Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ thời gian nung và sự có mặt của xúc tác tới sự tạo thành ống nano carbon trên màng xốp oxit nhôm (al2o3)

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

VÕ THỊ HOÀNG PHÚC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ,
THỜI GIAN NUNG VÀ SỰ CÓ MẶT CỦA XÚC
TÁC TỚI SỰ TẠO THÀNH ỐNG NANO
CARBON TRÊN MÀNG XỐP OXIT NHÔM

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU KIM LOẠI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :.............................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 :...................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 :...................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm 2009


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

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 05 tháng 01 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Võ Thị Hồng Phúc

Giới tính : Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 27 - 09 - 1985

Nơi sinh : Biên Hòa

Chuyên ngành : Cơng Nghệ Vật Liệu Kim Loại

MSHV: 09030636

Khố (Năm trúng tuyển) : 2009
1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian nung và sự có mặt của
xúc tác tới sự tạo thành ống nano carbon trên cơ sở màng xốp oxit nhôm
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Ngày 25 tháng 02 năm 2010
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : Ngày 05 tháng 01 năm 2011
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Nguyễn Văn Dán
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Bách
Khoa thành phố Hồ Chí Minh, Ban chủ nhiệm bộ mơn Cơng nghệ vật liệu cùng tất
cả quý thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình học tập và
nghiên cứu tại trường, cũng như đã tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn.
Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS - TS. Nguyễn Văn
Dán đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luận văn theo cách tốt nhất.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã chia sẽ và hết lòng
giúp đỡ em trong thời gian học tập và nghiên cứu vừa qua.

Em xin gửi lời chúc sức khỏe đến tất cả quý thầy cô, các anh chị và các bạn.
Tp. HCM, Tháng 01 năm 2011
Võ Thị Hoàng Phúc


TÓM TẮT

Ống nano carbon đã và đang thu hút sự quan tâm đáng kể bởi những tính
chất kỳ diệu của chúng và tiềm năng ứng dụng trong tương lai. Những phương pháp
phổ biến tổng hợp ống nano cacbon là phóng điện hồ quang, bốc bay bằng laser và
lắng đọng hơi hóa học. Những phương pháp này thường sử dụng để tạo ống nano
cacbon đơn lớp và đa lớp. Tuy nhiên, việc sử dụng những phương pháp này tạo ống
nano cacbon khó kiểm sốt được chiều dài và đường kính ống. Gần đây, một
phương pháp mới tạo ống nano cacbon dựa trên lớp màng xốp oxit nhơm, phương
pháp có khả năng kiểm sốt chiều dài và đường kính ống nano cacbon một cách
chính xác và dễ dàng bằng cách sử dụng lớp màng xốp oxit nhôm phù hợp.
Trong luận văn này, lớp màng xốp oxit nhôm đã được chế tạo bằng phương
pháp anot hóa hai bước với chế độ 0,3 C2H2O4, 10oC, 50VDC , thời gian anot hóa lần
1 là 10 phút, lần 2 là 90phút. Cấu trúc xốp của lớp màng này được phân tích bằng
kính hiển vi điện tử qt (SEM). Sau đó, sử dụng lớp màng xốp nhơm oxit để tổng
hợp ống nano cacbon bằng cách nhiệt phân polyvinyl pyrrolidone (PVP) đã được
thấm vào cấu trúc lỗ xốp. Nhiệt phân với dịng khí CO bảo vệ. Khảo sát thời gian
nhiệt phân (3-7 giờ), nhiệt độ nhiệt phân (từ 900oC đến 1200oC), sự có mặt của xúc
tác. Phổ Raman đã chỉ ra hai đỉnh đặc trưng cho ống nano cacbon 1330 cm-1 (đỉnh
vơ định hình) và 1580 cm-1 (đỉnh graphit). Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian
nhiệt phân, nhiệt độ nhiệt phân và sự có mặt của xúc tác đến sự hình thành cấu trúc
ống nano cacbon thơng qua tỷ cường độ IG/ID.


