon có nhiều tính chất ưu việt như độ bền cơ học, tính dẫn điện, và khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao. Tuy nhiên, việc phân tán đồng đều MWNTs trong môi trường nước vẫn là thách thức lớn. Nghiên cứu này sử dụng chất hoạt động bề mặt như Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) và Triton X-100 để cải thiện độ phân tán và ổn định của MWNTs.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là tối ưu hóa quy trình phân tán ống nanocacbon trong nước bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt. Nghiên cứu cũng nhằm xác định tỷ lệ tối ưu giữa MWNTs và chất hoạt động bề mặt để đạt được độ phân tán cao nhất. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần mở rộng ứng dụng của MWNTs trong các lĩnh vực như vật liệu composite, điện tử, và công nghệ sinh học.

1.2. Phương pháp tiếp cận

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa làm sạch và phân tán ống nanocacbon. Quy trình làm sạch bao gồm oxi hóa nhiệt và xử lý bằng axit clohydric (HCl) để loại bỏ tạp chất. Sau đó, MWNTs được phân tán trong nước bằng chất hoạt động bề mặt SDS và Triton X-100. Phương pháp quang phổ UV-Vis được sử dụng để xác định hệ số hấp thụ và đánh giá hiệu quả phân tán.

II. Tổng quan về ống nanocacbon và chất hoạt động bề mặt

Ống nanocacbon (CNTs) là vật liệu có cấu trúc đặc biệt, được hình thành từ sự cuộn tròn của các lớp graphene. MWNTs gồm nhiều lớp graphene, có đường kính từ 5-50 nm. Chất hoạt động bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc phân tán MWNTs bằng cách giảm sức căng bề mặt và tăng độ ổn định của hệ huyền phù. Các loại chất hoạt động bề mặt như SDS và Triton X-100 được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu này.

2.1. Cấu trúc và tính chất của MWNTs

MWNTs có cấu trúc đa lớp graphene, với khoảng cách giữa các lớp là 0.347 nm. Tính chất của MWNTs phụ thuộc vào hướng cuộn và góc xoắn của các lớp graphene. MWNTs có độ bền cơ học cao, khả năng dẫn điện tốt, và khả năng chịu nhiệt vượt trội, làm cho chúng trở thành vật liệu tiềm năng trong nhiều ứng dụng công nghệ cao.

2.2. Vai trò của chất hoạt động bề mặt

Chất hoạt động bề mặt giúp phân tán MWNTs bằng cách hấp phụ lên bề mặt của ống nanocacbon, tạo ra lực đẩy tĩnh điện hoặc lực steric giữa các ống. SDS và Triton X-100 là hai loại chất hoạt động bề mặt được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu này. SDS có tính chất ion, trong khi Triton X-100 là chất không ion, mang lại hiệu quả phân tán khác nhau.

III. Phương pháp thực nghiệm

Nghiên cứu thực hiện hai quy trình chính: làm sạch MWNTs và phân tán ống nanocacbon trong nước bằng chất hoạt động bề mặt. Quy trình làm sạch bao gồm oxi hóa nhiệt và xử lý bằng HCl để loại bỏ tạp chất. Sau đó, MWNTs được phân tán trong dung dịch nước chứa SDS hoặc Triton X-100. Phương pháp quang phổ UV-Vis được sử dụng để xác định hệ số hấp thụ và đánh giá hiệu quả phân tán.

3.1. Quy trình làm sạch MWNTs

Quy trình làm sạch bao gồm hai bước: oxi hóa nhiệt ở 460°C trong 24 giờ và xử lý bằng HCl 37%. Oxi hóa nhiệt giúp loại bỏ carbon vô định hình và các tạp chất khác, trong khi xử lý bằng HCl loại bỏ các hạt xúc tác còn lại. Sản phẩm sau khi làm sạch được đặt tên là M-P và được phân tích bằng TEM, SEM, TGA, và Raman để đánh giá độ tinh khiết.

3.2. Phân tán MWNTs bằng chất hoạt động bề mặt

MWNTs sau khi làm sạch được phân tán trong dung dịch nước chứa SDS hoặc Triton X-100. Quá trình phân tán được hỗ trợ bằng sóng siêu âm để tăng hiệu quả. Hệ số hấp thụ của MWNTs được xác định bằng phương pháp quang phổ UV-Vis. Kết quả cho thấy Triton X-100 mang lại hiệu quả phân tán cao hơn so với SDS.

IV. Kết quả và ứng dụng

Nghiên cứu đã xác định được tỷ lệ tối ưu giữa MWNTs và chất hoạt động bề mặt để đạt độ phân tán cao nhất. Triton X-100 cho thấy hiệu quả phân tán vượt trội so với SDS. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng MWNTs trong các lĩnh vực như vật liệu composite, điện tử, và công nghệ sinh học. Nghiên cứu cũng mở ra hướng phát triển mới trong việc tối ưu hóa quy trình phân tán ống nanocacbon.

4.1. Hiệu quả phân tán của chất hoạt động bề mặt

Kết quả nghiên cứu cho thấy Triton X-100 mang lại hiệu quả phân tán cao hơn SDS. Tỷ lệ tối ưu giữa MWNTs và Triton X-100 được xác định là 1:40. Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt vượt quá hoặc thấp hơn tỷ lệ này, độ phân tán của MWNTs giảm đáng kể.

4.2. Ứng dụng thực tế

Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao trong việc ứng dụng MWNTs trong các lĩnh vực công nghệ cao. Kết quả phân tán ổn định của MWNTs mở ra tiềm năng ứng dụng trong vật liệu composite, thiết bị điện tử, và cảm biến sinh học. Nghiên cứu cũng góp phần tối ưu hóa quy trình sản xuất và ứng dụng ống nanocacbon trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Việc phát hiện ra ống nano cacbon (CNTs) đã thu hút sự quan tâm to lớn của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới do các tính chất đặc biệt của chúng như tính chất điện, tính chất quang, tính chất cơ học, hóa học…Với những tính chất hiếm có này,có thể thấy rằng sản phẩm ống nano carbon là ứng viên cho rất nhiều các ứng dụng tiềm năng như ứng dụng trong vật liệu composite, các thiết bị phát xạ trường, các vi điện tử, đầu dò, bộ lọc quang học và các ứng dụng sinh học khác. Tuy nhiên, để những ứng dụng đó trở thành hiện thực một trong các thách thức lớn cần vượt qua là khả năng phân tán đồng đều sản phẩm. Mặc dù đã có khá nhiều các công trình nghiên cứu về lĩnh vực này đã được công bố nhưng việc phân tán và giữ ổn định các sản phẩm ống nano carbon trong các dung môi và môi trường ở cả kích thước micro và nano vẫn còn là vấn đề vô cùng cần thiết và đáng được quan tâm. Có hai cách tiếp cận khác nhau đang được sử dụng để phân tán CNTs là phương pháp cơ học (vật lý) và phương pháp hóa học.

Phương pháp vật lý chủ yếu dựa trên việc sử dụng sóng siêu âm (ultrasonication) nên tốn nhiều thời gian và hiệu quả không cao. Phương pháp hóa học sử dụng các chất hoạt động bề mặt hoặc gắn các nhóm chức để thay đổi năng lượng bề mặt của các ống nano cacbon. Một vấn đề lớn là việc gắn các nhóm chức khác nhau bằng phản ứng hóa học sẽ làm gia tăng khuyết tật trên bề mặt ống nano cacbon. Điều này có thể làm thay đổi tính chất điện và tính chất cơ của CNTs.

Để tránh được tình trạng này và cải thiện đáng kể độ phân tán của CNTs, chúng tôi đã đưa ra một phương pháp kết hợp đơn giản mà hiệu quả giữa quá trình làm sạch và biến tính bề mặt CNTs bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt để đảm bảo rằng cấu trúc của chúng không bị ảnh hưởng đáng kể. Trong phạm vi đề tài này, đầu tiên chúng tôi sẽ làm sạch MWNTs thông qua một quy trình đơn giản bao gồm hai giai đoạn: oxi hóa trong không khí và xử lý bằng axit clohydric (HCl), sau đó phân tán chúng trong môi trường nước bằng cách sử dụng các loại chất hoạt động bề mặt khác nhau: Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) 7 Báo cáo nghiệm thu Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng và Triton X-100. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng sản phẩm cuối cùng có độ tinh khiết cao (95%) và vai trò của quá trình làm sạch cũng được thể hiện rất rõ nét trong việc phân tán MWNTs ở cấp độ nano. Bằng cách sử dụng quang phổ UV-Vis, hệ số hấp thụ (ε) của MWNTs được xác định.

Thông qua giá trị này, phép phân tích so sánh sự phân tán của MWNTs khi sử dụng hai chất hoạt động bề mặt – Triton X-100 và SDS được thực hiện. Kết quả cho thấy rằng Triton X-100 mang lại hiệu quả phân tán cao hơn SDS. Tỷ lệ tối ưu giữa CNT với từng chất hoạt động bề mặt cũng được xác định. Thông số này cho thấy có ảnh hưởng đáng kể đến sự phân tán ống nano cacbon.

Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt sử dụng cao hơn hay thấp hơn tỉ lệ này đều làm giảm mức độ phân tán của MWNTs. 8 Báo cáo nghiệm thu Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Ống nano carbon (CNTs) 2.1 Cấu trúc của ống nano carbon Ống nano cácbon là một dạng thù hình của cacbon, nó được xem như là sự cuộn tròn của một hay một vài lớp graphene với đường kính trong khoảng vài nanometer đến vài chục nanomet (nm) và chiều dài có thể lên tới vài centimet, vì vậy có cái tên gọi “ống nano”. Ống nano cacbon có thể phân chia thành hai nhóm chính: Ống nano cacbon đơn thành (single-walled carbon nanotubes – SWNTs) Ống nano cacbon đa thành (multi-walled carbon nanotubes – MWNTs).1 Lưới graphite và vector cuộn của CNTs Cấu trúc của các nguyên tử cacbon trong tấm graphene xác định tính chất của CNTs. Ví dụ, hướng xoắn và góc xoắn của ống nano cacbon so với trục của tubes xác định tính chất điện - điện tử của tube.

Để miêu tả đặc tính cơ bản của tubes, hai vectơ Ch và T đã được sử dụng như hình dưới đây. 9 Báo cáo nghiệm thu Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Ch là vector xác định hướng scuộn trên bề mặt của tube, nó kết nối hai nguyên tử cácbon cân bằng lại với r r r Ch = na1 + ma2 = (n, m) (2.1) r r Trong đó: a1 và a 2 hai vectơ đơn vị của graphite n và m là các số nguyên. n và m cũng được gọi là chỉ số và xác định góc cuộn của tubes [ q = tan -1 3(n /(2m + n))] (2.2) Góc cuộn của tubes và các chỉ số n, m được sử dụng để phân loại ống nano cacbon thành 3 nhóm sau đây: Armchair: n = m, q =30° Zig-zag: m = 0, n > 0, q =0° Chiral: 0< ‫׀‬m‫ < ׀‬n, 0<q <30° 10 Báo cáo nghiệm thu Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Hình 2.2 Các hướng cuộn khác nhau của tấm graphene Trong 3 nhóm nanotubes nêu trên, loại armchair luôn có tính chất kim loại, loại zig-zag và loại chirals có thể mang tính kim loại hoặc bán dẫn.3 Tính chất của CNTs phụ thuộc vào các vector cuộn Đường kính của nanotubes có thể tính được theo công thức sau: [ ] d t = 3 a C -C m 2 + mn + n 2 / p = C h / p (2.3) Trong đó Ch là chiều dài của vectơ Ch, và ac-c là chiều dài của liên kết C-C (1. Như vậy, một nanotubes có thể được xác định bởi cặp chỉ số (n, m) hoặc thông qua công thức liên quan giữa dt và q.

Ống nano cacbon đa thành chứa nhiều lớp graphene. Khoảng cách giữa hai thành trong nanotubes là 0,347nm. Đường kính của MWNT có thể trải dài từ 5 - 50nm trong khi đó đường kính của SWNT chỉ trong khoảng 0.2 Tính chất của ống nano cacbon 11 Báo cáo nghiệm thu Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Như đã trình bày ở trên, ống nano cacbon có nhiều tính chất ưu việt mà những loại vật liệu đã biết trước đây không có, điều này đã góp phần thu hút các nhà khoa học ở nhiều lĩnh vực khác nhau tập trung nghiên cứu [4,5]. Dưới đây chúng tôi giới thiệu một bảng tổng kết sơ bộ về các đặc tính ưu việt của ống nano: Bảng 2.1 So sánh cơ tính của ống nano với một số dạng vật liệu khác Young’s modulus Tensile strength Density (GPa) (GPa) (g/cm3) MWNT 1200 ~150 2.4 So sánh nhiệt dung riêng của ống nano cacbon và graphite 12 Báo cáo nghiệm thu Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng 2.3 Khả năng ứng dụng của ống nano cacbon Ống nano carbon có rất nhiều ứng dụng trong các ngành công nghệ mũi nhọn của các nước có nền khoa học tiên tiến trên thế giới.

