ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT MOS2-GO

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.84 MB, 112 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU

~~~~~~*~~~~~~

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TỔNG HỢP ĐẾN CẤU TRÚC
VÀ TÍNH CHẤT CỦA NANO COMPOSITE MOS2/
GRAPHENE OXIDE BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT

Sinh viên thực hiện
Chuyên ngành
Mã sinh viên
Giáo viên hướng dẫn

:
:
:
:

Vũ Quốc Trung
Vật liệu kim loại và hợp kim
V1304460
T.S TRẦN VĂN KHẢI

TP.HỒ CHÍ MINH, ngày 10 tháng 06 năm 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU

~~~~~~*~~~~~~

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TỔNG HỢP ĐẾN CẤU TRÚC
VÀ TÍNH CHẤT CỦA NANO COMPOSITE MOS2/
GRAPHENE OXIDE BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT

Sinh viên thực hiện
Chuyên ngành
Mã sinh viên
Giáo viên hướng dẫn

:
:
:
:

Vũ Quốc Trung
Vật liệu kim loại và hợp kim
V1304460
T.S TRẦN VĂN KHẢI

TP.HỒ CHÍ MINH, ngày 10 tháng 06 năm 2018

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Họ và tên : VŨ QUỐC TRUNG………………………MSSV: V1304460…………..
Ngày, tháng , năm sinh: 24/12/1995……………………Nơi sinh: Tp . Hồ Chí Minh…..
Chun ngành: CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU KIM LOẠI….................................................
I. TÊN ĐỀ TÀI: ‘’ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TỔNG HỢP ĐẾN CẤU TRÚC VÀ
TÍNH CHẤT CỦA NANO COMPOSITE MOS2/
PHÁP THỦY NHIỆT’’.

GRAPHENE OXIDE BẰNG PHƯƠNG

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đề tài nghiên cứu tổng hợp ra vật liệu composite
bằng phương pháp thủy nhiệt. Ở đây là bằng phương pháp thủy nhiệt (Hydrothermal)
với các thiết bị hiện có tại Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm ĐHQG-CNVL.Nội dung và
nhiệm vụ của đề tài đặt ra cần đạt được như sau:
+ Quy trình tổng hợp thích hợp, đơn giản và dễ thực hiện thí nghiệm với điều
kiện trang thiết bị hiện có.
+ Qúa trình được thực hiện với những nhiệt độ và thời gian khác nhau để khảo sát
+ Sản phẩm cuối cùng của đề tài là vật liệu composite với kích thước nano mét.
Sản phẩm được phân tích, đánh giá bằng phương pháp đánh giá hiện đại, đáng tin cậy
nhất.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2018
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: T.S TRẦN VĂN KHẢI
TP.HCM, ngày…. tháng….năm …..
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
ii

Ðại học Quốc gia Tp.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Trường ÐH BÁCH KHOA

Ðộc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
-------------------------------------TP. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2018

PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
(Dành cho người hướng dẫn)
1.

Họ và tên sinh viên: Vũ Quốc Trung

MSSV: V1304460

Chuyên ngành: Kim loại và hợp kim
2.

Đề tài: Ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp đến cấu trúc và tính chất của nano
composite MoS2/Graphene oxide bằng phương pháp thủy nhiệt.

3.

Họ và tên giảng viên hướng dẫn: TS. Trần Văn Khải

4.

Tổng quát về bản thuyết minh:
Số trang

107

Số chương

5

Số bảng số liệu

6

Số hình ảnh

63

Số liệu tham khảo

36

Phần mềm tính tốn : Origin, excel

Hiện vật (Sản phẩm)
5.

Tổng qt về bản vẽ:
Số bản vẽ
Số bản vẽ tay

Số bản vẽ bằng máy tính:

iii

6.