MỤC LỤC

CHƯƠNG 0:

MỞ ĐẦU

................................... 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỐNG NANO CARBON
1.1. Các dạng thù hình của carbon ............................................................... 3
1.1.1. Kim cương ................................................................................. 3
1.1.2. Graphite ..................................................................................... 3
1.1.3. Carbon vô định hình .................................................................. 4
1.1.4. Fullerence .................................................................................. 4
1.1.5. Ống nano carbon ........................................................................ 5
1.1.5.1 Ống nano carbon đơn lớp ............................................. 6
1.1.5.2 Ống nano carbon đa lớp ............................................... 8
1.2. Tính chất của ống nano carbon................................................................ 9
1.2.1. Tính dẫn điện.............................................................................. 9
1.2.2. Tính chất cơ học ......................................................................... 9
1.2.3. Tính chất nhiệt .......................................................................... 10
1.2.4. Tính chất bề mặt và khả năng xúc tác ...................................... 10
1.3. Ứng dụng của ống nano carbon ............................................................. 10
1.3.1. Dự trữ năng lượng ..................................................................... 10
1.3.2. Thiết bị hiển thị ......................................................................... 11
1.3.3. Transitor .................................................................................... 12
1.3.4. Composite ................................................................................. 13
1.3.5. Ứng dụng khác......................................................................... 14
1.4. Các phương pháp tổng hợp CNTs ......................................................... 15


1.4.1. Phương pháp bốc bay bằng laser .............................................. 15

1.4.2. Phương pháp phóng hồ quang điện........................................... 16
1.4.3. Phương pháp lắng đọng hơi hóa học......................................... 18
1.4.4. Phương pháp nghiền cơ học...................................................... 18
1.4.5. Phương pháp sử dụng template................................................ 19

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ ANOT HĨA TẠO MÀNG NHƠM OXIT
2.1. Cấu trúc và tính chất của màng nhôm oxit........................................... 20
2.2. Sơ đồ lắp đặt hệ thống anot hóa nhơm .................................................. 22
2.3. Các phản ứng xảy ra ở điện cực............................................................. 23
2.4. Cơ chế phát triển màng oxit và hình thành lỗ xốp ............................... 24
2.5. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình anot ............................................ 27
2.5.1. Ảnh hưởng của dung dịch điện phân ....................................... 27
2.5.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch điện phân ......................... 28
2.5.3. Ảnh hưởng của hiệu điện thế anot hóa...................................... 28
2.5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ anot hóa.............................................. 29
2.5.5. Ảnh hưởng của thời gian anot hóa ............................................ 30
2.5.6. Ảnh hưởng của điều kiện khuấy trộn ........................................ 31
2.5.7. Ảnh hưởng của thành phần hợp kim ....................................... 31

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
3.1. Kính hiển vi điện tử quét ........................................................................ 33
3.1.1. Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh trong SEM ...................... 33
3.1.1.1 Tương tác của chùm điện tử với vật liệu ................... 33
3.1.1.2 Sơ đồ khối ................................................................. 33


3.1.1.3 Nguyên lý hoạt động .................................................. 34
3.1.2. Ứng dụng ................................................................................. 36
3.2. Phổ raman .............................................................................................. 37
3.2.1. Sự tạo thành tín hiệu Raman ................................................... 37

3.2.2. Ứng dụng của phổ Raman trong nghiên cứu CNTs ................. 39

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM
4.1. Sơ đồ thực nghiệm ................................................................................... 42
4.2. Qui trình chế tạo màng nhơm oxit bằng phương pháp anot hóa........ 42
4.2.1. Ủ ................................................................................................ 43
4.2.2. Tẩy dầu mỡ................................................................................ 45
4.2.3. Đánh bóng bề mặt...................................................................... 46
4.2.4. Anot hóa .................................................................................. 46
4.2.4.1. Anot hóa lần 1.............................................................. 47
4.2.4.2. Tẩy lớp anot hóa lần 1 ................................................. 48
4.2.4.3. Anot hóa lần 2............................................................ 49
4.2.5. Xử lý sau anot............................................................................ 49
4.2.5.1. Tách đế nhôm ............................................................ 49
4.2.5.2. Làm sạch lớp màng .................................................... 50
4.3. Qui trình thấm PVP vào màng nhôm oxit ............................................ 52
4.3.1. Chuẩn bị..................................................................................... 53
4.3.2. Khuấy trộn PVP – n-Butanol..................................................... 54
4.3.3. Thấm dung dịch polymer vào màng oxit nhôm ........................ 56
4.3.4. Ủ bay hơi dung môi ................................................................. 57
4.4. Qui trình nhiệt phân tạo ống nano carbon............................................ 57


