I. Vật liệu cacbon nano ống
Vật liệu cacbon nano ống (CNTs) là một trong những vật liệu tiên tiến nhất trong lĩnh vực công nghệ nano. CNTs được phát hiện vào năm 1991 bởi Iijima, với cấu trúc hình trụ được tạo thành từ các lớp graphen cuộn lại. Tính chất vật liệu cacbon nano bao gồm độ cứng cao, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt vượt trội, làm cho chúng trở thành ứng cửa sáng giá trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ. Cấu trúc của vật liệu cacbon nano ống được chia thành hai loại chính: cacbon nano ống đơn tường (SWCNTs) và cacbon nano ống đa tường (MWCNTs). Mỗi loại có những đặc tính riêng biệt, phù hợp với các ứng dụng khác nhau.
1.1. Cấu trúc và tính chất
Cấu trúc của CNTs được hình thành từ các nguyên tử cacbon liên kết với nhau theo mạng lưới lục giác, tạo nên độ bền cơ học cao. Tính chất quan trọng của vật liệu cacbon nano ống bao gồm độ dẫn điện cao, độ bền cơ học vượt trội và khả năng chịu nhiệt tốt. Những tính chất này làm cho CNTs trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong hóa học, vật liệu học và công nghệ nano.
1.2. Ứng dụng của CNTs
Ứng dụng cacbon nano ống rất đa dạng, từ việc sử dụng trong các thiết bị điện tử, vật liệu composite, đến các ứng dụng trong y học và môi trường. Cacbon nano ống trong hóa học được sử dụng làm chất xúc tác, chất hấp phụ và trong các phản ứng hóa học đặc biệt. Nhờ tính chất vật liệu cacbon nano, CNTs đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong khoa học và công nghệ.
II. Tổng hợp vật liệu cacbon nano
Tổng hợp vật liệu cacbon nano là quá trình quan trọng để tạo ra CNTs với chất lượng và độ tinh khiết cao. Có nhiều phương pháp tổng hợp cacbon nano được sử dụng, bao gồm phương pháp hồ quang điện, cắt laser và lắng đọng hơi hóa học (CVD). Trong đó, phương pháp CVD được ưa chuộng nhờ hiệu suất cao và điều kiện tổng hợp đơn giản. Cơ chế hình thành vật liệu cacbon nano ống trong phương pháp CVD liên quan đến sự phân hủy các hợp chất chứa cacbon và lắng đọng trên các hạt xúc tác kim loại.
2.1. Phương pháp CVD
Phương pháp CVD sử dụng các hợp chất chứa cacbon như khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) làm nguyên liệu. Quá trình tổng hợp diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn so với các phương pháp khác, giúp giảm chi phí và tăng độ tinh khiết của sản phẩm. Nghiên cứu cacbon nano ống đã chỉ ra rằng, việc sử dụng xúc tác kim loại như Fe, Co, Ni là yếu tố quyết định đến chất lượng của CNTs.
2.2. Biến tính bề mặt CNTs
Biến tính bề mặt vật liệu cacbon nano là quá trình quan trọng để cải thiện tính chất và khả năng ứng dụng của CNTs. Các phương pháp biến tính bao gồm oxi hóa, gắn nhóm chức và phủ lớp vật liệu khác lên bề mặt CNTs. Biến tính bề mặt CNTs giúp tăng khả năng hấp phụ và cải thiện hiệu suất trong các ứng dụng xúc tác.
III. Ứng dụng công nghệ nano trong hóa học
Ứng dụng công nghệ nano trong hóa học đã mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và phát triển vật liệu. Cacbon nano ống trong hóa học được sử dụng làm chất xúc tác, chất hấp phụ và trong các phản ứng oxi hóa khử. Vật liệu nano trong hóa học đã chứng minh được hiệu quả trong việc xử lý ô nhiễm môi trường và cải thiện hiệu suất của các quá trình hóa học.
3.1. Xúc tác oxi hóa dị thể
Xúc tác oxi hóa dị thể sử dụng CNTs làm chất mang đã được nghiên cứu rộng rãi. Vật liệu W/CNTs được tổng hợp và ứng dụng trong phản ứng oxi hóa dibenzothiophen (DBT) trong dầu mỏ. Kết quả cho thấy, vật liệu W/CNTs có hiệu suất cao trong việc loại bỏ lưu huỳnh, đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường nghiêm ngặt.
3.2. Hấp phụ kim loại nặng
Hấp phụ kim loại nặng là một trong những ứng dụng quan trọng của CNTs. Vật liệu ox-CNTs được biến tính bề mặt đã chứng minh khả năng hấp phụ hiệu quả các ion kim loại nặng như Pb(II) trong dung dịch nước. Nghiên cứu cacbon nano ống đã chỉ ra rằng, quá trình hấp phụ phụ thuộc vào điều kiện biến tính và cấu trúc bề mặt của CNTs.