Nhận xét: ..............................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
7. Đề nghị: Được bảo vệ  Bổ sung thêm để bảo vệ 

Không được bảo vệ 

8. Câu hỏi sinh viên phải trả lời trước hội đồng (CBPB ra ít nhất 2 câu):
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

2. Đề tài: Ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp đến cấu trúc và tính chất của nano composite
MoS2/Graphene oxide bằng phương pháp thủy nhiệt.
3. Họ và tên giảng viên hướng dẫn: TS. Trần Văn Khải
4. Tổng quát về bản thuyết minh:
Số trang

107

Số chương

5

Số bảng số liệu

6

Số hình ảnh

63

Số liệu tham khảo

36

Phần mềm tính toán : Origin, excel

Hiện vật (Sản phẩm) :
5. Tổng quát về bản vẽ:
Số bản vẽ
Số bản vẽ tay

Số bản vẽ bằng máy tính:

6. Nhận xét:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

v

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
7. Đề nghị: Được bảo vệ  Bổ sung thêm để bảo vệ 

Không được bảo vệ 

8. Câu hỏi sinh viên phải trả lời trước hội đồng (CBPB ra ít nhất 2 câu):
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

Số hình ảnh

63

Số liệu tham khảo

36

Phần mềm tính toán : Origin, excel

Hiện vật (Sản phẩm)
15. Tổng quát về bản vẽ:
Số bản vẽ
Số bản vẽ tay

Số bản vẽ bằng máy tính:

16. Nhận xét: ...............................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
vii

vii

.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
17. Đề nghị: Được bảo vệ  Bổ sung thêm để bảo vệ 

Không được bảo vệ 

18. Câu hỏi sinh viên phải trả lời trước hội đồng (CBPB ra ít nhất 2 câu):
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
19. Đánh giá chung (Bằng chữ: giỏi, khá, TB):…………
20. Điểm (thang điểm 10):……........../10
Ký
viii

tên

(ghi

rõ

họ

tên)

LỜI CẢM ƠN
Nâng cao kiến thức cho bản thân cùng sự phát triển cùng sự phát triển sự nghiệp
là việc quan trọng. Luận văn là sự đúc kết trên con đường 4 năm đại học của chúng em.
Em xin chân thành cảm ơn TS. Trần Văn Khải, người đã hướng dẫn và tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất để em hoàn thành luận văn này. Từ cách định hướng đến cách
thức nghiên cứu ra sao, thầy luôn chỉ bảo thẳng thắn và thật long. Từ khi được sự
hướng dẫn của thầy, em như trở thành một người khác, nắm vững nhiều kiến thức hơn
và chín chắn hơn trong nhận thức khoa học.
Em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong phịng thí nghiệm hóa phân tích trường
sư phạm kĩ thuật đã cho em làm thí nghiệm trong phịng thí nghiệm của trường trong
thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Em vơ cùng biết ơn.
Ngồi ra, những anh chị, bạn bè xung quanh luôn là những người quan tâm chia
sẻ, giúp đỡ tận tình khi em gặp khó khăn. Chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các anh
chị trong Khoa Cơng Nghệ Vật Liệu, Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm ĐHQG –
CNVL. Em luôn quý mến mọi người. Chân thành cảm ơn!
Hơn nữa, để hoàn thành luận văn này, em nhận được sự giúp đỡ tận tình về trang
thiết bị dụng cụ từ PTN Kim Loại cơ sở 2, PTN Trọng Điểm ĐHQG – CNVL, PTN
Trọng Điểm Quốc Gia Polymer và Composite, PTN Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
rất nhiều. Cảm ơn quý lãnh đạo đã hỗ trợ tận tình. Chúc q lãnh đạo anh chị các phịng
ln dồi dào sức khỏe, thành đạt và hạnh phúc.
Mặc dù đã rất cố gắng thực hiện nhưng luận văn tốt nghiệp này khó có thể tránh
khỏi những sai sót trong nội dung và phương thức trình bày. Em rất mong nhận được
những ý kiến và nhận xét của các thầy cô và các bạn nhằm xây dựng và chỉnh sửa luận
văn được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

