Chế tạo hạt nano mos2 trên bề mặt ống nano cácbon đa thành (mwcnts)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN VĂN ĐỒNG

CHẾ TẠO HẠT NANO MoS2 TRÊN BỀ MẶT ỐNG NANO
CÁCBON ĐA THÀNH (MWCNTs)
Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CAO PHÂN TỬ VÀ TỔ HỢP
Mã số:

605294

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2015

i


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Lê Văn Thăng
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Nguyễn Văn Dán
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Trần Xuân Phước
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 30 tháng 01 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS. TS Nguyễn Đắc Thành (Chủ tịch)
2. TS Trần Xuân Phước (Phản biện 1)
3. PGS.TS Nguyễn Văn Dán (Phản biện 2)
4. PGS. TS Huỳnh Đại Phú (Ủy viên)
5. TS. Cao Xuân Việt (Ủy viên kiêm thư ký)
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CNVL

ii


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN ĐỒNG ................................ MSHV:12033101 ............
Ngày, tháng, năm sinh: 22/11/1986 ........................................... Nơi sinh: ến Tre ............
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CAO PHÂN TỬ VÀ TỔ HỢP.
Mã số : 605294
I. TÊN ĐỀ TÀI: ‘Chế tạo hạt nano MoS2 trên bề mặt ống nano cácbon đa thành
(MWCNTs)’
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
+ Gắn nhóm chức phân cực (-N=N-C6H4-SO3-) lên thành ống MWCNTs.

+ Tổng hợp hạt nano MoS2 trên chất mang MWCNTs
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/08/2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 23/05/2014
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :TS Lê Văn Thăng

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm …….
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ V T IỆU

iii


LỜI CẢM

N

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Lê Văn Thăng – thầy giáo
hướng dẫn tơi vì thầy đã ln tận tình chỉ bảo, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện làm việc tốt
nhất cho tơi trong suốt q trình thực tập và làm luận văn tại trường.
Tiếp theo, tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến cơ Nguyễn Thị Minh Nguyệt vì đã
ln theo sát, hướng dẫn, góp ý và gắn bó với tơi trong khoảng thời gian làm luận văn
tại trường.
Ngồi ra, tôi xin gửi lời cám ơn đến ba, mẹ và những người thân u lịng biết ơn
sâu sắc vì đã ln bên rìa cạnh hỗ trợ và động viên tơi trong suốt thời gian qua.
Sau cùng, trong quá trình làm luận văn, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ, tạo
điều kiện của quý thầy cô và các anh chị nghiên cứu và làm việc tại Bộ môn Polyme
và Composit – khoa Công Nghệ Vật Liệu. Tôi xin gửi đến quý thầy cô và các anh chị

lời cảm ơn chân thành nhất.

iv


T M TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
a. T

tắt luận văn

Hướng nghiên cứu tạo các hạt oxit kim loại kích thước nano lên bề mặt ống
nano cácbon (CNTs) nhằm mở rộng khả năng ứng dụng của vật liệu ống nano cácbon
đa thành (MWCNTs) đang thu hút rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới. Để tạo các
hạt nano oxit kim loại trên ống nano cácbon , q trình biến tính tạo nhóm chức phân
cực tương thích là giai đoạn tối quan trọng. Tuy nhiên, sử dụng các chất oxi hóa mạnh
để tạo nhóm chức phân cực (–COOH, –OH, …) thường gây phá hủy đáng kể cấu trúc
CNTs. Vì vậy trong bài báo này, chúng tơi trình bày một phương pháp biến tính đơn
giản nhưng hạn chế khả năng phá hủy cấu trúc MWCNTs bằng cách sử dụng hỗn hợp
axit sulfanilic (C6H7NSO3) và muối natri nitrit (NaNO2). Kết quả nghiên cứu cho thấy
khả năng phân tán của MWCNTs sau biến tính trong nước cất đã được cải thiện đáng
kể, đồng thời các thông số phản ứng như nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ mol nC6H7NSO3 :
nNaNO2 và khối lượng MWCNTs cũng được xác định lần lượt là 71oC, 12 phút, 1:1.1
và 65mg (tương ứng với tỷ lệ cácbon và axit sulfanilic là nC : nC6H7NSO3 = 12:1) và
đạt được nồng độ phân tán 4.23mg/ml ở điều kiện này. Ngoài ra, đề tài đã tiến hành
gắn thành cơng hạt tinh thể MoS2 kích thước nhỏ hơn 75nm lên thành MWCNTs với
chất hỗ trợ glyxerol bằng một quy trình đơn giản dựa trên phản ứng hóa học thơng
thường và nung nhiệt.
Từ khóa: Ống nano cácbon đa thành (MWCNTs), biến tính, phân tán, diazo,
MoS2-CNTs, hạt nano, vật liệu nanocomposit, cấu trúc lớp, tinh thể.
b. Abstract

