LỜI CAM ĐOAN .i
LỜI CẢM ƠN.ii
MỤC LỤC.iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .xv
MỞ ĐẦU .1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .7
1.1. Tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) .7
1.1.1. Cấu trúc và phân loại vật liệu CNTs .7
1.1.2. Tính chất của vật liệu CNTs .10
1.1.3. Một số phương pháp chế tạo vật liệu CNTs .13
1.1.4. Chế tạo vật liệu CNTs định hướng bằng phương pháp CVD nhiệt.14
1.1.4.1. Phương pháp CVD nhiệt trong chế tạo vật liệu CNTs định hướng. 14
1.1.4.2. Sự hình thành và cơ chế mọc của CNTs . 15
1.1.4.3. Điều khiển hướng mọc của CNTs bằng phương pháp CVD nhiệt. 16
1.1.5. Một số ứng dụng của vật liệu CNTs định hướng.21
1.1.5.1. Một số ứng dụng của vật liệu VA-CNTs . 21
1.1.5.2. Một số ứng dụng của vật liệu HA-CNTs. 23
1.2. Tổng quan về vật liệu graphene.25
1.2.1. Cấu trúc của graphene.25
1.2.2. Một số tính chất của vật liệu graphene .26
1.2.3. Một số phương pháp chế tạo vật liệu graphene .29
1.2.4. Chế tạo vật liệu graphene bằng phương pháp CVD nhiệt .29
1.2.4.1. Phương pháp CVD nhiệt trong chế tạo vật liệu graphene . 29
1.2.4.2. Cơ chế hình thành màng graphene trên kim loại chuyển tiếp . 30
1.2.5. Một số ứng dụng của vật liệu graphene .32
1.3. Một số phương pháp phân tích, đánh giá vật liệu CNTs định hướng và vật liệu
graphene.33
1.3.1. Phương pháp phổ tán xạ Raman.33
1.3.1.1. Phổ Raman của CNTs. 33
1.3.1.2. Phổ Raman của graphene. 36
181 trang |
Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 02/03/2022 | Lượt xem: 380 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu chế tạo vật liệu ống nanô cácbon định hướng, vật liệu graphene nhằm ứng dụng trong cảm biến sinh học, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
u VA-CNTs. Mật độ
hạt xúc tác trên đế Si/SiO2 được xác định gần đúng bằng cách đếm số hạt trên diện
tích 100 nm2 sử dụng ảnh FE-SEM.
Hình 2.5: Kết quả chụp AFM của hai mẫu xúc tác: a) Fe3O4 (M1) 0,026 g.mL-1 và
b) CoFe1,5O4 (M3) 0,033 g.mL-1 sau khi được phủ lên trên bề mặt của đế SiO2/Si
bằng phương pháp quay phủ
Hình 2.6: Ảnh SEM của VA-CNTs được mọc từ các mẫu xúc tác Fe3O4 và CoFe1,5O4
với nồng độ dung dịch khác nhau
[61]
Từ kết quả chụp SEM (hình 2.6) ta thấy rõ ràng rằng nồng độ dung dịch xúc
tác ảnh hưởng nhiều đến mật độ, chiều dài và tốc độ mọc của VA-CNTs. Với mẫu
xúc tác Fe3O4, khi tăng nồng độ dung dịch từ 0,01 g.mL-1 lên 0,026 g.mL-1 thì chiều
dài của VA-CNTs tăng lên gần gấp đôi từ 3,2 m (hình 2.6 a) lên 6,5 m (hình 2.6 b)
tương ứng với tốc độ mọc của CNTs tăng từ 100 nm/phút lên 200 nm/phút và mật độ
của CNTs cũng tăng lên. Tuy nhiên, khi tăng nồng dung dịch xúc tác lên tới
0,033 g.mL- 1 thì chiều dài của CNTs giảm đi còn 4,4 m (hình 2.6c) tương ứng với
tốc độ mọc của CNTs cũng giảm xuống 140 nm/phút và trên bề mặt của CNTs có
nhiều cácbon vô định hình. Hiện tượng tự cũng xảy ra với mẫu xúc tác CoFe1.5O4, tức
là khi tăng nồng độ dung dịch xúc tác tăng từ 0,026 g.mL-1 lên 0,033 g.mL-1 thì chiều
dài cũng tăng từ 4,8 m lên 9,1 m tương ứng với tốc độ mọc của CNTs tăng từ 160
nm/phút lên 300 nm/phút và mật độ của CNTs tăng lên đáng kể. Và khi tăng nồng độ
lên đến 0,04 gmL- 1 thì mật độ CNTs vẫn rất cao nhưng chiều dài của CNTs giảm đi
nhiều chỉ còn 1,1 m và xuất hiện nhiều cacbon vô định hình trên bề mặt của CNTs.