TP. HCM, ngày 10 tháng 6 năm 2018
Vũ Quốc Trung

ix

LỜI MỞ ĐẦU
Năng lượng đang là lĩnh vực mà thế giới đã và đang quan tâm rất nhiều. Nguồn
năng lượng tự nhiên ngày càng cạn kiệt và thời gian tái sinh tự nhiên cũng kéo dài
khoảng hàng ngàn năm – như năng lượng hóa thạch: dầu mỏ, than đá,…Do vậy, một
trong những vấn đề được đầu tư ngày càng lớn đó là năng lượng thay thế, năng lượng
tái tạo nhanh như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy điện, năng
lượng thủy triều,… đã được thực hiện trong những năm qua và mãi đến thế kỉ 21
này. Tuy nhiên, nguồn “năng lượng xanh” cũng bộc lộ nhiều hạn chế. Đa số, nguồn
năng lượng tự nhiên phụ thuộc vào sự thay đổi của thời tiết, chu kỳ ngày đêm và tùy
thuộc địa hình của từng vùng nên các thiết bị chuyển hóa năng lượng khơng thể
chuyển hóa năng lượng khơng thể hoạt động liên tục mà địi hỏi cần phải lưu trữ
năng lượng. Chính điều này đã thu hút nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu
trong việc phát triển hệ thống thiết bị có khả năng lưu trữ năng lượng. Hơn thế thiết
bị lưu trữ cần có khả năng tái sử dụng sau khi hết năng lượng tức là sử dụng lại được
nhiều lần nhằm tiết kiệm chi phí. Do đó, nghiên cứu các loại vật liệu có khả năng sử
dụng tái tạo năng lượng cho thiết bị lưu trữ được ưu tiên hơn hết. Nhiều hệ thống lưu
trữ năng lượng được nghiên cứu như ắc quy, pin lithium, pin ion – lithium,… Hệ
thống pin ion – lithium được coi là một trong những giải pháp tối ưu hiện tại. Pin ion
– lithium là thế hệ thứ hai của pin lithium kim loại, pin có mật độ năng lượng cao và
cơ chế phản ứng tương đối đơn giản. Hiện tại, pin ion – lithium được ứng dụng cho
các thiết bị điện tử di động như pin cho điện thoại di động, máy vi tính di động, pin
cho đèn chiếu siêu sáng cầm tay, pin cho thiết bị đo đạc cầm tay di động,… và đã
đước các nước trên thế giới sử dụng rộng rãi trong hơn hai mươi năm qua. Pin có cấu

tạo đơn giản gồm các phần: điện cực dương, điện cực âm và chất điện giải. Điện cực
dương phổ biến nhất cho pin ion- lithium được làm từ các hợp chất carbon (LixC6) và
oxit kim loại chuyển tiếp (MoO2,WO2) có cấu trúc tinh thể. Cịn điện cực âm thường
làm từ hợp chất có chứa ion- lithium để giúp ổn định điện cực trong quá trình trao
đổi điện tích như LiMn2O4, LiNiO2…
x

Khi sạc, các ion lithium di chuyển từ cực âm sang dương qua chất điện giải, 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, người ta cải tiến điện cực của pin bằng
cách ứng dụng vật liệu kích thước nano như fullerene – C60, ống nano carbon đơn
thành hoặc đa thành, ống nano MoS2, hạt nano MoS2,… Khi vật liệu ở kích thước
nano sẽ xuất hiện những tính chất hóa lý rất đặc biệt mà ở vật liệu khối khơng có
được do ảnh hưởng của kích thước lượng tử. Với kích thước nano, vật liệu có khả
năng tích trữ lithium lớn hơn, mật độ dịng điện tăng rất nhiều do diện tích bề mặt
lớn. Vật liệu ở kích thước nano cịn thể hiện khả năng nạp/ xả lớn, giúp tăng thời
gian sống của pin lên đáng kể. Bên cạnh đó, giá thành của vật liệu nano làm điện cực
pin cũng là một yếu tố quan trọng cho việc phát triển nghiên cứu. Vật liệu đáp ứng
tốt tính năng làm điện cực giá thành thấp, dễ tổng hợp là xu hướng nghiên cứu chung
cho các nhà khoa học trên thế giới nhằm sản xuất và ứng dụng vào thiết bị điện tử ở
quy mơ cơng nghiệp.
Vật liệu có cấu trúc dạng tấm (lớp) đang được rất nhiều nhà khoa học quan tâm
nghiên cứu. Hầu hết, hợp chất của kim loại chuyển tiếp và phi kim thường có cấu
trúc dạng lớp ( MoS2, MoSe2, WSe2,….). Trong đó, MoS2 được xem là vật liệu thu
hút đầu tư nghiên cứu nhiều nhất. CNTs là vật liệu khá phức tạp khi tổng hợp và giá
thành thì vẫn còn quá cao. Vật liệu được quan tâm nhiều sau CNTs là graphene (đơn
lớp của graphite). Graphene có những tính chất rất tuyệt vời như khả năng dẫn điện
cực cao, diện tích bề mặt lớn, tính hóa bền tốt,..

