Khóa Luận Tốt Nghiệp: Nghiên Cứu Vật Liệu Carbon Nano Tubes (CNT)

Luận văn tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp tìm hiểu vật liệu carbon nano tubes cnt, điều tra thực trạng, phân tích số liệu, đề xuất biện pháp cải tiến thực tế.

• Tác giả: Phạm Thị Ánh Minh
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Xuân Vương
• Trường học: Trường Đại Học Thủ Dầu Một
• Chuyên ngành: Cao Đẳng Sư Phạm Hóa
• Đề tài: Tìm Hiểu Vật Liệu Carbon Nano Tubes (CNT)
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Bình Dương

Tóm tắt

I. Tìm Hiểu Về Vật Liệu Carbon Nano Tubes CNT Đầy Đủ Nhất

Vật liệu carbon nano tubes (CNT) đã trở thành một trong những chủ đề nghiên cứu nóng bỏng trong lĩnh vực công nghệ nano. CNT là các ống hình trụ được cấu tạo từ các nguyên tử carbon, có đường kính chỉ vài nanomet nhưng lại có độ bền và tính dẫn điện vượt trội. Sự phát triển của CNT không chỉ mở ra những ứng dụng mới trong công nghiệp mà còn trong y học, điện tử và nhiều lĩnh vực khác. Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về CNT, từ lịch sử phát minh đến ứng dụng thực tiễn.

1.1. Lịch Sử Phát Minh Vật Liệu CNT Đáng Chú Ý

Vật liệu CNT được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1991 bởi Tiến sĩ Iijima. Ông đã phát hiện ra những ống nano carbon trong quá trình nghiên cứu fulleren C60. Sự phát hiện này đã mở ra một kỷ nguyên mới trong nghiên cứu vật liệu nano. CNT được chia thành hai loại chính: ống nano đơn lớp (SWNT) và ống nano đa lớp (MWNT). Mỗi loại có những đặc tính và ứng dụng riêng biệt, từ đó thúc đẩy sự phát triển của công nghệ nano trên toàn cầu.

1.2. Tổng Quan Về Cấu Trúc Và Tính Chất Của CNT

Cấu trúc của CNT được hình thành từ các nguyên tử carbon liên kết với nhau theo kiểu sp2, tạo thành các ống trụ rỗng. Đặc điểm nổi bật của CNT là độ bền cơ học cao, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Những tính chất này khiến CNT trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp và y học.

II. Những Thách Thức Trong Nghiên Cứu Và Ứng Dụng CNT

Mặc dù carbon nano tubes có nhiều ưu điểm, nhưng việc nghiên cứu và ứng dụng chúng cũng gặp không ít thách thức. Các vấn đề như chi phí sản xuất cao, khó khăn trong việc kiểm soát chất lượng và quy trình tổng hợp vẫn đang là những rào cản lớn. Bên cạnh đó, việc hiểu rõ các tính chất lý hóa của CNT cũng là một thách thức không nhỏ đối với các nhà nghiên cứu.

2.1. Chi Phí Sản Xuất CNT Cao Làm Giới Hạn Ứng Dụng

Chi phí sản xuất CNT vẫn còn cao, điều này làm hạn chế khả năng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực. Các phương pháp tổng hợp CNT như lắng đọng hơi hóa học (CVD) hay hồ quang điện đều yêu cầu thiết bị và công nghệ tiên tiến, dẫn đến chi phí đầu tư lớn.

2.2. Khó Khăn Trong Việc Kiểm Soát Chất Lượng CNT

Việc kiểm soát chất lượng của CNT trong quá trình sản xuất là một thách thức lớn. Các yếu tố như kích thước, hình dạng và độ tinh khiết của CNT cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo tính đồng nhất và hiệu suất trong ứng dụng.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu CNT Hiệu Quả Nhất

Có nhiều phương pháp tổng hợp carbon nano tubes, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Các phương pháp phổ biến bao gồm lắng đọng hơi hóa học (CVD), hồ quang điện và phương pháp laser. Mỗi phương pháp này đều có khả năng tạo ra CNT với các đặc tính khác nhau, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.

