Vai trò và ảnh hưởng của lỗ xốp trong vật liệu carbon đối với các vi hạt xúc tác kích thước Nano dùng cho pin nhiên liệu Methanol trực tiếp (DMFC)

Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano
HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
i



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PTN CÔNG NGHỆ NANO



HUỲNH SA HOÀNG


VAI TRÒ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA LỖ XỐP TRONG
VẬT LIỆU CARBON ĐỐI VỚI CÁC VI HẠT XÚC TÁC
KÍCH THƯỚC NANO DÙNG CHO PIN NHIÊN LIỆU
METHANOL TRỰC TIẾP (DMFC)

Chuyên ngành : Vật liệu và Linh kiện Nanô
Mã số: (chuyên ngành đào tạo thí điểm)


LUẬN VĂN THẠC SỸ


Người hướng dẫn khoa học TS. Nguyễn Mạnh Tuấn
Thành phố Hồ Chí Minh – 2009

Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
1
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

AC Activated carbon (Carbon hoạt tính)
ACF Activated carbon fibre (Sợi carbon hoạt tính)
AFC Alkaline fuel cell (Pin nhiên liệu chất điện giải dung dịch kiềm)
BET Brunauer-Emmett-Teller method (Phương pháp BET)
BJH Barret-Joyner-Halenda method (Phương pháp BJH)
CNT Carbon nanotube (Ống nano carbon)
CB Carbon black (Carbon đen)
DA Dubinin-Astakhov method (Phương pháp DA)
DBP Dibutyl phthalate
DH Dollimore-Heal method (Phương pháp DH)
DMFC Direct methanol fuel cell (Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp)
DR Dubinin-Radushkevich method (Phương pháp DR)
FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử
quét hiệu ứng trường)
FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy (Phổ hồng ngoại biến đổi
Fourier)
HK Horvath-Kawazoe method (Phương pháp HK)
GAC Granular activated carbon (Carbon hoạt tính dạng hạt)
GAI Generalized Adsorption Isotherm equation (Phương trình hấp phụ
đẳng nhiệt suy rộng)
IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry
(Danh pháp Hóa học theo Hiệp hội Hóa học Quốc tế)
MCFC Molten carbonate fuel cell (Pin nhiên liệu carbon nóng chảy)
NLDFT Non Local Density Functional Theory (Lý thuyết phím mật độ
bất định xứ)
OMM Ordered microporous material (Vật liệu có lỗ xốp micro phân bố

trật tự)
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
2
PAC Powder activated carbon (Carbon hoạt tính dạng bột)
PAFC Phosphoric acid fuel cell (Pin nhiên liệu axit photphoric)
PEMFC Proton exchange membrane fuel cell (Pin nhiên liệu
màng chuyển đổi proton)
PSD Pore Size Diffusion (Sự khuếch tán kích thước lỗ xốp)
RS Raman Spectroscopy (Quang phổ Raman)
SAXS Small-angle X-ray Scattering (Phổ tán xạ tia X góc hẹp)
SF Saito-Foley method (Phương pháp SF)
SOFC Solid oxide fuel cell (Pin nhiên liệu oxit rắn)
SPFC Solid polymer fuel cell (Pin nhiên liệu màng điện giải polymer rắn)
SEM Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét)
XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy (Phổ quang điện tử tia X)
XRD X-ray Diffraction (Phổ nhiễu xạ tia X)

Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
3

Danh mục các bảng biểu

Bảng 1.1. Các thông số đặc tính của carbon hoạt tính Darco và Alfa
Bảng 1.2. Tóm tắt một số đặc điểm của các loại pin nhiên liệu thông dụng
Bảng 1.3. Một số loại carbon black sử dụng làm nền hỗ trợ xúc tác
cho pin nhiên liệu PEMFC (trong đó có pin DMFC)
Bảng 1.4. Một số tính chất của carbon black Vulcan XC72
Bảng 1.5. Một số thông số đặc trưng của carbon black N330
Bảng 3.1. Những thông số hấp phụ đẳng nhiệt N
2
của carbon N330
và carbon Vulcan
Bảng 3.2. Bảng tóm tắt các nhóm chức bề mặt trên các mẫu AC, AC800 và Vulcan

Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
4

Danh mục các đồ thị, hình vẽ

Hình 1.1. Một số dạng thù hình của carbon
Hình 1.2. Sơ đồ mô tả mạng lỗ xốp của carbon hoạt tính
Hình 1.3. Một số nhóm chức hóa học bề mặt chính trên bề mặt carbon
Hình 1.4. Quy trình sản xuất carbon hoạt tính theo
phương pháp hoạt tính nhiệt độ
Hình 1.5. Sơ đồ quá trình carbon hóa
Hình 1.6. Đường hấp phụ đẳng nhiệt của AC với các độ chuyển đổi khác nhau
Hình 1.7. Đường đẳng nhiệt hấp phụ của than bituminous hoạt tính bằng CO
2

với các độ chuyển đổi khác nhau
Hình 1.8. Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt N
2
của carbon hoạt tính bằng ZnCl

2

với nhiệt độ xử lý 500
0
C

và tỷ lệ ZnCl
2
của trường hợp (A) 0,24;
(B) 0,48 và (D) 0,96. (C) được xử lý nhiệt tại 800
0
C với Zn/C là 0,96
Hình 1.9. Sự phát triển lỗ xốp micro và meso trên bề mặt theo nhiệt độ hoạt tính
trong phương pháp hoạt tính H
3
PO
4
với nguyên liệu thô là lá sồi bạch
Hình 1.10. Diện tích BET của than đá hoạt tính bằng H
3
PO
4
theo nhiệt độ xử lý
so với lá sồi bạch
Hình 1.11. Đường đẳng nhiệt hấp phụ N
2
của carbon tại các tỷ lệ KOH/C
khác nhau
Hình 1.12. Mô hình chung cơ bản của một pin nhiên liệu
Hình 1.13. Mô hình pin nhiên liệu PEMFC

