Vật liệu nano carbon Tác giả: TS. Nguyễn Quang Long Trường ĐH Bách khoa Tp.HCM, 2012

7/29/2019 Vật liệu nano carbon Tác giả: TS. Nguyễn Quang Long Trường ĐH Bách khoa Tp.HCM, 2012

http://slidepdf.com/reader/full/vat-lieu-nano-carbon-tac-gia-ts-nguyen-quang-long-truong-dh 1/42

TS. Nguyễn Quang Long – ĐHBK TP.HCM

Vật liệu nano carbon Nội dung

• Giới thiệu

• Vật liệu carbon truyền thống

• Vật liệu fullerence

• Vật liệu carbon nanotube

Giới thiệu

• Than (charcoal) 5000 BC từ gỗ

• Than chì (graphite) : Trung cổ, bút chì

• Diamond: 4000 BC tại Ấn Độ

• 1985: fullerenes

• 1991: carbon nanotube khoảng 50 000

bài báo

www.facebook.com/daykem.quynhon



Graphite Soot

• Soot (carbon black):spherical graphitestructure

• dùng làm chất độttrong công nghiệp sảnxuất vỏ xe

Carbon fibers Carbon fibers




Activated carbon

• 300-1000 m2/g , pore diameter = 1- 5 nm, làm chấthấp phụ

• Sản xuất bằng cách xử lý nhiệt (nhiệt độ vừa phải)các nguyên liệu chứa carbon: gỗ, vỏ dừa, ... tạo lỗxốp và kết thúc là quá trình rữa tạp chất.

• Thế giới mỗi năm sản xuất 100 000 tấn.

Diamond

• Cấu trúc Diamond: sp3, bond length =154,45 pm, cấu trúc fcc (phổ biến) hoặchexagonal

Diamond

• đến 1950: chỉ có nguồn tự nhiên

• Graphite diamond: ở độ sâu> 150 km, ápsuất > 4.5 GPa , nhiệt độ 900 -1300 °C.

• Sản lượng: 150.2 megacarat (30t) trong đó: Australia (6.6t), Africa (16t in total), andRussia (4.8t).

Diamond




Diamond

• Áp suất: GPa

• Nhiệt độ 1500 °C.

• Chất xúc tác: groups VIB and VIIIA, chủyếu là Fe và Ni.

• Sản lượng mỗi năm: 108t, chủ yếu là:Russia (16 t), Ireland (12 t), South Africa(12 t), Japan (6.8 t), and Belarus (5t)(2003)

Nội dung

• Giới thiệu




Carbon

• Cấu trúc electron của C: [He] 2s 2 2p 2

• Độ âm điện: C(2,55) P (2.1), B (2.0), S (2.5)




Carbon

Các dạng đồng vị trong tự nhiên:

• 12 C (98.89%)

• 13 C (1.11%) (NMR)

• 14 C (traces) (radioactive) (chu kỳ bán rãkhoảng 5730 năm)

Graphite vs. diamond

Graphite

Độ dẫn điện

• Dẫn điện tốt theo chiều “parallel to the latticeplanes” bằng các electron , độ dẫn điệnriêng:= 104 – 2.105 Ω-1 cm-1,

• Dẫn điện kém theo chiều dọc trục (z- axis)= 0.33 to 200 Ω-1 cm-1

• Ag: =6,3.10 5 Ω-1 cm-1

Cu: =6,0.10 5 Ω-1 cm-1

Graphite

Độ dẫn điện

• Drinking water: 5×10−6 to 5×10−4 Ω-1 cm-1

• Deionized water: 5.5×10−8 Ω-1 cm-1

• Air: 3×10−17 to 8×10−17 Ω-1 cm-1

• Paraffin: 10−20 Ω-1 cm-1

• PET: 10−23 Ω-1 cm-1

• Graphite: ideal black body: hấp thụ 99,5%bức xạ




Diamond

• Độ cứng (hardness): Nhôm, vàng , bạc,đồng (3), Sắt (4), Diamond (10)