3.1. Phương Pháp Lắng Đọng Hơi Hóa Học CVD Được Sử Dụng Rộng Rãi

Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) là một trong những phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp CNT. Phương pháp này cho phép sản xuất CNT với độ tinh khiết cao và kiểm soát tốt kích thước cũng như hình dạng của ống nano.

3.2. Phương Pháp Hồ Quang Điện Đem Lại Kết Quả Nhanh

Phương pháp hồ quang điện cũng được sử dụng để tổng hợp CNT. Phương pháp này cho phép tạo ra CNT trong thời gian ngắn, tuy nhiên, chất lượng của CNT thu được thường không đồng nhất như phương pháp CVD.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của CNT Trong Nhiều Lĩnh Vực

Ứng dụng của carbon nano tubes rất đa dạng, từ công nghiệp điện tử đến y học. CNT được sử dụng để sản xuất linh kiện điện tử, cảm biến, và thậm chí trong các liệu pháp điều trị ung thư. Những ứng dụng này không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn có ý nghĩa lớn trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống.

4.1. CNT Trong Ngành Công Nghiệp Điện Tử

Trong ngành công nghiệp điện tử, CNT được sử dụng để sản xuất các linh kiện như transistor, cảm biến và mạch tích hợp. Với khả năng dẫn điện tốt, CNT giúp cải thiện hiệu suất và giảm kích thước của các linh kiện điện tử.

4.2. CNT Trong Y Học Và Điều Trị Bệnh

Trong y học, CNT được nghiên cứu để sử dụng trong các liệu pháp điều trị ung thư. Chúng có khả năng vận chuyển thuốc đến đúng vị trí trong cơ thể, giúp giảm tác dụng phụ và tăng hiệu quả điều trị.

V. Kết Luận Về Tương Lai Của Vật Liệu CNT

Tương lai của carbon nano tubes rất hứa hẹn với nhiều nghiên cứu và ứng dụng mới đang được phát triển. Sự phát triển của công nghệ nano sẽ tiếp tục mở ra những cơ hội mới cho CNT trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Việc giải quyết các thách thức hiện tại sẽ giúp CNT trở thành một phần không thể thiếu trong công nghệ tương lai.

5.1. Xu Hướng Nghiên Cứu CNT Trong Tương Lai

Xu hướng nghiên cứu CNT trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện quy trình sản xuất, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm. Các nghiên cứu mới sẽ giúp mở rộng ứng dụng của CNT trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.2. Tiềm Năng Ứng Dụng CNT Trong Các Lĩnh Vực Mới

Tiềm năng ứng dụng của CNT trong các lĩnh vực mới như năng lượng tái tạo, vật liệu siêu bền và công nghệ sinh học đang được khám phá. Những ứng dụng này có thể mang lại những bước tiến lớn trong công nghệ và cải thiện chất lượng cuộc sống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. i LỜI CAM ĐOAN. ii LỜI CẢM ƠN. iii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN.

iv NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN.v DANH MỤC HÌNH ẢNH .x DANH MỤC BẢNG. xii KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT. xiii Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CARBON NANO TUBE (CNT). Các dạng thù hình của carbon.

Cacbon vô định hình. Carbon xốp nano (lƣới cực nhẹ từ tính). Carbon ống nano (CNT). Lịch sử phát minh vật liệu CNT.

Khái quát về vật liệu CNT .1 Ống nano đơn lớp SWNT (Single Wall Nano Tube). Ống nano đa lớp MWNT ( Multi Wall Nano Tube)……………………………. Việc sử dụng vật liệu nano hiện nay.7 Chƣơng 2: CÁC ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU CARBON NANO TUBE (CNT). Ứng dụng trong công nghiệp.

Sản xuất linh kiện điện tử. Ứng dụng trong sản xuất vật liệu siêu bền, siêu nhẹ. Sản xuất sơn chống mài mòn cho tàu thủy. Ứng dụng trong sản xuất vật liệu năng lƣợng.