Hình 1.14. Mô hình pin nhiên liệu AFC
Hình 1.15. Mô hình pin nhiên liệu PAFC
Hình 1.16. Mô hình pin nhiên liệu SOFC
Hình 1.17. Mô hình pin nhiên liệu MCFC
Hình 1.18. Mô hình pin nhiên liệu DMFC
Hình 1.19. Mô hình một hệ thống hoàn chỉnh của pin DMFC
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
5
Hình 1.20. Đặc tuyến mật độ dòng/điện thế của pin DMFC so với PEMFC
Hình 2.1. Carbon black N330 và carbon black Vulcan XC72
Hình 2.2. Sơ đồ quy trình tái hoạt tính carbon đen N330
Hình 2.3. Sơ đồ khả năng ứng dụng các kỹ thuật phân tích khác nhau
trong nghiên cứu đặc tính lỗ xốp của vật liệu carbon
Hình 2.4. Đường hấp phụ đẳng nhiệt N
2
(77K) của carbon hoạt tính WV-A900,
BAX 1500 và NP5 theo thang đo áp suất tỷ đối tuyến tính
Hình 2.5. Phân loại các dạng đường cong hấp phụ khí đẳng nhiệt
Hình 2.6. Các dạng đường cong giải hấp trễ dựa theo phân loại của de Boer
Hình 2.7. Đồ thị BET điển hình
Hình 2.8. Đồ thị phân bố mật độ kích thước lỗ xốp theo phương pháp DA
Hình 2.9. Hệ đo hấp phụ khí đẳng nhiệt NOVA2200e Surface Area & Pore Size
Hình 2.10. Máy nhiễu xạ tia X
Hình 2.11. Máy đo phổ IR
Hình 2.12. Hệ đo FESEM
Hình 3.1. Đồ thị tuyến tính BET của 2 mẫu AC và AC800
Hình 3.2. Đồ thị tuyến tính BET của các mẫu AC, AC700, AC800 và Vulcan
Hình 3.3. Đường hấp phụ đẳng nhiệt N

2
của các mẫu AC, AC700, AC800
và Vulcan
Hình 3.4. Đường đặc trưng Dubinin-Astakhov của carbon N330 tái hoạt tính
và carbon Vulcan XC72
Hình 3.5. Biểu đồ phân bố thể tích lỗ xốp theo kích thước lỗ xốp của mẫu AC
Hình 3.6. Biểu đồ phân bố thể tích lỗ xốp theo kích thước lỗ xốp của mẫu AC700
Hình 3.7. Biểu đồ phân bố thể tích lỗ xốp theo kích thước lỗ xốp của mẫu AC800
Hình 3.8. Biểu đồ phân bố thể tích lỗ xốp theo kích thước lỗ
của mẫu Vulcan XC72
Hình 3.9. Phân bố diện tích bề mặt riêng theo kích thước lỗ xốp của mẫu AC
Hình 3.10. Phân bố diện tích bề mặt riêng theo kích thước lỗ xốp của mẫu AC700
Hình 3.11. Phân bố diện tích bề mặt riêng theo kích thước lỗ xốp của mẫu AC800
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
6
Hình 3.12. Phân bố diện tích bề mặt riêng theo kích thước của mẫu Vulcan XC72
Hình 3.13. Biểu đồ phân bố diện tích bề mặt riêng của các mẫu carbon
Hình 3.14. Biểu đồ phân bố thể tích lỗ xốp của các mẫu carbon
Hình 3.15. So sánh phổ nhiễu xạ tia X góc hẹp của mẫu AC, AC800
và carbon VulcanXC72
Hình 3.16. Phổ FTIR của carbon black N330 chưa hoạt tính nhiệt độ (AC)
Hình 3.17. Phổ FTIR của carbon black N330 đã hoạt tính tại nhiệt độ 800
0
C
Hình 3.18. Phổ FTIR của carbon Vulcan XC72
Hình 3.19. Ảnh FESEM x 10,000 của mẫu AC700
Hình 3.20. Ảnh FESEM x10,000 của mẫu AC800
Hình 3.21. Ảnh FESEM x10,000 của mẫu carbon black Vulcan XC72

Hình 3.22. Ảnh FESEM x 100,000 của mẫu AC
Hình 3.23. Ảnh FESEM x 100,000 của mẫu AC800
Hình 3.24. Ảnh FESEM x100,000 của carbon Vulcan XC72















Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
7




MỤC LỤC

Trang
Lời cảm ơn i

Lời cam đoan ii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt iii
Danh mục các bảng biểu v
Danh mục các đồ thị, hình vẽ vi
Mở đầu 1

Chƣơng I - Tổng quan vật liệu carbon hỗ trợ xúc tác
trong pin nhiên liệu 3
1.1. Vật liệu carbon hỗ trợ xúc tác 4
1.1.1. Cấu trúc và tính chất của carbon hoạt tính (AC) 5
1.1.1.1. Tầm quan trọng của kết cấu lỗ xốp 6
1.1.1.2. Tầm quan trọng của hóa học bề mặt 7
1.1.2. Hoạt tính carbon 9
1.1.2.1. Hoạt tính vật lý (nhiệt độ) 10
1.1.2.2. Hoạt tính hóa học 16
1.2. Pin nhiên liệu 22
1.2.1. Nguyên tắc hoạt động chung của pin nhiên liệu 22
1.2.2. Phân loại pin nhiên liệu 23
1.3. Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) 28
1.3.1. Cơ chế hoạt động của pin nhiên liệu DMFC 28
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
8
1.3.1.1. Phản ứng tại anode trong pin DMFC chất điện giải kiềm
(Alkaline DMFC) 28
1.3.1.2. Phản ứng tại anode trong pin DMFC màng điện giải PEM 28
1.3.1.3. Phản ứng tại cathode trong pin DMFC 29
1.3.1.4. Phản ứng tổng quát trong pin DMFC 30
1.3.2. Một số ưu và nhược điểm của pin DMFC 31

1.4. Vai trò và ứng dụng carbon hoạt tính trong pin nhiên liệu dùng
methanol trực tiếp (DMFC) 32

Chƣơng II - Thực nghiệm và các phƣơng pháp nghiên cứu 35
2.1. Tái hoạt tính carbon đen N330 36
2.1.1. Thiết bị thực nghiệm và hóa chất 36
2.1.1.1. Thiết bị thực nghiệm 36
2.1.1.2. Hóa chất 36
2.1.2. Tiến hành thực nghiệm 37
2.1.2. 1. Sơ đồ quy trình tái hoạt tính carbon N330 37
2.1.2.2. Các bước tiến hành thực nghiệm 38
2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 39
2.2.1. Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt trong nghiên cứu
đặc tính lỗ xốp của carbon hoạt tính 40
2.2.1.1. Phương pháp hấp phụ khí đẳng nhiệt 40
2.2.1.2. Phân loại sự hấp phụ khí đẳng nhiệt 41
2.2.1.3. Xác định diện tích bề mặt carbon hoạt tính bằng
phương pháp BET đa điểm (Multipoint BET) 44
2.2.1.4. Xác định tổng thể tích lỗ xốp và bán kính lỗ xốp trung bình 46
2.2.1.5. Phương pháp Dubinin-Astakhov (DA) 47
2.2.1.6. Lý thuyết phím hàm mật độ (NLDFT) 48
2.2.2. Phân tích phổ nhiễu xạ tia X góc hẹp 49
2.2.3. Phân tích phổ hồng ngoại FTIR 50
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
9
2.2.4. Phân tích hình ảnh FESEM bề mặt carbon 51

Chƣơng III - Kết quả và bàn luận 53
3.1. Kết quả đo hấp phụ khí N
2
đẳng nhiệt N
2
54
3.1.1. Phân tích phương trình BET đa điểm 54
3.1.2. Phân tích đường hấp phụ/giải hấp đẳng nhiệt khí N
2
57
3.1.3. Phân tích đường phân bố Dubinin – Astakhov (DA) 58
3.1.4. Phân tích phân bố thể tích lỗ xốp theo kích thước lỗ bằng
lý thuyết phím hàm mật độ (NLDFT) 59
3.2. Kết quả khảo sát phổ nhiễu xạ tia X 64
3.3. Kết quả khảo sát phổ hồng ngoại – FTIR 68
3.4. Kết quả chụp ảnh FESEM bề mặt 71

Kết luận 75
Tài liệu tham khảo 77

Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
10
MỞ ĐẦU


Thế giới ngày nay đang đối mặt với nhiều vấn đề mang tính cấp bách toàn cầu như
sự cạn kiệt nguồn tài nguyên, an ninh lương thực, bất ổn chính trị, khủng bố… Trong đó
vấn đề môi trường và nguy cơ cạn kiệt nguồn năng lượng mang tính thời sự hơn bao giờ
hết. Con người đang nỗ lực tìm ra những nguồn năng lượng mới thân thiện với môi
trường có hiệu suất cao và giảm bớt sự phụ thuộc vào nguồn tài nguyên dầu mỏ. Ngoài
những nguồn năng lượng mới như mặt trời, gió, thủy triều… thì nguồn năng lượng xanh
và sạch từ pin nhiên liệu cũng nhận được rất nhiều sự quan tâm đầu tư nghiên cứu. Trong
bối cảnh hiện nay, nguồn năng lượng pin nhiên liệu được xem là một trong những hướng
rất khả thi, chúng không những là năng lượng sạch mà còn tương đối rẻ, có nhiều ứng
dụng trong thực tế. Với những lý do trên, tôi chọn hướng tiếp cận với pin nhiên liệu (Fuel
Cell – FC) làm hướng nghiên cứu đề tài luận văn của mình.
Ngày nay, có nhiều loại pin nhiên liệu phù hợp với yêu cầu thương mại hóa. Trong
số chúng thì pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) và pin nhiên liệu dùng màng
điện giải polymer (PEMFC) là thông dụng nhất. DMFC không cần xử lý nhiên liệu để tái
chế nhiên liệu hydrocarbon, điều này làm cho DMFC có nhiều thuận lợi để ứng dụng vào
các thiết bị cầm tay có kích thước nhỏ. Hơn nữa, DMFC lại hoạt động tại nhiệt độ phòng
và áp suất khí quyển nên nó dễ dàng đưa vào ứng dụng thực tế nhất. Với điều kiện cơ sở
vật chất nghiên cứu hiện tại ở Viện Vật Lý Thành phố Hồ Chí Minh cũng như điều kiện
ứng dụng tại Việt Nam, tôi quyết định chọn hướng nghiên cứu của mình là DMFC.