Diamond

Vật liệu Hệ số dẫn nhiệt(W m-1.K-1)

Diamond 2200 Cu 370 Al 250 Au 315 Fe 55

Độ dẫn nhiệt: tốt nhất trong các vật liệu tự nhiên

Diamond

Vật liệu Hệ số dãn nở nhiệt(x106 .m.m-1K-1)

Diamond 1 Cu 17 Al 23 Au 14 Fe 12

Hệ số dãn nở nhiệt: rất nhỏ

Diamond

• Chất cách điện – Band-gap E= 5,5 eV

– Độ dẫn điện riêng : 8.10-14 Ω-1 cm-1




Thông số nhiệt động

Chất H0298

(kJ/mol) S0

298

(J/mol.K) G0

298

(kJ/mol) Graphite 0 5,6 0 Diamond 1,9 2,4 2,9

Giản đ ồ pha

Tính chất hóa học chung

• C tương đối trơ về hóa học, Các phảnứng:

- Với Oxy

- Với S, B, Si, halogen, N


• Graphite: – Phản ứng với halogen,

– Tạo sandwich structureCmM





• Diamond: cháy trong O2 ở nhiệt độ 900 – 12000C, không bị phá hủy trong acid,bazo, chất oxy hóa mạnh, phản ứng vớichromosulfuric acid (CrO3.H2SO4)

ứng dụng

• Trong công nghiệp luyện kim

• Graphite: Điện cực trong công nghệ điệnphân, chổi carbon trong động cơ điện,trong các lò phản ứng hạt nhân do khảnăng lưu giữ neutron, dùng làm chất bôitrơn khô do độ cứng thấp, và bút chì

• Diamond: trang sức, đầu mài- cắt – khoan, trong các máy UV do khả năngtruyền suốt vùng ánh sáng UV rộng

ứng dụng

• Carbon black: 90% dùng làm chất độntrong đó 2/3 dùng trong vỏ xe.

• Carbon fiber: dùng chế tạo vật liệucomposit (nhẹ hơn thép nhưng cứng vàbền như thép)

• Activated carbon: chất hấp phụ

Nội dung

• Giới thiệu







Giới thiệu

• “cages made from carbon”

• C60 : predicted 1970

Giới thiệu

Giới thiệu

• 1985 – experimentally synthesis fullerenes

• Fullerenes là những cage rỗng bao gồm các nguyêntử carbon liên kết với nhau trong vòng ngũ giác, lụcgiác.

• Mỗi nguyên tử carbon trên bề mặt cage được gắnvới ba carbon kề cận do đó là lai hóa sp2 .Fullerene nổi tiếng nhất là C60, cũng được biết đếnbởi "buckyball".

• Cụm tương đối phổ biến khác là C70, C72, C74,C76, C80, C82 và C84

Cấu trúc

– mạng lưới ba chiều của các nguyên tử carbon,

– mỗi nguyên tử được kết nối chính xác ba nguyêntử kế cận, và

– mỗi nguyên tử được liên kết bởi hai liên kết đơnvà một liên kết đôi

– Lồng fullerene có đường kính khoảng 7-15 Å, và

một nguyên tử carbon chiều dày. – Khá ổn định về mặt hóa học và vật lý (phá vỡ cácF đòi hỏi nhiệt độ khoảng 1000 °C.




Ứng dụng

• Do tính chất cực kỳ bền và chắc, xem xét để sửdụng trong bộ áo giáp chiến đấu.

• dẫn xuất hòa tan trong nước của fullerenes ức chếHIV-1 protease (enzyme chịu trách nhiệm cho sựphát triển của virus) hữu ích trong cuộc chiếnchống virus HIV (AIDS).

• Sự kết hợp với các nguyên tố khác trên C60 hoặccác fullerenes khác để tạo ra vật liệu đa dạng hơn,bao gồm cả chất siêu dẫn và chất cách điện.