Thiết bị phát xạ điện trƣờng. Làm đầu dò nano và sensơ. Các ứng dụng sensor:. Ứng dụng trong y tế.

Ống nano cacbon quay đều trong điều trụ ung thƣ. Cảm biến ống nano các bon dùng theo dõi trình trạng của bệnh nhân tiểu đƣờng .17 Chƣơng 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU CARBON NANOTUBES (CNT). Phƣơng pháp vật lý. Phƣơng pháp hồ quang điện.

Nguyên tắc chế tạo MWCNTs và SWCNTs. Phƣơng pháp sử dụng tia laser. Phƣơng pháp hóa học. Phƣơng pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD).

Phƣơng pháp CVD tăng cƣờng plasma :. Phƣơng pháp CVD nhiệt :. Phƣơng pháp CVD dùng xúc tác alcohol :. Phƣơng pháp tạo thành các pha bay hơi :.

Phƣơng pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi ở dạng bọt gel ( Aero gel- supported) .6 Phƣơng pháp CVD nhiệt có laser hỗ trợ (LCVD) .7 Phƣơng pháp CVD với xúc tác Co-Mo (CoMoCat) :. Phƣơng pháp HiPco .31 Chƣơng 4: CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH LÝ HÓA VẬT LIỆU CNT. Phƣơng pháp BET (Brunauer Emmet Teller) xác định bề mặt riêng và độ hấp phụ của vật liệu CNT. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Nguyên lý của phổ nhiễu xạ tia X(XRD). 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 42 ix DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc không gian của kim cƣơng .2 Cấu trúc không gian của Graphit.3 Graphen là một dàn tinh thể hình tổ ong của các nguyên tử cacbon.4 Carbon ống nano.6 Ống nano carbon nhiều vỏ (MWNT) chụp bằng kính hiển vi điện tử .1 Transistor trƣờng sử dụng ống nanno carbon.2 Áo chống đạn siêu bền, vỏ tàu vũ trụ làm bằng CNT .3 Tàu thủy đƣợc sơn bằng sơn chống mòn có thành phần từ Carbon Nanotube .4 Mô hình sự xen giữa của Li và hấp thụ H2 .5 Chế tạo pin giấy dựa trên các đặc tính bảo tồn năng lƣợng của ống nano .7 Típ STM, AFM có gắn CNT .8 Sợi composite của polyaniline với CNT .9 Mô hình ống nano carbon, dạng zig-zag .10 Tế bào mẫu đƣợc đƣa vào các từ trƣờng quay .1 Sơ đồ (a) và hệ thống thiết bị (b) chế tạo CNT bằng phƣơng pháp hồ quang điện .2 Sơ đồ (a) và thiết bị (b) chế tạo CNT bằng phƣơng pháp chùm laser .3 Ví dụ một hệ thiết bị tổng hợp CNT bằng phƣơng pháp cắt laser .4 Thiết bị (a) và sơ đồ (b) phƣơng pháp CVD tăng cƣờng plasma .5 Sơ đồ thiết bị tổng hợp ống than nano theo phƣơng pháp thermal CVD .6 Sơ đồ phƣơng pháp CVD xúc tác alcohol.7 Sơ đồ thiệt bị của phƣơng pháp tạo thành pha bay hơi .8 Cách bố trí thiết bị đọng hóa học từ pha hơi sử dụng nhiệt laser (LCVD) .9 Hệ thống bộ hóa lỏng của qui trình CoMoCat.10 Sơ đồ bình phản ứng dòng CO.1 Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt đa phân tử .2 Sơ đồ cấu tạo máy SEM .3 Sơ đồ tán xạ tia X bởi nguyên tử .4 Sơ đồ nhiễu xạ tia X bởi tinh thể.36 xi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số liên kết hóa học đặc trƣng cấu thành nên các dạng thù hình cacbon .1 Một số giá trị đƣờng kính SWNTs ở nhiệt độ khác nhau: .30 xii KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT CNT : Carbon Nano Tube SWNT : Single Wall Nano Tube MWNT : Multi Wall Nano Tube SWCNT : Single Wall Carbon Nano Tube MWCNT : Multi Wall Carbon Nano Tube CVD : Chemical Vapor Deposition LCVD : Laser Chemical Vapor Deposition BET : Brunauer Emmet Teller SEM : Scanning Electron Microscope XRD : X-ray Diffraction xiii Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CARBON NANO TUBE (CNT) 1.1 Các dạng thù hình của carbon [1] 1.1 Kim cƣơng: Là một dạng thù hình cứng nhất của cacbon cho đến khi A. Novoselov tìm ra một thù hình khác của cacbon là graphene.

