Luận văn thạc sĩ: Tổng hợp vật liệu nano molybdenum disulfide (MoS2) qua phương pháp hóa học

Khám phá luận văn thạc sĩ về kỹ thuật vật liệu tổng hợp nano molybdenum disulfide (MoS2) bằng phương pháp hóa học. Tìm hiểu ứng dụng và tiềm năng.

• Tác giả: Trần Thanh Tâm
• Người hướng dẫn: TS. Lê Văn Thăng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu kim loại
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp nano molybdenum disulfide (MoS2) bằng phương pháp hóa học
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Trang bìa
• Hội đồng đánh giá luận văn
• Nhiệm vụ luận văn
• Lời cảm ơn
• Tóm tắt luận văn
• Lời cam đoan
• Danh sách các bảng
• Danh sách các thuật ngữ tiếng Anh
• Danh sách bài báo khoa học đã công bố
• 1. Phần 1: Giới thiệu
• 1.1. Lời mở đầu
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2. Phần 2: Tổng quan về MoS2
• 2.1. Cấu trúc tinh thể và tính chất đặc trưng của MoS2
• 2.2. Các phương pháp tổng hợp
• 2.3. Ứng dụng
• 2.3.1. Vật liệu bôi trơn chịu nhiệt cao, chịu áp lực cao
• 2.3.2. Transitors hiệu ứng trường (FETs)
• 2.3.3. Điện cực trong pin
• 3. Phần 3: Các phương pháp đánh giá
• 3.1. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 3.4. Phổ hấp thụ ánh sáng khả kiến – tử ngoại (UV – Vis)
• 3.5. Phổ tán xạ Raman
• 3.6. Phổ dao động hồng ngoại IR
• 3.7. Phổ khối lượng plasma (ICP – MS)
• 4. Phần 4: Giới thiệu thiết bị và quy trình thực nghiệm
• 4.1. Thiết bị thí nghiệm
• 4.1.1. Cân vi lượng bốn số lẻ
• 4.1.2. Thiết bị khuấy từ, gia nhiệt
• 4.1.3. Thiết bị siêu âm
• 4.1.4. Thiết bị quay ly tâm
• 4.1.7. Giấy lọc RC
• 4.1.8. Máy chưng cất nước 1 lần
• 4.2. Quy trình thực nghiệm
• 5. Phần 5: Kết quả phân tích
• 5.1. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 5.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 5.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 5.4. Phổ tán xạ Raman
• 5.5. Phổ hấp thu ánh sáng khả kiến và tử ngoại (UV – Vis)
• 5.6. Phổ hồng ngoại (FTIR)
• 5.7. Phổ khối lượng (ICP – MS)
• 6. Phần 6: Tổng kết
• 6.4. Hướng phát triển đề tài
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu tổng hợp nano molybdenum disulfide MoS2

Nghiên cứu tổng hợp nano molybdenum disulfide (MoS2) bằng phương pháp hóa học đang trở thành một lĩnh vực được quan tâm trong khoa học vật liệu. MoS2 là một vật liệu nano có cấu trúc dạng lớp, với khoảng cách giữa các lớp khoảng 0.65 nm, tạo điều kiện cho các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng, như pin ion-lithium và cảm biến khí. Phương pháp tổng hợp chủ yếu được sử dụng là ngưng tụ hơi hóa học (CVD), cho phép tạo ra các tinh thể MoS2 với kích thước nano. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp làm rõ quy trình tổng hợp mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghệ nano.

1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới, số lượng công trình nghiên cứu về MoS2 đã gia tăng đáng kể trong những năm gần đây. Theo thống kê, số lượng công trình nghiên cứu đã tăng từ một vài công trình trước năm 1995 lên hàng trăm công trình vào năm 2014. Điều này cho thấy sự quan tâm ngày càng lớn từ các nhà khoa học đối với MoS2 do những đặc tính vượt trội của nó. Các nghiên cứu này không chỉ tập trung vào việc tổng hợp mà còn mở rộng ra các ứng dụng trong lĩnh vực điện tử và năng lượng. Các nghiên cứu về MoS2 đã chỉ ra rằng vật liệu này có khả năng dẫn điện tốt và có thể ứng dụng trong các thiết bị lưu trữ năng lượng hiệu suất cao.