The sheathing of oxide nanoparticles on carbon nanotubes (CNTs) for various
applications is an emerging field in nanoscience. To simplify the formation of MoS2
capped multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), a functionalization process is of
primery importance. However, using strong oxidation mixture usually causes an
increase in the defects on the sidewalls. This article reports a facile but non-destructive
modification with mixture of sulfanilic acid (C6H7NSO3) and sodium nitrite (NaNO2).
The obtained results show that the dispersion stability of functionalized MWCNTs is
v


significantly improved. Reaction temperature, time, molar ratio of reactants and mass
of MWCNTs are also optimized at 71oC, 12 minutes, 1:1.1 và 65mg (molar ratio of
carbon and sulfanilic acid is around 12:1), respectively. At optimal condition,
dispersion concentration in DI water is about 4.23mg/ml. Besides, MoS2 crystal
nanoparticles with dimension less than 75nm was also successfully grown on
MWCNTs backbone by using normal chemical reaction and calcining in N2
atmosphere.
Keywords. Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), functionalized,
dispersion, diazonium ion, MoS2-CNTs, nanoparticles, nanocomposite material, layer
structure, crystal.

vi


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Lê Văn Thăng, nội dung
nghiên cứu được xác định là khác với các nghiên cứu trước đó trên thế giới và chưa có
nhóm nghiên cứu nào khác thực hiện trong nước tại thời điểm tiến hành đề tài. Do đó,
tơi cam đoan đề tài khơng sao chép nguyên bản từ bất cứ luận văn hay nghiên cứu nào.
Tôi cũng xin cam đoan không trộm cắp ý tưởng từ bất cứ tài liệu hay từ đơn vị nào.

Nếu tơi vi phạm về bản quyền thì tơi xin chịu mọi trách nhiệm theo luật pháp của nhà
nước Việt Nam. Hơn nữa, đề tài được thực hiện và kiểm nghiệm kết quả bằng các thiết
bị hiện đại trong nước, tôi cam đoan không làm sai lệch kết quả đo hay chỉnh sửa,
thêm bớt dù chỉ là một số liệu kết quả nhỏ. Nếu tôi cố ý vi phạm những điều trên tơi
hồn tồn chịu trách nhiệm về tính trung thực của kết quả luận văn cao học này.
Chân thành cảm ơn!

vii


viii


ix


x


xi


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
MWCNTs: Ống nano cácbon đa thành
CNTs: Ống nano cácbon
SWCNTs: Ống nano cácbon đơn thành
MoS2-NRs: Mảnh nano MoS2
ac-MoS2-NR: Mảnh nano MoS2 dạng armchair
zz-MoS2-NR: Mảnh nano MoS2 dạng zigzag
ac-MoS2-NR-s: Mảnh nano MoS2 dạng armchair đối xứng

ac-MoS2-NR-u: Mảnh nano MoS2 dạng armchair bất đối xứng
zz-MoS2-NR-s: Mảnh nano MoS2 dạng zigzag đối xứng
zz-MoS2-NR-u: Mảnh nano MoS2 dạng zigzag bất đối xứng
zz-MoS2-NR-Mo-s: Mảnh nano MoS2 dạng zigzag đối xứng có rìa cạnh là Mo
zz-MoS2-NR-Mo-u: Mảnh nano MoS2 dạng zigzag bất đối xứng có rìa cạnh là Mo
zz-MoS2-NR-S-s: Mảnh nano MoS2 dạng zigzag đối xứng có rìa cạnh là S
zz-MoS2-NR-S-u: Mảnh nano MoS2 dạng zigzag bất đối xứng có rìa cạnh là S
ZGNRs: mảnh nano graphene có rìa cạnh dạng zigzag
PDOSs: Mật độ trang thái một phần
EELS: phổ tổn thất năng lượng electron
Bão hòa H: bão hòa hydro
H: hydro

xii


DANH SÁCH BÀI BÁO KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
Nguyễn Văn Đồng, Vũ Huệ Tơng, NguyễnThị Minh Nguyệt, Nguyễn Hồng Nam, Lê
Văn Thăng. Biến tính bề mặt ống nano cácbon đa thành bằng phản ứng diazo hóa
nhằm cải thiện khả năng mang hạt nano MoS2. Tạp chí khoa học và cơng nghệ 51 (5C)
(2013) 577-584.