Nhưng thực chất, mật độ năng lượng và hiệu suất của DMFC là một trở ngại lớn không dễ
vượt qua. Cho đến bây giờ, hầu hết các bài báo, chủ đề chính đã được thảo luận liên quan
đến chất xúc tác điện cực hoặc là chất điện giải trong pin nhiên liệu để nâng cao hiệu suất
DMFC đều mặc định xem carbon black là vật liệu hỗ trợ xúc tác (điển hình là carbon
black Vulcan XC72) , rất ít bài báo đề cập đến vấn đề xử lý nền carbon hỗ trợ xúc tác.
Trong nội dung nghiên cứu của luận văn, với mục đích giảm giá thành của pin
DMFC và xem xét khả năng thay thế carbon black Vulcan XC72 (vì phải đặt hàng mua ở
nước ngoài, giá thành cao) bằng một loại carbon black khác (carbon black N330) mua tại
thị trường Việt Nam (với giá thành thấp hơn nhiều) đối với xúc tác hai thành phần Pt/Ru,
tôi sẽ tập trung nghiên cứu đặc tính nền carbon hỗ trợ xúc tác bằng cách sử dụng loại
carbon black này tái hoạt tính một lần nữa bằng phương pháp hoạt hóa với KOH để gia
tăng sự hình thành cấu trúc lỗ meso hoặc là micro qua đó tăng diện tích bề mặt riêng của
vật liệu. Với việc sử dụng những carbon black tái hoạt tính này, chất xúc tác Pt-Ru trên
nền carbon black tái hoạt tính (Pt-Ru/AC) sẽ có diện tích bề mặt và đặc tính lỗ xốp khác
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
11
nhau, chúng sẽ được dùng để chuẩn bị cho xúc tác anode của DMFC và so sánh với việc
sử dụng carbon Vulcan XC72. Diện tích bề mặt riêng, kích thước lỗ xốp và sự phân bố lỗ
xốp của carbon tái hoạt tính cũng như sự phân bố, kích thước hạt kim loại xúc tác sẽ được
đo lường bằng phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt N
2
, XRD và ảnh FESEM một cách tương
ứng. Ngoài ra, đề tài này cũng sẽ đánh giá điều kiện tối ưu (nhiệt độ hoạt tính) cho quá
trình tái hoạt tính carbon black bằng KOH, từ đó xem xét hoạt động xúc tác của pha kim
loại thông qua diện tích bề mặt, kích thước lỗ xốp hay sự phân bố lỗ xốp của nền carbon
hỗ trợ xúc tác. Nghiên cứu này là cần thiết để mở ra một số hướng giải quyết nhằm cải
tiến, nâng cao hơn nữa hiệu suất của pin DMFC có nền hỗ trợ xúc tác điện cực được chế
tạo từ loại carbon black N330.

Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
12

CHƢƠNG I

TỔNG QUAN

1.1. VẬT LIỆU CARBON HỖ TRỢ XÚC TÁC
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
13

Carbon tồn tại trong tự nhiên với nhiều dạng thù hình khác nhau, có loại thù hình
có cấu trúc tinh thể trật tự cao (kim cương, fullerence, ống nano carbon và graphite) và
loại vô định hình (carbon black và carbon hoạt tính). Những dạng thù hình của carbon
được mô tả như hình 1.1.

Hình 1.1. Một số dạng thù hình của carbon [8]
Đối với những ứng dụng làm nền hỗ trợ xúc tác cho các kim loại quý trong các quá
trình hydro hóa nhiều loại hợp chất hữu cơ thì những vật liệu carbon, đặc biệt là carbon
black (CB) và carbon hoạt tính (AC) được quan tâm nhiều hơn cả. Do thế tương tác bề

Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
14
mặt của AC và CB yếu nên sự phân tán các pha kim loại khác nhau trên bề mặt của chúng
dễ dàng được tăng cường. Tuy nhiên, những khuyết tật bề mặt của nền carbon cũng ảnh
hưởng ít nhiều đến hoạt động xúc tác của kim loại, đặc biệt là các gốc oxit vì sự có mặt
của chúng làm cho thế tương tác bề mặt gia tăng đáng kể. Với nội dung của luận văn, tác
giả đặc biệt quan tâm đến carbon hoạt tính và carbon đen tái hoạt tính, chúng được sử
dụng làm nền hỗ trợ xúc tác cho hợp kim Pt-Ru để chế tạo điện cực pin nhiên liệu dùng
methanol trực tiếp (DMFC).


1.1.1. Cấu trúc và tính chất của carbon hoạt tính (Activated carbon – AC)
Carbon hoạt tính là một loại carbon vô định hình, không có cấu trúc tinh thể, cấu

trúc của chúng được hình thành từ rất nhiều lỗ xốp và do đó chúng có diện tích bề mặt
riêng rất cao, có thể đạt đến 1000m
2
/g. Tính chất vật lý cũng như hóa học của carbon hoạt
tính phụ thuộc chủ yếu vào thể tích, sự phân bố của lỗ xốp cũng như sự hiện hiện của các
nhóm chức trên bề mặt chứa hydro, oxy… Các lỗ xốp này có nhiều kích cỡ khác nhau,
dao động từ 1 đến 10nm. Ngoài ra còn có những lỗ xốp có kích thước lớn hơn 10nm đóng
vai trò như các khe nứt cho các phân tử có thể xâm nhập vào các lỗ xốp micro. Theo tiêu
chuẩn IUPAC, có thể phân loại lỗ xốp theo kích thước làm 3 nhóm chính [18](hình 1.2):














Hình 1.2. Sơ đồ mô tả mạng lỗ xốp của carbon hoạt tính [2]
 Lỗ xốp macro với đường kính lỗ nhỏ hơn 2nm
 Lỗ xốp meso với đường kính từ 2 – 50nm
 Lỗ xốp macro với đường kính lớn hơn 50nm

Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
15

1.1.1.1. Tầm quan trọng của kết cấu lỗ xốp
Cấu trúc của carbon tự nhiện được xem như là sự trộn lẫn giữa những tinh thể tựa
graphite và phi graphite bao gồm phức hợp các dạng thơm-béo. Tinh thể được hợp thành
từ vài lớp graphene song song (khoảng 3 lớp), đường kính mỗi tinh thể khoảng 2nm hoặc
bằng chín lần bề rộng của một chuỗi carbon lục giác [29]. Những liên kết đối xứng của
carbon trên bề mặt tinh thể sẽ liên tục bị xáo trộn trong suốt quá trình hoạt tính tạo ra
những khoảng trống không gian. Liên kết bất đẳng hướng trong tinh thể sẽ hình thành với
sự xuất hiện những khoảng trống đó. Trong suốt quá trình hoạt tính, khoảng không gian
giữa những tinh thể sẽ làm suy giảm tính carbon của vật liệu và cùng lúc đó, một số
nguyên tử carbon sẽ tách rời khỏi tinh thể. Kết quả là xuất hiện những rãnh nứt xuyên qua
vùng graphite và những vị trí bên trong cấu trúc của carbon hoạt tính. Những rãnh nứt bên
trong cùng với những mặt graphene song song sẽ tạo nên cấu trúc xốp và tăng diện tích bề
mặt của vật liệu. Những rãnh nứt này có nhiều kích cỡ khác nhau và được phân loại thành
3 nhóm chính như đã đề cập ở trên.
Ngoài ra, trong nhiều quá trình hấp phụ khác, những phân tử hay nguyên tử của cả
chất khí và chất lỏng có thể hấp phụ trên bề mặt carbon bằng những tương tác vật lý (lực
tĩnh điện hay sự phân tán) hay bằng những liên kết hóa học. Do đó, diện tích bề mặt riêng
là một trong những thông số quan trọng nhất để đánh giá khả năng hút bám của carbon
hoạt tính. Diện tích bề mặt BET của carbon hoạt tính thông thường nằm trong khoảng
500-1500m
2
/g, tuy nhiên cũng đã tìm thấy diện tích BET lên đến 4000m
2
/g trong một số
carbon siêu hoạt tính.
Giá trị diện tích bề mặt tương đối cao của carbon hoạt tính là một đặc trưng của
loại vật liệu này bởi vì có sự phân bố các lỗ xốp micro và quá trình hấp phụ hầu hết đều