II. Phương pháp tổng hợp nano MoS2

Phương pháp tổng hợp nano molybdenum disulfide (MoS2) chủ yếu được thực hiện thông qua phương pháp ngưng tụ hơi hóa học (CVD). Quy trình này cho phép tạo ra các lớp tinh thể MoS2 với độ tinh khiết cao và cấu trúc đồng nhất. CVD là một phương pháp hiệu quả trong việc tổng hợp vật liệu nano, nhờ vào khả năng kiểm soát tốt các điều kiện phản ứng như nhiệt độ và áp suất. Quy trình tổng hợp thường bao gồm việc sử dụng muối ammonium trong môi trường khí trơ, giúp tạo ra các tinh thể với kích thước nano mong muốn. Sản phẩm thu được sẽ được phân tích bằng các phương pháp hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để xác định cấu trúc và tính chất của MoS2.

2.1. Quy trình tổng hợp

Quy trình tổng hợp MoS2 bắt đầu bằng việc chuẩn bị các hóa chất cần thiết, bao gồm muối ammonium. Sau đó, hỗn hợp này được đưa vào lò phản ứng CVD, nơi nhiệt độ và áp suất được điều chỉnh để tối ưu hóa quá trình tinh thể hóa. Thời gian phản ứng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước và chất lượng của các tinh thể MoS2. Kết quả cuối cùng là bột MoS2 với kích thước vài chục nano mét, được đánh giá bằng các phương pháp phân tích hiện đại. Việc tối ưu hóa quy trình này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất, mở ra nhiều cơ hội cho ứng dụng trong công nghiệp.

III. Tính chất và ứng dụng của MoS2

Vật liệu MoS2 có nhiều tính chất nổi bật như tính dẫn điện, tính quang học và tính cơ học. Những tính chất này làm cho MoS2 trở thành một ứng viên lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điện tử và năng lượng. Đặc biệt, MoS2 được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị lưu trữ năng lượng như pin ion-lithium nhờ vào khả năng tích trữ ion lithium lớn. Bên cạnh đó, MoS2 cũng được nghiên cứu ứng dụng trong các lĩnh vực khác như cảm biến khí và vật liệu bôi trơn. Sự phát triển của công nghệ nano đã tạo điều kiện cho việc sử dụng MoS2 trong các ứng dụng công nghiệp với hiệu suất cao.

3.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Trong công nghiệp, MoS2 được sử dụng làm vật liệu bôi trơn khô do khả năng trượt tốt giữa các lớp. Ngoài ra, MoS2 còn có tiềm năng lớn trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là trong các thiết bị như transistor hiệu ứng trường (FETs) và cảm biến. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng của MoS2 trong công nghệ nano không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của các thiết bị mà còn góp phần vào việc phát triển các sản phẩm thân thiện với môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu nano Molybdenum Disulfide (MoS2) với cấu trúc dạng lớp có khoảng cách giữa các lớp khoảng 0.65 nm đang thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực công nghệ vật liệu do tiềm năng ứng dụng đa dạng trong pin ion-lithium, pin mặt trời, cảm biến khí và nhiều thiết bị điện tử khác. Theo báo cáo của ngành, số lượng công trình nghiên cứu về vật liệu nano MoS2 tăng mạnh trong những năm gần đây, đặc biệt năm 2014 ghi nhận gần gấp đôi số lượng công trình so với năm 2013, cho thấy sự phát triển nhanh chóng và quan tâm sâu sắc của cộng đồng khoa học.

