Chương 1: T_ING QUAN 1. KHOA H:'C VÀ CÔNG NGH:' NANO 1. Khái nilim vívật lili xi p nano Chữ nano, gôc Hy Lạp, được gan vào trước các đơn vi đo dé tạo ra đơn vi ước giảm đi 1 ty lần (10°) Ví dụ: nanomet = 1 phân tỷ mét. Theo định nghĩa, một vật liệu xốp nano là một loại vật liệu kích thước trải dài một khoảng khá rộng, từ vài nano mét đến một trăm nano mét [1].
+ Vat liệu nano: Vat liệu nano có thê được định nghĩa một cách khái quát là loại vật liệu mà trong câu trúc của các thành phân câu tạo nên nó ít nhat phải có một chiêu ở kích thước nanomet. Vật liệu nano có những tinh chất rất đặc biệt khác han với tinh chất của các nguyên t6 cùng loại ở kích thước khối, trong đó nỗi bật lên là các đặc tính liên quan đến hiệu ứng bê mặt và hiệu ứng kích thước 1. Hiù _ngb: mặt Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tong số nguyên tử của vật liệu gia tăng. Chính vì vậy mà các hiệu ứng liên quan đến bề mặt sẽ làm cho tính chất của vật liệu nano trở nên khác biệt so với vật liệu khối.
Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Ở đây không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua. Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bê mặt của vật liệu nano tương đôi dê dàng. TRUONG ĐẠI HỌC BACH KHOA - ĐHQG TP.HCM SVTH: NGUYÊN THỊ MỸ 1.
Hiù Ung kích thư: c Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng nay dẫn đến các tính chat vật lí đã biết.
Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác han so với tính chất đã biết trước đó. Ở đây không có sự chuyền tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó. Công ngh: nano Là một công nghệ ứng dụng khoa học và kỷ thuật ở mức độ electron, là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích để chế tạo, ứng dụng các cau trúc, thiết bị và hệ thống băng việc điều khiến hình dạng, kích thước trên quy mô nanomet.
Phân loại vật li_ù x:p nano Có nhiều cách phân loại vật liệu nano, mỗi cách phân loại lại cho ra nhiều cách phân loại nhỏ nên thường hay lẫn lộn giữa các khái niệm. Mỗi phân loại tập trung vào một đặc điểm cụ thể và độc lập so với những vật liệu khác. Sau đây là một vài cách phân loại thông thường [2|. Phân loại theo đư: ng kính l' xLp Theo định nghĩa IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), nguoi ta chia cau trúc vật liệu xốp thành 3 loại TRUONG ĐẠI HỌC BACH KHOA - ĐHQG TP.HCM SVTH: NGUYÊN THỊ MỸ d < 2nm 2=<=d<= 50nm d> 50nm Vi mao quan Mao quan trung binh Dai mao quan (Micropore) (Mesopore) (Macropore) Hình 1.1: Cau trúc mao quan vật liệu xốp + Cau trúc vi mao quản (micropore): đường kính lỗ xốp d < 2nm (Zeolite và các vật liệu có cau trúc tương tự zeolite như aluminosilicate, aluminophotphate.) + Cấu trúc mao quản trung bình (mesopore): đường kính lỗ xốp 2nm < d< 50nm (M41S, MSU, SBA.) + Cau trúc mao quản lớn (maccropore): đường kính lỗ xốp d > 50nm (Các gel mao quản, thủy tinh mao quan.
Phân loại theo hình dáng vat lila + Vát liệu nano không chiêu: Là vật liệu cả 3 chiêu đêu có kích thước nano (ví dụ đám mây nano, hạt nano) + Vat liệu nano một chiêu: Là vật liệu trong đó có một chiêu tự do, hai chiêu có kích thước nano (ví dụ như dây nano, ống nano) + Vát hiệu nano hai chiêu: Là vật liệu có hai chiêu tự do, một chiêu có kích thước nano (ví dụ như màng mỏng có chiêu dày kích thước nano) Ngoài ra còn có vật liệu có cầu trúc nano hay nanocomposit trong đó chỉ có một phân của vật liệu có kích thước nano, hoặc câu trúc của nó có nano không chiêu, một chiều, hai chiều đan xen lần với nhau 1. Phân loại theo tính chat vật lita thí hi_n sĩ khác bilt - kích thư:e nano + Vật liệu nano kim loại + Vật liệu nano nano bán dân TRUONG ĐẠI HỌC BACH KHOA - ĐHQG TP.HCM SVTH: NGUYÊN THỊ MỸ + Vật liệu nano tu tính + Vật liệu nano y sinh Đôi khi người ta phối hợp cả hai cách phân loại với nhau hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ cho ra một khái niệm mới. Ví dụ như hạt nano kim loại, trong đó “hạt” được phân loại theo hình dáng, “kim loại” được phân loại theo tính chất. Tính chất và -ng ding cla vật lila nano So với vật liệu khối thì vật liệu nano còn có hai tính chất đặc biệt khác là: hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước dẫn đến vật liệu nano có những ứng dụng nồi bat sau [2]: + Khả năng hâp phụ cao: nhờ vào câu trúc xôp với diện tích bê mặt cao mà vật liệu xốp nano có khả năng hấp phụ khá tốt các phân tử nhỏ + Độ chọn lọc cao: nhờ sự phân bô kích thước mao quản hẹp và các tương tác giữa các bức tường mao quản tạo ra một hệ thông câu trúc mao quản lý tưởng để tách hỗn hợp hoặc các phản ứng nano trong các phản ứng giới hạn.