Sản xuất

Nhiệt phân các Hydrocarbon

• Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH)

• HCs bao gồm 5 và 6 vòng khá dễ dàng chuyển đổithành các fullerenes khi xử lý nhiệt: ví dụ:naphthalene, corannulene hoặc hợp chất polycyclicaromatic cao hơn .

• đun nóng đến khoảng 1000 °C trong môi trường khítrơ (Ar).

Sản xuất

Naphthalene (C10H8)

Corannulene (C20H10)

Sản xuất

• Partial Combustion of Hydrocarbons

– Benzen là nguồn phổ biến nhất của carbon choquá trình này. Nó được pha trộn với oxy và argonvà đốt cháy.

– Hỗn hợp kết quả có chứa soot, các hợp chấtthơm polycyclic và một phần nhất định củafullerenes chiếm 0,003 - 9,0% tổng khối lượng

muội. – Hydrocarbon khác như toluene hoặc khí mêtan có

thể được sử dụng.




Sản xuất

• Arc Discharge Methods (hồ quang)

Sản xuất

• Điện áp cao được áp vào hai điện cực than chì làm nhiệt độtăng để làm bay hơi than chì.

• Sản lượng của fullerene có khoảng 15% trong đó C60 chiếmkhoảng 80% vật liệu fullerene.

• Các điện cực có đường kính nhỏ hơn 6 mm được sử dụng

cho phương pháp hồ quang. Sản lượng fullerene giảm khikích thước điện cực lớn hơn.

Sản xuất

• Rational Synthesis




Sản xuất

• Làm giàu và tinh chế

• Hỗn hợp: Fullerence, soot, PAH

• Tách dựa vào khả năng hòa tan trong dungmôi- Thường dùng Toluene

• Có thể tách bằng phương pháp thăng hoa

Tính chất tan

• Solubility (250C) (mmol/l)




Tính chất tan

• C60 thực tế không hòa tan trong nước.

• Hòa tan tốt trong các dm mà có khả năngcấp cặp điện tử, có vòng thơm

Tính chất tan

• C70

Tính chất hóa học Tính chất hóa học




Tính chất hóa học

• Phản ứng quang hóa







Fullerenes trong Vật liệu Polymer và trên

bề mặt

• Các phân tử fullerene có thể được kết hợpvào các polyme trong nhiều cách khác nhau.

• Sự tương tác giữa các phân tử hay các hạtphân tán của fullerenes và polymer là tĩnhđiện.

• Các đặc tính của fullerene và polymer đượcbảo tồn.




Ứng dụng và triển vọng

• C60 và các dẫn xuất của nó được coi là vậtliệu đầy hứa hẹn trong các ứng dụng sinh học.

• Một số nghiên cứu cho thấy được hiệu quảtrong ống nghiệm ức chế HIV protease.

• Pin mặt trời

• Vật liệu có tính chất điện tử thích hợp

• Cảm biến hóa học

• ...

Nội dung

• Giới thiệu




Giới thiệu

• Như một tờ giấy (lớp graphene) được cuộn lên vớicác cạnh của nó kết nối để tạo ra một ống.

• Có thể có đường kính khác nhau, một số nhữngống có thể lồng nhau tạo một ống nano carbon đavách.

• Nhóm S. Iijima đã được tìm thấy các ống nanocarbon khi nghiên cứu các loại muội khác nhau từcác thí nghiệm cho sản xuất fullerene.




Cấu trúc

• Một khác biệt chủ yếu giữa (SWNT) và(MWNT): đường kính và độ dài.

• Có thể có hoặc không có những cái mũ ở đầuống: ống nano carbon đóng hoặc mở.

Cấu trúc

• Có ba loại ống nano carbon khác nhautrong cách các tấm graphene cơ bảnđược cuộn lại: – Zig - zag carbon nanotubes

– Armchair carbon nanotubes

– Chiral carbon nanotubes




Cấu trúc

• SWNT – bao gồm một tấm graphene đơn cuộn lên để trở

thành một hình trụ rỗng bao phủ trục dọc củaống

– phần đầu ống của một SWNT mở: hầu hết cácnguyên tử carbon có liên kết không bão hòa.