Điều này có thể giải thích như sau: với nồng độ dung dịch xúc tác thấp khi đó lượng
hạt xúc tác Fe là không đủ cho quá trình phân hủy nguồn hydrôcácbon và dễ mất đi
hoạt tính xúc tác và sớm chấm dứt quá trình mọc CNTs. Tuy nhiên, khi nồng độ của
hạt xúc tác quá cao dẫn tới hiện tượng kết đám, hình thành các đám hạt xúc tác có
kích thước lớn hơn, làm giảm hoạt tính xúc tác của Fe và giảm chiều dài của CNTs
[139],[140]. Nồng độ dung dịch xúc tác quá cao còn dẫn tới sự hình thành nhiều lớp xúc
tác trên bề mặt đế, do đó lớp dung môi được phủ trên bề mặt của hạt xúc tác không
được loại bỏ hoàn toàn trong quá trình CVD, dẫn tới sự hình thành cácbon vô định
hình làm giảm tốc độ mọc cũng như chiều dài của vật liệu VA-CNTs [25]. Quan sát
trên hình 2.6 ta có thể nhận thấy một điều nữa là khi sử dụng hai mẫu dung dịch xúc
tác Fe3O4 và CoFe1.5O4 với cùng nồng độ như nhau nhưng mật độ và chiều dài của
VA-CNTs được tạo thành là khác nhau. Với mẫu xúc tác Fe3O4 thì chiều dài và mật
độ VA-CNTs là tốt nhất khi nồng độ dung dịch bằng 0,026 g.mL-1, nhưng với mẫu
xúc tác CoFe1.5O4 thì chiều dài và mật độ của VA-CNTs là tốt nhất khi nồng độ dung
dịch bằng 0,033 g.mL-1. Điều này có thể giải thích là do ảnh hưởng của thành phần
Co được thêm vào trong mẫu hạt xúc tác mà sẽ được khảo sát một cách chi tiết trong
phần sau của luận án. Các kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch tới
[62]
chiều dài, mật độ và tốc độ mọc của vật liệu VA-CNTs trên hai mẫu xúc tác Fe3O4
và CoFe1,5O4 với nồng độ dung dịch khác nhau được tổng hợp trong bảng 2.2.
Bảng 2.2: Bảng tổng hợp kết quả chế tạo vật liệu VA-CNTs được mọc từ các mẫu xúc
tác Fe3O4 và CoFe1,5O4 với nồng độ dung dịch khác nhau
Nồng độ
dung dịch
(g.mL-1)
Fe3O4 CoFe1,5O4
Chiều dài của
VA-CNT (m)
Tốc độ mọc
(nm/phút)
Chiều dài của
VA-CNT (m)
Tốc độ mọc
(nm/phút)
0,01 3,2 ± 0,6 106 ± 20 - -
0,026 6,5 ± 1,1 216 ± 36 4,8 ± 0,5 160 ± 16
0,033 4,4 ± 0,9 147 ± 30 9,1 ± 0,8 300 ± 27
0,04 - - 1,1 ± 0,2 30 ± 6
Các kết quả khảo sát cho thấy chiều dài, mật độ và tốc độ mọc của vật liệu
VA-CNTs phụ thuộc nhiều vào nồng độ của dung dịch xúc tác. Với hai mẫu xúc tác
Fe3O4 và CoFe1,5O4 thì nồng độ dung dịch tối ưu trong tổng hợp vật liệu VA-CNTs
tương ứng là 0,026 g.mL-1 và 0,033 g.mL-1.
2.2.3.2. Ảnh hưởng của hơi nước
Nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, sự hình thành cácbon vô định hình
trong suốt quá trình mọc của vật liệu VA-CNTs làm giảm hoạt tính của các hạt xúc
tác một cách nhanh chóng, dẫn tới giảm sản lượng cũng như chất lượng của vật liệu
VA-CNTs. Để cải thiện tình trạng trên, nhiều nhóm nghiên cứu đã đưa thêm hơi nước
vào trong thành phần hỗn hợp khí phản ứng trong suốt quá trình mọc của vật liệu
CNTs. Hơi nước được xem là một chất oxi hóa yếu, ngăn cản sự hình cácbon vô định
hình tại các vị trí hoạt động của chất xúc tác, giúp kéo dài thời gian sống của hạt xúc
tác, tăng tốc độ mọc và điều này đã làm tăng chiều dài và chất lượng của VA-CNTs
[46],[141],[142].
Trong nghiên cứu này, để khảo sát ảnh hưởng của thành phần hơi nước trong
quá trình chế tạo vật liệu VA-CNTs, chúng tôi đã tiến hành mọc và so sánh hai mẫu
VA-CNTs trong hai trường hợp không có hơi nước và có hơi nước trong quá trình
CVD sử dụng mẫu xúc tác Fe3O4 (M1) với nồng độ 0,026 g.mL-1 trong cùng một điều
kiện CVD: ở 750oC, tỉ lệ lưu lượng khí nguồn Ar/H2/C2H2 = 300/100/30sccm, thời
gian CVD 30 phút. Hơi nước với lưu lượng 60 sccm được đưa thêm vào quá trình
[63]
mọc CNTs bằng cách chiết một phần khí Ar và cho sục qua bình có chứa nước ở nhiệt
độ môi trường (~ 25oC). Khí Ar mang theo hơi nước sẽ được dẫn vào đường khí tổng
và được đưa vào buồng CVD trong quá trình mọc VA-CNTs như được mô tả trong
hình 2.4. Hình 2.7 là ảnh SEM của mẫu VA-CNTs được mọc trong hai trường hợp
không có hơi nước (hình 27a) và có hơi nước (hình 2.7b).
