2.5 Một số tính chất của ống nano carbon
2.6.5 Phương pháp phân hủy xúc tác các khí chứa carbon
Phương pháp phân huỷ xúc tác các khí chứa carbon hay phương pháp kết tụ hóa học trong pha hơi (Chemical Vapor Deposition - CVD). Đây là phương pháp có triển vọng nhất để sản xuất carbon nanotube và nanofibre nhờ chi phí sản suất thấp và hiệu suất cao. Phương pháp này được áp dụng trong việc tổng hợp chọn lọc nano carbon dạng ống đơn lớp, đa lớp, hay nano carbon dạng sợi (nanofibre).
Cấu trúc và hiệu suất của các cấu trúc carbon thu được phụ thuộc vào nhiều thông số của quá trình tổng hợp, đặc biệt là bản chất của kim loại xúc tác cũng như kích thước của nó. Nghiên cứu lựa chọn xúc tác còn được áp dụng trong việc tổng hợp chọn lọc carbon nanotube đơn lớp hay đa lớp, cũng như để tổng hợp sợi nano carbon.
Trong phương pháp lắng đọng pha hơi hoá học (CVD) thường sử dụng nguồn carbon là các hyđrô carbon (CH4, C2H2) hoặc CO và sử dụng năng lượng nhiệt hoặc plasma hay laser để phân ly các phân tử khí thành các nguyên tử carbon hoạt hóa.
Hệ thống thiết bị: Quá trình tổng hợp các cấu trúc nano carbon theo phương pháp phân hủy xúc tác các khí chứa carbon gồm : một thiết bị phản ứng hình ống bằng quartz, một lò nung đa vùng, thiết bị đo lưu lượng dòng khi và các phụ kiện.
nhiệt độ từ 600-1000°C. Cấu trúc và hiệu suất của các cấu trúc carbon phụ thuộc vào nhiều thông số của quá trình tổng hợp : bản chất kim loại xúc tác, kích thước hạt kim loại xúc tác, nhiệt độ, thời gian tổng hợp cũng như lưu lương và thành phần của khí.
Quy trình tổng hợp carbon nano bằng phương pháp phân hủy xúc tác các hợp chất carbon (cụ thể là axêtylen và êtan ) trong điều kiện Việt Nam với qui mô phòng thí nghiệm và được minh học ở hình 2.19 :
Hình 2.19 Sơ đồ tổng hợp nano carbon bằng phương pháp phân hủy xúc tác. [10]
Chú thích :
1- Bình khí C2H2 2- Bình khí C2H6
3- