Luận văn thạc sĩ: Kỹ thuật sản xuất tấm nanographene bằng lò vi sóng

• Tác giả: Nguyễn Hải Thái
• Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Văn Dán
• Trường học: Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Vật liệu kim loại & hợp kim
• Đề tài: Tổng hợp tấm nano-graphene bằng phương pháp dựa trên lò vi sóng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP.Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lịch sử về graphene
• 1.2. Phƣơng pháp tổng hợp và lý do lựa chọn đề tài
• 1.3. Mục đích nghiên cứu
• 1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.6. Các nghiên cứu bóc tách graphite bằng sóng vi ba trƣớc đây
• 1.6.1. Lý thuyết hợp chất xen kẽ của graphite
• 1.6.1.1. Hợp chất hai cấu tử
• 1.6.1.2. Hợp chất ba cấu tử
• 1.6.2. Lý thuyết nung nóng của sóng vi ba
• 1.6.3. Lý thuyết quá trình bóc tách bằng sóng siêu âm
• 1.6.4. Phổ FTIR (Fourier Transform Infrared Spectrometer) trong nghiên cứu tổng hợp graphene
• 1.6.5. Phổ XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) trong tổng hợp graphene
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM
• 3.1. Định hƣớng qui trình thí nghiệm
• 3.2. Tổng hợp nano-graphene bằng phƣơng pháp dựa trên lò vi sóng
• 3.3. Tổng hợp nano-graphene bằng phƣơng pháp khử graphene-oxit
• 3.4. Tạo màng graphene trên đế Si
• 3.5. Các phƣơng pháp đánh giá và phân tích vật liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Đề xuất hƣớng phát triển của đề tài
• Phụ lục
• Tài liệu tham khảo

I. Tổng quan về nghiên cứu tấm nanographene bằng phương pháp lò vi sóng

Nghiên cứu tấm nanographene bằng phương pháp lò vi sóng đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học. Nanographene là một dạng của graphene với cấu trúc hai chiều, có nhiều ứng dụng trong công nghệ nano và vật liệu mới. Phương pháp lò vi sóng được sử dụng để tổng hợp nanographene mang lại nhiều lợi ích, bao gồm quy trình đơn giản và hiệu quả cao. Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về tính chất của nanographene mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong tương lai.

1.1. Định nghĩa và cấu trúc của nanographene

Nanographene là một dạng của graphene, có cấu trúc lục giác đều với chiều dày chỉ bằng một nguyên tử carbon. Cấu trúc này mang lại cho nanographene nhiều tính chất ưu việt như độ dẫn điện cao và khả năng chống đứt gãy tốt.

1.2. Lịch sử nghiên cứu nanographene

Nghiên cứu về nanographene bắt đầu từ những năm 2000, khi các nhà khoa học phát hiện ra tính chất đặc biệt của graphene. Từ đó, nhiều phương pháp tổng hợp đã được phát triển, trong đó có phương pháp lò vi sóng.

II. Thách thức trong việc tổng hợp nanographene

Mặc dù có nhiều phương pháp tổng hợp nanographene, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc duy trì chất lượng và tính linh hoạt của sản phẩm. Các phương pháp truyền thống thường gặp khó khăn trong việc sản xuất hàng loạt mà không làm giảm chất lượng của nanographene. Do đó, việc tìm kiếm một phương pháp hiệu quả và an toàn là rất cần thiết.

2.1. Vấn đề về chất lượng nanographene

Chất lượng của nanographene thường bị ảnh hưởng bởi các tạp chất trong quá trình tổng hợp. Việc sử dụng các hóa chất mạnh có thể làm giảm tính chất của sản phẩm cuối cùng.

2.2. Khó khăn trong quy trình sản xuất hàng loạt

Nhiều phương pháp tổng hợp hiện tại không thể áp dụng cho sản xuất hàng loạt do quy trình phức tạp và yêu cầu thiết bị chuyên dụng. Điều này hạn chế khả năng ứng dụng của nanographene trong thực tế.