Cấu trúc: mỗi nguyên tử đƣợc liên kết với 4 nguyên tử khác theo kiểu tứ diện, tạo thành các lƣới 3 chiều gồm các vòng 6 thành viên.1 Cấu trúc không gian của kim cƣơng 1.2 Graphit (than chì): Là một trong những chất mềm nhất. Cấu trúc: mỗi nguyên tử đƣợc liên kết theo kiểu tam giác với 3 nguyên tử khác, tạo thành các lƣới 2 chiều của các vòng 6 thành viên ở dạng phẳng; các tấm phẳng này liên kết lỏng lẻo với nhau.2 Cấu trúc không gian của Graphit.3 Cacbon vô định hình Cấu trúc: các nguyên tử cacbon trong trạng thái phi tinh thể, không có quy luật và giống nhƣ cấu trúc vô định hình của vật liệu thủy tinh. Trong dạng vô định hình, cacbon chủ yếu có cấu trúc tinh thể của graphit nhƣng không liên kết lại trong dạng tinh thể lớn. Trái lại, chúng chủ yếu nằm ở dạng bột và là thành phần chính của than, muội, bồ hóng, nhọ nồi và than hoạt tính.4 Graphene: Là khoáng vật cứng nhất cũng nhƣ bán dẫn tốt nhất.

Graphen là phần tử cấu trúc cơ bản của một số thù hình bao gồm than chì, ống nano cacbon và fulleren.Novoselov đã phát hiện ra chất này năm 2004 và đƣợc trao giải Nobel Vật lí vì phát hiện này năm 2010. Cấu trúc: có dạng tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử carbon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong. Chiều dài liên kết carbon - carbon trong graphen khoảng 0,142 nm.3 Graphen là một dàn tinh thể hình tổ ong của các nguyên tử cacbon.5 Fulleren Một lƣợng tƣơng đối lớn các nguyên tử cacbon liên kết theo kiểu tam giác, tạo thành các hình cầu rỗng (trong số đó nổi tiếng và đơn giản nhất là Buckminster fulleren).6 Carbon xốp nano (lƣới cực nhẹ từ tính). Cấu trúc: lƣới mật độ thấp của các bó có cấu trúc giống nhƣ graphit, trong đó các nguyên tử đƣợc liên kết theo kiểu tam giác trong các vòng 6 hay 7 thành viên.7 Carbon ống nano (CNT).

Cấu trúc: mỗi nguyên tử liên kết theo kiểu tam giác trong tấm cong để tạo thành ống trụ rỗng (hình dƣới). Vật liệu ống nano các bon CNT sẽ là chủ đề chính nghiên cứu trong đề tài này.4 Carbon ống nano 3 Bảng 1.1 Một số liên kết hóa học đặc trƣng cấu thành nên các dạng thù hình cacbon Dạng sp3  Kim cƣơng (lập phƣơng). Dạng sp2  Graphit  Graphene  Fullerene  Glassy carbon Dạng sp Linear axetylenic carbon Dạng hỗn hợp  Carbon vô định hình sp3/sp2  Carbon nanofoam Các dạng khác  C1  C2  C3 Dạng giả thiết  C6  C8  Chaoit  Carbon lập phƣơng  Carbon kim loại 4 1.2 Lịch sử phát minh vật liệu CNT [2] Ống nano carbon (CNT) đƣợc tạo ra bởi những nguyên tử carbon, các nguyên tử carbon này có liên kết hóa trị với nhau bằng lai hóa sp2. Năm 1991, khi nghiên cứu Fulleren C60, Tiến sĩ Iijima – một nhà khoa học Nhật Bản – đã phát hiện trong đám muội than – sản phẩm phụ trong quá trình phóng điện hồ quang – có những ống tinh thể cực nhỏ và dài bám vào catot.