Cấu trúc

MWNT• bao gồm một sự sắp xếp đồng tâm các ống nano với một

khoảng cách giữa các lớp. Ví dụ với hai ống nano: gọi làống nano tường đôi DWNTs.

• Có một khoảng trống hình trụ trong lõi của các ống này. Đường kính của nó có thể là từ 1 nm đến vài nanomet.

• Khoảng cách giữa các ống lồng khoảng 0,34nm

Sản xuất

• Các kỹ thuật hiện có cho kết quả là một hỗn hợp sảnphẩm: chiều dài, dạng hình học và đường kính khôngthể được hoàn toàn kiểm soát.

• Vấn đề làm giàu và tách loại là quan trọng

• Hầu hết các phương pháp sản xuất ống nano đềunhằm mục đích làm bay hơi một nguồn carbon đểphát triển các ống nano từ pha khí.

• Chỉ có phương pháp “rational synthesis” có thể khôngcó "đường vòng" qua giai đoạn khí.

• Arc Discharge Methods: – Điều chỉnh các điều kiện để thu được CNT thay vì F

– Nguồn carbon được thêm vào với một chất xúc táckim loại chuyển tiếp có được SWNT.

– Thông thường, được thực hiện bằng cách khoanmột lỗ thông qua cực dương song song với trục dọccủa nó được điền với một hỗn hợp của kim loại xúc

tác. – Xúc tác: Các kim loại như sắt, nickel, cobalt, đất

hiếm, kim loại quý như Pt hoặc kết hợp.

Sản xuất SWNT




• Hỗn hợp của niken hoặc coban hoặc yttrium đãđược tìm thấy sẽ được đặc biệt phù hợp cóthể, trong khi helium đã chứng minh cũng nhưkhí trơ.

• Năng suất của một ống nano carbon là khoảng15%, trong khi 50% của carbon là vật liệu vôđịnh hình

• Các sản phẩm thô cũng chứa lên đến 20%chất xúc tác, trong đó có thể được loại bỏ

trước khi tiếp tục sử dụng.

Sản xuất SWNT

• Đường kính SWCNT từ 1,2 và 1,5 nm. Nhiệtđộ tăng làm đường kính tăng

• Chiều dài của ống phụ thuộc vào các chấtxúc tác lựa chọn. – Khoảng 20 μm khi sử dụng xúc tác coban và

niken

Sản xuất SWNT

• Laser Ablation (Cắt đốt bằng Laser):

Sản xuất SWNT

• Là phương pháp phá hủy một mục tiêugraphite sử dụng một chùm tia laser tậptrung tại địa phương cung cấp năng lượngcần thiết để tạo sương.

• Kỹ thuật này cũng đã được sử dụng cho thếhệ các cụm fullerene.

Sản xuất SWNT




• Thiết bị gồm một lò nung có nhiệt độ khoảng1200 °C với một ống thạch anh bên trong.

• Một thiết bị làm mát (thường làm mát bằngđồng) nằm ở một đầu để thu thập cácSWNT.

• Argon và heli là các loại khí trơ tốt, nhưnghiện nay, argon đã thay thế phần lớn heli.

Sản xuất SWNT

• chất xúc tác (~ 1 - 2%) phải được thêm vàographite mục tiêu. Nếu không có phụ gia này,ống MWCNT hình thành.

• Chất xúc tác áp dụng phổ biến bao gồmcoban, niken hoặc các chất hỗn hợp bao gồmmột trong các kim loại này.

• Ni/Co - hỗn hợp cung cấp sản lượng tốt cácống nano đơn vách.

• Pt, Cu, trộn lẫn với Co, Ni, tạo ra SWNT

nhưng sản lượng nhỏ hơn đáng kể.