xi

DANH SÁCH CÁC BẢNG
 Bảng 1: So sánh Modulus Young và độ bền phá hủy của các vật liệu.
 Bảng 2: Các loại NPs được tổng hợp từ các loại vi sinh vật.
 Bảng 3: Các mặt tinh thể xuất hiện trong phổ nhiễu xạ tia X của mạng hexagonal.
 Bảng 4: Hóa chất, tính chất vật lý và xuất xứ của hóa chất thí nghiệm.
 Bảng 5: Thơng tin phân tích EDX của mẫu sản phẩm.
 Bảng 6: Kết quả đo của phổ UV-Vis.

xii

DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ TIẾNG ANH

Thuật ngữ tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

Scanning Electron Microscopy (SEM)

Kính hiển vi điện tử quét

X – Ray Diffraction (XRD)

Nhiễu xạ tia X

PL – Photoluminescence

Phổ quang phát quang

Raman Scattering Spectroscopy

Phổ tán xạ Raman

Tranmission Electron Microscopy (TEM)

Kính hiển vi điện tử truyền qua

UV-Vis

Phổ hấp thu ánh sáng khả kiến và tử ngoại

Chemical Vapour Deposition (CVD)

Ngưng tụ hơi hóa học

CNTs ( Cacbon Nanotubes)

Ống cacbon

Trasition Metal Dichalcogenides –TMDs

Kim loại chuyển tiếp

Teflon – lined stainless steel autoclave)

Bình thép khơng gỉ có lớp Teflon

Nanoparticles (NPs).

Hạt Nano

Chemical Solvent Exfoliations

Bóc tách bằng dung dịch hóa học

Top – down method

Phương pháp trên – xuống

Bottom – up method

Phương pháp dưới – lên

Field – effect transitors (FETs)

Transitors hiệu ứng trường

Chemical Synthesis

Tổng hợp hóa học

Hexagonal structure

Cấu trúc lục giác xếp chặt

Mechanical Exfoliation

Tách bóc cơ học

xiii

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH TRONG BÀI BÁO CÁO
Hình 1.1: Cấu trúc graphene.
Hình 1.2: Mơ hình màng graphene-oxide.
Hình 1.3: Molybdenum disulfide trên nền graphene.
Hình 1.4:Màn hình điện thoại dẻo.
Hình 1.5: Vật liệu Graphen sẽ cho ra đời các loại áo chống đạn giảm thiểu tối đa sát
thương của các loại vũ khí qn sự như súng, dao.
Hình 1.6 : Khống MoS2 ngồi tự nhiên.
Hình 1.7: Mơ hình cấu trúc tinh thể các cấu dạng của MoS2.
Hình 1.8: Cấu trúc ba chiều của 2H - MoS2
Hình 1.9: Khoảng cách của 1 lớp tinh thể MoS2 là 0,65nm.
Hình 1.10: Sản phẩm dầu mỡ bơi trơn MoS2-210 của hang McLube.
Hình 1.11: Mơ hình 3 chiều cấu trúc của thiết bị Transitors hiệu ứng trường
(FETs) MoS2 đơn lớp có độ dày 0.65nm.
Hình 1.12: Quy trình tổng hợp nano MoS2 bằng tác nhân Li+ để tách MoS2 dạng
khối thành các tấm kích thước nano.
Hình 1.13: Các phương pháp tổng hợp nên vật liệu nanocomposite.
Hình 1.14: Cơ chế tổng hợp bằng phương pháp nghiền bi năng lượng cao (HEBM).
Hình 1.15: Sử dụng năng lượng của tia laser để tạo ra hạt nano.
Hình 1.16: Quy trình tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt.
Hình 1.16: Quy trình tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt.
Hình 1.18: Tổng hợp Graphene bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học.
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý nhiễu xạ khi tia X tương tác vào mẫu.
Hình 2.2: Thiết bị dùng để chụp ảnh SEM.