xiii


MỤC LỤC
Trang bìa ................................................................................................................... i
Hội đồng đánh giá luận văn ...................................................................................ii
Nhiệm vụ luận văn .................................................................................................iii
ời cảm ơn ............................................................................................................. iv

Tóm tắt luận văn ..................................................................................................... v
ời cam đoan .........................................................................................................vii
Danh mục hình ....................................................................................................viii
Danh mục bảng ...................................................................................................... xi
Danh mục từ viết tắt ............................................................................................. xii
Danh sách bài báo khoa học đã công bố .............................................................xiii
Mục lục ................................................................................................................. xiv

xiv


xv


xvi


Chương 1 GIỚI THIỆU
Sự thiếu hụt năng lượng trên toàn thế giới là một trong những vấn đề ngày càng lớn
trong thế kỷ 21. Những nỗ lực nhằm thay thế nhiên liệu hóa thạch khơng tái tạo bằng các
nguồn năng lượng xanh khác như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy
điện … đã được thực hiện trong những năm qua. Khác với các nhiên liệu hóa thạch truyền
thống, hầu hết các nguồn năng lượng xanh đều có hạn chế vì chúng thay đổi theo thời tiết
và ngày mùa dẫn đến các thiết bị chuyển hóa năng lượng khơng thể hoạt động liên tục nên
địi hỏi phải thực hiện việc lưu trữ năng lượng. Điều này đã thu hút sự quan tâm của nhiều
nhà nghiên cứu trong việc phát triển vật liệu lưu trữ năng lượng. Hệ thống pin ion lithium
được coi là một trong những hệ lưu trữ năng lượng tiềm năng do mật độ năng lượng cao
và cơ chế phản ứng tương đối đơn giản. Công nghệ pin ion lithium hiện tại được phát
triển cho các thiết bị điện tử di động và đã được sử dụng rộng rãi trong hơn hai mươi năm
qua. Nhìn chung, pin có cấu tạo bao gồm các phần: điện cực dương, điện cực âm và chất

điện giải (hình 1.1). Điện cực dương phổ biến nhất cho pin ion lithium được làm từ các
hợp chất cácbon và hợp kim có chứa lithium. Điện cực âm thường được làm từ oxit của
các kim loại chuyển tiếp có cấu trúc tinh thể để giúp ổn định điện cực trong quá trình trao
đổi điện tích. Điện cực dương và điện cực âm được ngăn cách bởi chất điện giải là chất
không dẫn điện tử nhưng dẫn ion lithium. Khi sạc, các ion lithium di chuyển từ cực âm
sang cực dương, cịn khi xả thì các ion lithium di chuyển ngược lại. Vật liệu cho cả hai
điện cực thường có cấu trúc khối nên tuổi thọ, khả năng tích điện, khả năng nạp/xả và mật
độ dịng điện tạo ra thấp. Để cải thiện các tính năng này, các nhà khoa học hướng đến việc
ứng dụng vật liệu kích thước nano như fullerene, ống nano cácbon , ống nano MoS2, hạt
thin film nano MoS2,… để làm điện cực cho pin. Một trong những xu hướng hiện nay là
kết hợp giữa ống nano cácbon và hạt nano MoS2 có cấu trúc lớp để làm điện cực cho pin
ion lithium.