Hình 2.7. Ảnh SEM và đồ thị phân bố đường kính của VA-CNTs được mọc từ mẫu
xúc tác Fe3O4 (M1) 0,026 g.mL-1 trong hai trường hợp: a,b) không có hơi nước và
c,d) có hơi nước với lượng 60 sccm, với điều kiện CVD: 750°C, Ar/H2/C2H2 =
300/100/30 sccm, 30 phút.
Bảng 2.3: Bảng so sánh các thông số của các mẫu VA-CNTs được chế tạo trên mẫu
xúc tác Fe3O4 0,026 g.mL-1trong hai trường hợp có và không có hơi nước đưa vào
trong quá trình CVD
Điều kiện CVD
Fe3O4 0,026 g.mL-1
Chiều dài CNTs
(m)
Đường kính CNTs
(nm)
Tốc độ mọc
(nm/phút)
Không có hơi nước 6,5 ± 0,8 13,1 ± 2,1 216 ± 93
Có hơi nước với lưu
lượng 60 sccm
40,5 ± 3,6 8,3 ± 0,9 1340 ± 120
[64]
Từ kết quả chụp SEM và đồ thị hàm phân bố đường kính của CNTs cho thấy,
việc thêm thành phần hơi nước vào trong quá trình CVD đã làm thay đổi đáng kể về
chiều dài, đường kính và tốc độ mọc của CNTs. Chiều dài của CNTs đã tăng lên từ
6,5 m trường hợp không có hơi nước (hình 2.7a) lên tới 40,5 m trong trường hợp
có hơi nước (hình 2.7b) tương ứng với tốc độ mọc của CNTs tăng từ 200 nm/phút lên
1330 nm/phút. Đồng thời, đường kính trung bình của CNTs cũng giảm đáng kể từ
13,1 nm xuống 8,3 nm (tương ứng với đường kính của hạt xúc tác), mật độ của CNTs
cũng tăng lên và CNTs trở nên thẳng, đồng đều hơn có khi có thêm hơi nước trong
quá trình CVD.
Để biết thêm các thông tin về cấu trúc của VA-CNTs, chúng tôi tiến hành phân
tích HRTEM và phổ tán xạ Raman hai mẫu VA-CNTs trong hai trường hợp có và
không có hơi nước trong quá trình CVD. Hình 2.8 là ảnh TEM của hai mẫu VA-CNTs
được tổng hợp trong trường hợp không có hơi nước (hình 2.8a) và có hơi nước với
lưu lượng 60 sccm trong quá trình CVD. Từ ảnh TEM ta thấy rõ ràng rằng, với mẫu
CNTs mọc trong trường hợp không có hơi nước có nhiều cácbon vô định hình và sai
hỏng về mặt cấu trúc (hình 2.8a). CNTs được hình thành có cấu trúc dạng bamboo
(có các đốt như cây tre), đây là một cấu trúc sai hỏng mạng không mong muốn [143].
Còn với CNTs mọc trong trường hợp có hơi nước có cấu lỗ rỗng, thẳng, thành ống
mỏng, đường kính nhỏ và đồng đều (2.8b)
Hình 2.8: Ảnh TEM của hai mẫu VA-CNTs được tổng hợp với cùng điều kiện CVD
trong hai trường hợp: a) không có hơi nước, b) có hơi nước với lưu lượng 60 sccm
Phân tích thêm phổ tán xạ Raman (hình 2.9) chúng ta thấy rằng, cả hai mẫu
CNTs đều xuất hiện hai đỉnh D và G ở các vị trí số sóng tương ứng là 1354 cm-1 và
1594 cm-1. Đỉnh G thể hiện cho sự xắp xếp có trật tự của mạng graphite còn đỉnh D
là thể hiện cho các cấu trúc sai hỏng, mất trật tự hoặc do sự xuất hiện của cácbon vô
b) a)
[65]
định hình. Dựa vào tỉ số cường độ của hai đỉnh IG/ID có thể đánh giá được chất lượng
của CNTs [144]. Tỉ số này càng cao thì chất lượng của CNTs càng tốt và ngược lại. Tỉ
số IG/ID của hai mẫu VA-CNTs được tổng hợp trong hai trường hợp không có hơi
nước (hình 2.9-1) và trường hợp có hơi nước với lưu lượng 60 sccm (hình 2.9-2) có
giá trị tương ứng là 0,88 và 1,60. Ta thấy rằng, giá trị tỉ IG/ID của mẫu CNTs có thêm
thành phần hơi nước gần gấp hai lần tỉ số IG/ID của mẫu CNTs khi không có hơi nước.