Luận văn này tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano MoS2 bằng phương pháp hóa học, cụ thể là phương pháp ngưng tụ hơi hóa học (Chemical Vapour Deposition – CVD), nhằm tạo ra bột MoS2 kích thước nano với quy trình đơn giản, dễ thực hiện và phù hợp với điều kiện trang thiết bị hiện có tại Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm ĐHQG – CNVL. Mục tiêu chính là phát triển quy trình tổng hợp MoS2 dạng tấm mỏng có kích thước vài chục nanomet, đồng thời đánh giá cấu trúc tinh thể và tính chất vật lý của sản phẩm bằng các phương pháp phân tích hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán xạ Raman và phổ UV-Vis.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 01/2014 đến tháng 11/2014. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiểu biết về quy trình tổng hợp vật liệu nano MoS2 mà còn mở ra cơ hội ứng dụng trong các thiết bị lưu trữ năng lượng và điện tử, góp phần phát triển công nghệ vật liệu trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

1. Cấu trúc tinh thể và tính chất vật lý của MoS2: MoS2 tồn tại ở dạng cấu trúc lớp với liên kết cộng hóa trị mạnh trong từng lớp và liên kết Van der Waals yếu giữa các lớp. Cấu trúc phổ biến là dạng lục giác xếp chặt (2H-MoS2) với khoảng cách lớp 0.65 nm, mang tính chất bán dẫn với năng lượng vùng cấm gián tiếp khoảng 1.2 eV ở dạng khối và chuyển sang vùng cấm trực tiếp khoảng 1.8-1.9 eV khi ở dạng đơn lớp. Tính chất này làm MoS2 trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng điện tử và lưu trữ năng lượng.

2. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano: Hai phương pháp tổng hợp chính là phương pháp trên – xuống (top-down) và dưới – lên (bottom-up). Phương pháp top-down bao gồm tách bóc cơ học hoặc hóa học từ vật liệu khối, trong khi phương pháp bottom-up như CVD tạo ra vật liệu từ các tiền chất hóa học trong môi trường kiểm soát. Phương pháp CVD được lựa chọn trong nghiên cứu này do khả năng tạo ra vật liệu có độ tinh khiết cao, đồng đều về kích thước và phù hợp với ứng dụng công nghiệp.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Ngưng tụ hơi hóa học (CVD): quá trình tạo màng mỏng hoặc bột nano bằng cách phản ứng hóa học của các tiền chất trong môi trường khí trơ.
• Nhiễu xạ tia X (XRD): kỹ thuật xác định cấu trúc tinh thể và kích thước hạt nano.
• Phổ tán xạ Raman: xác định số lớp và cấu trúc tinh thể của MoS2.
• Phổ UV-Vis: xác định năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn nano.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mẫu MoS2 tổng hợp bằng phương pháp CVD tại Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm ĐHQG – CNVL. Quy trình tổng hợp được thực hiện với nhiệt độ 700°C trong 2 giờ, sử dụng tiền chất ammonium molybdate và lưu huỳnh nguyên chất trong môi trường khí trơ.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• XRD để xác định pha tinh thể và kích thước hạt trung bình.
• SEM và TEM để khảo sát hình thái bề mặt và cấu trúc nano của sản phẩm.
• Phổ Raman để xác định số lớp tinh thể MoS2 (khoảng 4-6 lớp).
• Phổ UV-Vis để đo năng lượng vùng cấm trực tiếp của nano MoS2, xác định khoảng 1 eV.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều mẫu MoS2 được tổng hợp theo các điều kiện nhiệt độ và thời gian khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của các thông số này đến chất lượng sản phẩm. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên từ các mẻ tổng hợp khác nhau nhằm đảm bảo tính đại diện. Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng cho từng kỹ thuật, kết hợp so sánh với dữ liệu chuẩn trong tài liệu khoa học.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 01/2014 đến tháng 11/2014, bao gồm các giai đoạn tổng hợp, phân tích và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tổng hợp thành công nano MoS2 dạng tấm mỏng: Sản phẩm thu được có kích thước nano với độ dày khoảng vài chục nanomet, số lớp tinh thể từ 4 đến 6 lớp được xác định qua phổ Raman. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình CVD là 700°C trong 2 giờ, tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao và cấu trúc đồng đều.