Hình 2.3: Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét (SEM).
xiv

Hình 2.4: Thiết bị chụp ảnh TEM.
Hình 2.5: Cấu tạo bên trong của thiết bị chụp TEM.
Hình 2.6: Sơ đồ biến đổi Raman.
Hình 2.7: Hệ thống máy quang phổ Raman.
Hình 2.8: Ngun lý của P.L.
Hình 2.9: Mơ hình của phương pháp đo P.L.
Hình 3.1: Cân điện tử Precia.
Hình 3.2: Bể đánh sóng siêu âm.
Hình 3.3: Bếp nung điện từ.
Hình 3.4: Cấu tạo nồi hấp thủy nhiệt
Hình 3.5: Lị sấy.
Hình 3.6: Máy li tâm.
Hình 3.7: Quy trình thí nghiệm.
Hình 3.8: Mẫu được chuẩn bị và đánh số thứ tự để khảo sát.
Hình 3.9: Cho mẫu vào bể đánh siêu âm.
Hình 3.10: Khuấy mẫu bằng máy khuấy từ.
Hình 3.11: Cho mẫu vào nồi hấp thủy nhiệt sau đó bỏ vào lị sấy.
Hình 3.12: Mẫu sau khi hấp thủy nhiệt trong lị.
Hình 3.13: Cho mẫu vào ống li tâm đặt vào máy li tâm.
Hình 3.14: Sấy mẫu ở 65 0C trong 72h.
xv

Hình 4.1: Ảnh SEM của mẫu 2 với điều kiện 180oC, 16h
Hình 4.2: Ảnh SEM của mẫu 3 với điều kiện 180oC, 24h.
Hình 4.3: Ảnh SEM của mẫu 5 với điều kiện 240oC, 16h

Hình 4.4: Ảnh SEM của mẫu 6 với điều kiện 240oC, 24h.
Hình 4.5: Ảnh EDX mẫu 6 ở 2400C-24h
Hình 4.6: Ảnh TEM của mẫu 2 với điều kiện 180oC, 16h
Hình 4.7: Ảnh TEM của mẫu 3 với điều kiện 180oC, 24h
Hình 4.8: Ảnh TEM của mẫu 4 với điều kiện 240oC, 8h
Hình 4.9: Ảnh TEM của mẫu 6 với điều kiện 240oC, 24h
Hình 4.10: Mẫu phổ chuẩn XRD của GO( Hình a) và MoS2/GR(Hình b)
Hình 4.11. Ảnh XRD của mẫu 6 ở 2400C-24h
Hình 4.12. Ảnh XRD của các mẫu
Hình 4.13: Phổ tán xạ Raman của GO (a), rGO (b), MoS2 (c) and MoS2-rGO (d)[
Hình 4.14: Phổ tán xạ Raman từ 0 – 3000 cm-1 của mẫu 6 ở 2400C-24h
Hình 4.15: Phổ tán xạ Raman từ 300 – 600 cm-1 của mẫu 6 ở 2400C-24h
Hình 4.16: Phổ tán xạ Raman từ 1000 – 2000 cm-1 của mẫu 6 ở 2400C-24h
Hình 4.17: Phổ UV-Vis của mẫu 6 ở 2400C-24h

Hình 4.18: Phổ UV-Vis thể hiện đỉnh của Graphene
Hình 4.19: Phổ UV-Vis thể hiện đỉnh của MoS2
Hình 4.20: Phổ UV-Vis của mẫu 5 ở 2400C-16h
Hình 4.21: Phổ UV-Vis của mẫu 3 ở 1800C-24h
Hình 4.22: Phổ PL của mẫu số 6 ở 2400C-24h

xvi

Table of Contents
Type chapter title (level 1)............................................................................................................................. 1

Type chapter title (level 2)................................................................................................. 2
Type chapter title (level 3)...................................................................................................................... 3
Type chapter title (level 1)............................................................................................................................. 4

Type chapter title (level 2)................................................................................................. 5
Type chapter title (level 3)...................................................................................................................... 6

1

1

Chương I: Tổng quan về Graphene và Molybden disunfua

SVTH: Vũ Quốc Trung

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ GRAPHENE VÀ MOLYBDEN
DISUNFUA