1


Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin ion lithium [1]
Lĩnh vực nghiên cứu về vật liệu MoS2-CNTs cịn mới mẻ với rất ít cơng trình được
cơng bố. Sau đây, chúng ta xem xét một số cơng trình điển hình gần đây đã được cơng bố.
Năm 2007, Qiang Wang và Jinghong Li đã phủ nhiều lớp MoS2 lên trên ống nano cácbon
đa thành bằng phương pháp thủy nhiệt ứng dụng làm điện cực cho pin ion lithium và đo
được khả năng nạp xả là 400 mA.h.g-1 [2]. Đến năm 2011, Shujiang Ding và cộng sự đã
gắn thành công tấm nano MoS2 trên ống nano cácbon với chất hỗ trợ glucoz để ứng dụng
làm điện cực cho pin ion lithium với khả năng nạp/xả trong chu kỳ đầu là 1434/862
mA.h.g-1, sau 60 chu kỳ nạp/xả duy trì ở mức 698 mA.h.g-1; đồng thời ông và cộng sự
cũng đã tổng hợp các khối cầu kích thước micro chứa những tấm nano MoS2 đưa vào làm
điện cực cho pin ion lithium và cho chu kỳ nạp/xả đầu tiên của pin là 1160/791 mA.h.g -1,
sau 50 chu kỳ nạp xả duy trì ở mức 672 mA.h.g-1 [3]. Đầu năm 2013, Seung-Keun Park
và cộng sự cũng đã tổng hợp được tấm nano MoS2 trên CNTs với chất hỗ trợ L-cysteine
rồi đưa vào làm điện cực cho pin ion lithium với điện dung riêng trong 30 chu kỳ đầu là

736.5-823.4 mA.h.g-1 ở mức cường độ dòng điện là 100 mA.g-1; khi cường độ dòng điện
ở mức 1600 mA.g-1 thì điện dung là 530 mA.h.g-1 sau 30 chu kỳ [4]. Gần đây, đầu năm
2014, Congxiang Lu và cộng sự đã chế tạo vật liệu composit CNT-MoS2 có điện dung
2


riêng trên 1300mA.h.g-1 duy trì trong 50 chu kỳ với cường độ dòng điện 200mA.g-1
[5].Việc kết hợp hai loại vật liệu với nhau đã giúp khắc phục được nhược điểm của vật
liệu MoS2 là độ ổn định nạp/xả thấp và hạn chế được nhược điểm của vật liệu CNTs là
thất thoát điện dung lớn ở chu kỳ đầu. Để tạo được vật liệu tổ hợp có độ đồng nhất cao
hơn thì cần phải khắc phục được nhược điểm của CNTs vì CNTs có kích thước nhỏ bé và
diện tích bề mặt rất lớn nên thường có khuynh hướng kết tụ lại với nhau gây khó khăn cho
việc phân bố đều MoS2, làm giảm tính năng của điện cực MoS2-CNTs. Do đó, để khắc
phục sự kết tụ và giúp MoS2 phân bố với lượng tối đa trên CNTs nhằm cải tiến tính năng
của điện cực, chúng tơi đề xuất hướng nghiên cứu là thực hiện phát triển tấm nano MoS2
trên nền vật liệu MWCNTs đã qua biến tính bề mặt.
Ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa có báo cáo chính thức nào về việc nghiên cứu tổng hợp
vật liệu MoS2 kích thước nano gắn trên MWCNTs đã biến tính để làm điện cực cho pin
ion lithium. Do đó, việc chế tạo hạt nano MoS2 lên bề mặt MWCNTs đã biến tính để làm
điện cực cho pin lithium nhằm tạo ra chủng loại pin có hiệu suất chuyển hóa năng lượng
cao với giá thành rẻ hơn là một nhu cầu cấp thiết.
Vì vậy, đề tài tiến hành nghiên cứu “chế tạo hạt nano MoS2 trên bề mặt ống nano
cácbon đa thành (MWCNTs)” hướng đến MỤC TIÊU gắn hạt nano MoS2 trên bề mặt
MWCNTs đã qua biến tính bề mặt. Việc biến tính bề mặt của MWCNTs sẽ giúp khắc
phục được nhược điểm dễ bị kết tụ vì kích thước nhỏ của chúng và làm tăng khả năng
phân tán trong nước cất (hoặc dung môi phân cực), đồng thời giúp phân bố đều đặn hạt
nano MoS2 trên bề mặt MWCNTs để tạo nên vật liệu MoS2-CNTs có tính đồng nhất cao
hơn và cải thiện tính năng làm điện cực của vật liệu.
Để thực hiện định hướng nghiên cứu trên, đề tài cần phải đạt được kết quả sau:
-