Kết quả này một lần nữa đã khẳng định ảnh hưởng tích cực của việc thêm thành phần
hơi nước trong quá trình chế tạo vật liệu VA-CNTs.
Hình 2.9: Phổ tán xạ Raman của hai mẫu VA-CNTs được tổng hợp trên mẫu xúc
tác Fe3O4 0,026 g.mL-1 trong cùng điều kiện CVD trong hai trường hợp: (1) không
có hơi nước, (2) có hơi nước với lưu lượng 60 sccm
Chúng tôi cũng tiến hành khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng hơi nước đưa vào
tới quá trình mọc vật liệu VA-CNTs với mẫu xúc tác CoFe1,5O4 (M3) 0,033 g.mL-1
trong cùng một điều kiện CVD: ở 750oC, tỉ lệ lưu lượng khí nguồn Ar/H2/C2H2 =
300/100/30 sccm, thời gian CVD 30 phút với lượng nước khác nhau được đưa vào
trong quá trình CVD: 20 sccm, 40 sccm, 60 sccm và 80 sccm. Hình 2.10 là ảnh SEM
của các mẫu VA-CNTs được tổng hợp với các lưu lượng hơi nước khác nhau. Ảnh
hưởng của lưu lượng hơi nước đến chiều dài, đường kính và tốc độ mọc của VA-
CNTs được mô tả như trong bảng 2.4 và hình 2.11.
[66]
Hình 2.10: Ảnh SEM của các mẫu VA-CNTs được tổng hợp sử dụng mẫu xúc tác
CoFe1,5O4 (M1) 0,033 g.mL-1 trong cùng một điều kiện CVD: 750oC, Ar/H2/C2H2 =
300/100/30 sccm, 30 phút với lưu lượng hơi nước vào khác nhau
Bảng 2.4: Bảng so sánh các thông số của các mẫu VA-CNTs được chế tạo trên mẫu
xúc tác CoFe1,5O4 0,033 g.mL-1với lưu lượng hơi nước khác nhau
Lưu lượng hơi
nước (sccm)
CoFe1.5O4 0,033 g.mL-1
Chiều dài CNTs
(m)
Đường kính
CNTs (nm)
Tốc độ mọc
(m/phút)
0 9,1 ± 0,8 10,2 ± 1,2 0,30 ± 0,03
20 26,4 ± 0,9 9,1 ± 1,1 0,87 ± 0,03
40 51,5 ± 1,1 7,5 ± 1,1 1,70 ± 0,04
60 128,3 ± 5,5 5,9 ± 0,9 4,27 ± 0,18
80 111,2 ± 3,4 6,8 ± 1,3 3,70 ± 0,11
a) b)
c) d)
[67]
Hình 2.11: Đồ thị mô tả ảnh hưởng của lưu lượng hơi nước tới:
a) chiều dài và b) đường kính của CNTs
Quan sát kết quả chụp SEM hình 2.10 và đồ thị hình 2.11 chúng ta thấy rằng,
khi lưu lượng hơi nước tăng từ 20 sccm lên 60 sccm thì chiều dài của CNTs tăng lên
và đạt được chiều dài tối đa là 128,3 m khi lưu lượng hơi nước là 60 sccm (2.10c).
Đồng thời, mật độ CNTs và độ định hướng của CNTs cũng tăng lên khi tăng lưu
lượng hơi nước đưa vào tăng từ 20 sccm lên 60 sccm. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng
lượng lưu lượng hơi nước lên 80 sccm thì chiều dài của CNTs lại giảm xuống còn
111,2 m (hình 2.10d) và mật độ của CNTs cũng giảm xuống. Kết quả này một lần
nữa khẳng định vai trò rất lớn của hơi nước trong việc tăng cường quá trình mọc cũng
như nâng cao chất lượng của vật liệu VA-CNTs. Ngoài tác dụng khử cácbon vô định
hình theo phản ứng khí hóa có chọn lọc cácbon vô định hình thành khí CO và khí H2
[142], một số nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng nước thúc đẩy quá trình hình thành các
nhóm hydroxyl trên cácbon, làm giảm sự khuếch tán của các hạt xúc tác, tạo điều
kiện tốt hơn cho việc của vật liệu VA-CNTs [46]. Tuy nhiên, việc thêm hơi nước vượt
qua một giới hạn nhất định sẽ có ảnh hưởng tiêu cực tới quá trình mọc của CNTs.
