Tổng hợp ống nano cacbon bằng phương pháp lắng đọng pha hơi sử dụng xúc tác FerroceneE (C10H10Fe)/nhôm (Al) và nguồn cacbon khí axetylen (C2H2)

Bài viết này trình bày kết quả tổng hợp CTNs bằng phương pháp lắng đọng pha hơi (CVD-Chemical Vapor Deposition) sử dụng khí Axetylen (C2H2) làm nguồn cacbon trên nền xúc tác Ferrocene (C10H10Fe)/Nhôm (Al).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tổng hợp ống nano cacbon bằng phương pháp lắng đọng pha hơi sử dụng xúc tác FerroceneE (C10H10Fe)/nhôm (Al) và nguồn cacbon khí axetylen (C2H2)Nghiên cứu khoa học công nghệ TỔNG HỢP ỐNG NANO CACBON BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG PHA HƠI SỬ DỤNG XÚC TÁC FERROCENE(C10H10Fe)/NHÔM (Al) VÀ NGUỒN CACBON KHÍ AXETYLEN (C2H2) Phạm Công Minh*, Nguyễn Đình Chinh, Trần Phương Chiến Tóm tắt: Trong những năm gần đây, ống nano cacbon (CNTs) đã được các nhà khoa học quan tâm rất nhiều nhờ vào những tính chất đặc biệt như: diện tích bề mặt lớn, cấu trúc rỗng, độ dẫn điện cao, nhẹ và bền. Nhờ vào những tính chất này mà CNTs được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực khác nhau, nhất là trong lĩnh vực môi trường được sử dụng như chất hấp phụ. Bài báo này trình bày kết quả tổng hợp CTNs bằng phương pháp lắng đọng pha hơi (CVD-Chemical Vapor Deposition) sử dụng khí Axetylen (C2H2) làm nguồn cacbon trên nền xúc tác Ferrocene (C10H10Fe)/Nhôm (Al). Ảnh thu được bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy, sản phẩm CNTs có đường kính ống khá đồng nhất, kích thước ống trung bình 30nm. Diện tích bề mặt riêng BET của sản phẩm đạt tương đối lớn 240m2/g.Từ khóa: CNTs; BET; Hấp phụ/giải hấp; Kích thước lỗ xốp. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Graphene, một lớp đơn nguyên tử carbon liên kết sp2 trong mạng lục giác hai chiều,trong mỗi mặt này, một nguyên tử C chia ra 3 liên kết cộng hóa trị để nối với 3 nguyên tửC gần nhất ở xung quanh. Góc của các mỗi liên kết là 120˚, do đó, các nguyên tử nằmtrong một lớp tạo thành một mạng lưới hình 6 cạnh khá bền vững. Ống nano cacbon(CNTs) có thể coi như được tạo thành bằng cách cắt tấm graphen ra, sau đó, cuộn tròn lạithành ống. Có hai loại CNTs là: CNTs đơn tường (SWCNTs), được cấu tạo bởi một tườngduy nhất các nguyên tử cacbon và CNTs đa tường (MWCNTs), được cấu tạo như thể baogồm nhiều ống đơn tường lồng vào nhau. CNTs với những tính chất đặc biệt như: độ dẫnđiện thay đổi theo kích thước và cấu trúc của ống, nhẹ hơn thép nhiều lần nhưng lại bềnhơn thép rất nhiều lần, chịu được nhiệt độ cao, có tính đàn hồi tốt, độ dẫn điện cao, diệntích bề mặt riêng lớn, có khả năng phát xạ điện từ ở từ trường thấp [1], vì thế, CNTs hiệnđược ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực: Transistor hiệu ứng trường, pin tích trữ nănglượng, ứng dụng phát xạ trường,… Đặc biệt, CNTs có cấu trúc như các lớp mạngGraphene cuộn lại thành dạng ống trụ rỗng đồng trục, đặc trưng nổi bật của nó là loại vậtliệu siêu xốp và có bề mặt riêng lớn nên CNTs còn được sử dụng thay thế than hoạt tínhlàm vật liệu xử lý môi trường nước và khí [2]. Hiện nay, có ba phương pháp phổ biến được nhiều phòng nghiên cứu sử dụng để tổnghợp CNTs là: phương pháp hồ quang điện, phương pháp bắn phá bằng laser và phươngpháp lắng đọng hóa học từ pha hơi (Chemical Vapour Deposition – CVD). Mỗi phươngpháp đều có đặc điểm riêng, nguyên lý của thiết bị và cách thức để tiến hành chế tạo CNTscũng có sự khác nhau, trong đó, phương pháp CVD được sử dụng phổ biến hơn cả bởinhiệt độ tổng hợp thấp (dưới 1.000ºC), thiết bị sử dụng đơn giản, dễ kiểm soát quá trìnhtổng hợp và hiệu suất tạo sản phẩm cao [3]. Tại phương pháp CVD, nguồn cacbon được sử dụng có thể từ nhiều loại khác nhaunhư: cacbon monoxit, metan, axetylen, benzen, toluen và xylen [4]. Nếu nguồn cacbon làmột hydrocacbon mạch thẳng như metan hoặc acetylen, chúng thường bị phân hủy thànhcác chất mạch thẳng của nguyên tử cacbon hoặc cacbon ở nhiệt độ cao và quá trình tổnghợp bằng CVD có thể tạo ra các ống nano cacbon thẳng. Và nếu là benzen, toluen vàxyclohexene thì có thể tạo ra các ống nano carbon tương đối cong [5].Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 131 Hóa học & Kỹ thuật môi trường Xúc tác thường sử dụng cho quá trình tổng hợp là các kim loại chuyển tiếp như silic(Si), sắt (Fe), coban (Co), các xúc tác có thể được dùng trực tiếp hoặc đưa lên trên các chấtmang khác nhau như nhôm, silic [6]. Cả ba kim loại này đều có khả năng hòa tan cacbontừ 0,5 –1%, để hình thành các dung dịch rắn trong khoảng nhiệt độ từ 600 – 900°C [7].Trong đó, với khả năng dễ dàng đạt trạng thái bão hoà giữa nồng độ của cacbon trongdung dịch rắn với sắt, kim loại sắt được đánh giá là dễ dàng hình thành cấu trúc CNTs. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả trình bày kết quả tổng hợp CNTs bằng phươngpháp CVD trên xúc tác Ferrocene/Nhôm, với nguồn carbon được sử dụng là khí axetylen.Sản phẩm CNTs được đánh giá các đặc trưng bằng một số phương pháp phân tích hóa lýhiện đại như hấp phụ và giải hấp phụ đẳng nhiệt nitơ, xử lý số liệu theo lý thuyết BET(Brunauer - Emmett - Teller), kính hiển vi điện tử quét (SEM: Scanning ElectronMicroscopy) và XRD nhằm khảo sát tính chất, hình thái bề mặt và vi cấu trúc cũng nhưthành phần nguyên tố của C ...