Hình ảnh từ kính hiển vi điện tử truyền qua cho thấy rằng các ống này có nhiều lớp carbon, ống này lồng vào ống kia. Các ống sau này đƣợc gọi là ống nano carbon đa tƣờng (MWCNT- multi wall carbon nanotube). Mặc dù có nhiều tính chất đặc biệt nhƣng không dễ dàng để phân tích ống nano carbon bằng phƣơng pháp quang phổ, do vậy điều này đã cản trở việc nghiên cứu về chúng. Năm 1993, ống nano carbon đơn tƣờng (SWCNT – single wall carbon nanotube) đã đƣợc phát hiện, đó là các ống rỗng đƣờng kính từ 1.5 - 2nm, dài cỡ micromet.

Vỏ của ống bao gồm các nguyên tử carbon sắp xếp theo các đỉnh 6 cạnh rất đều đặn, chính sự phát hiện này đã thúc đẩy sự nghiên cứu của các nhà khoa học trên toàn thế giới. Phƣơng pháp quang phổ Raman là phƣơng pháp đơn giản, rẻ tiền so với kính hiển vi điện tử, đƣợc dùng rộng rãi để nghiên cứu trên CNT trong những thập kỉ trƣớc. Trong những thập kỉ trƣớc đây khi nano carbon đƣợc phát hiện và nghiên cứu thì hầu nhƣ không có sản phẩm ứng dụng thực tiễn nào ra đời do còn nhiều khó khăn trong nghiên cứu.3 Khái quát về vật liệu CNT Ống nano carbon (Tiếng Anh: Carbon nanotube - CNT) là các dạng thù hình của cacbon. Một ống nano cacbon đơn lớp là một tấm than chì độ dày một nguyên tử cuộn tròn lại thành một hình trụ liền, với đƣờng kính cỡ nanomet.

Điều này xảy ra trong các cấu trúc nano mà ở đó tỉ lệ giữa chiều dài và đƣờng kính vƣợt trên 10. Ống nano là một loại cấu trúc fullerene, trong đó cũng bao gồm cả buckyball. Trong khi buckyball có dạng hình cầu, một ống nano lại có dạng hình trụ, với ít nhất một đầu đƣợc phủ bởi một bán cầu có cấu trúc buckyball. 5 Có hai loại ống nano cacbon chính: ống nano đơn lớp (SWNT) và ống nano đa lớp (MWNT).

Bản chất của liên kết trong ống nano cacbon đƣợc giải thích bởi hóa học lƣợng tử, cụ thể là sự xen phủ orbital. Liên kết hóa học của các ống nano đƣợc cấu thành hoàn toàn bởi các liên kết sp2, tƣơng tự với than chì. Cấu trúc liên kết này mạnh hơn các liên kết sp3 ở trong kim cƣơng, tạo ra những phân tử với độ bền đặc biệt. Các ống nano thông thƣờng tự sắp xếp thành các "sợi dây thừng" đƣợc giữ với nhau bởi lực Van der Waals.

Dƣới áp suất cao, các ống nano có thể trộn với nhau, trao đổi một số liên kết sp2 cho liên kết sp3, tạo ra khả năng sản sinh ra các sợi dây khỏe, độ dài không giới hạn thông qua liên kết ống nano áp suất cao.1 Ống nano đơn lớp SWNT (Single Wall Nano Tube) zigzag(n,0) chiral(n,m) Armchair(m,m) Hình 1.