Khi đó khó có thể giữ được trạng thái cân bằng giữa nguồn cácbon cung cấp và sự
lắng đọng cácbon dạng rắn trên bề mặt của CNTs. Nhiều hơi nước quá mức sẽ làm
cho các phân tử C2H2 ngày càng khó tiếp xúc với các hạt xúc tác [142]. Vì vậy, lượng
cácbon vô định hình tăng lên và chiều dài của CNTs giảm xuống. Một nghiên cứu
khác cũng chỉ ra rằng, hơi nước đóng vai trò là một chất oxi hóa yếu không chỉ loại
bỏ được thành phần cácbon vô định hình mà còn phản ứng với xúc tác kim loại tạo
[68]
thành các ôxit và làm giảm bớt hoạt động xúc tác của nó nếu lượng hơi nước đưa vào
quá lớn [145].
Như vậy, hơi nước được đưa thêm vào trong quá trình CVD có ảnh hưởng rất
lớn cấu trúc và chất lượng của VA-CNTs. Việc thêm thành phần hơi nước ở mức độ
phù hợp không chỉ làm giảm sự hình thành cácbon vô định hình mà còn thúc đẩy sự
phát triển có định hướng và có cấu trúc tốt hơn trong quá trình mọc của vật liệu VA-
CNTs. Trong thí nghiệm của chúng tôi, lưu lượng hơi nước tối ưu cho quá trình mọc
của vật liệu VA-CNTs, cho chiều dài cũng như mật độ của CNTs tốt nhất là 60 sccm.
2.2.3.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần kim loại xúc tác
Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các kim loại khác nhau có cấu trúc điện tử
khác nhau dẫn đến tính chất vật lý của chúng cũng khác nhau. Do đó chúng có những
tác động hỗ trợ lẫn nhau trong quá trình mọc của vật liệu CNTs. Việc lựa chọn tỉ lệ
giữa các kim loại xúc tác kết hợp với điều kiện công nghệ thích hợp sẽ nâng cao được
chất lượng và sản lượng của vật liệu CNTs [36],[146].
Trong nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ dung dịch xúc tác (mục 2.3.3.1)
chúng ta đã thấy được phần nào ảnh hưởng của thành phần kim loại xúc tác tới chất
lượng của vật liệu VA-CNTs. Và để khảo sát một cách có hệ thống hơn về ảnh hưởng
của tỉ lệ thành phần kim loại xúc tác tới chất lượng của vật liệu VA-CNTs và tìm
được vật liệu xúc tác tối ưu cho quá trình chế tạo vật liệu VA-CNTs, chúng tôi tiến
hành tổng hợp vật liệu VA-CNTs trên 04 mẫu hạt xúc tác cobalt ferrit M1, M2, M3,
M4 với tỉ lệ thành phần tiền chất Co2+:Fe3+ = x : y khác nhau (giữ nguyên tổng nồng
độ Co2+ + Fe3+ = 63mM trong quá trình chế tạo hạt xúc tác) như được chỉ ra trong
bảng 2.1. Trong đó: M1 với Co2+:Fe3+ = 0:3 (Fe3O4); M2 với Co2+:Fe3+ = 1:2
(CoFe2O4); M3 với Co2+:Fe3+ = 1:1,5 (CoFe1,5O4); M4 với Co2+:Fe3+ = 1:1 (CoFeO4).
Các mẫu dung dịch xúc tác được pha loãng trong dung môi n-hexan với cùng nồng
độ 0,033 g.mL-1 và được sử dụng để mọc vật liệu VA-CNTs trong cùng một điều kiện
CVD: tại 750oC với tỉ lệ khí Ar/H2/C2H2 = 300/100/30 sccm, thời gian CVD là 30 phút
và lưu nước hơi nước đưa vào trong quá trình CVD là 60 sccm. Hình 2.12 là kết quả
chụp SEM các mẫu VA-CNTs được tổng hợp trên các mẫu xúc tác với tỉ lệ thành
phần kim loại xúc tác khác nhau trong cùng một điều kiện CVD. Ảnh hưởng của tỉ lệ
thành phần kim loại xúc tác đến chiều dài, đường kính và tốc độ mọc của VA-CNTs
được mô tả như trong bảng 2.5 và hình 2.13.
[69]
Hình 2.12: Ảnh SEM của các mẫu VA-CNTs mọc từ 04 mẫu xúc tác với tỉ lệ
thành phần Co2+:Fe3+ = x : y khác nhau tương ứng: a) x:y =0:3, b) x:y =1:2,
c) x:y =1:1,5, d) x:y =1:1, trong cùng điều kiện CVD: 750oC, Ar/H2/C2H2 =
300/100/30 sccm, 30 phút, lưu lượng hơi nước 60 sccm
Bảng 2.5: Bảng tổng hợp thông số của các mẫu VA-CNTs được mọc từ 04 mẫu xúc
tác với tỉ lệ thành phần Co2+:Fe3+ = x : y khác nhau trong cùng một điều kiện CVD.