4.4.1. Quá trình nhiệt phân ................................................................ 57
4.4.2. Tẩy màng oxit và thu ống nano carbon ................................... 60

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
5.1. Kết quả chế tạo màng xốp nhôm oxit AAO template .......................... 62
5.2. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian nung và sự có mặt
của xúc tác đối với sự tạo thành CNTs ....................................................... 64

5.2.1. Trường hợp có mặt xúc tác ...................................................... 64
5.2.1.1. Ảnh hưởng của thời gian đến sự tạo thành CNTs ....... 64
5.2.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự tạo thành CNTs .......... 71
5.2.2. Trường hợp khơng có mặt xúc tác............................................. 77
5.2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự tạo thành CNTs ....... 77
5.2.2.2. So sánh ảnh hưởng của sự có mặt xúc tác tới sự hình thành
CNTs ở những nhiệt độ nung khác nhau .................... 82
5.2.3. Hình thái ống nano carbon ........................................................ 83

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................. 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 87


CHƯƠNG MỞ ĐẨU
Giới thiệu:
Công nghệ nano dù mới ra đời và phát triển trong vòng 20 năm trở lại đây
nhưng đã có những tiến bộ vượt bậc và nhanh chóng trở thành một ngành khoa
học công nghệ đầy tiềm năng. Khoa học và cơng nghệ Nano hiện đại tuy cịn khá
mới nhưng đã có những bước phát triển quan trọng mở ra những triển vọng to
lớn trong nhiều lĩnh vực của khoa học kỹ thuật, sản xuất và đời sống như chế tạo
vật liệu mới với những tính chất hết sức đặc biệt, cơng nghệ điện tử Nano và máy
tính, công nghệ thông tin, công nghệ sinh học và nông nghiệp, y tế và thuốc men,
an ninh và quốc phòng. Cuối thế kỷ 20 đã có những cuộc cách mạng về lĩnh vực
công nghệ thông tin và công nghệ sinh học, vào đầu thế kỷ 21 sẽ là cuộc cách
mạng của công nghệ Nano. Một trong những ngành mũi nhọn của công nghệ
nano là vật liệu nano carbon.
Từ khi được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1985, vật liệu ống carbon
nano (CNT) đã thể hiện ngày càng nhiều những đặc tính quý báu như độ bền,
tính chất điện, tính chất nhiệt, tính chất quang,…. Nhờ những đặc tính này mà
CNT ngày càng có những ứng dụng rộng rãi vào những ngành công nghiệp kỹ

thuật cao như: công nghệ nano, điện tử, quang học, năng lượng, y học, khoa học
vật liệu…
Ở nước ta, việc nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu tiên tiến mới để đáp
ứng nhu cầu của q trình cơng nghiệp hóa – hiện đại hóa, là một yêu cầu cấp
bách chiến lược. Để đáp ứng yêu cầu đó và theo kịp với xu hướng phát triển của
thế giới, Việt Nam cũng đã đầu tư nghiên cứu vào công nghệ nano, đặc biệt là vật
liệu CNT.
Công nghệ chế tạo vật liệu CNT đã đạt được nhiều tiến bộ lớn. Một vài
công nghệ được phát triển gần đây bao gồm: bốc bay bằng LASER, phương pháp
lắng tụ hơi hóa học, phương pháp phóng điện hồ quang, nghiền cơ học… các
1


phương pháp trên địi hỏi trang thiết bị, cơng nghệ phức tạp, kiểm sốt nhiều
thơng số, và độ đồng đều của sản phẩm không cao.
Phương pháp chế tạo CNT trên màng Al2O3 xốp: có thể điều chỉnh chiều
dài, đường kính ống dễ dàng bằng cách điều khiển chiều cao và đường kính lỗ
trên màng thơng qua q trình anode hóa tấm nhôm.
Dựa trên điều kiện thực tế về trang thiết bị sẵn có tại trường và sử dụng
những kết quả thu được từ những nghiên cứu trước đây, trong giới hạn đề tài này,
chúng tôi tập trung nghiên cứu khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian
nung đến sự tạo thành của CNT trong phương pháp AAO template.