diễn ra trên những lỗ xốp này. Ít nhất từ 90-95% tổng diện tích bề mặt đều có thể liên
quan đến những lỗ xốp micro. Tuy nhiên, những lỗ xốp meso và macro cũng đóng vai trò
quan trọng trong bất kỳ quá trình hấp phụ nào, bởi vì chúng là cầu nối cho các chất khí
hấp phụ có thể đến được các lỗ xốp micro. Mặc dù diện tích bề mặt lỗ xốp meso có giá trị
thấp trong hầu hết các loại carbon hoạt tính, nhưng một số loại có thể có diện tích lỗ
micro lên đến 200m
2
/g hoặc hơn.
Thêm vào đó, còn có sự phụ thuộc vào kích cỡ phân tử khí hấp phụ, đặc biệt là một
số phân tử khí hữu cơ có kích thước lớn, hiệu ứng sàng lọc phân tử cũng có thể xảy ra bởi
vì kích thước lỗ xốp hẹp hơn kích thước phân tử khí hấp phụ và không thể xâm nhập vào
lỗ xốp micro và có thể làm bít lại các lỗ xốp micro. Điều này có nghĩa là diện tích bề mặt
sẽ giảm xuống mặc dù khả năng hấp phụ vẫn không thay đổi.
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
16
Sự tương thích của carbon hoạt tính trong một số ứng dụng cụ thể còn phụ thuộc
vào sự phân bố đồng đều về kích thước cũng như mật độ lỗ xốp. Nhìn chung, những
carbon hoạt tính có độ xốp cao, có sự phân bố đồng đều về kích thước lỗ xốp được sử
dụng trong các ứng dụng hấp phụ khí và phân tách khí. Trong khi đó, những carbon có sự
phát triển lỗ xốp meso hoặc macro tốt rất cần thiết cho các ứng dụng hấp phụ chất tan
trong dung dịch.

1.1.1.2. Tầm quan trọng của hóa học bề mặt
Diện tích bề mặt cao và sự phân bố kích thước lỗ xốp đồng đều là những điều kiện
cần thiết cho carbon hoạt tính đạt hiệu quả cao trong các ứng dụng cụ thể. Tuy nhiên, có
nhiều loại carbon hoạt tính với đặc tính cấu trúc tương tự nhau, nhưng lại có khả năng hấp
phụ khác nhau với cùng một loại khí hấp phụ [23]. Bởi vì, yếu tố chủ yếu quyết định khả
năng hấp phụ của vật liệu không chỉ là sự phân bố đồng đều kích thước lỗ xốp mà còn

phụ thuộc sự tồn tại của các nhóm chức trên bề mặt carbon.
Những nguyên tử carbon liên kết tại biên bề mặt ô cơ sở đa phần là những nguyên
tử chưa bão hòa, chúng vẫn có những electron tự do. Những nguyên tử này thông thường
sẽ liên kết với những nguyên tử khác (đặc biệt là oxy) tạo nên những nhóm chức bề mặt.
Quá trình hình thành các nhóm chức oxy bề mặt phụ thuộc vào điều kiện oxy hóa; quá
trình này càng gia tăng mạnh mẽ khi nhiệt độ phản càng tăng. Những nhóm chức oxy bề
mặt không chỉ hình thành do carbon phản ứng với oxy mà còn do những phản ứng với các
loại khí oxy hóa khác như O
3
, các oxit của Nitơ, CO
2
…, và với những dung dịch oxy hóa
như HNO
3
, H
2
O
2
… Như vậy là bề mặt hóa học của carbon hoạt tính có thể được biến đổi
bằng những tác nhân oxy hóa khác nhau hoặc xử lý nhiệt để loại bỏ chúng một cách hoàn
toàn hoặc có chọn lọc tùy thuộc vào nhiệt độ sử dụng [17]. Hình 1.3 mô tả một số nhóm
chức bề mặt chủ yếu trên carbon.
Như đã đề cập ở trên, nhóm chức chứa oxy là nhóm chính yếu, nhưng hydro cũng
liên kết với những nguyên tử carbon trên biên. Thêm vào đó, xử lý với NH
3
, melamine
hay urea cũng được sử dụng để tạo ra những nhóm chức hydro, điều này đem đến những
tính chất đặc biệt cho carbon hoạt tính. Dĩ nhiên là những nhóm chức này có thể có mặt
cùng một lúc trên một nguyên tử carbon.

Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
17













Hình 1.3. Một số nhóm chức hóa học bề mặt chính trên bề mặt carbon [2]

Nhìn chung, những đặc tính vật lý cũng như hóa học của carbon hoạt tính đều đóng
vai trò quan trọng trong các hoạt động hỗ trợ xúc tác. Những đặc tính này phụ thuộc rất
nhiều vào quy trình sản xuất carbon hoạt tính và chúng được phân tích, đo lường chặt chẽ
bằng nhiều phương pháp khác nhau. Bảng 1.1 là một ví dụ phân tích các tính chất của hai
loại carbon hoạt tính điển hình Darco và Alfa:

Bảng 1.1. Các thông số đặc tính của carbon hoạt tính Darco và Alfa [24]


Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
18

1.1.2. Hoạt tính carbon
Nguồn nguyên liệu để sản xuất carbon hoạt tính rất rẻ như là gỗ, vỏ đậu, xơ dừa,
than đá… Tùy theo nguồn nguyên liệu và phương pháp sản xuất mà carbon hoạt tính có
độ xốp khác nhau. Ví dụ như AC sản xuất từ than gỗ có nhiều lỗ xốp macro, trong khi đó,
AC-than đá cho độ bám hút phân tử cao do đặc tính xốp có nhiều lỗ meso. Có nhiều
phương pháp để sản xuất carbon hoạt tính đã được đăng ký trên toàn thế giới. Những
phương pháp này có thể phân loại làm 2 nhóm chính như sau:
* Hoạt tính vật lý hay nhiệt độ (physical or thermal activation)
* Hoạt tính hóa học (chemical activation)
1.1.2.1. Hoạt tính vật lý (nhiệt độ)
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
19

Hoạt tính vật lý nhìn chung được chia làm hai bước phụ thuộc nhiệt độ. Bước đầu
tiên: carbon hóa (carbonization) vật liệu thô, ở đó quá trình bay hơi vật liệu diễn ra tại
nhiệt độ trung bình để làm giàu carbon. Bước thứ hai là quá trình hoạt tính (activation),
carbon hóa khí sẽ được thu lại một phần bằng một nhân tố oxy hóa (thông thường là hơi
nước) trong lò nung kiểu trực tiếp. Nếu cả hai bước được tiến hành đồng thời thì quy trình
này được gọi là hoạt tính trực tiếp. Tuy nhiên, thông thường trong sản xuất công nghiệp,
những cách xử lý bổ sung cũng được áp dụng. Sơ đồ các bước hoạt tính vật lý được mô tả
ở hình 1.4:













Hình 1.4. Quy trình sản xuất carbon hoạt tính theo phương pháp hoạt tính nhiệt độ [2]

Vật liệu thô cần được xử lý trước khi hoạt tính nó. Trong trường hợp carbon ở
dạng bột hoặc dạng viên, chúng cần được nghiền (sàng) sao cho hạt nguyên liệu đạt được
kích thước nhỏ nhất có thể. Thỉnh thoảng, bước rửa bằng nước cất hoặc axit cũng cần đến
để loại bỏ các chất bẩn lẫn trong carbon cũng như các khoáng chất khác. Nếu vật liệu thô
là than cốc, mẫu cần được xử lý oxy hóa; oxy hóa một khoảng thời gian dài trong không
khí với nhiệt độ vừa phải (khoảng 200-300
0

C) sẽ hình thành các mối liên kết chặt trong
cấu trúc và tăng tính ổn định cho carbon, điều này sẽ ngăn chặn sự thâm nhập chất lỏng
có hại trong suốt quá trình carbon hóa (carbonization) [22].
Bên cạnh đó, nguyên liệu carbon còn có dạng bụi hoặc dạng bánh, chúng cũng cần
được nghiền để có kích cỡ hạt thích hợp. Cách xử lý này áp dụng cho những nguyên liệu
khó bay hơi (như là than đá loại trung bình và cao), ở đó mạng lỗ xốp meso và macro
không phát triển tốt trong quá trình carbon hóa, các hóa chất hoạt tính khó khuếch tán hơn

Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
20
trong quá trình hoạt tính tiếp theo. Như ở hình 1.4, sau khi tiền xử lý, mẫu được tiến hành
giai đoạn carbon hóa (hình 1.5).

Hình 1.5. Sơ đồ quá trình carbon hóa [2]

Giai đoạn này sẽ quyết định thành phẩm của carbon hoạt tính bởi vì trong suốt quá
trình này cấu trúc lỗ xốp micro bắt đầu định hình. Trong quá trình carbon hóa, nhiệt độ xử
lý tập trung vào tính chất cuối cùng của than (ví dụ như cấu trúc lỗ xốp, độ cứng, mật
độ…) mà không quan tâm đến hợp chất dễ bay hơi của quá trình.
Nguyên liệu ban đầu là hợp chất carbon hữu cơ có cấu trúc phân tử macro, được
phân hủy trong suốt quá trình xử lý nhiệt để mang lại:
 Một phần khí giàu hydro, hydrocarbon nhẹ và nhựa đường
 Một phần chất rắn giàu carbon, được gọi là than.
Khí và hơi nước tạo ra từ chất rắn trong quá trình là sản phẩm đầu tiên, những hơi khí này
được sinh ra trực tiếp từ những mảng cấu trúc nguyên liệu. Ngoài loại khí cơ bản, một
phần loại khí khác cũng được tạo ra do chúng tự phản ứng với nhau phụ thuộc vào nhiệt
độ cũng như thời gian xử lý. Tại nhiệt độ trung bình (khoảng 500
0
C), chúng tồn tại rất ít,
phần lớn là những khí cơ bản. Do đó, dưới nhiệt độ trung bình, khí cơ bản phụ thuộc rất

Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
21
nhiều vào tính chất của nguyên liệu ban đầu. Khi nhiệt độ được gia tăng, loại phản ứng
thứ hai quan trọng hơn, với điều kiện nhiệt độ trên 1000
0
C sẽ sinh ra nhiều CH
4