1.1. Giới thiệu về graphene
Kể từ khi nó được phát hiện vào năm 2004, graphene đã được hoan nghênh như
là một kỳ quan tự nhiên của thế giới vật liệu nhằm thay đổi cuộc sống của chúng ta
trong thế kỷ 21.
Graphene là một lớp các nguyên tử carbon được sắp xếp thành mạng lục giác hai
chiều (mạng hình tổ ong) . Graphene là vật liệu có nhiều tính chất đặc biệt như dẫn
nhiệt, dẫn điện tốt, có độ cứng rất lớn (gấp hàng trăm lần so với thép) và nó gần như
trong suốt . Bởi vậy, vật liệu này đã và đang được nghiên cứu mạnh mẽ cho nhiều
lĩnh vực ứng dụng quan trọng như tích trữ năng lượng, pin mặt trời, transistors, xúc
tác, cảm biến, vật liệu polymer tổ hợp…. Graphene là một hợp tử của cacbon trong
cấu trúc của một mặt phẳng của các nguyên tử liên kết sp2 với độ dài liên kết phân tử
0,142 nanomet [1]. Các lớp graphene xếp chồng lên nhau trên các hình thức graphite
, với khoảng cách giữa các khoảng là 0.335 nanomet.Graphen là phần tử cấu trúc cơ

bản của một số thù hình bao gồm than chì, ống nano carbon và fulleren. Cũng có thể
xét một phân tử thơm lớn vơ hạn, mà trong trường hợp giới hạn của họ các
hydrocarbon đa vòng phẳng gọi là graphen.

1

Hì
nh
1.
1: Cấu trúc graphene.

Một vài thơng số mạng của Graphene:
 Hằng số mạng : a=2,46 Angstrong
 Vector cơ sở : ⃗⃗⃗ 1 , ⃗⃗⃗⃗ 2
 Vector mạng đảo ⃗⃗⃗ 1 , ⃗

2

 Cơ sở: gồm hai nguyên tử A: (0:0) và B:( ; )
Diện tích của ơ đơn vị Ac = 0.051 nm2 và mật độ nguyên tử tương ứng là nc=39 nm2.
Các nhà khoa học đã giả thuyết về graphene trong nhiều năm. Nó đã vơ tình được
sản xuất với số lượng nhỏ trong nhiều thế kỷ, thông qua việc sử dụng bút chì và các
ứng dụng graphite tương tự. Ban đầu nó được quan sát thấy trong kính hiển vi điện tử
vào năm 1962, nhưng nó chỉ được nghiên cứu khi được hỗ trợ trên bề mặt kim loại. [2]
Vật liệu này sau đó được tái khám phá vào năm 2004 bởi Andre Geim và Konstantin
Novoselov tại Đại học Manchester . [3] [4] Nghiên cứu đã được thông báo bằng cách
mô tả lý thuyết hiện tại về thành phần, cấu trúc và đặc tính của nó. [5] Tác phẩm này

2

Chương I: Tổng quan về Graphene và Molybden disunfua

SVTH: Vũ Quốc Trung

dẫn đến hai giải Nobel Vật lý trong năm 2010 "cho các thí nghiệm đột phá về graphene
vật liệu hai chiều ." [6] .Thị trường graphene toàn cầu cho graphene đạt 9 triệu đô la
vào năm 2012 với phần lớn doanh thu trong ngành bán dẫn, điện tử, năng lượng pin và
composit . [7]
Tính chất graphene ưu việt nhất từ trước đến nay: Suất Young ~ 1100GPa, độ bền
chống đứt gãy 125GPa, độ linh động của hạt tải 200000cm2V-1s-1, diện tích bề mặt
2630 m2g-1[8], độ dẫn điện của graphene từ (4,84 0,44) 103 đến (5,30 0,48) 103
Wm-1K-1 [9], độ truyền qua là hơn 70% ở vùng bước sóng 1000-3000 nm [10]. Điện
trở suất 10-6 cm, Eg=0 eV, mật độ d=0.77 mg/m2.
Dựa vào những tính chất đặc trưng của graphene được quan tâm nghiên cứu để ứng
dụng vào rất nhiều lĩnh vực: điện tử (Transitor), quang điện tử (Điện cực trong suốt),
năng lượng (Siêu tụ điện, Pin mặt trời), sinh học (Cảm biến sinh học có độ nhạy cao),
mơi trường (Siêu cảm biến khí)…
Một số ứng dụng thực tiễn của graphene trong cuôc sống:
 Màng lọc được ứng dụng trong kĩ thuật xử lý nước
Một đặc tính nổi bật khác của graphene là nó cho phép nước xuyên qua nó, hầu
như khơng thấm gì với chất lỏng và khí (ngay cả các phân tử heli tương đối nhỏ). Điều
này có nghĩa là graphene có thể được sử dụng làm mơi trường siêu lọc để hoạt động
như một hàng rào giữa hai chất. Lợi ích của việc sử dụng graphene là nó chỉ dày 1 đơn
nguyên tử và cũng có thể được phát triển như là một rào cản đo điện tử đo áp lực và áp
lực giữa 2 chất (trong số nhiều biến số khác). Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại
học Columbia đã tạo ra các bộ lọc graphene đơn lớp với kích thước lỗ nhỏ tới 5nm
(hiện tại, màng nano tiên tiến có kích thước lỗ từ 30-40nm). Mặc dù các kích thước lỗ
này cực nhỏ, vì graphene rất mỏng nên áp lực trong suốt quá trình lọc sẽ giảm. Đồng