+ Tính chất cơ học tốt: khi đã hình thành vật liệu xốp nano có khả năng chống các tác động cơ học bên ngoài. Do đó, chúng có thể làm chất mang cho các phản ứng mà không bị phá vỡ cau trúc xốp. + Tính 6n định và bền trong sử dụng: vật liệu xốp nano 6n định với môi trường xung quanh, quá trình hấp phụ và giải hấp, v. những vật liệu này có thể được sử dụng và tái sử dụng cho thời gian dài mà không bị mất đi thuộc tính của chúng.
Phương pháp t¡ng hi p vật lỉ u nano Có hai phương pháp thường sử dụng để tạo vật liệu nano: phương pháp từ dưới lên và phương pháp từ trên xuống. Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo vật liệu nano từ vật liệu khối ban đầu. Phương pháp từ dưới lên là phương pháp tạo hạt nano từ các ion hoặc các nguyên tử kết hợp lại với nhau [2] [3]. Y Phươnng pháp từ trên xuống: TRUONG ĐẠI HỌC BACH KHOA - ĐHQG TP.HCM SVTH: NGUYÊN THỊ MỸ Phương pháp từ trên xuống: Là phương pháp tạo kích thước hạt nano từ các hạt có kích thước lớn hơn, các kỹ thuật cơ học như nghiền, tán hay biến dạng vật liệu.
Tuy vậy phương pháp nay ít được sử dụng do sự đồng đều các kích thước hạt không cao, cau trúc của hạt ít được cải thiện. v Phuong pháp từ dưới lên: Phương pháp từ dưới lên: Là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử như các phương pháp vật lý, phương pháp khử hóa học, hoặc kết hợp cả hai phương pháp hóa-lý, phương pháp tông hop sol-gel + Phương pháp vật lý: là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử (đốt, phóng xạ, phóng điện hồ quang) hoặc chuyển pha (dùng nhiệt biến đôi cấu trúc vật liệu) + Phương pháp hóa học: là phương pháp đa dạng bằng cách tạo vật liệu nano từ các ion, tạo vật liệu nano từ các pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel, thủy nhiệt.) và từ pha khí (nhiệt phan.) + Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí + Phương pháp sol-gel: là một trong số phương pháp từ dưới lên được sử dụng nhiều, vì nó có khả năng kiểm soát tốt kích thước và độ phân tán của hạt. Các tác nhân hóa học thường ở dạng dung dich lỏng nên người ta còn gọi day là phương pháp hóa ướt (wet chemical synthesis). TING QUAN Vii PHƯƠNG PHAP SOL - GEL 1.
Dinh nghia Sol: “colloid solution’: dung dịch keo, các hat có kích thước từ 1- 100nm Gel: là mạng lưới nối kết vững chắc với các lỗ xốp ở kích thước dưới micromet và các chuôi polymer có chiêu dài trung bình lớn hơn micromet. > Phương pháp tổng hop sol-gel TRUONG ĐẠI HỌC BACH KHOA - ĐHQG TP.HCM SVTH: NGUYÊN THỊ MỸ Tổng hop sol — gel: Là phương pháp tông hop vật liệu có bao gồm quá trình chuyển hóa sol-gel. Trong quá trình sol-gel các phần tử trung tâm trải qua hai phản ứng hóa học cơ bản: phản ứng thủy phân (hydrolysis) và phản ứng ngưng tụ (condensation), dưới xúc tác axit hoặc bazơ để hình thành một mạng lưới hoàn toàn trong dung dich [4].:ngd:ngc' a phương pháp Sol-Gel Phương pháp sol-gel được sử rộng rãi trong việc chế tạo và nghiên cứu vật liệu oxit kim loại tinh khiết. Phương pháp sel-gel đã thành công trong việc chế tạo vật liệu oxit đa thành phan (multicomponents oxit: $i02-TiO2, TiO2-SnQO2.) chế tao vật liệu lai hữu co- vô co (hybrid materials).
Các nhóm sản phẩm chính từ phương pháp sol-gel bao gồm: + Tổng hợp vật liệu vô cơ một hay nhiều pha: Làm chất xúc tác và chất mang + Tổng hợp vật liệu nano nhiều pha: Hat nano đơn thành phan và đa thành phan có kích thước đồng đều có thé thu được bằng cách tạo kết tủa trong giai đoạn thủy phân - ngưng tu. + Màng mỏng (thin film): chế tạo màng mỏng có cấu trúc đồng đều với nhiều ứng dụng trong quang học, điện tử, pin mặt trời. Gel khí có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: hấp thụ năng lượng mặt trời (silica aerogel), xúc tác (alumina) Al2O3 aerogel có pha tạp kim loại), chất cách điện và cách nhiệt (silica aerogel). + Soi ceramic + Tổng hop vật liệu bọc chat hữu co bên trong.
TRUONG ĐẠI HỌC BACH KHOA - ĐHQG TP.HCM SVTH: NGUYÊN THỊ MỸ 1.Uu đi m và như: c đi m cla phương pháp Sol-Gel 1.