Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
I. Lịch sử hình thành và Phát hiện Carbon Nanotube

I. Lịch sử hình thành và Phát hiện Carbon Nanotube

Tải bản đầy đủ - 0trang

Đến năm 1985, trong khi nghiên cứu về carbon, Kroto và đồng nghiệp đã khám

phá ra một tập hợp lớn các nguyên tử carbon kết tinh dưới dạng phân tử có dạng hình cầu

kích thước cỡ nanomet - dạng thù hình này của carbon được gọi là Fullerenes. Fullerenes

là một lồng phân tử khép kín với các nguyên tử carbon sắp xếp thành một mặt cầu hoặc

mặt elip. Fullerenes được biết đến đầu tiên là C 60, có dạng hình cầu gồm 60 nguyên tử

carbon nằm ở đỉnh của khối 32 mặt tạo bởi 12 ngũ giác đều và 20 lục giác đều. Năm

1990, Kratschmer đã tìm thấy trong sản phẩm muội than tạo ra do sự phóng điện hồ quang

giữa 2 điện cực graphite có chứa C60 và các dạng fullerenes khác như C70, C80.

a)



b)



c)

Hình 1.3 cấu

trúc







bản



của



các



Fullereres: (a) C60, (b) C70,

(c) C80

Năm 1991, khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao

(HRTEM) trên sản phẩm tạo ra do phóng điện hồ quang giữa hai điện cực graphit, Iijima

S đã phát hiện ra các tinh thể cực nhỏ, dài bám ở điện cực catốt. Đó là ống nano các bon

đa tường (MWCNT - Multi Wall Carbon Nanotube). Hai năm sau, Iijima tiếp tục công bố

kết quả tổng hợp ống nano carbon đơn tường (SWCNT - Single Wall Carbon Nanotube)

(hình 1.4a), đó là các ống rỗng có đường kính từ 1÷3 nano mét (nm) và chiều dài cỡ vài

micromet (µm). Vỏ của ống gồm có các nguyên tử các bon xếp đều đặn ở đỉnh của các

hình lục giác đều.

Ống nano carbon đơn tường có cấu trúc giống như là sự cuộn lại của một lớp than

chì độ dày một ngun tử (còn gọi là graphene) thành một hình trụ liền, và được khép kín

ở mỗi đầu bằng một nửa phân tử fullerenes. Do đó CNTs còn được biết đến như là

fullerenes có dạng hình ống gồm các nguyên tử carbon liên kết với nhau bằng liên kết

cộng hoá trị sp2 bền vững. Ống nano carbon đa tường gồm nhiều ống đơn tường đường

kính khác nhau lồng vào nhau và đồng trục, khoảng cách giữa các lớp từ 0,34 nm đến

0,39 nm. Ngoài ra, SWCNT thường tự liên kết với nhau để tạo thành từng bó xếp chặt

(được gọi là SWCNTs ropes) và tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với hằng số mạng là



4



1,7 nm. Mỗi bó có thể gồm hàng trăm ống SWCNT nằm song song với nhau và chiều dài

có thể lên đến vài mm.

Phát hiện mới về ống nano carbon cũng như những tính chất đặc biệt của nó đã thu

hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Sự góp

mặt của CNTs đánh dấu sự ra đời của ngành khoa học vật liệu mới: các vật liệu dựa trên

cơ sở carbon - vật liệu mới cho tương lai.



II.



PHÂN LOẠI

Năm 1991, khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao

(HRTEM) trên sản phẩm tạo ra do phóng điện hồ quang giữa hai điện cực graphit, Iijima

S

đã phát hiện ra các tinh thể cực nhỏ, dài bám ở điện cực catốt. Đó là ống nanơ các

bon đa tường (MWCNT - Multi Wall Carbon Nanotube) .Hai năm sau,

Iijima tiếp tục công bố kết quả tổng hợp ống nanô cacbon đơn tường (SWCNT Single Wall Carbon Nanotube) , đó là các ống rỗng có đường kính từ 1÷3

nanơ mét (nm) và chiều dài cỡ vài micromet (µm)

Như vậy Nanotubes được phân loại thành ống nano đơn vách (single-walled

nanotubes - SWNTs) và ống nano đa vách (multi-walled nanotubes - MWNTs)

+ Ống nano carbon đơn tường (SWCNT) có cấu trúc như một tấm graphene cuộn tròn

lại thành hình trụ liền.