III. Phương pháp tổng hợp nanographene bằng lò vi sóng

Phương pháp lò vi sóng là một trong những giải pháp hiệu quả để tổng hợp nanographene. Phương pháp này sử dụng sóng vi sóng để tạo ra nhiệt độ cao, giúp tách lớp graphene từ graphite một cách nhanh chóng và hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp này không chỉ đơn giản mà còn tiết kiệm chi phí và thời gian.

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp lò vi sóng

Phương pháp lò vi sóng hoạt động dựa trên nguyên lý tạo ra nhiệt độ cao từ sóng vi sóng, giúp tách lớp graphene từ hợp chất graphite. Quá trình này diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.

3.2. Ưu điểm của phương pháp lò vi sóng

Phương pháp lò vi sóng có nhiều ưu điểm như quy trình đơn giản, thời gian ngắn và không sản sinh ra chất độc hại. Điều này làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho sản xuất hàng loạt nanographene.

IV. Tính chất của nanographene tổng hợp

Tấm nanographene tổng hợp bằng phương pháp lò vi sóng có nhiều tính chất nổi bật. Độ dẫn điện của nanographene đạt khoảng 180 S/m, cao hơn nhiều so với graphene-oxit. Các phép đo cho thấy rằng nanographene có cấu trúc ổn định và ít tạp chất, điều này giúp nâng cao hiệu suất trong các ứng dụng thực tiễn.

4.1. Độ dẫn điện của nanographene

Độ dẫn điện của nanographene tổng hợp đạt khoảng 180 S/m, cho thấy khả năng dẫn điện vượt trội so với graphene-oxit. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong lĩnh vực điện tử.

4.2. Tính ổn định và độ bền của nanographene

Tính ổn định của nanographene được xác định qua các phép đo cấu trúc và thành phần hóa học. Kết quả cho thấy nanographene có độ bền cao và ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài.

V. Ứng dụng thực tiễn của nanographene

Tấm nanographene tổng hợp bằng phương pháp lò vi sóng có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như điện tử, năng lượng và môi trường. Với tính chất dẫn điện cao và khả năng chống đứt gãy tốt, nanographene có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử tiên tiến, cảm biến và pin mặt trời.

5.1. Ứng dụng trong lĩnh vực điện tử

Nanographene có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử như transistor và cảm biến, nhờ vào tính dẫn điện cao và khả năng tương tác tốt với các vật liệu khác.

5.2. Ứng dụng trong năng lượng và môi trường

Nanographene có tiềm năng lớn trong lĩnh vực năng lượng, đặc biệt là trong sản xuất pin mặt trời và siêu tụ điện. Ngoài ra, nó cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng môi trường như cảm biến khí.

VI. Kết luận và tương lai của nghiên cứu nanographene

Nghiên cứu về nanographene bằng phương pháp lò vi sóng mở ra nhiều triển vọng cho các ứng dụng trong tương lai. Với những ưu điểm vượt trội về chất lượng và quy trình sản xuất, nanographene có thể trở thành vật liệu chủ chốt trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình và mở rộng ứng dụng của nanographene.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp lò vi sóng là một giải pháp hiệu quả để tổng hợp nanographene với chất lượng cao và chi phí thấp.

6.2. Hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng của nanographene trong các lĩnh vực như điện tử, năng lượng và môi trường.

Tổng quan nghiên cứu

Graphene, một vật liệu hai chiều cấu tạo từ một lớp nguyên tử cacbon sắp xếp theo mạng lục giác đều, đã thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực vật liệu tiên tiến nhờ các tính chất ưu việt như độ bền cơ học cao, độ dẫn điện và nhiệt xuất sắc. Theo ước tính, diện tích bề mặt graphene lên đến 2630 m²/g, độ dẫn nhiệt đạt khoảng (4,84 ± 0,44) × 10³ W/mK, và suất Young khoảng 1100 GPa. Tuy nhiên, việc tổng hợp graphene chất lượng cao với quy mô lớn vẫn là thách thức do các phương pháp hiện tại thường gặp phải sự đánh đổi giữa tính linh hoạt trong sản xuất và chất lượng sản phẩm.