Xúc tác CoxFeyO4 0,033 g.mL-1 VA-CNTs
Kí
hiệu
Tỉ lệ
thành
phần (x:y)
Công
thức hóa
học
Đường
kính (nm)
Chiều cao
(m)
Đường
kính (nm)
Tốc độ
mọc
(m/phút)
M1 0:3 Fe3O4 8,3 ± 0,6 36,9 ± 3,2 10,2 ± 1,5 1,23 ± 0,11
M2 1:2 CoFe2O4 6,3 ± 0,5 101,3 ± 4,5 7,1 ± 1,3 3,38 ± 0,15
M3 1:1.5 CoFe1,5O4 5,7 ± 0,5 128,3 ± 5,5 5,8 ± 0,9 4,28 ± 0,18
M4 1:1 CoFeO4 4,9 ± 0,5 62,5 ± 4,3 4,9 ± 0,8 2,07 ± 0,14
[70]
Hình 2.13: Đồ thị mô tả ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần xúc tác tới:
a) chiều cao và b) đường kính của VA-CNTs
Từ kết quả chụp SEM hình 2.12 và đồ thị hình 2.13 ta thấy rằng, việc cho thêm
thành phần Co2+ vào trong hỗn hợp kim loại xúc tác có vai trò rất tốt trong việc nâng
cao tốc độ mọc, chiều dài, mật độ hay sản lượng của thảm vật liệu VA-CNTs. Chiều
cao lớn nhất của thảm VA-CNTs đạt được là 128,3 ± 5,5 m trên mẫu xúc tác
CoFe1,5O4 (M3) với tỉ lệ thành phần Co2+: Fe3+ = 1:1,5 (tương ứng với tỉ lệ thành phần
Co2+ được thêm vào là 40%) cao hơn rất nhiều so với trường hợp mẫu xúc tác không
có thành phần Co2+ (M1 - Fe3O4) là 36,9 ± 3,2 m và mật độ CNTs được mọc trên
mẫu xúc tác CoFe1,5O4 (M3) cũng cao hơn nhiều so với các mẫu VA-CNTs khác. Điều
này được giải thích là do sự khác nhau về các tính chất vật lý như nhiệt độ chuyển
pha, nhiệt độ nóng chảy, độ linh động của hai kim loại Co và Fe, làm cho các hạt kim
loại được tách nhau ra, giảm được hiện tượng “ripening” của các hạt xúc tác (hiện
tượng khếch tán và kết tụ các hạt xúc tác nhỏ thành các đám hạt xúc tác có kích thước
lớn) ở nhiệt độ cao trong điều kiện CVD, làm cho các hạt xúc tác phân tán đồng đều
hơn bề mặt của đế và giữ được kích thước nhỏ ban đầu của hạt xúc tác, tạo điều kiện
thuận lợi hơn cho quá trình hình thành và phát triển của vật liệu VA-CNTs. Tuy nhiên,
nếu thêm quá nhiều thành phần Co2+, đồng nghĩa với việc giảm tỉ lệ thành phần của
Fe3+, thì chiều cao và mật độ của CNTs giảm (hình 2.12d), làm giảm sản lượng của
vật liệu VA-CNTs. Kết quả này khá phù hợp với công bố mới đây của nhóm tác giả
Anna và cộng sự [36].
Để đánh giá cấu trúc, chất lượng của các mẫu thảm vật liệu VA-CNTs được
tạo thành từ các mẫu xúc tác với tỉ lệ thành phần kim loại khác nhau, chúng tôi tiến
hành đo phổ tán xạ Raman và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA). Hình 2.14 là phổ
tán xạ Raman của các mẫu VA-CNTs mọc từ 04 mẫu xúc tác với tỉ lệ thành phần
50 60 70 80 90 100
40
80
120
0:3
1:1.5
1:2
TØ lÖ thµnh phÇn Fe
3+
(%)
C
h
iÒ
u
c
ao
c
ñ
a
C
N
T
s
(
m
)
Co:Fe = x :y
1:1
50 60 70 80 90 100
4
6
8
10
12
§
-
ê
n
g
k
Ýn
h
c
ñ
a
C
N
T
s
(n
m
)
TØ lÖ thµnh phÇn Fe3+(%)
1:1.5
1:1
1:2
0:1Co:Fe = x :y
[71]
Co2+:Fe3+ = x:y khác nhau. Căn cứ vào độ lớn của đỉnh D và tỉ số cường độ IG/ID ta
thấy rằng, việc thêm thành Co vào trong mẫu xúc tác đã cải thiện đáng kể chất lượng
của mẫu VA-CNTs và mẫu xúc tác cho chất lượng VA-CNTs tốt nhất (ứng với IG/ID
cao nhất bằng 1,57) là CoFe1,5O4 (M3).