Gắn nhóm chức phân cực (-N=N-C6H4-SO3-) lên thành ống MWCNTs

-

Tổng hợp hạt nano MoS2 trên chất mang MWCNTs

Như vậy, một trong các nguyên liệu quan trọng của đề tài là: MWCNTs đã biến tính, hạt
nano MoS2… Hiện tại nhóm nghiên cứu đã tìm ra quy trình làm sạch MWCNTs và biến
tính bề mặt MWCNTs theo 3 hướng khác nhau: biến tính bằng phản ứng diazo hóa, biến
3


tính bằng hỗn hợp HNO3/H2SO4, biến tính bằng chất hoạt động bề mặt. Trong phạm vi đề
tài này, chúng tôi hướng đến khả năng chế tạo điện cực pin từ sản phẩm MWCNTs biến
tính bằng phản ứng diazo hóa có bao phủ hạt nano MoS2 trên bề mặt. Với mục tiêu đó,
những cơng việc cần thực hiện như sau:
 Biến tính MWCNTs bằng hỗn hợp C6H7NSO3 và NaNO2
 Khảo sát tối ưu về thời gian, nhiệt độ, tỷ lệ mol hỗn hợp C6H7NSO3 và NaNO2,
lượng MWCNTs tham gia phản ứng bằng quy hoạch thực nghiệm.
 Chế tạo nano MoS2 độc lập từ (NH4)6Mo7O24.4H2O và Na2S.9H2O
 Gắn hạt nano MoS2 trực tiếp trên thành MWCNTs biến tính

4


Chương 2 TỔNG QUAN
2.1 Tổng quan ống nano cácbon
2.1.1 Sơ lược về cấu trúc và tính chất của ống nano cácbon
2.1.1.1 Cấu trúc của ống nano cácbon

Cácbon nanotube là một dạng thù hình của cácbon , nó có thể bao gồm một hay một
vài lớp graphene và được cuộn tròn thành dạng ống với đường kính trong khoảng vài
nanometer đến vài chục nanomet (nm) và chiều dài có thể lên tới vài centimet, vì vậy có
cái tên gọi “ống nano”. ống nano cácbon có thể phân chia thành hai nhóm chính:
Ống nano cácbon đơn thành (single-walled carbon nanotubes – SWCNTs)
Ống nano cácbon đa thành (multi-walled carbon nanotubes – MWCNTs).

Hình 2.1 Ảnh chụp TEM của ống nano cácbon [6]
Cấu trúc của các nguyên tử cácbon trong tấm graphene xác định tính chất của CNTs.
Ví dụ, hướng xoắn và góc xoắn của ống nano cácbon so với trục của ống xác định tính


chất điện - điện tử của ống. Để miêu tả đặc tính cơ bản của ống, hai vectơ C h và T đã
được sử dụng như hình dưới đây.

5


Hình 2.2 Lưới graphite và vectơ cuộn của CNTs [6]
Ch là vector xác định hướng cuộn trên bề mặt của ống, nó kết nối hai nguyên tử cácbon
cân bằng lại với



Ch  na1  ma2  (n, m)


(1.1)



Trong đó: a1 và a 2 là hai vectơ đơn vị của graphite
n và m là các số nguyên.
n và m cũng được gọi là chỉ số và xác định góc cuộn của ống



  tan1 3(n /( 2m  n))



(1.2)

Góc cuộn của ống và các chỉ số n, m được sử dụng để phân loại ống nano cácbon
thành 3 nhóm sau đây:
Armchair:

n = m ,  =30°

Zig-zag: m =0, n >0,  =0°
Chiral:

0< m < n , 0< <30°

6


Hình 2.3: Các hướng cuộn lớp graphite [6]
Trong 3 nhóm ống nano nêu trên, loại armchair ln có tính chất kim loại, loại zig-zag
và loại chirals có thể mang tính kim loại hoặc bán dẫn.

Đường kính của ống nano có thể tính được theo cơng thức sau:





dt  3 aC C m2  mn  n2 /   Ch / 

(1.3)




Trong đó Ch là chiều dài của vectơ C h , và ac-c là chiều dài của liên kết C-C (1.42 A ).