Mục tiêu:
Chế tạo lớp màng xốp nano oxit nhôm bằng cơng nghệ anot hóa và sử
dụng chúng cho việc tạo ống nano cacbon.
Chế tạo ống nano cacbon bằng phương pháp nhiệt phân polyvinyl
pyrrolidone (PVP) trên cơ sở màng xốp oxit nhôm.

Nội dung thực hiện:

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nhiệt phân đến việc hình thành cấu trúc
graphit trong ống nano carbon
Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân đến việc hình thành cấu trúc
graphit trong ống nano carbon
Khảo sát ảnh hưởng của sự có mặt của xúc tác đến việc hình thành cấu
trúc graphit trong ống nano carbon.

2


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỐNG NANO CARBON
1.1 Các dạng thù hình của carbon:
Carbon (ký hiệu hóa học là C) là nguyên tố hóa học thuộc nhóm IVA
trong bảng tuần hồn, số ngun tử bằng 6, có hóa trị 4 phổ biến. Carbon có một
số dạng thù hình:

1.1.1 Kim cương:
Trong mạng tinh thể kim cương, mỗi nguyên tử carbon ở trạng thái lại hóa
sp3 tạo liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử xung quanh. Cứ bốn nguyên tử
cacbon tạo nên khối tứ diện tam giác đều. Các khối sắp xếp chung đỉnh tạo nên
mạng kim cương. [3]

Hình 1.1: Cấu trúc mạng tinh thể kim cương
Mỗi nguyên tử cách đều bốn nguyên tử khác gần nhất với khoảng cách
a

3
, góc cố định giữa các liên kết đồng hóa trị là 109,5o, với năng lượng liên
4

kết lớn nên kim cương có độ cứng rất cao.

1.1.2 Graphite:
Trong mạng tinh thể graphite, nguyên tử carbon ở trạng thái lai hóa sp2 tử
tạo liên kết đồng hóa trị với 3 nguyên tử khác trên một mặt phẳng. Góc giữa các
3


liên kết là 120o, các nguyên tử tạo lớp gồm những lục giác đều, giữa các lớp có
liên kết yếu là Van der waals. [3]

Hình 1.2: Cấu trúc mạng graphite
Cơ sở ô mạng graphite là sáu phương lớp với hai thông số a = 0,24nm, c =
0,67 nm. Trên mặt đáy, mỗi nguyên tử được bao quanh bởi ba nguyên tử khác
cách nhau 0,12nm. Năng lượng liên kết đồng hóa trị mạnh ở mặt đáy và yếu giữa
các mặt làm cho graphit có độ bền rất thấp, dễ tách theo lớp.

1.1.3 Carbon vơ định hình:
Là dạng thù hình của carbon mà trong đó các ngun tử khơng có cấu trúc
tinh thể giống như thủy tinh. Ví dụ: than gỗ, muội than, bồ hóng…

1.1.4 Fullerence:
Năm 1985, người ta phát hiện ra một dạng thù hình khác của carbon và đặt
tên là fullerene. Cấu trúc fullerence đơn giản nhất là phân tử cacbon C60 gồm 60
nguyên tử trên một mặt cầu theo đỉnh của 12 ngũ giác đều. Các ngũ giác đều liên
kết với nhau bằng các lục giác kết quả tạo thành quả bóng buckyball. Các
fullerence bậc cao hơn gồm gồm C70, C76, C78, C84 có dạng như trái banh bầu
dục. Các fullerence có khả năng doping các nguyên tử kim loại, phân tử khí. [1,
6]
4

Hình 1.3: a) Phân tử C60
b) Phân tử C70

1.1.5 Ống nano carbon:
Năm 1991, trong khi nghiên cứu về fullerene, S. Iijima đã phát hiện ra một
dạng tinh thể kỳ lạ hơn của carbon, đó là ống nano carbon (carbon nanotube
CNT).
Mỗi lớp trong ống carbon nano được cấu tạo từ một lớp than chì độ dày
một ngun tử (cịn gọi là graphene) rồi cuộn trịn lại thành hình trụ có đường
kính cỡ nanomet. Đối với mỗi ống hình trụ này tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính
vượt trên 10000.