, H
2
và
muội than. Nếu nhiệt độ trong khoảng 800-1000
0
C, muội than có thể xuất hiện (dưới dạng
vòng thơm) cùng với olefin, CH
4
, H
2
, nước và CO
2
. Nếu nhiệt độ xử lý được gia tăng với
tốc độ nhanh, phản ứng cracking sẽ xảy ra nhanh và có thể làm cho muội than bị lắng
đọng thành hạt. Việc hiểu biết những gì diễn ra trong các quá trình phản ứng hóa học giai
đoạn carbon hóa là rất quan trọng để xác định được tính chất cuối cùng của sản phẩm
than.
Để thu được sản phẩm như mong muốn thì cần quan tâm đến việc làm giàu cả hàm
lượng carbon cũng như tính chất thơm so với nguyên liệu ban đầu. Bởi vì trong quá trình
carbon hóa, sự gia tăng tính chất thơm chính là sự gia tăng mầm lỗ xốp micro, khi các
nhóm chức cũng như những cầu nối chuỗi gia tăng sẽ tạo ra những khoảng trống không
gian. Carbon được hình thành từ những nhóm tinh thể graphite ngắn phân bố mất trật tự.
Giữa những tinh thể graphite này là những khoảng không gian nhỏ (lỗ xốp micro), nó
không thể xuất hiện trên bề mặt ngoài được vì mạng lỗ xốp meso/macro đã bị bít lại do sự
lắng đọng muội than (đặc biệt tại nhiệt độ cao và tốc độ gia nhiệt nhanh). Như vậy là tốc
độ gia nhiệt rất quan trọng trong việc hình thành tính chất cấu trúc của sản phẩm. Tốc độ
gia nhiệt cao làm cho quá trình bay hơi nguyên liệu diễn ra rất nhanh, và sẽ làm gia tăng
mạng lỗ xốp meso/macro, mật độ cũng như độ bền mài mòn thấp. Ngược lại, khi xử lý
nhiệt độ với tốc độ thấp, mạng lỗ xốp meso/macro sẽ tiến triển chậm, mật độ cũng như độ
cứng vật liệu sẽ cao hơn. Tuy nhiên với tốc độ gia nhiệt thấp thì sự phát triển của những

phôi mầm lỗ xốp micro cũng ngang bằng so với xử lý nhiệt độ tốc độ cao. Do đó, trong
sản xuất, xử lý nhiệt độ tốc độ thấp và thời gian giữ nhiệt lâu hơn chính là điều kiện tối ưu
để có được loại than hoạt tính có mật độ và độ bền vật liệu cao.
Trong công nghiệp, thông thường người ta sử dụng lò nung kiểu trực tiếp với một
loại khí oxy hóa (hơi nước) có tỷ trọng rất thấp. Nhiệt độ cuối cùng thường là 600
0
C với
một tốc độ gia nhiệt khoảng 100-300
0
C/giờ [13].
Sản phẩm cuối cùng của quá trình carbon hóa cũng chỉ mới có những mầm phôi lỗ
xốp ban đầu, chưa có tính hút bám tốt, trừ khi chúng được tăng cường tính xốp bằng một
quá trình tiếp theo, quá trình hoạt tính. Hoạt tính nhiệt độ là quá trình oxy hóa một phần
than bằng hơi nước, CO
2
hoặc là không khí. Những khí oxy hóa này sẽ tác dụng với các
nguyên tử carbon bên trong những lỗ xốp micro để tạo ra những vật liệu có độ xốp cao.
Tốc độ hoạt tính được quy định bởi tính chất của nguyên liệu và chất oxy hóa. Trong đó
oxy có tác động tốt nhất, ngược lại CO
2
là thấp nhất.


Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
22
* Hoạt tính với O
2

Phản ứng giữa oxy và carbon sẽ thu được đồng thời CO
2
và CO:
C + O
2
 CO
2
ΔH = -387 kJmol
-1
(1.1)
2C + O
2
 2CO ΔH = -226 kJmol
-1
(1.2)
Cả hai phản ứng trên đều tỏa nhiệt rất cao; trong đó, CO
2
và CO đều là sản phẩm chính, tỷ
lệ CO/CO
2
càng tăng khi nhiệt độ càng cao. Khi enthalpy cao, nhiệt độ phản ứng rất khó
điều khiển và thông thường phản ứng dễ dàng xảy ra ngay trên bề mặt vật liệu và do đó
hoạt tính oxy rất phù hợp trong các ứng dụng.
Tuy nhiên, quy trình sản xuất carbon hoạt tính cho độ xốp cao bằng oxy thường chỉ
được áp dụng trong phòng thí nghiệm. Nó là một quy trình khép kín [31]: đầu tiên oxy
được hấp thụ hóa học ở nhiệt độ thấp, dưới điểm cháy vật liệu (200-300
0
C), tiếp đó không
khí sẽ bị trơ hóa, cùng lúc đó than sẽ được gia tăng đến nhiệt độ cao. Oxy hấp thụ hóa học
ban đầu sẽ bốc cháy cùng với carbon. Sau một khoảng thời gian ngắn, mẫu được làm lạnh

trong khí trơ. Phương pháp này sản xuất được carbon hoạt tính có khả năng sàng lọc phân
tử cực kỳ cao, sản phẩm có sự phân bố lỗ xốp xác định và mật độ dày. Tuy nhiên, đây là
một quy trình rất tốn kém rất khó áp dụng trong công nghiệp.

* Hoạt tính với hơi nƣớc
Hơi nước cũng đốt cháy được carbon (giống như phản ứng đốt cháy) nhưng với
một cơ chế nhiệt động học khác:
C + H
2
O  H
2
+ CO ΔH = 132 kJmol
-1
(1.3)
Phản ứng thu nhiệt này không dễ dàng xảy ra, thêm vào đó còn có nhiều loại khí
khác được sinh ra do sự tự phản ứng giữa các sản phẩm khí:
CO + H
2
O  H
2
+ CO ΔH = -41,5 kJmol
-1
(1.4)
C + H
2
 CH
4
ΔH = -87,5 kJmol
-1
(1.5)

