Ngày nay, với sự phát triển của khoa học và công nghệ, con người có thể kết nối với thế giới một cách nhanh chóng và dễ dàng. Chính vì vậy, ngành thông tin liên lạc đang phát triển với tốc độ chóng mặt để đáp ứng nhu cầu ngày càng gia tăng từ người tiêu dùng. Đó cũng là nguyên nhân khiến các công ty cố gắng tạo ra nhiều hơn những sản phẩm tiên tiến nhất của họ. Và một trong những hướng nghiên cứu là rút ngắn thời gian sạc pin cho những chiếc điện thoại. Những loại pin trước đó hoạt động tạo ra dòng điện bằng cách chuyển đổi từ dạng năng lượng hóa sang điện năng tương tự như acquy trong các thiết bị thông thường hằng ngày. Tuy nhiên, chúng khác nhau ở các chất hóa học. Nếu như acquy sử dụng dung dịch điện phân là axit thì pin điện loại lại dùng một loại Gel ít rỉ hơn. Ngày nay, chúng ta đang sử dụng loại phổ biến nhất: pin Lithium – ion. Pin Lithium – ion gồm: dung dịch điện phân (chứa LiPF6, lượng nhỏ nước để tránh Li tác dụng với nước và dung môi hữu cơ), cực dương (Positive) còn gọi là Cathode (chứa LiCoO2 và các nguyên tử Lithium sẽ tách ra khi có dòng điện tạo ion Li+), cực âm (Negative) còn gọi là Anode (chứa grapheme (than chì) có nhiệm vụ giữ lại các ion Li+ trong tinh thể) và màng cách điện để ngăn cách cực dương và cực âm được làm bằng nhựa polyethylene (PE) hoặc polypropylene (PP). Pin Lithium – ion có nhiều ưu điểm như chu kỳ nạp/xả lớn, sạc lúc nào cũng được mà ít ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin trong thời gian ngắn. Nhưng nó cũng khá nhiều hạn chế như: Pin Lithium – ion suy giảm chất lượng theo thời gian dung dịch điện phân dễ gây nổ và một nhược điểm quan trọng nhất là thời gian sạc cũng khá dài so với nhu cầu ngày càng cao như ngày nay. Do đó, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện, nhiều vật liệu để cụ thể hóa mong muốn đó. Chúng ta có thể kể đến Graphene – một sản phẩm của Carbon, chúng được kỳ vọng thay thế cho các loại pin cũ và cụ thể là một loại pin mới đã được tạo ra – pin Graphene với chu kỳ nạp xả 3500 lần, tức gần gấp 7 lần so với loại pin Lithium – ion thông thường và có thể sạc đầy trong thời gian từ 13 đến 15 phút. Nhưng khoa học và sự phát triển không bao giờ có điểm dừng, trong gần một thập kỉ gần đây, các siêu tụ điện lại nổi lên như một kiểu lưu trữ năng lượng tiên tiến. Một loại vật liệu đang được nghiên cứu để tạo ra các siêu tụ điện là các muối sulfur của các kim loại chuyển tiếp như: MoS2, SnS2, VS2, WS2, … Trong số đó, nano MoS2 được quan tâm nhiều, ví cấu trúc đặc biệt của chúng. Tinh thể MoS2 chứa các lớp Molypden được kẹp giữa bởi các giữa lưu huỳnh kép, sau đó lại xếp chồng lên nhau bằng lực liên kết phân tử Van der Waals để tạo thành một cấu trúc như Graphene. Cấu trúc đặc biệt và tính chất tuyệt vời về cơ và điện làm cho nó đang là một trong những vật liệu được quan tâm nhiều nhất. Như trên đã giới thiệu vật liệu nano Molypden Disulfur (MoS2) đang là đối tượng nghiên cứu hang đầu hiện nay. Việc tổng hợp ra chúng có khá nhiều phương pháp và trong phạm vi Luận văn này, xin giới thiệu về phương pháp thủy nhiệt.
Giới thiệu đôi nét về Công nghệ nano
Lịch sử của ngành Công nghệ Nano (Nanotechnology)
Công nghệ Nano, hay còn gọi là Nanotech, là một lĩnh vực công nghệ mới nổi bật, tập trung vào việc phân tích, thiết kế, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc vật liệu ở kích thước nguyên tử hoặc siêu phân tử.
- Các cột mốc lịch sử quan trọng:
+ Michael Faraday đã thành công trong việc tổng hợp các hạt keo vàng vào năm 1857
Vào năm 1959, tiến sĩ Richard Feynman, người đoạt giải Nobel Vật lý năm 1965, đã đưa ra dự đoán về công nghệ nano trong bài nói chuyện mang tên “There’s plenty of room at the bottom” tại California Institute of Technology Ông đã thách thức tư duy bằng cách đặt ra câu hỏi về khả năng chứa 24 quyển Bách khoa Từ điển Britannica trên đầu một cây kim có đường kính chỉ 1,5mm.
Khi phóng đại đầu kim lên 25.000 lần, diện tích của nó tương đương với diện tích toàn bộ các trang sách của bộ từ điển Điều này có nghĩa là để đặt toàn bộ 24 quyển Bách khoa Từ điển Britannica lên bề mặt của đầu kim, ta chỉ cần thu nhỏ toàn bộ bộ từ điển xuống 25.000 lần.