Hình 2.14: Phổ tán xạ Raman của các mẫu VA-CNTs mọc từ 04 mẫu xúc tác với tỉ
lệ thành phần Co2+:Fe3+ = x : y khác nhau với cùng điều kiện CVD: 750oC,
Ar/H2/C2H2 = 300/100/30 sccm, 30 phút, lưu lượng hơi nước 60 sccm
Hình 2.15 và bảng 2.6 thể hiện kết quả đo TGA của các mẫu VA-CNTs được
mọc từ 04 mẫu xúc tác với tỉ lệ thành phần Co2+:Fe3+ khác nhau. Các giá trị To và Ton
tương ứng là nhiệt độ mà tại đó tốc độ giảm khối lượng mạnh nhất (dm/dT)max và
nhiệt độ bắt đầu giảm khối lượng. Tất cả các mẫu VA-CNTs được mọc từ các hạt xúc
tác có thêm thành phần Co đều bị ôxi hóa ở nhiệt độ cao, nhiệt độ Ton nằm trong
khoảng từ 530,8oC đến 545,1oC và mất gần như hoàn toàn khối lượng ở nhiệt độ trên
665oC. Lượng xúc tác còn dư của các mẫu CNTs trên nằm trong khoảng từ 7,04%
đến 7,12 % tương ứng với độ sạch của các mẫu từ 92,88% tới 92,96%. Chỉ riêng có
mẫu VA-CNTs được mọc mẫu xúc tác (M1) không có thành phần Co là có nhiệt độ
oxi hóa thấp hơn với nhiệt độ To khoảng 500oC và có sự suy giảm khối lượng trong
khoảng nhiệt độ < 500oC là mạnh hơn so với các mẫu CNTs khác. Sự giảm dần khối
lượng được cho là do các tạp chất có chứa trong mẫu như cácbon vô định hình và các
tạp có cấu trúc cácbon khác, mà các tạp chất này bị ôxi hóa ở nhiệt độ thấp hơn với
nhiệt độ ôxi hóa của vật liệu CNTs [147]. Các bằng chứng thực nghiệm đã chứng minh,
với Ton cao tương ứng với lượng cácbon vô định hình và các tạp chất khác có cấu trúc
cácbon thấp tồn tại bên trong mẫu CNTs. Nhiệt độ ôxi hóa lớn nhất To là phép đo cơ
[72]
bản tính ổn định nhiệt của CNTs trong không khí, phụ thuộc vào một số tham số cấu
trúc. Ví dụ, CNTs có đường kính nhỏ được cho là có nhiệt độ ôxi hóa thấp hơn do nó
có sức căng lớn hơn. Những sai hỏng trên các thành ống của CNTs cũng làm cho
chúng có tính ổn định nhiệt thấp hơn. Các kim loại dư tồn tại trong CNTs có thể là
chất xúc tác cho quá trình ôxi hóa của cácbon. Do vậy, lượng xúc tác còn dư có ảnh
hưởng đáng kể tới tính ổn định nhiệt của CNTs. Mẫu có nhiệt độ ôxi hóa cao hơn
được đánh giá là mẫu sạch với ít sai hỏng hơn. Trong thí nghiệm này chúng tôi thấy
rằng với nhiệt độ To lớn hơn 600oC thì các mẫu CNTs được tổng hợp là sạch và có ít
sai hỏng về mặt cấu trúc, trong đó mẫu CNTs có độ sạch cao nhất cũng như có ít sai
hỏng về mặt cấu trúc nhất là mẫu được mọc từ vật liệu xúc tác CoFe1,5O4 với tỉ lệ
thành phần Co2+:Fe3+ = 1:1,5 (M3), tương ứng có các giá trị To = 615,7oC là lớn nhất,
lượng xúc tác còn dư bằng 6,79% là thấp nhất tương ứng với độ sạch bằng 93,21% là
lớn nhất.
Hình 2.15: Đường cong TGA của các mẫu VA-CNTs được mọc từ 04 mẫu xúc tác
với tỉ lệ thành phần Co2+:Fe3+ khác nhau
Bảng 2.6: Bảng tổng hợp kết quả phân tích TGA của các mẫu VA-CNTs được mọc từ
04 mẫu xúc tác với tỉ lệ thành phần Co2+:Fe3+ khác nhau
Kí hiệu
Công thức hóa
học
Khối lượng dư
(%)
To (oC) Ton (oC)
M1 Fe3O4 7,62 573,2 501,4
M2 CoFe2O4 7,04 603,1 530,8
M3 CoFe1,5O4 6,79 615,7 547,5
M4 CoFeO4 7,12 615,5 545,1
[73]
Qua các kết quả phân tích phổ tán xạ Raman và TGA một lần nữa khẳng định
nếu đưa thêm thành phần kim loại Co vào trong hỗn hợp kim loại xúc tác với một tỉ
phù hợp thì không những thúc đẩy nhanh quá trình mọc của thảm vật liệu VA-CNTs
mà còn nâng cao cấu trúc cũng như độ sạch của vật liệu. Trong điều kiện thí nghiệm
của chúng tôi, thì mẫu CoFe1.5O4 với tỉ thành phần tiền chất xúc tác Co2+:Fe3+ = 1:1,5
là mẫu phù hợp cho quá trình tổng hợp vật liệu VA-CNTs định hướng có chất lượng,
độ sạch cao và có đường kính nhỏ, đồng đều.