2. Xác định cấu trúc tinh thể dạng lục giác (2H-MoS2): Phổ XRD cho thấy các đỉnh đặc trưng của mạng hexagonal, khẳng định sự hình thành pha MoS2 tinh thể dạng lớp. Kích thước hạt trung bình tính theo Debye-Scherrer khoảng 20-30 nm.

3. Tính chất quang học đặc trưng: Phổ UV-Vis xác định năng lượng vùng cấm trực tiếp của nano MoS2 khoảng 1 eV, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế. Điều này chứng tỏ vật liệu có tính bán dẫn và tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị điện tử.

4. Hình thái bề mặt và cấu trúc nano: SEM và TEM cho thấy các tấm MoS2 có bề mặt nhẵn, đồng đều, không có tạp chất hay khuyết tật lớn. TEM xác nhận khoảng cách giữa các lớp là 0.65 nm, phù hợp với cấu trúc lý thuyết.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của quy trình tổng hợp là do kiểm soát tốt nhiệt độ và thời gian trong lò CVD, cũng như sử dụng tiền chất ammonium molybdate và lưu huỳnh tinh khiết trong môi trường khí trơ, giúp tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng tạo MoS2 tinh thể. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế đã công bố, đồng thời khẳng định khả năng áp dụng phương pháp CVD trong điều kiện thiết bị trong nước.

So sánh với các phương pháp tổng hợp khác như tách bóc cơ học hay tách bằng dung môi hóa học, phương pháp CVD cho sản phẩm có độ đồng đều cao hơn, tinh thể chất lượng tốt hơn và dễ dàng kiểm soát số lớp. Kết quả phổ Raman và UV-Vis cũng cho thấy vật liệu nano MoS2 có tính chất bán dẫn phù hợp cho các ứng dụng trong pin ion-lithium và thiết bị điện tử.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ XRD thể hiện các đỉnh đặc trưng, hình ảnh SEM và TEM minh họa cấu trúc bề mặt, phổ Raman với các đỉnh dao động đặc trưng và phổ UV-Vis biểu diễn độ hấp thu theo bước sóng, giúp trực quan hóa các đặc tính vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình CVD: Đề xuất điều chỉnh nhiệt độ và thời gian nung để kiểm soát chính xác số lớp và kích thước hạt nano MoS2, nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do phòng thí nghiệm vật liệu kim loại chủ trì.

2. Nghiên cứu ứng dụng trong pin ion-lithium: Thử nghiệm tích hợp vật liệu nano MoS2 tổng hợp vào điện cực pin ion-lithium để đánh giá hiệu suất nạp/xả và độ bền chu kỳ. Thời gian thực hiện 1 năm, phối hợp với các trung tâm nghiên cứu năng lượng.

3. Phát triển vật liệu lai: Kết hợp MoS2 với graphene hoặc ống nano carbon để tạo vật liệu lai có tính năng cải tiến về dẫn điện và cơ tính, phục vụ cho các thiết bị điện tử cao cấp. Thời gian nghiên cứu 1 năm, do nhóm công nghệ vật liệu đảm nhận.

4. Mở rộng quy mô sản xuất: Xây dựng quy trình tổng hợp MoS2 quy mô bán công nghiệp với chi phí hợp lý, đảm bảo tính đồng nhất và chất lượng sản phẩm. Thời gian triển khai 2 năm, phối hợp với doanh nghiệp công nghiệp vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên công nghệ vật liệu: Nghiên cứu sâu về vật liệu nano MoS2, áp dụng các phương pháp tổng hợp và phân tích hiện đại, phục vụ giảng dạy và phát triển đề tài khoa học.