thời, graphene bền hơn và ít giịn hơn nhôm oxit (hiện được sử dụng trong các ứng
dụng lọc dưới 100nm). Có nghĩa là graphene được phát triển để sử dụng trong các hệ
thống lọc nước, hệ thống khử muối và tạo ra nhiên liệu sinh học hiệu quả và kinh tế
hơn.

3

Chương I: Tổng quan về Graphene và Molybden disunfua

SVTH: Vũ Quốc Trung

Hình 1.2: Mơ hình màng graphene-oxide.
 Vật liệu composite
Graphene rất bền, cứng và rất nhẹ. Hiện nay, các kỹ sư hàng không đang kết hợp
sợi carbon vào sản xuất máy bay vì nó cũng rất bền và nhẹ. Tuy nhiên, graphene bền
hơn nhiều trong khi cũng nhẹ hơn nhiều. Cuối cùng, người ta hy vọng rằng
graphene được sử dụng (có thể tích hợp vào nhựa như epoxy) để tạo ra một vật liệu
có thể thay thế thép trong cấu trúc của máy bay, cải thiện hiệu quả nhiên liệu, phạm
vi và giảm trọng lượng. Do độ dẫn điện của nó, nó thậm chí có thể được sử dụng để
vật liệu bề mặt máy bay để ngăn chặn thiệt hại điện do sét đánh.

4

Chương I: Tổng quan về Graphene và Molybden disunfua

SVTH: Vũ Quốc Trung

Hình 1.3: Molybdenum disulfide trên nền graphene.

 Chế tạo pin
Có lẽ vấn đề lớn nhất đối với hầu hết các thiết bị di động hiện nay là việc chúng
cần sạc lại liên tục. Nhưng kể từ năm 2011, khi mà các kĩ sư trường đại học
Northwestern phát hiện ra rằng các cực dương của graphene giữ điện tốt hơn cực
dương của than chì – với thời lượng nạp nhanh hơn đến 10 lần – các nhà nghiên cứu
đang tích cực thí nghiệm với hợp chất graphene để có thể áp dụng vào công nghệ pin.
Cuối tháng Năm vừa qua, các nhà khoa học tại đại học Rice của Mỹ đã phát hiện ra
rằng graphene trộn lẫn với vanadi oxit (một giải pháp tương đối rẻ tiền) có thể tạo ra
cực âm pin, có thể sạc tới 90% dung lượng chỉ trong 20 giây , và giữ khả năng đó
ngay cả sau 1000 chu kì sử dụng.
 Sản xuất vi mạch máy tính
Năm ngối, các kĩ sư học viện cơng nghệ MIT và Harvard đã thành công trong
việc sử dụng các mẫu DNA để mơ hình hóa graphene thành các cấu trúc nano, mà
cuối cùng có thể được chế tác thành các mạch điện. Mặc dù vậy, các nhà khoa học
vẫn cần cải thiện thêm sự chính xác trong vận hành trước khi nó có thể thay thế
silicon trong các con chip máy tính. Các phương pháp này vẫn cịn đang được thử

5

ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT MOS2-GO

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về