Sản xuất SWNT

• Chiếu xạ của ánh sáng laser năng lượng caogây ra nóng cục bộ graphite mục tiêu nó có thểlên đến vài nghìn độ tại vị trí tiếp xúc ngay lậptức.

• Điều này gây ra một số lượng ngày càng tăngcủa các nguyên tử carbon cũng như chất xúc

tác pha khí. (tương tự như trong phóng điệnhồ quang)

• Do đó các ống nano thu được từ cả haiphương pháp tương tự như nhau.

Sản xuất SWNT

• Một đặc điểm của các ống này là sự hìnhthành các bó rất ổn định từ SWNT ắp xếpsong song.

• Các bó thường có đường kính tổng thể 5- 20 nm và chiều dài vài trăm micromet

Sản xuất SWNT




• điện năng tiêu thụ sẽ là rất cao khi ứng dụng ởquy mô lớn, vì vậy phương pháp này chì dùngsản xuất SWNT tinh khiết, không có khiếmkhuyết, trên quy mô phòng thí nghiệm.

• Lò phản ứng năng suất lên đến 5g SWNT mỗigiờ đã có ở qui mô PTN.

• một số vấn đề chưa được giải quyết (nhiệt phânphối, tiêu thụ điện năng, liên tục cung cấp cácmục tiêu, ...) gây trở ngại phát triển qui mô lớn

hơn.

Sản xuất SWNT

• HiPCo Process: công bố lần đầu tiên vàonăm 1998

• Nó bao gồm phản ứng của một dòng carbonkhí, ví dụ, một alkane hoặc CO, trên mộtchất xúc tác kim loại chuyển tiếp được tạo ratại chỗ bằng cách phân hủy nhiệt của cáctiền chất organometallic như phức cacbonylhoặc metallocenes.

• Nhiệt độ khoảng 700oC, sản phẩm phụ là

graphite.

Sản xuất SWNT

Sản xuất SWNT

• Chất xúc tác sắt được tạo ra từ pentacacbonyl:bao gồm khoảng 40 - 50 nguyên tử sắt với đườngkính khoảng 0,7 nm.

• Các hạt sắt tạo ra từ chất xúc tác gắn bên ngoàicủa các ống nano carbon và có thể đóng góp lênđến 7% khối lượng tổng thể của hỗn hợp sảnphẩm

• Kim loại có thể được loại bỏ bằng PP hóa học ướtbởi vì chúng không nằm sâu bên trong cácSWNTs, nhưng thường được bao quanh bởi haihoặc ba lớp carbon.

Sản xuất SWNT




• quy mô phòng thí nghiệm HiPCo – process: – PCO = 30 atm/446 psi

– t = 24 - 72 h

– tốc độ dòng chảy ~ 300 SLM

– T = 1050 °C

– 450 mg SWCNT/h.

• SLM: standard liter per minute

• Fe(CO)5 bắt đầu phân hủy tại ~ 250 °C

Sản xuất SWNT

Pyrolysis

• phương pháp này được dựa trên sự phânhủy nhiệt của tiền chất hữu cơ.

• Quy trình có thể không có chất xúc tác.

• Chất xúc tác (nếu áp dụng) không được phủlên một chất nền, mà được bổ sung trực tiếpcác nguyên liệu ban đầu.

• Hỗn hợp kết quả sau đó được đưa vào lòphản ứng có thể ở dạng rắn hoặc ở trạng thái

lỏng bởi một dòng khí.

Sản xuất SWNT

• Các loại rượu là nguyên vậtliệu thích hợp cho sản xuấtpyrolysis tạo SWCNT.

• Sự phân hủy của một ethanol/hỗn hợp ferrocence ở nhiệt độ950°C trong một dòng argontạo SWCNT đường kính 2 - 3nm.

• Rượu thường làm phát sinhSWCNT, trong khi các nguồncarbon khác như axetylen tạoMWCNT

• Sản lượng có thể lên đến 800%KL xúc tác (hoặc 40% so vớinguyên liệu).