2. Kỹ sư và chuyên gia phát triển pin và thiết bị lưu trữ năng lượng: Tìm hiểu về vật liệu điện cực mới, nâng cao hiệu suất và tuổi thọ pin ion-lithium thông qua ứng dụng vật liệu nano MoS2.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và thiết bị điện tử: Áp dụng quy trình tổng hợp MoS2 trong sản xuất vật liệu bán dẫn, cảm biến, pin mặt trời và các thiết bị điện tử tiên tiến.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành công nghệ vật liệu kim loại: Tham khảo quy trình nghiên cứu, phương pháp phân tích và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực vật liệu nano.

Câu hỏi thường gặp

1. Nano MoS2 có ưu điểm gì so với vật liệu truyền thống trong pin ion-lithium?
   Nano MoS2 có diện tích bề mặt lớn, khoảng cách lớp đủ rộng để ion lithium dễ dàng chen vào, giúp tăng dung lượng lưu trữ và cải thiện khả năng nạp/xả pin. Ví dụ, dung lượng pin sử dụng MoS2 có thể đạt trên 700 mAh/g, cao hơn nhiều so với vật liệu khối truyền thống.

2. Phương pháp CVD có những ưu điểm gì trong tổng hợp nano MoS2?
   CVD cho phép kiểm soát tốt kích thước, độ dày và cấu trúc tinh thể của MoS2, tạo ra sản phẩm đồng đều, tinh khiết và phù hợp với ứng dụng công nghiệp. Ngoài ra, phương pháp này dễ dàng điều chỉnh các thông số để tối ưu hóa sản phẩm.

3. Làm thế nào để xác định số lớp của nano MoS2?
   Số lớp được xác định qua phổ tán xạ Raman, dựa vào khoảng cách giữa các đỉnh dao động đặc trưng. Trong nghiên cứu, số lớp nano MoS2 dao động từ 4 đến 6 lớp, phù hợp với tính chất bán dẫn mong muốn.

4. Nano MoS2 có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào ngoài pin?
   Ngoài pin ion-lithium, nano MoS2 còn được ứng dụng trong cảm biến khí, cảm biến quang, transistors hiệu ứng trường, chất xúc tác quang và siêu tụ điện, nhờ tính chất bán dẫn và cơ học ưu việt.

5. Quy trình tổng hợp nano MoS2 có thể áp dụng ở quy mô công nghiệp không?
   Quy trình CVD được đánh giá là phù hợp để mở rộng quy mô sản xuất với chi phí hợp lý và kiểm soát chất lượng tốt. Tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa quy trình và đảm bảo tính đồng nhất khi sản xuất hàng loạt.

Kết luận

• Đã phát triển thành công quy trình tổng hợp nano MoS2 dạng tấm mỏng bằng phương pháp ngưng tụ hơi hóa học (CVD) ở 700°C trong 2 giờ.
• Sản phẩm có cấu trúc tinh thể dạng lục giác (2H-MoS2) với số lớp từ 4 đến 6, kích thước hạt nano đồng đều.
• Tính chất quang học và bán dẫn của nano MoS2 được xác định rõ ràng với năng lượng vùng cấm trực tiếp khoảng 1 eV.
• Kết quả nghiên cứu mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong pin ion-lithium và các thiết bị điện tử hiện đại.
• Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm tối ưu quy trình, phát triển vật liệu lai và mở rộng quy mô sản xuất trong vòng 1-2 năm tới.

Luận văn này là tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà khoa học, kỹ sư và doanh nghiệp trong lĩnh vực công nghệ vật liệu nano, góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ vật liệu trong nước và quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Lời mở đầu Năng lượng đang là lĩnh vực mà thế giới đã và đang quan tâm rất nhiều. Nguồn năng lượng tự nhiên ngày càng cạn kiệt và thời gian tái sinh tự nhiên cũng kéo dài khoảng hàng ngàn năm – như năng lượng hóa thạch: dầu mỏ, than đá,…Do vậy, một trong những vấn đề được đầu tư ngày càng lớn đó là năng lượng thay thế, năng lượng tái tạo nhanh như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy điện, năng lượng thủy triều, … đã được thực hiện trong những năm qua và mãi đến thế kỷ 21 này. Tuy nhiên, nguồn “năng lượng xanh” cũng bộc lộ nhiều hạn chế. Đa số, nguồn năng lượng tự nhiên phụ thuộc vào sự thay đổi của thời tiết, chu kỳ ngày đêm và tùy thuộc địa hình từng vùng nên các thiết bị chuyển hóa năng lượng không thể hoạt động liên tục mà đòi hỏi cần phải lưu trữ năng lượng.