+ Năm 1974, thuật ngữ “Nanotechnology” lần đầu tiên được dùng bởi Norio Tanaguchi [4]
In 1985, Harold Kroto from the University of Sussex, along with James R Heath, Sean O'Brien, Robert Curl, and Richard Smalley from Rice University, discovered the structure of C60, which led to the subsequent identification of fullerenes.
+ Năm 1988, Công nghệ nano lần đầu tiên trở thành môn học của một trường đại học
+ Năm 1991, Sumio Ligima đã lần đầu khám phá ra Carbon Nanotubes [6]
+ Năm 1997, công ty đầu tiên về Công nghệ nano được thành lập, thiết kế đầu tiên là về hệ thống robot nano
Vào đầu những năm 2000, công nghệ nano bắt đầu được ứng dụng trong các sản phẩm thương mại, tuy nhiên, phần lớn các ứng dụng này chủ yếu tập trung vào việc sử dụng số lượng lớn các vật liệu nano thụ động.
Tính đến ngày 10 tháng 3 năm 2011, có hơn 1300 sản phẩm công nghệ nano đã được công nhận, với tốc độ ra mắt sản phẩm mới đạt 3-4 sản phẩm mỗi tuần Các dự án về công nghệ nano đang phát triển mạnh mẽ, cho thấy tiềm năng lớn của lĩnh vực này.
Định nghĩa và phân loại Vật liệu Nano (Nanomaterials)…
- Vật liệu nano [7]: là những loại vật liệu theo nguyên tắc có kích thước (theo ít nhất một chiều) từ 1 đến 1000 nanomet (10 -9 m), nhưng thường từ 1-100 nm
+ Theo hình dáng: ta có vật liệu 0-D, 1-D, 2-D, 3-D [8]
Vật liệu nano 0-D là loại vật liệu có kích thước nằm trong khoảng nano ở cả ba chiều, không vượt quá 100 nanomet Các hạt nano, đặc biệt là Fullerenes, là những ví dụ phổ biến nhất của vật liệu này.
Vật liệu nano 1-D là loại vật liệu có hai chiều kích thước nằm trong khoảng nano, tức là nhỏ hơn 100 nanomet Dạng vật liệu phổ biến nhất trong nhóm này bao gồm các dây nano (nanowires) với độ dày dưới 100 nanomet, có thể tồn tại tự do hoặc lơ lửng trong một vật liệu khác, cùng với các ống nano (nanotubes).
Vật liệu nano 2-D là loại vật liệu có kích thước chỉ một chiều trong khoảng nano, cụ thể là nhỏ hơn 100 nanomet Trong số các vật liệu 2-D, tấm nano và lớp phủ mỏng trên bề mặt các vật liệu khác là những dạng quan trọng nhất.
Vật liệu nano 3-D là loại vật liệu có kích thước nhỏ hơn 100 nanomet và không bị giới hạn về kích cỡ Những vật liệu này được đặc trưng bởi ba chiều kích thước tùy ý, mang lại nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ hiện đại.
+ Theo trạng thái tồn tại: ta có vật liệu rắn, lỏng, khí.
Những quốc gia đi đầu về Công nghệ Nano
- Những quốc gia Đông Á là những nước có những đầu tư mạnh nhất cho công nghệ đầy tiềm năng này
Nhật Bản là quốc gia tiên phong trong công nghệ nano, trong khi Hàn Quốc đang đầu tư mạnh mẽ và triển khai những chiến lược cụ thể nhất Cùng lúc đó, Trung Quốc và Đài Loan cũng đang nỗ lực đầu tư để bắt kịp với Hàn Quốc trong lĩnh vực này.
Một số quốc gia châu Âu như Pháp và Đức đang chú trọng phát triển công nghệ nano, trong khi Mỹ, một cường quốc mạnh mẽ, cũng bắt đầu đầu tư vào công nghệ chiến lược này.
Lĩnh vực công nghệ nano đang thu hút vốn đầu tư mạnh mẽ từ Chính phủ và doanh nghiệp toàn cầu, với chi tiêu cho công nghệ này liên tục gia tăng trong những năm qua, đạt mức cao đáng ghi nhận trong năm gần đây.
Năm 2004, báo cáo của Lux Research cho thấy chi tiêu toàn cầu của các Chính phủ cho nghiên cứu công nghệ nano ước đạt 4,6 tỷ USD, trong đó Bắc Mỹ đóng góp khoảng 35%, tương đương 1,6 tỷ USD.
Trang 4 nước chi cho lĩnh vực này, các nước EU chi khoảng 1,3 tỷ USD (tương ứng khoảng 28%), và 3% (133 triệu USD) còn lại là của các nước khác
Trong khu vực tư nhân, đầu tư cho nghiên cứu và phát triển công nghệ nano đang gia tăng mạnh mẽ, với tổng chi tiêu đạt 4,6 tỷ USD từ các doanh nghiệp tư nhân.
Công nghệ chế tạo vật liệu nano
a) Phương pháp phủ hơi hóa học và vật lý (CVD và PVD):
Nhờ các phương pháp này, người ta có thể tạo ra vật liệu ở dạng hơi và sau đó ngưng đọng chúng trên bề mặt chất rắn để hình thành lớp phủ Trong quá trình ngưng đọng, có thể xảy ra các phản ứng hóa học, vì vậy vật liệu trong lớp phủ không nhất thiết phải giống hệt như ở pha hơi.