5


Hình 1.4: hình dạng ống nano carbon
Tất cả nguyên tử carbon trong CNTs đều ở trạng thái lai hóa sp2, liên kết
với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Cấu trúc liên kết này mạnh hơn các liên kết
sp3 ở trong kim cương, tạo ra những phân tử với độ bền đặc biệt. [4, 6, 7, 10, 11]
CNTs là một loại cấu trúc fullerene, trong đó cũng bao gồm cả buckyball
(fullerence). Trong khi buckyball có dạng hình cầu, một ống nano lại có dạng
hình trụ, với ít nhất một đầu được phủ bởi một bán cầu có cấu trúc buckyball.
Tên của chúng được đặt theo hình dạng của chúng, do đường kính của ống nano
vào cỡ một vài nanomet, trong khi độ dài của chúng có thể lên tới vài milimet.
Có hai loại CNT chính: ống đơn lớp (SWNT) và ống đa lớp (MWNT)

1.1.5.1 Ống nano carbon đơn lớp:
Các ống nano đơn lớp (SWNT – Single Wall Nanotube) có đường kính

vào khoảng 1 – 2 nanomet, chiều dài đường ống có thể gấp hàng nghìn lần như
6


vậy. Cấu trúc của một SWNT có thể được hình dung là cuộn một lớp graphene
thành một hình trụ liền, hai nắp được hình dung như tấm graphene được uốn
khum tròn lại.
Cách thức tấm graphene được cuộn như vậy được biểu diễn bởi một cặp
chỉ số (n,m) gọi là vector chiral. Các số nguyên n và m là số của các vector đơn
vị dọc theo hai hướng trong lưới tinh thể hình tổ ong của graphene. Nếu m=0,
ống nano được gọi là "zigzag". Nếu n=m, ống nano được gọi là “armchair”. Nếu
không ống được gọi là “chiral” [4, 6, 7, 10, 11]

7


Hình 1.5: Các dạng ống nano carbon đơn lớp armchair, zigzag, chiral

1.1.5.2 Ống nano carbon đa lớp:
Ống nano cacbon đa lớp MWNT (Multiwall Nanotubes) có thể xem như
gồm nhiều ống đơn lớp lồng vào nhau theo mơ hình búp bê Nga. Đường kính của
ống loại đa lớp tùy thuộc vào từng loại ống, đường kính ngồi khoảng 2 – 25nm,
đường kính trong dao động 1 – 8nm. Khoảng cách giữa các vách khoảng 0,34nm
8


tức gần bằng khoảng cách giữa các tấm graphen trong graphit tự nhiên. Chiều dài
ống từ vài trăm nanomet đến centimet.

Hình 1.6: hình chụp HR – TEM ống nano carbon đa lớp

1.2 Tính chất của CNTs:
1.2.1 Tính dẫn điện:
Đối với ống đơn lớp thì độ dẫn điện phụ thuộc vào rất nhiều cấu trúc
thơng số chiều xoắn của ống. Vì vậy nếu ta thay đổi cấu trúc của ống ta cũng
thay đổi được tính dẫn điện từ điện mơi, bán dẫn, dẫn điện. Ngồi ra độ dẫn điện
của ống cịn phụ thuộc lực tác dụng lên ống. Điều này mở ra ứng dụng ống
cacbon nano trong sensor, cảm biến. Độ bền của ống theo dịng có thể lên tới
107A/cm2 và có thể lên tới 1013A/cm2. [4, 10]