Chính điều này đã thu hút nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu trong việc phát triển hệ thống thiết bị có khả năng lưu trữ năng lượng. Hơn thế, thiết bị lưu trữ cần có khả năng tái sử dụng sau khi hết năng lượng tức là sử dụng lại được nhiều lần nhằm tiết kiệm chi phí. Do đó, nghiên cứu những loại vật liệu có khả năng sử dụng tái tạo năng lượng cho thiết bị lưu trữ được ưu tiên hơn hết. Nhiều hệ thống lưu trữ năng lượng được nghiên cứu như ắc quy, pin lithium, pin ion – lithium, …Hệ thống pin ion – lithium (ion – lithium batteries) được coi là một trong những giải pháp tối ưu hiện tại.

Pin ion – lithium là thế hệ thứ 2 của pin lithium kim loại, pin có mật độ năng lượng cao và cơ chế phản ứng tương đối đơn giản. Hiện tại, pin ion – lithium được ứng dụng cho các thiết bị điện tử di động như pin cho điện thoại di động, máy vi tính di động, pin cho đèn chiếu siêu sáng cầm tay, pin cho thiết bị đo đạc cầm tay di động,… và đã được các nước trên thế giới sử dụng rộng rãi trong hơn hai mươi năm qua. Pin có cấu tạo đơn giản gồm các phần: điện cực dương, điện cực âm và chất điện giải. Điện cực dương phổ biến nhất cho pin ion – lithium được làm từ các hợp chất carbon (LixC6) và oxit kim loại chuyển tiếp (MoO2, WO2) có cấu trúc tinh thể.

Còn điện cực âm thường được làm từ hợp chất có chứa ion – lithium để giúp ổn định điện cực trong quá trình trao đổi điện tích như LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2 (bảng 1). Bảng 1 thể hiện các giá trị điện hóa của vật liệu làm điện 1 cực cho pin ion – lithium. Điện cực dương và điện cực âm được ngăn cách bởi chất điện giải là chất không dẫn điện tử nhưng dẫn ion lithium như LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiBC4O8,…. Cấu tạo cụ thể của hệ thống pin ion – lithium như hình 1.1: Cấu tạo nguyên lý hoạt động của pin ion – lithium khi xả và sạc Khi sạc, các ion lithium di chuyển từ cực âm sang cực dương qua chất điện giải, còn khi xả thì các ion lithium di chuyển ngược lại.

Vật liệu cho cả hai điện cực thường có cấu trúc khối nên tuổi thọ, khả năng tích điện, khả năng nạp/xả và mật độ dòng điện tạo ra thấp. Để cải thiện các tính năng này, người ta cải tiến điện cực của pin bằng cách ứng dụng vật liệu kích thước nano như fullerene – C60, ống nano cacbon đa thành hoặc đơn thành, ống nano MoS2, hạt nano thin films MoS2,….Khi vật liệu ở kích thước nano sẽ xuất hiện những tính chất hóa lý rất đặc biệt mà ở vật liệu khối không có được do ảnh hưởng của kích thước lượng tử. Với kích thước nano, vật liệu có khả năng tích trữ ion lithium lớn hơn, mật độ dòng điện tăng rất nhiều do diện tích bề mặt lớn. Vật liệu ở kích thước nano còn thể hiện khả năng nạp/xả lớn, giúp tăng thời gian sống của pin lên đáng kể.