Để sản xuất bột kim loại tinh khiết, quy trình sử dụng bình kín với áp suất chân không cao, trong đó kim loại được đốt nóng cho đến khi nóng chảy hoặc thăng hoa trực tiếp từ pha rắn Hơi kim loại sau đó được ngưng tụ trên bề mặt của vật rắn đặt gần trong bình chân không.
Hình 1.2 - Phương pháp phủ hơi hóa học (CVD – Chemical Vapor Deposition)
Để sản xuất bột với khối lượng lớn, người ta sử dụng lò cao tần (vi sóng) để làm nóng chảy và bốc bay nguyên liệu một cách liên tục Hơi nóng được dẫn qua ống có bề mặt được làm lạnh, giúp duy trì quá trình chế tạo hiệu quả.
Trang 5 nước nên ngưng tụ lại, tạo thành bột, được làm lạnh tiếp để hạt bột rơi xuống, lọc lấy ra ngoài
Để sản xuất bột oxyt hoặc nitrit kim loại, thay vì sử dụng chân không cao, người ta thổi khí oxy hoặc khí nitrogen qua bình ở áp suất thích hợp Quá trình này, kết hợp với sự ngưng tụ trên bề mặt, dẫn đến các phản ứng hóa học, tạo ra bột với thành phần mong muốn Phương pháp sol-gel cũng được áp dụng trong quy trình này.
Phương pháp này là giải pháp tối ưu hiện nay cho việc sản xuất đa dạng các loại bột nano với cấu trúc và thành phần theo yêu cầu, cho phép điều chỉnh kích thước hạt một cách dễ dàng và đồng đều, đồng thời giảm thiểu chi phí sản xuất.
Khái niệm sol-gel đề cập đến những hạt keo có kích thước từ vài chục đến một trăm micromet lơ lửng trong một chất lỏng, được gọi là huyền phù sol Sol không có hình dạng cố định mà tùy thuộc vào hình dáng của bình chứa Khi sol chuyển đổi sang trạng thái đông đặc và hình thành hình dạng riêng, quá trình này được gọi là gel.
Quá trình sol-gel là phương pháp hình thành dung dịch huyền phù của chất keo (sol) và sau đó chuyển đổi thành dạng đông keo (gel) Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong việc sản xuất bột mịn với các hạt có hình dạng cầu, tạo ra màng mỏng phủ bề mặt, chế tạo gốm sứ thủy tinh, cũng như sản xuất các màng xốp với nhiều lỗ nhỏ.
Vật liệu chính để sản xuất sol thường là muối kim loại vô cơ hoặc hợp chất kim loại hữu cơ, chẳng hạn như oxyt kim loại kiềm Quá trình sol-gel bao gồm việc sử dụng chất tiền tố kết hợp với thủy phân và phản ứng polymer hóa, tạo ra keo huyền phù gọi là sol Bằng cách áp dụng phương pháp phủ như spin coating hoặc dip coating, có thể tạo ra màng gel khô trên bề mặt đế Màng này có cấu trúc xốp, và khi được nung nóng, sẽ chuyển thành màng đặc trên đế.
Khi đổ sol vào khuôn, quá trình chuyển hóa tạo ra gel ướt có hình dạng của khuôn Nếu tiếp tục loại bỏ nước trong gel, ta sẽ thu được gel khô Khi nung nóng gel khô, các hạt liên kết chặt chẽ với nhau, tạo thành gốm đặc Nếu trong trạng thái ướt, nước được rút đi dưới điều kiện tới hạn, vật liệu sẽ chứa nhiều lỗ trống, dẫn đến khối lượng riêng thấp và được gọi là gel khí.
Điều chỉnh độ nhớt của sol để tạo ra sợi gốm có thể thực hiện bằng cách nung nóng sol có khả năng kéo ra sợi, nhờ vào cấu trúc gồm nhiều hạt nhỏ liên kết lại Các phương pháp như kết tủa, phun qua ngọn lửa hoặc kỹ thuật nhũ tương cho phép tạo ra những hạt rất mịn, phù hợp cho sản xuất bột nano phục vụ cho ngành công nghiệp.
Các loại bột từ và bột bán dẫn yêu cầu về thành phần, độ tinh khiết và kích thước hạt cụ thể thường được sản xuất bằng phương pháp sol-gel Phương pháp này không chỉ đảm bảo sản lượng đủ cho nhu cầu công nghiệp mà còn có chi phí hợp lý, tạo lợi thế cạnh tranh trên thị trường.
Phương pháp sản xuất bột nano oxyt zirconi chủ yếu dựa vào việc kiểm soát các phản ứng hóa học và quá trình hóa lý Để tạo ra bột nano này, đầu tiên cần chuẩn bị sol bằng cách hòa tan zirconi trong acid citric Việc thêm chất hoạt tính bề mặt sol ytri là cần thiết để kiểm soát sự hình thành các hạt hình cầu trong gel Sau khi xử lý gel, ta thu được bột nano oxyt zirconi Quy trình sản xuất được mô tả như sau: Zr(OH)4 + HNO3 → Sol → Sol Ytri → Gel → Bột Phương pháp nguội nhanh cũng là một yếu tố quan trọng trong quy trình này.