Trong đó có các ứng dụng trong các ngành công nghệ vũ trụ, công nghệ vi xử lý, công nghệ sinh học, vi điện tử. Ứng dụng trong công nghệ vũ trụ: vì ống nano cacbon có độ bền cơ học rất cao và khả năng chịu nhiệt tốt nên nó hoàn toàn có khả năng ứng dụng trong các vật liệu chế tạo tàu vũ trụ. Ứng dụng trong vi mạch: Với những tính năng siêu việt về khả năng dẫn, độ ổn định, các nhà khoa học đã hướng tới những ứng dụng của ống nano cacbon trong công nghệ vi mạch. Năm 2001, hãng sản xuất vi xử lý hàng đầu thế giới IBM đã công bố các nghiên cứu khả năng sử dụng ống nano cacbon để chế tạo transistor trong các con chip máy tính.

Công trình của IBM đã mở ra một hướng đột phá mới cho bộ vi xử lý tích hợp hơn 10 tỷ transistor. Ứng dụng trong pin giấy: Pin giấy được chế tạo từ các lớp màng mỏng được ngâm trong dung dịch ống nano carbon. Ống nano tạo bản điện cực cho phép lưu trữ dòng điện dẫn. Ứng dụng trong pin năng lượng mặt trời (Solar cells): Được phát triển bởi viện công nghệ New Jersey, loại pin này sử dụng ống nano cacbon phức hợp, cấu thành bởi ống nano carbon và carbon buckyballs.

Tuy nhiên, hãng AMBIT mới là nơi phát triển thành công sản phẩm này với sự cải thiện lớn về mặt hiệu suất sử dụng pin. Ứng dụng trong cảm biến: hãng Nanomix (5/2005) đã tạo bước đột phá trên thị trường các sản phẩm sensor khi công bố sản phẩm sensor hydrogene trên cơ sở dùng ống nano cacbon. Cảm biến này có ứng dụng rất lớn trong các lĩnh vực dò tìm ADN, dò tìm khí gas… 13 Báo cáo nghiệm thu Nguyễn Thị Minh Nguyệt Lê Văn Thăng Đột phá trong vật liệu siêu dẫn: Các nhà khoa học Achentina và Mỹ vừa cho biết họ đã cải thiện đáng kể tính năng siêu dẫn của hợp kim MgB2 bằng cách pha vào ống nano cacbon hai thành (Double-walled carbon nanotubes-DWNT). Như vậy, bằng các tính chất đặc biệt của mình, ống nano carbon đã thu hút được sự quan tâm chú ý của nhiều nhà khoa học, các tập đoàn lớn trên thế giới.

Cho đến thời điểm hiện nay, đã có được một số những ứng dụng ban đầu, tuy nhiên theo đánh giá của các nhà khoa học thì những khả năng ứng dụng đã tìm thấy mới chỉ thể hiện được một phần rất nhỏ tiềm năng của ống nano carbon à tiềm năng ứng dụng trong tương lai của ống nano cacbon vẫn còn rất lớn và nhiều thách thức.2 Sơ lược về chất hoạt động bề mặt Đối với nhiều ứng dụng trong kỹ thuật và cộng nghiệp thì việc phân tán ổn định và đồng nhất của các hạt vật chất đóng vai trò rất quan trọng. Yêu cầu này càng trở nên quan trọng đối với các hạt có kích thước nano. Với mục tiêu đó, ngành hóa học bề mặt chính là ngành có thể kiểm soát trạng thái phân tán của các hạt trong sản phẩm tạo ra. Vì vậy việc tìm hiểu các thuộc tính bề mặt để đạt được sản phẩm với những tính chất mong muốn là vô cùng quan trọng.

Lượng chất hoạt động bề mặt tích tụ tại các bề mặt hoặc tại liên diện được kiểm soát để tăng cường sự phân tán của các chất rắn trong các môi trường khác nhau [6-10]. Các phân tử ‘amphiphilic’, tức là các hợp chất có 1 đầu phân cực và một đầu không phân cực, hấp phụ tại liên diện các pha không trộn lẫn, chẳng hạn như dầu với nước, không khí và nước hay các hạt trong dung dịch, có vai trò làm giảm sức căng bề mặt.