Bên cạnh đó, giá thành của vật liệu nano làm điện cực pin cũng là một yếu tố quan trọng cho việc phát triển nghiên cứu. Vật liệu đáp ứng tốt tính năng làm điện cực có giá thành thấp, dễ tổng hợp là xu hướng nghiên cứu chung cho các nhà 2 khoa học trên thế giới nhằm sản xuất và ứng dụng vào thiết bị điện tử ở quy mô công nghiệp. Vật liệu có cấu trúc dạng tấm (lớp) - kích thước hai chiều lớn hơn rất nhiều so với chiều còn lại – đang được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Hầu hết, hợp chất của kim loại chuyển tiếp và phi kim thường có cấu trúc dạng lớp (WS2, MoSe2, MoS2, WSe2,…).

Trong đó, MoS2 được xem là vật liệu thu hút sự đầu tư nghiên cứu nhiều nhất. CNTs là vật liệu khá phức tạp khi tổng hợp và giá thành thì vẫn còn quá cao. Vật liệu được quan tâm nhiều sau CNTs là graphene (đơn lớp của graphite). Graphene có những tính chất rất tuyệt vời như khả năng dẫn điện cực cao, diện tích bề mặt lớn, tính bền hóa tốt,… Tuy nhiên, vật liệu này vẫn có giá thành cao do việc tổng hợp cũng gặp nhiều khó khăn trong việc làm giảm khuyết tật mạng, độ dẻo thấp.

MoS2 có cấu trúc đơn lớp giống graphene nhưng lại dễ dàng tổng hợp hơn rất nhiều và tính chất cơ, tính bền hóa tốt. Do đó, việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu MoS2 chất lượng tốt, sẽ hứa hẹn có nhiều ứng dụng trong vật liệu làm điện cực pin ion – lithium hay ứng dụng khác trong những thiết bị điện tử. Bảng 1: Giá trị điện hóa của vật liệu làm cực âm và cực dương trong pin ion – lithium [2] Dung tích chứa Khối lượng Mật độ Khoảng khả Vật liệu đặc trưng phân tử (g/cm3) nghịch (∂x) (mAh/g) Cực dương LixC6(c) 72.5 105 Cực âm 3 LiMn2O4 180. Tổng quan tình hình nghiên cứu thế giới Theo công bố của trang khoa học Sciencedirect.com, số lượng các công trình nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến vật liệu nano MoS2 tăng dần qua các năm (Hình1.

Tuy chưa thể so sánh với số lượng các công trình nghiên cứu về ống nano carbon (CNTs) hay graphene nhưng với sự tăng dần số lượng công trình nghiên cứu về nano MoS2 cho thấy các nhà khoa học trên thế giới đang thật sự quan tâm đến vật liệu này. Trước năm 1995, một vài công trình nghiên cứu về vật liệu MoS2 ở kích thước nano đã được công bố. Tuy vậy, số lượng các công trình nghiên cứu vẫn không thay đổi đáng kể đến năm 2002. Một mặt, các công trình nghiên cứu về nano MoS2 chỉ ứng dụng trong vật liệu bôi trơn khô hay bước đầu nghiên cứu ứng dụng trong transitors.

Mặt khác, giai đoạn này các nhà khoa học đa phần tập trung nghiên cứu vật liệu ống nano carbon hay graphene. Bắt đầu từ năm 2003, công trình nghiên cứu về vật liệu nano MoS2 mới tăng ngày một rõ ràng. Đặc biệt nhất, số lượng công trình năm 2013 (345) tăng gần gấp đôi năm 2012 (181) và năm 2014 (617) tăng gần gấp đôi năm 2013. Qua đó cho thấy, vật liệu nano MoS2 đang được các nhà khoa học quan tâm bởi cấu trúc, tính chất đặc biệt của nó.2: Biểu đồ các công trình nghiên cứu về vật liệu nano MoS2 từ trước năm 1995 đến 12/2014 Những năm gần đây đã có vài công trình nghiên cứu về vật liệu nano MoS2 làm vật liệu nền để các nguyên tử, ion hay phân tử xen vào khoảng cách các lớp do liên kết yếu giữa các lớp để ứng dụng cho điện cực pin sạc đã được công bố [3-6].