Kim loại và hợp kim thường được nấu chảy, tinh luyện và làm nguội để sử dụng Khi ở thể lỏng, chúng có cấu trúc vô định hình, nhưng khi nguội, các mầm kết tinh bắt đầu xuất hiện và phát triển thành các tinh thể lớn Trong điều kiện nguội thông thường, các nguyên tử trong chất lỏng tự sắp xếp vào các vị trí trật tự của tinh thể, dẫn đến việc kim loại và hợp kim thường có cấu trúc đa tinh thể.
Để tạo ra trạng thái vô định hình cho kim loại và hợp kim, cần thực hiện quá trình làm nguội cực nhanh, nhằm ngăn chặn các nguyên tử di chuyển về vị trí cân bằng trong cấu trúc tinh thể Thực nghiệm cho thấy, tốc độ làm nguội cần đạt khoảng một triệu độ trong một giây để kim loại có thể rắn lại mà vẫn giữ được cấu trúc gần giống như ở thể lỏng.
Phương pháp nguôi nhanh là quá trình nấu chảy kim loại hoặc hợp kim và phun chúng vào môi trường có nhiệt độ thấp, giúp tản nhiệt nhanh chóng Thường thì, lò cao tần được sử dụng để làm nóng chảy kim loại hợp kim trong ống thủy tinh thạch anh.
Giới thiệu đôi nét về nano Molybdenum Disulfide (MoS 2 )
Khái niệm, tình hình nghiên cứu
Molybdenum disulfide (MoS2) là một vật liệu vô cơ cấu thành từ hai nguyên tố Molybdene (Mo) và lưu huỳnh (S), có cấu trúc lớp tương tự như graphene Nó thuộc họ dichalcogenides MX2, trong đó M có thể là Mo hoặc W, và X là S hoặc Se.
Hình 1.6 - Cấu trúc 2D của Molypdenum Disulfide b) Tính hình nghiên cứu:
Trong những năm gần đây, số lượng nghiên cứu về nano MoS2 trên toàn cầu đã gia tăng nhanh chóng ở nhiều quốc gia Mặc dù vẫn còn thấp hơn so với các nghiên cứu về nano carbon, nhưng điều này cho thấy sự quan tâm ngày càng tăng đối với vật liệu tiềm năng này.
Tại Việt Nam, các nhóm nghiên cứu về loại vật liệu này đã bắt đầu hình thành, tuy nhiên, vẫn chưa có công bố chính thức nào trên các tạp chí khoa học trong và ngoài nước.
Cấu trúc và tính chất
** Các thông số chính: [Bảng 1] [21]
Thông số Giá trị/kết quả
Màu sắc Đen hoặc xám
Dạng tinh thể Tứ giác (1T), Lục giác (2H) và Mặt thoi (3R)
Tính dẫn điện Thấp nhưng biến đổi (không ổn định)
Tính bôi trơn chân không Tốt Độ ổn định bức xạ Tốt
Từ tính Có từ tính
Nhiệt độ phân hủy 1370ºC (môi trường không có oxy)
Nhiệt độ nóng chảy 1770ºC (dưới áp suất)
Nhiệt độ thăng hoa 1050ºC (trong môi trường chân không cao)
Năng lượng vùng cấm 1,6 - 2eV
Bảng 1: Một vài thông số chính về tính chất của MoS 2
- Thông số mạng của tinh thể MoS 2 dạng 2H lần lượt là: a = 0,326nm; c = 1,23nm; khoảng cách giữa các lớp là khoảng 0,65nm
Molybdenum disulfide (MoS2) có ba dạng cấu trúc chính: 1T (tứ giác), 2H (lục giác) và 3R (sáu mặt thoi), trong đó dạng 2H được chú ý nhiều nhất nhờ vào tính ổn định và các đặc tính vượt trội của nó.
Cấu trúc lục giác (2H) là loại phổ biến nhất và duy nhất xuất hiện trong quặng thương mại, đồng thời cũng được phát hiện trong MoS2 tổng hợp Ngược lại, cấu trúc sáu mặt hình thoi (3R) đã được xác định lần đầu trong vật liệu tổng hợp và sau đó tìm thấy ở một số nguồn tự nhiên.
Cấu trúc lục giác (2H) được đặc trưng bởi các lớp MoS2, trong đó các nguyên tử molypden (Mo) có sự phối hợp lăng trụ bậc ba với sáu nguyên tử lưu huỳnh Mỗi ô cấu trúc chứa hai phân tử, tạo nên tính chất độc đáo cho vật liệu này.
Trang 18 đơn vị Cấu trúc tinh thể bao gồm "những mẫu bánh mì sandwiches", trong đó một lớp lục giác phẳng của các nguyên tử molypden được xen kẽ giữa hai lớp nguyên tử lưu huỳnh
Hình 1.7 - Khoảng cách giữa hai lớp tinh thể MoS 2
Molypden disulfur là một kim loại chuyển tiếp dichalcogenide (TMD), bao gồm các hợp chất disulfur, diselenides và ditelluride của các nguyên tố như Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo và W Những hợp chất này có thể tồn tại dưới nhiều dạng tinh thể khác nhau.