SWCNT từ ethanol/ferrocence

Sản xuất SWNT

• Chemical Vapor Deposition ( CVD)

Sản xuất SWNT




• CVD đã được ứng dụng hơn 20 năm triểnđể sản xuất sợi carbon và sợi filament.

• Kỹ thuật này cũng rất phù hợp cho việcchế tạo vật liệu ống nano khác nhau.

• Bao gồm: – một lò bao quanh một ống chịu nhiệt.

– Một chất nền với chất xúc tác hạt phân tántrên nó được đặt bên trong ống

– Nhiệt độ tiêu biểu từ 550 °C đến 770 °C.

Sản xuất SWNT

• một dòng của hỗn hợp chất phản ứng khíđược dẫn qua chất xúc tác.

• Sau khi hoàn thành phản ứng, các chấtnền với SWNT trồng trên nó được lấy ratừ buồng phản ứng và các ống nanođược cô lập.

Sản xuất SWNT

• Các nguồn cacbon thông thường nhất làhydrocarbon: CH4, C2H4, và C2H2, với cácphụ gia của hydro và khí trơ.

• Chất xúc tác này thường được phủ lênchất mang trong hình dạng của các hạtmịn phân tán.

• Sự lựa chọn của hai chất liệu là rất quantrọng đến chất lượng và số lượng củasản phẩm.

Sản xuất SWNT




• Ví dụ, liên kết của chất xúc tác và chất mangphải được ổn định ở nhiệt độ cao.

• Một bề mặt chất xúc tác lớn giúp thuận lợicho sự phát triển của SWNT.

• Alumina và silica là các chất mang điển hình

• Chất xúc tác:nhóm sắt đã chứng minh hoạtđộng nhất. Do đó, phương pháp CVD thôngthường sử dụng sắt, cobalt hay nickel – mang trên alumina.

Sản xuất SWNT

• Vai trò chất xúc tác: – tạo điều kiện cho việc phân hủy nhiệt của

hydrocarbon

– có thể hoạt động như là các khối xây dựngcho sự phát triển ống nano.

Sản xuất SWNT

• Kiểm soát đường kính ống nano bằngcủa các hạt chất xúc tác với các kíchthước là thú vị: – Ví dụ, với các hạt sắt đường kính 3, 9, hoặc

13 nm rộng Các ống nano kết quả cóđường kính trung bình của 3, 7, hoặc 12 nm.

– Chúng thường thu được bằng cách kết tủatừ các tiền chất hữu cơ (ví dụ như, sắtpentacacbonyl).

Sản xuất SWNT

• Arc Discharge

Sản xuất MWNT







• Đường kính ngoài của MWCNT thườngkhoảng từ 2 đến 30 nm, và bao gồm từmột vài đến vài chục lớp.

• Các khoang hình trụ bên trong của cácống đo 1 - 3 nm,

• Chiều dài của là ống khoảng 1 μm.

• Thu được ở catod

Sản xuất MWNT

Laser Ablation

• MWNT cũng có thể được tạo ra bằng cáchcắt đốt laser.

• Không có chất xúc tác.

• MWNT được kết tủa tại các vị trí mát hơntrong lò phản ứng.

• Nhiệt độ hoạt động là khoảng 1200 °C – số lượng các khuyết tật gia tăng và sản lượng

giảm MWNT ở nhiệt độ thấp hơn.

– Dưới 200 °C, không có CNT tạo thành.

Sản xuất MWNT

• Quá trình tạo một phần đáng kể của carbonvô định hình, fullerenes, và các hạt nanocarbon ngoài MWNT mong muốn.

• Những tạp chất này có thể được loại bỏtrước khi tiếp tục sử dụng.

• Sản lượng của ống MWNT thường daođộng khoảng 40%.

• MWNTs thu được có 4 đến 25 lớp, dàikhoảng vài trăm nm, có nắp.