Hình 2.4: Đặc tính của CNTs tuỳ thuộc vào vectơ cuộn [6]
Ống nano cácbon đa thành chứa nhiều lớp graphene. Khoảng cách giữa hai thành
trong nanotubes là 0,347nm. Đường kính của MWNT có thể trải dài từ 5 - 50nm trong khi
đó đường kính của SWNT chỉ trong khoảng 0.8 - 3nm.
7


2.1.1.2 Khuyết tật CNTs

Hình 2.5 Các dạng khuyết tật cấu trúc CNTs
a) khuyết tật Stone-Wales [7] b) khuyết tật lỗ hỏng [8]
A. Khuyết tật Stone-Wales
Khuyết tật Stone-Wales (Hình 2.5a) là khuyết tật hình học điển hình trong ống nano.
Khuyết tật Stone-Wales, hay "pyracylene", được tạo thành do sự quay góc 90o của 2
nguyên tử cácbon so với liên kết ở giữa và chuyển 4 lục giác thành 2 ngũ giác và 2 thất

giác [7].
B. Khuyết tật lỗ hổng
Khuyết tật lỗ hỏng (hình 2.5b) trong CNTs giải thích bằng cách loại bỏ các nguyên tử
tương ứng trong cấu trúc 6 cạnh của CNTs ngun thủy (tức là CNTs khơng có khuyết
tật). Tại các vị trí này, các nhóm như OH, H... sẽ liên kết với các nguyên tử cácbon để
thỏa mãn yêu cầu về hóa trị của nguyên tử cácbon [8].
2.1.1.3 Tính chất của ống nano cácbon
Cácbon nanotubes có nhiều tính chất ưu việt mà những loại vật liệu đã biết trước đây
khơng có, điều này đã góp phần thu hút các nhà khoa học ở nhiều lĩnh vực khác nhau tập
trung nghiên cứu.
A. Tính chất cơ
Tính chất cơ học của ống nano cácbon (CNTs) và các ứng dụng tiềm năng của chúng
đã thu hút sự quan tâm lớn và nghiên cứu sâu rộng. Tính chất cơ học của CNTs phụ thuộc
mạnh mẽ vào cấu trúc của chúng. Một bảng tổng kết sơ bộ về các đặc tính cơ học của
nanotubes được giới thiệu dưới đây:
8


Bảng 2.1 So sánh cơ tính của ống nano cácbon với một số vật liệu khác [5]
Modul Young
Ứng suất kéo
Khối lượng
(GPa)
(GPa)
riêng (g/cm3)
MWCNTs
1200
~150
2.6
SWCNTs

1054

75

1.3

SWCNTs dạng bó

563

~150

1.3

Graphite (phẳng)

350

2.5

2.6

Steel

208

0.4

7.8

B. Tính chất điện
Rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm khảo sát tính chất điện của ống nano
cácbon với mục tiêu ứng dụng CNTs trong các thiết bị điện tử kích thước nano. Ống
nano cácbon có tính đối xứng và cấu trúc điện tử đặc thù được xem là một lớp graphene
cuộn lại, do đó, cấu trúc của ống nano ảnh hưởng lớn đến tính chất điện của nó [6, 9].
A. Thess và cộng sự [10] đã tìm thấy rằng điện trở suất của dây SWCNTs tính kim loại
là 10-4 Ω-cm ở 300K và mật độ dịng điện lớn hơn 107 A/cm2. Ở kích thước nhỏ, ống nano
cácbon có tính chất điện tốt hơn rất thích hợp cho các ứng dụng trong hệ thống vi điện tử.
C. Tính chất nhiệt
Ống nano cácbon được đặc biệt chú ý khơng chỉ vì tính chất điện và cơ, mà cịn vì các
tính chất nhiệt của chúng. Tính chất nhiệt của ống nano liên quan trực tiếp đến kích thước
nhỏ và cấu trúc độc đáo của chúng. Độ dẫn nhiệt của ống nano cácbon là do sự rung động
nguyên tử hoặc phonon. Như chúng ta biết, than chì và kim cương cho thấy độ dẫn nhiệt
cao: đối với kim cương, giá trị là khoảng 1000 - 2600 W/mK và đối với graphite khoảng
120W/mK ở 100K [6, 11]. Các tính tốn lý thuyết cho thấy tính dẫn nhiệt cho SWNT và
MWNT ở nhiệt độ phòng dao động trong khoảng 1750 đến 6600 W/mK [11, 12]. Các
phép đo cho thấy độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng là hơn 200 W/mK đối với một bó
SWCNTs và là hơn 3000 W/mK đối với một ống MWNT [12].

9