Mo và W tạo thành cấu trúc tinh thể dạng lục giác MoS 2 [25]
Hình 1.8 - Các dạng cấu trúc của Molypden Disulfur
Dạng 2H của MoS2 có cấu trúc đặc trưng với một nguyên tử molypden (Mo) ở trung tâm, nối với hai lăng trụ chứa sáu nguyên tử lưu huỳnh (S) Mỗi trung tâm lưu huỳnh trong cấu trúc kim tự tháp được kết nối với ba nguyên tử molypden, tạo nên một liên kết đặc biệt Cấu trúc này chứa các lớp molypden được kẹp giữa các lớp lưu huỳnh, xếp chồng lên nhau nhờ lực liên kết phân tử Van der Waals, tương tự như cấu trúc của graphene.
Hình 1.9 - So sánh cấu trúc của graphite và MoS 2
MoS2 có cấu trúc lớp tương tự như graphene nhưng sở hữu nhiều tính chất khác biệt Nghiên cứu cấu trúc của MoS2 sẽ giúp giải mã những bí ẩn về tính chất đặc trưng của nó, từ đó cung cấp thông tin quý giá về loại vật liệu mới này.
Hình 1.10 - Cấu trúc dạng tinh thể 2D của một số chất khác
- Ngoài dạng vòng sáu thông thường, thì nó còn có vòng 5 cạnh và 7 cạnh [27] hoặc vòng 4 và vòng 8 [28] nằm cạnh liền nhau
Hình 1.11 - Cấu trúc tinh thể của MoS 2 và các thông số
Tính chất bôi trơn của MoS2 xuất phát từ khoảng cách lớn và liên kết Van der Waals giữa các lớp S-Mo-S Sự khác biệt trong khả năng bôi trơn của các hợp chất TMD liên quan đến sự phân bố điện tử trên các nguyên tử cấu thành.
+ Trong MoS 2 , có sáu electron không liên kết có thể hoàn toàn điền vào một nhóm giới hạn vật lý của các điện tử trong cấu trúc tinh thể [29]
Điện tích dương trên bề mặt lớp sandwich S-Mo-S tạo điều kiện thuận lợi cho sự phân tách dễ dàng thông qua hiện tượng đẩy điện tử Ma sát thấp quan sát được với MoS2 có thể được giải thích nhờ vào khoảng cách lớn giữa các lớp S-Mo-S và sự phân bố thuận lợi của các electron trên các nguyên tử cấu thành.
Việc sử dụng MoS2 rất hiệu quả trong chế độ bôi trơn ranh giới khi kim loại tiếp xúc với nhau, khác với chế độ thủy động lực học, nơi có màng chất lỏng dày giúp ngăn ngừa tiếp xúc nhám và giảm thiểu mài mòn Các yếu tố như nhiệt độ hoạt động cao, tốc độ trượt thấp, dừng/khởi động hoặc dao động, cùng với tải trọng sốc là những yếu tố chính góp phần vào sự tồn tại của bôi trơn ranh giới.
- Tính chất vật lý, hóa học:
Molybdenum disulfide có cấu trúc lục giác tự nhiên, đặc tính rất trơ và không tan trong dầu cũng như nước Nó không phản ứng với hầu hết các loại axit, nhưng lại không chịu được axit sunfuric và axit nitric ở nhiệt độ cao.
Hình 1.12 - Cơ chế phản ứng của MoS 2 với H +
Molybdenum disulfide có khả năng tan trong các chất oxy hoá mạnh, chẳng hạn như nước cường thủy Nó cũng rất bền trong không khí, chỉ bị oxi hóa khi tiếp xúc với các chất thử mạnh hoặc clo.
Molybden disulfide (MoS₂) có thể được chuyển đổi trực tiếp thành kim loại molybden (Mo) khi nung với khí hydro, thông qua các hợp chất trung gian như Mo₂S₃ và MoO₃ Quá trình này diễn ra qua phản ứng oxy hóa ở nhiệt độ 500 - 600ºC Ngoài ra, phản ứng giữa MoS₂ tự nhiên và khí clo ở nhiệt độ cao còn tạo ra pentacloride molybdene.
Nghiên cứu về các đặc tính oxy hóa của MoS2 tự nhiên đã chỉ ra rằng tốc độ oxy hóa nhiệt của MoS2 trong không khí rất chậm dưới 300ºC, khó đo chính xác, và dưới 388ºC, MoS2 bị oxy hóa chậm hơn WS2.
Các phản ứng oxy hóa của MoS2 trong không khí khô đã được nghiên cứu thông qua phân tích nhiệt lượng học Kết quả cho thấy rằng các tỷ lệ 10%, 50% và 90% MoO3 được hình thành ở các nhiệt độ lần lượt là 435ºC, 466ºC và 516ºC.
Ứng dụng
** Nano MoS 2 có những ứng dụng chính sau đây:
Hình 1.16 - Những ứng dụng đa đạng của nano MoS 2
+ Với tính chất ổn định và nhiệt độ giới hạn cao hơn so với bất kì chất bôi trơn khác
Chất bôi trơn chứa molybdenum disulfide được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thị trường và hệ thống bôi trơn khác nhau, bao gồm đất sét bentonit, lithium, lithium 12-hydroxysterate, phức hợp lithium, phức hợp nhôm và polyurea Ngoài ra, nó còn được coi là một chất phụ gia hữu ích trong các chất bôi trơn phức tạp titan, giúp nâng cao hiệu suất nhờ khả năng chịu tải cao vốn có của chúng.