1.2.2 Tính chất cơ học:
9


Các nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm gần đây trên cơ sở ống
cacbon nano đã khẳng định ống nano cacbon là vật liệu cứng nhất có được từ
trước đến nay. Hệ số Young của ống đa lớp trung bình được xác định là 1,8 Tpa,
trong khi của kim cương là 80-100Gpa.
Ống có thể biến dạng 40% mà chưa thấy xuất hiện biến dạng dẻo, chưa
thấy xuất hiện vết nứt hoặc đứt gãy liên kết. Độ bền kéo của ống nano cacbon
trung bình khoảng 45 tỉ Pa, trong khi hợp kim thép siêu bền khoảng 2 tỉ Pa. Khối
lượng riêng của ống nano cacbon khoảng 1,33-1,4g/cm3. Vì vậy có thể nói ống
nano cabon là vật liệu siêu nhẹ, siêu bền và siêu cứng. [4, 7, 9, 10, 13]

1.2.3 Tính chất nhiệt:
Độ dẫn nhiệt của ống nano cacbon khoảng 6000W/mK ở nhiệt độ phòng,
độ bền nhiệt của ống là rất lớn, trong chân không ống vẫn bền ở nhiệt độ 2800oC,
cịn trong khơng khí khoảng 750oC. [4]

1.2.4 Tính bề mặt và khả năng xúc tác:

Diện tích bề mặt của ống nano cacbon đơn vách 400-900 m2/g, còn ống đa
vách 200-400 m2/g, do đó nó có tiềm năng rất lớn trong dự trữ năng lượng và khả
năng xúc tác.

1.3 Ứng dụng của CNTs:
1.3.1 Dự trữ năng lượng:
Hydro từ lâu được coi là nguồn nguyên liệu sạch có khả năng thay thế
xăng dầu. Tuy nhiên việc chứa hydro trong các bình áp suất cao thường rất cồng
kềnh và nguy hiểm.
Các nhà nghiên cứu tin rằng, hydro có thể chui vào trong ống cũng như
khoản trống giữa các ống. Lượng hydro hấp thụ phụ thuộc vào áp suất và nhiệt
độ nền về nguyên tắc người ta có thể thay đổi áp suất và nhiệt độ nhằm bơm
10


hydro hoặc đẩy hydro để sử dụng. Vấn đề hiện nay là phải tìm ra các loại ống
nano carbon có thể chứa nhiều hydro.
Ý tưởng dùng ống nano carbon chứa hydro để làm pin nhiên liệu cũng
được quan tâm. Mới đây nhòm khoa học Terry Baker, Đại học Northeatern (Mỹ)
cho biết, họ có thể chế tạo pin nhiên liệu với mật độ năng lượng 17.000 Wh/kg.
Theo đó, nửa lít vật liệu làm từ ống nano carbon có thể đủ để một máy tính xách
tay hoạt động liên tục trong một tháng. [4]

Hình 1.7: mơ hình các ngun tử hydro được hấp thụ bên trong CNTs

1.3.2 Thiết bị hiển thị:
Nhờ khả năng phát xạ điện tử ở thế cực thấp ~ 3V/µm (Si,Mo ~100V/µm)
ống nano carbon có tiềm năng rất lớn thay thế các thiết bị hiển thị hiện nay.
Applied Nanotech cộng tác với 6 hãng điện tử hàng đầu Nhật Bản và vừa
phát triển thành công một mẫu tivi màu 25” có tên gọi là màn hình phát xạ

trường FED (field emission display), trong đó các electron được dẫn vào hàng
ngàn các ống có chiều rộng chỉ vài nanomet, các ống này sẽ hướng các hạt điện
tử (electron) này để chiếu sáng màn hình. Kết quả là, các tivi này có kiểu dáng
mảnh mai như các tivi LCD và Plasma