+ Ống nano carbon đa tường (MWCNT) có cấu trúc như nhiều tấm graphene lồng

vào nhau và cuộn lại hoặc một tấm graphene cuộn lại thành nhiều lớp .

Ngoài ra, SWCNT thường tự liên kết với nhau để tạp thành từng bó xếp chặt( được gọi là

SWCNTs ropes) và tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với hằng số mạng là 1,7nm. Mỗi

bó có thể gồm hang tram ống SWCNT nằm song song với nhau và chiều dài có thể lên

đến vài mm.



5



a) Đơn tường



b) Đa tường



c) Bó đơn tường



Hình 1.4 Các dạng cấu trúc của CNTs: (a) SWCNT, (b) MWCNTs, (c) Bó SWCNTs



III. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ỐNG NANO CACBON

Từ những ống nano cacbon đầu tiên được chế tạo bằng phương pháp hồ quang

điện, cho đến nay các nhà khoa học đã phát triển rất nhiều phương pháp tổng hợp

CNTskhác nhau. Nhưng có ba phương pháp chủ yếu được nhiều phòng nghiên cứu sử

dụngđể chế tạo ống nano cacbon đơn tường đó là: phương pháp hồ quang điện,

phươngpháp bắn phá bằng laser và phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học, hay còn

gọi làphương pháp CVD nhiệt. Mỗi phương pháp đều có đặc điểm riêng, nguyên lý,

thiết bị và cách thức để tiến hành chế tạo CNTs cũng có sự khác nhau.



1.



Phương pháp hồ quang điện.

Là phương pháp đơn giản và thông dụng nhất được sử dụng nhiều trong thời gian

đầu khi tìm ra CNTs.

Nguyên lý của phương pháp này là tạo ra ống nano cacbon thơng qua việc phóng

điện hồ quang giữa hai thanh điện cực cacbon, được đặt đối diện nhau, khoảng cách

của hai điện cực này khoảng vài mm. Môi trường xung quanh điện cực này là khí trơ

(He, Ar) ở áp suất từ 100-300 mbar. Sự phóng điện ở nhiệt độ cao giữa hai điện cực

xảy ra khi người ta cung cấp mộtdòng điện có cường độ 50-100A, được tạo bởi một

hiệu điện thế khoảng 20-25 V, nhiệt độ trong buồng lên tới 3000 – 4000K. Sự phóng

điện này làm cho cacbon chuyển sang pha hơi, ống nano cacbon được tạo ra trong quá

trình lắng đọng trên điện cực.



6



Hình 3.1 Mơ hình mơ tả phương pháp hồ quang điện để chế tạo CNTs



2. Phương pháp bốc bay laser.

Một phương pháp khác được sử dụng để chế tạo ống nano cacbon đó là sử dụng

chum tia laser. Đối với việc tổng hợp vật liệu trong phân vùng hẹp, đây là phương pháp

tỏ ra phù hợp và hiệu quả.

Nguyên lý của phương pháp này sử dụng một chùm tia laser cường độ lớn khoảng

100kW/cm2, ở nhiệt độ cao 1200oC, bức xạ vào một miếng graphit có vai trò dùng làm

bia, dưới áp suất cao khoảng 500 Torr, trong môi trường chân khơng hoặc khí trơ (He,

Ar). Chùm hơi nóng được tạo thành, nở ra và sau đó được làm lạnh nhanh, cacbon hình

thành được ngưng tụ nhờ hệ thống làm lạnh bằng điện cực đồng.

Chất lượng và hiệu suất của sản phẩm tạo ra phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng, thời

gian và xúc tác. Ở nhiệt độ dưới 1200oC, thì chất lượng vật liệu CNTs tạo ra giảm, xuất

hiện các sai hỏng về mặt cầu trúc. Đặc biệt, nếu dùng hỗn hợp xúc tác là Ni, Co/Ni… sẽ

cho hiệu suất cao hơn. Sản phẩm thu được là các ống cacbon nano có đường kính nhỏ,

phân bố kích cỡ đồng đều, có tính chất tốt với độ sạch cao (hơn 90%) so với phương pháp

hồ quang điện.



7



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

I. Lịch sử hình thành và Phát hiện Carbon Nanotube

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×