Sản xuất MWNT

• Quá trình này không thể được tiến hành liêntục, và số năng lượng cần thiết làm cho nókhông kinh tế.

• Do đó phương pháp này vẫn còn dành choMWNT tổng hợp trong phòng thí nghiệm.

Sản xuất MWNT




Chemical Vapor Deposition ( CVD )

• CVD là phương pháp phân hủy nhiệt của các hợpchất cácbon trong một ống thạch anh nóng mangmột chất nền được phủ với các hạt chất xúc tác.Các lò phản ứng được đun nóng ở 500 - 1000 °C.

• CVD cần một chất xúc tác cho phản ứng phânhủy: sắt, coban, niken, và molypden đã được sửdụng làm chất xúc tác.

Sản xuất MWNT

• Sự lựa chọn vật liệu bắt đầu có thể kiểmsoát xem sản phẩm là SWCNTs hayMWCNTs – Ví dụ, phản ứng, benzene với chất xúc tác

metallocene sẽ làm phát sinh các ống MWNT,trong khi việc sử dụng acetylene tạo SWCNT.

Sản xuất MWNT




• Pyrolysis

Sản xuất MWNT

• Phân hủy các diễn ra trên một chất xúc tác ởnhiệt độ cao, và một số phương pháp có khảnăng làm việc mà không cần xúc tác đã đượcphát triển.

• Ví dụ: acetylene trên một chất xúc tácFe/SiO2: acetylene nhiệt phân trên chất xúc

tác trong một ống thạch anh nhiệt ở khoảng700 °C (thông thường :500 - 1000 °C).

Sản xuất MWNT




• Đường kính ngoài của ống nano multiwalledlà khoảng 30 nm + các lớp carbon vô địnhhình lớp phủ khá dày cấu trúc có đườngkính tổng thể khoảng130 nm.

• Chiều dài của ống có thể dao động đếnmicromet và phụ thuộc vào thời gian phảnứng.

Sản xuất MWNT

• Các ống nano carbon cũng có thể được sảnxuất bởi pyrolysis naphtalene vào khoảng900 °C trong dòng argon trong sự hiện diệncủa xúc tác sắt. So với các phương phápCVD, phương pháp này đòi hỏi chỉ cókhoảng 10% lượng xúc tác.

Sản xuất MWNT

Làm sạch và tách loại

• Bất kể phương pháp nào được sử dụngcho sản xuất CNTs, các ống nano carbonluôn luôn chứa một số tạp chất: các hạtchất xúc tác kim loại, carbon vô địnhhình, các hạt nano carbon chứa kim loại,fullerenes, và các mảnh vỡ polyaromatic.




Tính chất cơ

Tính chất cơ Tính chất cơ

• Các phép đo của mô đun Young (mô đunđàn hồi) của ống nano carbon đơn váchmang lại giá trị 0,4-4,15 TPA. Trung bình1,0 - 1,25 TPA, là con số cao nhất từngđược báo cáo cho vật liệu bất kỳ.

• Kết quả cho mô đun đàn hồi phụ thuộc

vào đường kính: – Ống dày 1 nm: 1,4 TPA,

– Ống dày 2 nm:0,7 TPA




Tính chất điện

• các electron di chuyển xa thông qua cácống nano mà không cần tương tác vớikhuôn khổ carbon.

• Độ dẫn điện của ống nano carbon chịuảnh hưởng của các khuyết tật.

• Các tạp chất cũng ảnh hưởng đến sựdẫn điện của CNTs.

•

Tính phát xạ tr ường (Field Emission)

• Đây là khả năng phát ra các electron khi ápmột điện trường ngoài vào.

• Phát xạ trường là không chỉ có ở các ốngnano carbon. Nó đã được biết đến với cácelectron có thể được chiết xuất từ bề mặtcủa vật liệu dẫn điện.

Tính chất quang phổ

• Các quang phổ Raman của ống nanocarbon cung cấp thông tin có giá trị về hìnhdạng và thành phần của cấu trúc.