11


Hình 1.8: mơ hình đèn hình làm từ CNTs

1.3.4 Transitor:
Trong ống nano carbon, sai hỏng cấu trúc hoặc cấu trúc các ống nano
carbon khác nhau đều làm thay đổi tính dẫn điện của ống. Ống đơn vách đoạn
đầu có cấu trúc kiểu ghế bành và đoạn sau kiểu chiral, chỗ tiếp xúc giữa hai đoạn
ấy có tính chất chỉnh lưu như lớp chuyển tiếp pn của bán dẫn có thể xem như một
điốt hay một nửa của transistor.
Trong công nghiệp điện tử bán dẫn, transistor trường đóng một vai trị
quan trọng, đặc biệt để khuếch đại các tín hiệu yếu, giúp đóng mở các mạch logic
trong các bộ vi xử lý. Trước đó transistor trường chế tạo trên cơ sở silic có tốc độ
chậm và giá thành cao. Nhóm nghiên cứu của IBM đã chế tạo transistor trường
bằng ống nano cacbon, làm việc tin cậy hơn tiêu thụ ít năng lượng hơn, đóng mở
với tốc độ nhanh hơn gấp nghìn lần so với tốc độ ở các bộ vi xử lý hiện nay.

12


Hình 1.9: transitor trường bằng CNTs

1.3.5 Composite:
CNTs được sử dụng như chất gia cường trong vật liệu composite nền kim

loại, gốm, polymer do những tính chất đặc biệt của nó.[7] Ba vấn đề quan trọng
đối với composite sử dụng ống nano cacbon trong composite là: sự phân tán ống
nano trong pha nền, hàm lượng CNTs trong pha nền và khả năng kết dính giữa
nền và ống nano. Tuy nhiên, hiện nay các nhà nghiên cứu vẫn chưa tạo được độ
cứng và độ bền đúng như dự đốn. Ngun nhân chính là trong quá trình tổng
hợp, các ống nano kết tụ lại thành từng cụm. Tuy vậy, vài % ống nano trong chất
nền polymer cũng đủ để gia tăng cơ tính polymer lên 2 - 3 lần.
Composit ống nano cacbon – nền kim loại: thường được sử dụng cho nền
nhôm, đồng… Đặc điểm: nhẹ, cải thiện độ bền, độ cứng, độ dẻo dai, tăng cường
khả năng dẫn điện dẫn nhiệt, chống mài mòn…
Composit ống nano cacbon – nền polymer:dùng cho cả loại nhiệt rắn và
nhiệt dẻo. Đặc điểm: cải thiện độ bền, cơ tính, tăng cường khả năng dẫn điện dẫn
nhiệt, chống mài mòn, tăng tuổi thọ vật liệu…

13


Composit ống nano cacbon – nền ceramic: thường dùng cho nền:Zirconia
(ZrO2), alumina(Al2O3)… Đặc điểm: tăng cường cơ tính, tăng cường khả năng
dẫn điện dẫn nhiệt, chống mài mòn…

1.3.6 Các ứng dụng khác:
Chip cảm biến sinh học:

Hình 1.10: ADN được quấn quanh ống nano cacbon
Theo GS Michael Strano thuộc ĐH Illinois, đây là chip cảm biến đầu tiên,
làm bằng ống nano cacbon, có thể dị chất ơ nhiễm ở dưới mức tế bào.Thành
công này sẽ mở đường cho những loại chip cảm biến quang học mới, lợi dụng
tính chất độc nhất của các phần tử nano trong các cấu trúc sống.
Để chế tạo cảm biến, các nhà nghiên cứu đã quấn một mẩu ADN xoắn kép

quanh bề mặt của ống nano cacbon. Khi ADN này phơi nhiễm với các ion của
những nguyên tử nhất định, chẳng hạn canxi, thuỷ ngân và natri, hình dạng của
nó thay đổi. Hình dạng thay đổi làm cho diện tích bề mặt được phủ ADN giảm
đi, khiến cấu trúc điện tử bị xáo trộn. Do đó, khả năng phát huỳnh quanh cận
hồng ngoại tự nhiên của ống nano bị chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn. Sự
thay đổi mức năng lượng chỉ ra lượng ion bám vào ADN. Loại bỏ các ion này sẽ
phục hồi mức năng lượng cho ADN. Như vậy, có thể tái sử dụng chip cảm biến.
14