Ngoài ra, vật liệu MoS2 còn kết hợp với vật liệu khác để tạo ra vật liệu lai có tính năng kết hợp ứng dụng trong pin ion – lithium như kết hợp với CNTs, graphene,…[7,8]. Như vậy, tiềm năng ứng dụng của vật liệu nano MoS2 rất lớn nên được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Tình hình nghiên cứu trong nước Hiện nay, Việt Nam vẫn chưa thấy xuất hiện công bố công trình nghiên cứu nào liên quan đến vật liệu nano MoS2 ngoại trừ công trình nghiên cứu được đăng trên tạp chí khoa học và công nghệ số 51 – 5C của nhóm nghiên cứu năm 2013 với đề tài “Tổng hợp hạt MoS2 bằng phương pháp ngưng tự hóa học”. Cùng với con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nghiên cứu vật liệu nano nhiều tiềm năng ứng dụng như vật liệu MoS2 đáng được quan tâm ở Việt Nam.

Với những ưu điểm như khả năng 5 tổng hợp đơn giản dễ thực hiện, giá thành thấp, nghiên cứu về vật liệu nano MoS2 sẽ là một đề tài hấp dẫn và có tính cấp thiết cần được quan tâm và đầu tư. Từ những nhận định trên về tình hình thế giới và trong nước, việc tổng hợp thành công hạt nano MoS2 sẽ mang lại nhiều khả năng ứng dụng và phát triển cho các thiết bị hiện đại giải quyết nhu cầu của thế giới về vật liệu năng lượng giá thành thấp, tính chất tốt. Đề tài của luận văn này cũng nhằm mục tiêu đạt được quy trình tổng hợp hạt nano MoS2 đơn giản dễ thực hiện với điều kiện trong nước. 6 PHẦN 2: TỔNG QUAN VỀ MoS2 2.1 Cấu trúc tinh thể và tính chất đặc trưng của MoS2 Ngoài tự nhiên, tinh thể Molydbenite (Molybdenum disulfide) MoS2 tồn tại sẵn ở trong khoáng của nó (hình 2.

Tinh thể khoáng ban đầu có cấu trúc đặc trưng dạng lớp và thuộc loại hợp chất của kim loại chuyển tiếp Mo với phi kim S. Một lớp nguyên tử Mo nằm giữa 2 lớp nguyên tử S liên kết chặt chẽ bằng liên kết cộng hóa trị. Giữa 2 lớp MoS2 liên kết với nhau bằng lực liên kết Van der Waals rất yếu nên rất dễ tách các lớp MoS2 ra với nhau có thể tới từng lớp riêng lẻ nhờ các công nghệ tách bằng các phương pháp hóa học hay tách bằng cơ học. Nhờ liên kết yếu giữa các lớp nên MoS2 ứng dụng rất tuyệt vời và rộng rãi trong vật liệu bôi trơn khô.

Khi ma sát các lớp MoS2 trượt lên nhau dễ dàng và do liên kết của S – Mo – S rất bền nên nó chịu được nhiệt độ cao khi làm việc trong các chi tiết ma sát sinh nhiệt lớn. MoS2 là vật liệu cực kỳ quan trọng làm chất bôi trơn khô cho chi tiết làm việc trong môi trường nhiệt độ cao, áp lực cao do có hệ số ma sát thấp, hoạt tính bề mặt cao, diện tích bề mặt đặc trưng lớn.1: Khoáng MoS2 ngoài tự nhiên MoS2 có ba kiểu dạng cấu trúc sắp xếp: kiểu dạng tứ giác (Tetragonal – 1T), dạng lục giác xếp chặt (Hexagonal – 2H), và kiểu cấu trúc khối sáu mặt thoi (Rhombohedral – 3R) (hình 2.