Tuy nhiên, động học của hai phản ứng (1.4) và (1.5) rất chậm và chúng khó xảy ra. Theo
lý thuyết động học, phản ứng hóa khí giữa hơi nước và hầu hết các nguyên liệu carbon có
tốc độ phản ứng cùng một kiểu với độ chuyển đổi:

n
K
dt
d
)1(



(1.6)
trong đó, α là độ chuyển đổi (khối lượng carbon tạo ra/khối lượng carbon ban đầu), K là
hằng số động học biểu kiến (phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất riêng phần của hợp chất
khí) và n là bậc của phản ứng có thể có các giá trị sau:
* n = 0 Trường hợp này rất hiếm gặp, mặc dù thỉnh thoảng tốc độ phản ứng độc
lập với độ chuyển đổi carbon trong một số quá trình hóa khí xúc tác.
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
23
* n = 1 Trường hợp này phản ứng đồng nhất với kiểu chuyển đổi mà ở đó các
phản ứng hóa học có thể điều khiển được. Các nhân tố hoạt tính ban đầu khuếch tán vào
mạng lỗ xốp, sau đó sẽ tác động lên từng vị trí hoạt tính bên trong bề mặt hạt mà vẫn giữ
được kích cỡ ban đầu trong suốt quá trình chuyển đổi.
* n = 0,67 Phản ứng này tuân theo cơ chế co rút hạt nhân và chịu tác động của việc
điều khiển khuếch tán. Các nhân tố oxy hóa chỉ phản ứng trên bề mặt, chúng không có
thời gian khuếch tán vào bên trong vì vậy kích cỡ hạt sẽ nhỏ hơn khi tăng độ chuyển đổi.

Trong quá trình sản xuất carbon hoạt tính, cần thiết phải quan tâm tới sự điều khiển
hóa học quá trình hóa khí hơi nước, qua đó cho phép lỗ xốp nội phát triển bên trong hạt
than; nếu không, phản ứng sẽ chỉ diễn ra bên ngoài bề mặt hạt. Do đặc trưng của quá trình
hóa khí hơi nước mà điều khiển hóa học chỉ có hiệu quả khi đạt nhiệt độ cao, trên 900
0
C.
Lỗ xốp nội (diện tích bề mặt riêng BET hay thể tích lỗ xốp micro) gia tăng khi độ chuyển
đổi tăng, mặc dù rằng kích thước lỗ xốp cũng tăng. Với cách này, lỗ xốp nội phát triển (lỗ
xốp micro được mở rộng, thậm chí có thể biến thành những lỗ xốp meso khi độ chuyển
đổi cao) phụ thuộc vào vị trí hoạt tính và có tác dụng tương tự với hầu hết các loại than,
nhưng không phải theo cùng một nguyên nhân. Đầu tiên, mỗi loại than có cấu trúc hóa
học và nguồn gốc khác nhau, vì vậy vị trí hoạt tính sẽ không giống nhau. Hai là, hầu hết
các nguyên liệu đều có lẫn các khoáng chất khác và chúng có thể xúc tác cho quá trình
hóa khí hơi nước. Những chất xúc tác này có thể tác động tương đối đến quá trình hoạt
tính lỗ xốp. Ví dụ khi so sánh nguyên liệu carbon từ vỏ hạt đậu phộng với nhiều nguyên
liệu thô khác, chúng phát triển lỗ xốp rất tốt và kích thước lỗ rất nhỏ không chỉ bởi vì độ
cứng của chúng mà còn do vỏ đậu phộng chứa nhiều khoáng chất Kali.
Quá trình hoạt tính hơi nước là phương pháp được sử dụng rộng rãi để chế tạo
carbon hoạt tính trên thế giới. Về khía cạnh khả năng hấp phụ, nó dễ dàng đưa diện tích
bề mặt riêng lên đến 1000m
2
/g tại độ chuyển đổi hoạt tính 50% với hàm lượng tro chấp
nhận được trong vật liệu ban đầu dưới 10%. Về cơ bản, hoạt tính carbon bằng hơi nước sẽ
cho vật liệu có lỗ xốp micro với kích thước lỗ càng gia tăng khi độ chuyển đổi càng tăng
nhưng chúng không có sự phát triển lỗ xốp meso. Như ví dụ ở hình 1.6 là đường hấp phụ
đẳng nhiệt của một carbon hoạt tính bằng hơi nước.

Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện Nano

HVTH Huỳnh Sa Hoàng GVHD TS.Nguyễn Mạnh Tuấn
24















Hình 1.6. Đường hấp phụ đẳng nhiệt của AC với các độ chuyển đổi khác nhau [21]

Mỗi đường hấp phụ đẳng nhiệt của carbon hoạt tính liên quan đến độ chuyển đổi
khác nhau 20, 35, 50, 70 và 80% tương ứng với các mẫu AC-720, AC-735, AC-750, AC-
770 và AC-780. Mẫu AC-700 không có hoạt tính và cũng cho thấy không có sự hấp phụ
diễn ra. Khi độ chuyển đổi tăng, thì độ hấp phụ tại điểm áp suất tỷ đối gần bằng không
càng tăng và độ cong những đường này càng được mở rộng hơn, cấu trúc lỗ xốp micro bị
thay đổi từ hẹp đến rộng hơn. Trong khoảng áp suất tỷ đối từ 0,2 đến 0,7 cho thấy bắt đầu
có sự phát triển lỗ xốp meso. Như vậy, từ hình 1.6 có thể nhận thấy rằng với độ chuyển

đổi thấp carbon hoạt tính chỉ tồn tại lỗ xốp micro.

* Hoạt tính với CO
2

Phản ứng phức hợp giữa carbon và CO
2
sẽ thu được CO:
C + CO
2
 2CO ΔH = 159 kJmol
-1
(1.7)
Đây là một phản ứng thu nhiệt và động học của phản ứng được diễn tả như sau:

 
n
COCO
CO
P
RT
E
kP
RT
E
k
P
RT
E
k

dt
d








































 1
expexp1
exp
2
2
3
3
2
2
1
(1.8)
trong đó n là bậc của phản ứng; như trong trường hợp hoạt tính hơi nước, chúng có thể là
0,1 và 0,67 tùy thuộc vào cách điều khiển phản ứng. Theo quan điểm động lực học, sự