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp tổng hợp tấm nano-graphene dựa trên lò vi sóng, sử dụng hợp chất xen kẽ K-THF-graphite làm nguyên liệu ban đầu, được tổng hợp qua quá trình solvothermal. Phương pháp này kết hợp hai bước bóc tách bằng sóng vi ba và sóng siêu âm nhằm tạo ra tấm nano-graphene có chiều dày khoảng 2 nm và kích thước chiều dài từ 3 đến 7 µm. Mục tiêu chính là khảo sát và so sánh đặc tính cấu trúc, thành phần hóa học và tính chất dẫn điện của nano-graphene thu được so với graphene tổng hợp bằng phương pháp khử graphene-oxit.

Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2014 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM. Ý nghĩa khoa học của đề tài là hoàn thiện quy trình tổng hợp graphene với khả năng sản xuất hàng loạt, trong khi ý nghĩa thực tiễn là góp phần làm chủ công nghệ sản xuất vật liệu nano tiên tiến, nâng cao giá trị sản phẩm trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết hợp chất xen kẽ của graphite: Graphite có thể tạo thành hợp chất xen kẽ với các ion hoặc phân tử, trong đó hợp chất K-THF-graphite là hợp chất ba cấu tử gồm ion K⁺ và phân tử THF xen kẽ giữa các lớp graphite, làm tăng khoảng cách giữa các lớp từ 3.35 Å lên khoảng 1.8–2 nm, giảm lực liên kết Van der Waals và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bóc tách.

• Lý thuyết nung nóng bằng sóng vi ba: Sóng vi ba có khả năng truyền năng lượng trực tiếp vào vật liệu, làm tăng nhiệt độ nhanh chóng nhờ sự hấp thụ của vật liệu (đặc trưng bởi hệ số mất mát điện môi tanδ). Quá trình nung nóng nhanh tạo áp suất cao trong hợp chất xen kẽ, giúp tách các lớp graphite thành tấm nano-graphene.

• Lý thuyết bóc tách bằng sóng siêu âm: Sóng siêu âm trong môi trường lỏng tạo ra hiện tượng cộng hưởng và hình thành các bong bóng khí (cavitation). Khi bong bóng vỡ, nhiệt độ và áp suất cực cao (khoảng 50000 K và 500 atm) cùng các tia nước tốc độ cao (~100 m/s) tạo lực cơ học mạnh, giúp tách các cụm graphite thành các tấm graphene mỏng.

• Phổ Raman: Sử dụng để xác định cấu trúc và độ dày của graphene qua các đỉnh đặc trưng D, G và 2D. Tỉ lệ cường độ ID/IG phản ánh mức độ sai hỏng trong cấu trúc, trong khi vị trí và hình dạng đỉnh 2D giúp xác định số lớp graphene.

• Phổ FTIR và XPS: FTIR xác định các nhóm chức còn tồn tại trên bề mặt graphene, trong khi XPS phân tích thành phần nguyên tố và trạng thái hóa học, đặc biệt là mức độ oxy hóa của graphene.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu graphite, KOH, tetrahydrofuran (THF) và các hóa chất khác để tổng hợp hợp chất xen kẽ K-THF-graphite qua quá trình solvothermal ở 250°C trong 72 giờ.

• Quy trình tổng hợp: Hợp chất xen kẽ được xử lý bằng lò vi sóng công suất 800 W, tần số 2450 MHz trong khoảng 10–40 giây để tạo áp suất tách lớp. Tiếp theo, sử dụng sóng siêu âm để bóc tách các tấm graphene mỏng hơn.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng các kỹ thuật SEM, TEM, AFM để khảo sát hình thái và kích thước tấm graphene; phổ Raman để đánh giá cấu trúc tinh thể; phổ FTIR và XPS để xác định thành phần hóa học; đo độ dẫn điện bằng hệ thống đo đặc trưng cường độ dòng và điện thế.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu được chuẩn bị theo quy trình chuẩn, đảm bảo đồng nhất và so sánh trực tiếp giữa graphene tổng hợp bằng phương pháp lò vi sóng và phương pháp khử graphene-oxit.

• Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2014, bao gồm các giai đoạn tổng hợp hợp chất xen kẽ, xử lý bằng sóng vi ba và siêu âm, phân tích đặc tính vật liệu và so sánh kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Kích thước và cấu trúc tấm nano-graphene: Tấm nano-graphene tổng hợp bằng phương pháp lò vi sóng có chiều dày khoảng 2 nm và chiều dài từ 3 đến 7 µm, trong khi graphene-oxit có kích thước nhỏ hơn và độ dày lớn hơn. Phổ Raman cho thấy kích thước vùng liên kết sp² của nano-graphene là 10–15 nm, lớn hơn nhiều so với graphene-oxit (2–5 nm).

2. Thành phần hóa học và mức độ oxy hóa: Phổ XPS và FTIR cho thấy nano-graphene tổng hợp bằng lò vi sóng có các đỉnh tương tự graphite nguyên chất, không xuất hiện các nhóm chức chứa oxy như graphene-oxit, chứng tỏ hàm lượng oxy thấp hơn rõ rệt.

3. Tính chất dẫn điện: Độ dẫn điện của nano-graphene thu được là khoảng 180 S/m, cao hơn rất nhiều so với graphene-oxit chỉ đạt khoảng 1 S/m, cho thấy chất lượng mạng tinh thể và khả năng dẫn điện được cải thiện đáng kể.

4. So sánh với phương pháp khử graphene-oxit: Phương pháp lò vi sóng đơn giản, chi phí thấp, không sinh ra chất độc hại và phù hợp cho sản xuất hàng loạt, trong khi phương pháp khử graphene-oxit có quy trình phức tạp, sử dụng các chất oxi hóa và khử mạnh gây ô nhiễm môi trường và làm giảm chất lượng sản phẩm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện chất lượng nano-graphene là do hợp chất xen kẽ K-THF-graphite làm tăng khoảng cách giữa các lớp graphite, kết hợp với quá trình nung nóng nhanh bằng sóng vi ba tạo áp suất cao giúp tách lớp hiệu quả mà không làm phá hủy cấu trúc sp². Sóng siêu âm tiếp tục bóc tách các tấm graphene thành kích thước nano với độ dày mỏng.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng hợp chất xen kẽ khác hoặc phương pháp nung nóng truyền thống, phương pháp này cho phép kiểm soát nhiệt độ và thời gian chính xác hơn, giảm thiểu cháy carbon và tăng hiệu suất bóc tách. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh phổ Raman, phổ XPS và biểu đồ cường độ dòng điện – điện áp (I-V) để minh họa sự khác biệt về cấu trúc và tính chất điện giữa các mẫu.

Kết quả này phù hợp với các báo cáo ngành về ưu điểm của phương pháp tổng hợp dựa trên lò vi sóng, đồng thời mở ra hướng phát triển sản xuất graphene quy mô lớn, thân thiện môi trường và chi phí hợp lý.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình solvothermal: Điều chỉnh nhiệt độ và thời gian phản ứng trong quá trình tổng hợp hợp chất K-THF-graphite nhằm tăng hiệu suất xen kẽ và chất lượng graphene, dự kiến hoàn thành trong 6 tháng, do nhóm nghiên cứu vật liệu thực hiện.

2. Nâng cấp thiết bị lò vi sóng có kiểm soát nhiệt độ chính xác: Trang bị lò vi sóng chuyên dụng với khả năng điều chỉnh công suất và nhiệt độ để tránh cháy carbon, nâng cao chất lượng sản phẩm, thực hiện trong 12 tháng, phối hợp với phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu.

3. Mở rộng quy mô sản xuất thử nghiệm: Áp dụng quy trình tổng hợp nano-graphene trên quy mô bán công nghiệp để đánh giá tính ổn định và khả năng sản xuất hàng loạt, thời gian 18 tháng, do doanh nghiệp hợp tác cùng viện nghiên cứu.

4. Phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực điện tử và cảm biến: Nghiên cứu tích hợp nano-graphene tổng hợp vào các thiết bị siêu tụ điện, cảm biến sinh học nhằm khai thác tối đa tính chất dẫn điện và diện tích bề mặt lớn, dự kiến trong 24 tháng, do nhóm nghiên cứu ứng dụng vật liệu thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano: Có thể áp dụng quy trình tổng hợp và kỹ thuật phân tích để phát triển các vật liệu graphene chất lượng cao phục vụ nghiên cứu cơ bản và ứng dụng.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu tiên tiến: Tham khảo để triển khai công nghệ sản xuất graphene quy mô lớn, giảm chi phí và tăng hiệu quả sản xuất thân thiện môi trường.

3. Giảng viên và sinh viên ngành vật liệu và hóa học: Sử dụng làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học về vật liệu carbon và công nghệ tổng hợp nano.

4. Chuyên gia phát triển sản phẩm điện tử và cảm biến: Áp dụng kiến thức về tính chất vật liệu graphene để thiết kế và cải tiến các thiết bị điện tử, cảm biến có hiệu suất cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp tổng hợp nano-graphene bằng lò vi sóng có ưu điểm gì so với phương pháp khử graphene-oxit?
   Phương pháp lò vi sóng đơn giản, nhanh, chi phí thấp và không sinh ra chất độc hại, đồng thời tạo ra nano-graphene có độ dẫn điện cao (180 S/m so với 1 S/m của graphene-oxit), phù hợp cho sản xuất hàng loạt.

2. Chiều dày và kích thước của tấm nano-graphene thu được là bao nhiêu?
   Nano-graphene có chiều dày khoảng 2 nm và chiều dài từ 3 đến 7 µm, lớn hơn đáng kể so với graphene-oxit, giúp cải thiện tính chất vật liệu.

3. Tại sao hợp chất K-THF-graphite được chọn làm nguyên liệu ban đầu?
   Hợp chất này làm tăng khoảng cách giữa các lớp graphite, giảm lực liên kết Van der Waals, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bóc tách bằng sóng vi ba và sóng siêu âm, đồng thời an toàn hơn so với sử dụng kali kim loại.

4. Phương pháp phân tích nào được sử dụng để đánh giá chất lượng nano-graphene?
   Sử dụng phổ Raman để xác định cấu trúc tinh thể, phổ FTIR và XPS để phân tích thành phần hóa học, cùng với SEM, TEM, AFM để khảo sát hình thái và kích thước, và đo độ dẫn điện để đánh giá tính chất điện.

5. Phương pháp này có thể áp dụng sản xuất quy mô lớn không?
   Với quy trình đơn giản, thiết bị phổ biến và không sinh chất độc hại, phương pháp tổng hợp nano-graphene bằng lò vi sóng rất phù hợp để mở rộng sản xuất quy mô công nghiệp.

Kết luận

• Đã phát triển thành công phương pháp tổng hợp tấm nano-graphene dựa trên lò vi sóng sử dụng hợp chất K-THF-graphite với chiều dày ~2 nm và kích thước 3–7 µm.
• Nano-graphene thu được có cấu trúc sp² ổn định, hàm lượng oxy thấp và độ dẫn điện cao (180 S/m), vượt trội so với graphene-oxit.
• Phương pháp đơn giản, chi phí thấp, thân thiện môi trường và phù hợp cho sản xuất hàng loạt.
• Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện quy trình sản xuất graphene chất lượng cao, mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực điện tử, cảm biến và năng lượng.
• Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa quy trình, nâng cấp thiết bị và mở rộng quy mô sản xuất thử nghiệm nhằm đưa công nghệ vào ứng dụng thực tiễn.

Hành động đề xuất: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ sản xuất nano-graphene quy mô lớn để tận dụng tiềm năng vật liệu này trong công nghiệp và khoa học.