Chất bôi trơn thường chứa từ 1 đến 2% MoS2, với các thông số quan trọng như độ nhám, tải trọng và tốc độ bề mặt Đối với bề mặt kim loại thô, kích thước hạt đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất bôi trơn.
MoS 2 lớn là cần thiết vì các hạt lớn lấp đầy các thung lũng sâu và tạo điều kiện cho kết cấu trơn tru hơn Đối với một bề mặt khá bằng phẳng thì các hạt nhỏ sẽ cung cấp khả năng tải tốt hơn tại một điểm tập trung nhất định MoS 2 Đồng thời các hạt rất nhỏ có thể tạo ra một số vấn đề ăn mòn do chỉ số axit cao hơn Nói chung, các hạt cỡ trung
Trang 29 bình có kích thước hạt trung bình ~ 6 μm (tương ứng Climax Technical Fine Grade) là loại hạt MoS 2 được sử dụng phổ biến nhất trong mỡ
+ Thị trường chất bôi trơn Molybdenum disulfide bao gồm vận tải, xây dựng, khai thác mỏ, nông nghiệp và quân sự / hàng không vũ trụ
Trong ngành vận tải, công ty Ford Motor đã phát triển chất bôi trơn Spec M1C75B chứa MoS2 và polyethylene mật độ cao từ năm 1961 Chất bôi trơn MoS2 được ứng dụng trong các khớp nối vận tốc liên tục (CVJ) của xe ô tô, đặc biệt là ở bánh trước và một số ổ đĩa phía sau Trong CVJ, chất bôi trơn không chỉ bao gồm dầu mà còn nhiều thành phần khác, đóng vai trò quan trọng trong việc giảm ma sát Fish đã mô tả chi tiết vai trò phức tạp của chất bôi trơn trong CVJ, nhấn mạnh sự cần thiết của MoS2 Ngoài ra, trong ngành vận tải, dầu mỡ đường ray và dầu mỏ chứa MoS2 cũng được sử dụng để giảm mòn bánh xe và tiêu hao nhiên liệu.
Hình 1.17 - Một sản phẩm bôi trơn graphite với phụ gia Molypdene disulfur
Trong các lĩnh vực xây dựng, khai thác mỏ và nông nghiệp, chất bôi trơn chứa MoS2 được sử dụng phổ biến như chất bôi trơn OEM bởi hầu hết các nhà sản xuất thiết bị.
Các ứng dụng bao gồm thanh chốt, khớp nối bóng, chốt trục và vòng bi hình cầu Những chất bôi trơn này không chỉ tăng cường hiệu suất hoạt động của các thành phần mới mà còn bảo vệ các bề mặt chịu tải trong những điều kiện khắc nghiệt.
Các sản phẩm bôi trơn chứa hàm lượng cao (50-70%) MoS2 và các chất bôi trơn rắn khác được gọi là bột nhão, thường được sử dụng để khôi phục động cơ ô tô, bộ bánh răng mới và làm chất bôi trơn chống bám cho các kết nối ren Một hỗn hợp 50% MoS2 trong dầu silicone được áp dụng làm chất bôi trơn cho tấm lót đệm trong xe có đĩa phanh.
Chất bôi trơn chứa MoS2 không chỉ được ứng dụng trong quân sự mà còn trong nhiều lĩnh vực phi quân sự Chẳng hạn, Mil G-23549 là loại dầu bôi trơn đa dụng với 5% MoS2, được sử dụng cho các máy phóng của Hải quân trên tàu sân bay và trong các phương tiện ô tô quân sự Bên cạnh đó, Mil G-21164 là chất bôi trơn lithium tổng hợp cũng chứa 5% MoS2, phù hợp cho các bề mặt trượt nặng.
- Trong lĩnh vực môi trường:
Trong kỷ nguyên vật liệu nano, vật liệu hai chiều như Molybdenum disulfide (MoS2) đang được nghiên cứu rộng rãi để nâng cao hiệu suất của các thiết bị và hệ thống trong nhiều ứng dụng khác nhau MoS2 nổi bật như một lựa chọn hứa hẹn thay thế cho các chất hóa học, sinh học và cơ học, với những đặc điểm khác biệt so với graphene, mở ra khả năng cho các hiện tượng môi trường mới và ứng dụng tiềm năng.
Hình 1.18 - Những ứng dụng của nano MoS 2 trong lĩnh vực môi trường
+ Đánh giá quan trọng này trình bày những tiến bộ mới nhất trong việc sử dụng nano
MoS 2 cho các ứng dụng môi trường liên quan đến nước như hấp thụ chất gây ô nhiễm, chất xúc tác (photocatalyst), tách màng, cảm biến và khử trùng Các phương pháp khác nhau để tổng hợp nano MoS2 được kiểm tra, và sự phù hợp của chúng đối với các ứng dụng môi trường khác nhau được thảo luận
Cấu trúc độc đáo và tính chất của tấm nano MoS2 mang lại khả năng đặc biệt trong các ứng dụng môi trường, vượt trội hơn so với các vật liệu nano trên cơ sở graphene Tác động môi trường của nano MoS2 được nhấn mạnh, đồng thời nhu cầu nghiên cứu cho các ứng dụng môi trường trong tương lai cũng được xác định.