Nhóm nghiên cứu đã chứng minh cảm biến có khả năng dò được lượng ion thuỷ
ngân ở mức thấp trong máu, mơ và tế bào của thú có vú.
Ăng ten siêu nhỏ: Các nhà khoa học Mỹ vừa sáng chế một loại radio đặc
biệt bằng ống nano carbon. Radio này có kích thước nhỏ hơn 100 tỉ lần so với
những chiếc radio đầu tiên trên thế giới. Được làm bằng 1 ống nano carbon duy
nhất – nhỏ bằng một phần mười ngàn đường kính của sợi tóc người. Radio nano
này hiện được cấu hình như một máy thu, nhưng nó cũng có khả năng hoạt động
như một máy phát.
Ngồi ra, nó cũng có thể được sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị
siêu nhỏ có khả năng cảm nhận mơi trường và truyền tải thơng tin qua tín hiệu
sóng vơ tuyến. Trong một bài viết trên tạp chí Nano Letters, nhóm nghiên cứu
nêu rõ: “Radio làm bằng ống nano này sẽ mở ra những ứng dụng hoàn toàn mới,
chẳng hạn như các thiết bị được kiểm soát bằng sóng vơ tuyến nhỏ đến mức có
thể tồn tại trong dòng máu”. Ống nano carbon duy nhất trong radio này hoạt
động như một ăng-ten “tất cả trong một”. Nó vừa là cơng cụ dị sóng, vừa làm
nhiệm vụ khuếch đại âm thanh, và cũng là thiết bị giải điều biến cho cả sóng AM
lẫn FM. Ở radio bình thường thì cần có những bộ phận riêng để thực hiện từng
chức năng này.

1.4 Các phương pháp tổng hợp CNTs:

1.4.1 Phương pháp bốc bay bằng laser:
Được đưa ra vào năm 1995 do nhóm nghiên cứu Smalley’s group của
Rice University - Mỹ [4,7]
Một xung laser (1.5J/cm2) sẽ được bắn ra từ nguồn phát và làm bốc hơi bia
graphite được nung ở nhiệt độ 1000oC. Các hạt graphite sau khi được bốc bay sẽ
bị xung laser tiếp theo phá vỡ thành các ion carbon. Trên thành lò dòng điện chạy
trong dây nhiệt trở tạo từ trường hướng các ion carbon về phía cực thu. Khí
Argon được bơm vào buồng dùng để điều chỉnh áp suất trong buồng, áp suất
15


thường được giữ ở 500torr. Áp suất này ảnh hưởng rất lớn đến việc hình thành và
phát triển của CNTs.

Hình 1.11: Mơ hình phương pháp bốc bay LASER
Nếu thanh graphite hồn tồn sạch 100% thì ống carbon thu được là đa
lớp, với graphite 98% (1%Co, 1%Ni) thì ống carbon thu được là đơn lớp. Ngồi
ra người ta cịn sử dụng xúc tác platin, Ytri nhằm phá vỡ các fullerence tạo thành
và ngăn cản các nguyên tử carbon tạo ra dạng lồng khép kín.
Các ion carbon sau khi được bốc bay trong trạng thái plasma ở nhiệt độ
cao gặp cực thu có nhiệt độ thấp chúng sẽ bám lên cực thu ( cực thu là một ống
bằng đồng bên trong rỗng và được làm lạnh liên tục). Tại đây chúng sẽ hình
thành CNTs nhờ sự có mặt của xúc tác kim loại, tại các đầu mở của fullerence sẽ
có một vài nguyên tử xúc tác chuyển động xung quanh, chúng luân chuyển vị trí
với nhau và hấp thụ các nguyên tử carbon và sau đó gắn thành dạng trụ. CNTs cứ
thế phát triển cho đến khi nhiều nguyên tử của xúc tác tập hợp tại phần cuối của
ống. Một mảng lớn các nguyên tử carbon hấp thụ và bao phủ xúc tác, trong mảng
đó sẽ có những nguyên tử carbon phá hủy chất xúc tác. Kết quả các ống carbon
nanotube được tạo thành. Sản phẩm ống nano carbon hình thành ln chứa
carbon vơ định hình, phân tử graphite và chất xúc tác

1.4.2 Phương pháp phóng điện hồ quang:
16