2.2.4. Tóm tắt kết quả chế tạo vật liệu VA-CNTs
- Chiều dài, mật độ và tốc độ mọc của vật liệu VA-CNTs phụ thuộc nhiều vào nồng
độ của dung dịch xúc tác. Sử dụng hai mẫu xúc tác Fe3O4 và CoFe1.5O4, chúng tôi
tìm được nồng độ dung dịch tối ưu cho việc tổng hợp vật liệu VA-CNTs tương
ứng là 0,026 g.mL-1 và 0,033 g.mL-1.
- Hơi nước đóng vai trò là một chất oxi hóa yếu ngăn cản sự hình thành của cácbon
vô định hình, giúp kéo dài thời gian sống của hạt xúc tác, tăng tốc độ mọc, chiều
dài và chất lượng của vật liệu VA-CNTs. Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng, với lưu
lượng hơi nước 60 sccm là phù hợp nhất cho quá trình mọc của vật liệu VA-CNTs.
- Việc đưa thêm thành phần kim loại Co với tỉ lệ phù hợp vào trong hỗn hợp kim
loại xúc tác sẽ nâng cao được sản lượng, cấu trúc cũng như độ sạch của vật liệu
VA-CNTs. Chúng tôi thấy rằng mẫu xúc tác CoFe1,5O4 (M3) với tỉ lệ thành phần
giữa Co2+:Fe3+ = 1:1,5 là tối ưu cho quá trình mọc của thảm vật liệu VA-CNTs.
- Trong điều kiện tối ưu, chúng tôi đã chế tạo được vật liệu VA-CNTs có mật độ cao
và độ định hướng tốt. Chiều cao của thảm VA-CNTs đạt được là 128,3 m với độ
sạch khoảng 93,21% và đường kính của CNTs khoảng 5,8 ± 0,9 nm.
2.3. Chế tạo vật liệu HA-CNTs bằng phương pháp CVD nhiệt
2.3.1. Chuẩn bị đế và vật liệu xúc tác
Chuẩn bị đế: Chúng tôi cũng sử dụng đế Silicon với lớp SiO2 dày 90 nm để
chế tạo vật liệu HA-CNTs. Có hai loại đế được sử dụng trong quá trình chế tạo vật
liệu HA-CNTs: đế thứ nhất được sử dụng để lắng đọng xúc tác trên bề mặt (đế xúc
tác) và đế thứ hai là đế hứng HA-CNTs (đế hứng CNTs) trong quá trình CVD. Đế
xúc tác được cắt thành các miếng có kích thước 5 mm 5mm, đế hứng CNTs được
cắt thành các miếng có chiều rộng 5 mm với các chiều dài khác nhau. Sau đó, các đế
sẽ được làm sạch theo quy trình được đưa ra trong phần chế tạo vật liệu VA-CNTs.
[74]
Chuẩn bị vật liệu xúc tác: Vật liệu xúc tác được sử dụng để chế tạo HA-CNTs
là muối kim loại FeCl3.6H20. Muối FeCl3.6H20 sẽ được phân tán bằng nước khử ion
với các nồng độ khác nhau 0,1M, 0,01M, 0,001M. Các dung dịch muối sau đó sẽ
được phủ lên trên bề mặt của đế silic (đế xúc tác) bằng phương pháp quay phủ, với
tốc độ spin là 6000 vòng/phút trong thời gian 30 giây. Đế xúc tác được đặt ngay sát
đế hứng CNTs trong suốt quá trình CVD như mô tả trong hình 2.16.
Hình 2.16: Sơ đồ mô tả các bước chuẩn bị đế và thứ tự đặt các đế trong chế tạo vật
liệu HA-CNTs
2.3.2. Quy trình chế tạo vật liệu HA-CNTs
Sơ đồ lắp đặt hệ CVD nhiệt trong chế tạo vật liệu HA-CNTs như được mô tả
trong hình 2.17. Đế xúc tác và đế hứng CNTs được đặt trong một ống thạch anh nhỏ
(thứ tự đặt mẫu như hình 2.16) có đường kính 6 mm, dài 20 cm (nhằm định hướng
dòng khí tốt hơn). Vật liệu HA-CNTs được chế tạo bằng phương pháp CVD nhiệt
nhanh trong điều kiện áp suất khí quyển với hỗn hợp khí phản ứng là H2, C2H5OH và
Ar. Xúc tác là muối FeCl3.6H20 được phân tán trong nước khử ion với các nồng độ
khác nhau 0,1M, 0,01M, 0,001M.
Hình 2.17: Sơ đồ lắp đặt hệ thiết bị CVD trong chế tạo HA-CNTs
Quy trình chế tạo vật liệu HA-CNTs bằng phương pháp CV
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- luan_an_nghien_cuu_che_tao_vat_lieu_ong_nano_cacbon_dinh_huo.pdf