- Trong lĩnh vực hóa – lý, điện tử:
+ Dùng làm chất xúc tác trong công nghiệp hóa dầu, tổng hợp các chất hữu cơ, …
+ Với cấu trúc lớp đặc biệt, nó có nhiều tính chất quang, điện đặc biệt và được ứng dụng trong nhiều vi mạch điện tử linh hoạt
+ Ngoài ra, nó cũng được làm thành phần để sản xuất loại bán dẫn MoS 2 , …
Hình 1.19 - Bán dẫn với lớp MoS 2 nằm ở trung tâm
Một transistor quang mới đã được chế tạo dựa trên tấm nano MoS 2 với lớp vỏ bọc cơ học, và các đặc tính điện cảm ứng ánh sáng của nó đã được nghiên cứu một cách chi tiết Dòng quang tạo ra từ transistor quang này chỉ phụ thuộc vào công suất ánh sáng chiếu tại một điện thế cố định hoặc điện áp cổng.
Các hành vi chuyển đổi của thế hệ transistor quang có thể hoàn thành trong 50 ms với sự ổn định tốt Transistor quang MoS 2 đơn lớp cho thấy độ phản quang vượt trội so với thiết bị dựa trên graphene Những đặc tính độc đáo như điều khiển ánh sáng ngẫu nhiên, chụp ảnh nhanh và khả năng truyền ánh sáng tốt từ transistor quang MoS 2 mở ra cơ hội phát triển vật liệu bán dẫn một lớp cho các ứng dụng quang điện đa chức năng trong tương lai.
- Ứng dụng trong việc sản xuất siêu tụ điện:
Siêu tụ điện là loại tụ điện có dung lượng cao, vượt trội hơn nhiều so với các loại tụ điện khác, với giá trị điện dung cao và giới hạn điện thế thấp hơn Chúng có khả năng lưu trữ năng lượng từ 10 đến nhiều hơn, mang lại hiệu suất vượt trội cho các ứng dụng năng lượng.
100 lần năng lượng trên một đơn vị khối lượng và thể tích so với tụ điện phân
Siêu tụ điện được cấu tạo từ hai điện cực, được ngăn cách bởi một lớp màng lọc thấm ion và một dung dịch điện phân ion, giúp kết nối hai điện cực này.
Các phương pháp tổng hợp đã được thực hiện
Nano Molybdenum disulfide sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với dạng khối, điều này khiến chúng trở thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng.
Trang 34 đã, đang và sẽ tiếp tục được ưu tiên trong thời gian tiếp theo Đã có rất nhiều nhóm, nhà khoa học nghiên cứu tổng hợp ra loại vật liệu tiềm năng này với rất nhiều phương pháp đã được sử dụng Và sau đây là một vài phương pháp đã được thực hiện để tổng hợp nano Molybdenum disulfide (MoS 2 ) a) Phương pháp cơ học:
Năm 2004, Novoselov và các cộng sự đã tạo ra thành công các tinh thể 2D đơn lớp từ các vật liệu khối như graphite, BN, MoS2, NbSe2 và Bi2Sr2CaCu2Ox.
Hình ảnh quang học và AFM của vật liệu 2D mỏng nguyên tử được chuẩn bị bằng phương pháp bóc tách cơ học cho thấy chất lượng tốt, đặc biệt là với các mẫu TMDs đơn lớp Phương pháp này thường được áp dụng để nghiên cứu các tính chất cơ bản của TMDs thông qua các kỹ thuật như kính hiển vi quang học, AFM, STM và TEM Tuy nhiên, kích thước của vật liệu TMDs từ phương pháp chà xát cơ học chỉ đạt khoảng hàng chục micromet, điều này giới hạn khả năng ứng dụng trong thiết bị thực tế.
Để tận dụng tiềm năng vượt trội của các vật liệu lớp, cần sản xuất một số lượng lớn tấm nanô TMDs Đặc biệt, để thu được một hoặc vài lớp nano của TMDs như MoS2, việc áp dụng chiến lược xử lý dung dịch sẽ là phương pháp tối ưu Lịch sử ghi nhận báo cáo đầu tiên về việc tách chất lỏng từ các vật liệu đất sét vào đầu những năm 1960.
[54] đã thu hút rất nhiều nghiên cứu vào các phương pháp tách chiết các tấm TMD [55,56]
Seo và cộng sự đã báo cáo một quá trình chuyển đổi hình dạng hấp dẫn sulfidation, dẫn đến việc chế tạo các tấm WS2 2D từ các thanh nano W18O49 1D Các tấm WS2 2D đơn lẻ có khả năng tập hợp lại thông qua các tương tác van der Waals, tạo thành các miếng nano đa lớp.
Kích thước bên của tấm WS 2 bị giới hạn bởi kích thước của thanh, trong khi vật liệu khối lượng TMDs có thể được chèn bằng các cấu tử như phân tử hữu cơ, halogen kim loại chuyển tiếp và ion lithium Kết quả là, các hợp chất được chèn có thể được tách ra thành các tấm nano 2D TMDs đơn và vài lớp thông qua phương pháp siêu âm.
Ramakrishna Matte và cộng sự đã báo cáo việc sử dụng n-butyllithium trong chất chèn hexane để đưa MoS2 và WS2 vào lithium, sau đó tách chết và đánh siêu âm nhằm tạo ra các vật liệu đơn lớp Tuy nhiên, phương pháp này gặp phải vấn đề về thời gian và mức độ lithium chèn không kiểm soát, điều này hạn chế tính khả thi của nó.
Zheng và các cộng sự đã phát triển một phương pháp điện hóa lithiation có thể điều khiển để sản xuất các tấm nano mỏng TMDs đơn lớp với năng suất cao Bằng cách sử dụng các vật liệu khối lượng TMDs như MoS2, WS2, TiS2 và ZrS2 làm cực âm trong tế bào điện hóa, họ có thể theo dõi và kiểm soát sự tương tác lithi trong quá trình xả một cách tinh vi Các hợp chất này có thể được chèn hoặc siêu âm và tách chiết trong nước hoặc ethanol, giúp thu được các vật liệu đơn lớp TMDs cao cấp với số lượng lớn.
Coleman và các cộng sự đã phát triển một kỹ thuật tách chiết đáng tin cậy để tạo ra hình ảnh 2D của tấm nano với các lớp đơn Qua quá trình phân tán và siêu âm các vật liệu vô cơ trong khoảng 30 dung môi thông thường, họ đã xác định rằng các dung môi có bề mặt căng thay đổi và đặc tính hấp thụ khác nhau Kết quả cho thấy, các dung môi tối ưu có sức căng bề mặt gần 40 mJ/m, được xác định thông qua quang phổ hấp thụ quang học.
Coleman và cộng sự đã chỉ ra rằng các dung môi hiệu quả là những chất giúp giảm thiểu năng lượng tách chiết N-metyl-pyrrolidon (NMP) và isopropanol (IPA) được xem là những dung môi tiềm năng cho quá trình tách chiết các lớp khác nhau Hình ảnh TEM cho thấy các tấm MoS2 và WS2 rất mỏng, có kích thước cạnh từ 50 đến 1000 nm, và các biến đổi Fourier liên quan chứng minh rằng không có sự sai lệch đáng kể trong kết quả.
Trang 36 từ đối xứng lục giác của các vật liệu này được quan sát, không giống như các tấm nano MoS 2 và WS 2 tách chiết bằng chèn lithium [62,63] c) Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD – Chemical Vapour Deposition):
Nhóm nghiên cứu của Li đã công bố công trình đầu tiên về sự phát triển các lớp nguyên tử MoS2 thông qua phản ứng pha hoá học trực tiếp giữa MoO3 và S Trong quá trình tăng trưởng MoS2, MoO3 ở pha hơi trải qua phản ứng hai bước, bắt đầu với sự hình thành MoO3-x, sau đó tiếp tục phản ứng với hơi lưu huỳnh để tạo ra lớp MoS2.
Hình 1.21 - Phương pháp lắng đọng hơi hóa học tổng hợp nano MoS 2
Sự phát triển của các hạt MoS 2 đơn tinh thể trên bề mặt tùy ý có thể thực hiện thông qua phương pháp này, dẫn đến việc sử dụng rộng rãi trong sản xuất các lớp TMD tổng hợp Quá trình phát triển của MoS 2 rất nhạy cảm với việc xử lý bề mặt nền trước khi tăng trưởng Nghiên cứu cũng đã xem xét việc tạo điều kiện cho sự hình thành mầm bằng cách phủ lớp nền bằng các loại giống graphene.
Trang 37 lập và điều kiện phát triển của MoS 2 sử dụng bột MoS 2 Có thể tạo ra các mảnh MoS 2 đơn lớp có thể lên tới 400 μm 2 với hình dạng tam giác có thể được tạo thành trên SiO 2 , saphire và các chất nền thủy tinh [67]
Lý do chọn phương pháp tổng hợp
Các phương pháp tổng hợp nano Molybdenum disulfide (MoS2) bao gồm lắng đọng hơi hóa học (CVD), bóc tách hóa học, phương pháp hóa học, phương pháp thủy nhiệt, nghiền cơ học và sử dụng chùm tia laser Sau khi xem xét các phương pháp này, chúng ta có thể đánh giá hiệu quả và ứng dụng của từng phương pháp trong việc sản xuất MoS2.
Trang 43 kĩ càng về khả năng chuyên môn, kỹ năng và yếu tố tài chính,…nhóm chúng tôi quyết định chọn phương pháp thủy nhiệt
- Những lý do chính cho việc chọn phương pháp này:
Phương pháp này đang thu hút sự chú ý không chỉ từ giới khoa học trong nước mà còn từ các nhà nghiên cứu nano toàn cầu Hiện tại, nó được coi là một trong những phương pháp tối ưu nhất cho việc tổng hợp nano Molybdenum disulfide (MoS2).
Phương pháp này dễ thực hiện, không cần trang thiết bị hiện đại và không đòi hỏi chuyên môn hay kỹ năng cao.
+ Ít tốn kém, hóa chất dễ tìm và giá thành cũng vừa phải
Chúng tôi đã chọn phương pháp thủy nhiệt để tổng hợp nano Molybdenum disulfide (MoS2) với mục tiêu tạo ra nano MoS2 có cấu trúc dạng tấm Nghiên cứu sẽ khảo sát sự thay đổi cấu trúc của nano MoS2 khi thay đổi hai yếu tố chính là nhiệt độ (t) và thời gian (T).
![+ Theo hình dáng: ta có vật liệu 0-D, 1-D, 2-D, 3-D [8]. - ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT MOS2](https://media.store123doc.com/figures/001/959/hinh-dang-ta-vat-lieu-d-d-d-1959099.png)