• Chúng cũng có thể dùng chứng minh sự tồntại hay không tồn tại của ống nano trongmột mẫu

IR




Tính chất quang phổ

• Raman band của: Graphite: D, G .

• CNTs: có thêm: RBM (radial breathingmode) và có khác ở G.

Tính chất Nhiệt

Tính chất NhiệtTính chấtNhiệt









• Các ống nano carbon có thể hoạt động cả hai như làchất cho hay nhận e tham gia vào các phản ứngoxi hóa khử.

• Phản ứng chủ yếu diễn ra ở hai đầu của ống và tạicác vị trí khuyết tật.

• phản ứng với axit khoáng: axit nitric, sulfuric tại cácnhóm carboxyl kết thúc của các ống và khiếm khuyếttrên thành ống.

• Ngoài ra: hydrogen peroxide, chromosulfuric hoặcaxit perchloric, KMnO4, và oxy phân tử, hoặc khôngkhí ở nhiệt độ cao


• Ozone là một chất phản ứng khác để tấncông các ống nano carbon. Ozonization CO2 và CO từ oxy mang nhóm chứcnăng làm phát sinh các khuyết tật làm thay đổi các đặc tính hấp thụ của cácống.





• Vơi Ozon


• ống nano carbon hòa tan trong nước cóthể được sản xuất bằng cách gắn đơn vịpolyethylene glycol vào các nhómcarboxyl.


• Chức hóa bề mặt ống

• ví dụ: Phản ứng của F2 với SWNT có thểđược thực hiện trong một lò ống vào khoảng150 °C các ống nano với một mức độ flohóa lên đến 100%.





• Addition of Carbenes and Nitrenes

Tính chất hóa học• Bingel Reaction : trên các ống nano carbon, phản

ứng Bingel được thực hiện khá dễ dàng


• Wrapping with Long - Chain Molecules:Một phương pháp đơn giản, hiệu quả choviệc chức hóa ống nano carbon bao gồmthiết lập tương tác với phân tử chuỗi dàiquấn quanh ống.

• Chỉ bằng tương tác van der Waals.

• Chúng bao gồm các polime sinh học nhưamylose.




Composite Materials




Các ứng dụng

• Nanotubes as Tips in Atomic Force Microscopy

Sensor Applications

• Cảm biến vật lý đo nhiệt độ, áp suất, biến dạng cơhọc

• Các ống nano carbon dưới tác dụng cơ học tạo sựthay đổi tín hiệu trong quang phổ Raman. Đặc biệtlà sự thay đổi của G – band là tỷ lệ thuận với áplực.

• Các ống nano carbon cũng thích hợp với lưulượng kế. Các tín hiệu đo ở đây là dòng điện cảmứng, tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy của chấtlỏng tương ứng.




Sensor Applications

Chemical Sensors

• Các chất phân tích có thể được phát hiện ở nồngđộ xuống đến phạm vi ppt.

• ống nano - cảm biến dựa trên tác ở nhiệt độphòng, trong khi các thiết bị bán dẫn thông thườnglàm việc chỉ trên 200 °C

• The khả năng cho-nhận e là một tính năng thiếtyếu của chất phân tích. Ví dụ: NO2 (nhận) hoặcamoniac (cho) có thể dễ dàng xác định bằngphương tiện dùng các ống nano

Các ứng dụng khác

• Biological Applications – Vận chuyển thuốc/vacxin

– Liệu pháp gen

– Nhận định thứ tự ADN




Các ứng dụng khác

• Sự gắn kết giữa ma trận polymer và ốngnano là khá bền do tương tác mạnh mẽcủa van der Waals.

• polymer composites

• nano-tubes dùng làm chất độn trong chếtạo heavy-duty materials.

Materials with Carbon Nanotubes




Các ứng dụng khácHeterogeneous Catalysis

Documents

Vật liệu nano carbon Tác giả: TS. Nguyễn Quang Long Trường ĐH Bách khoa Tp.HCM, 2012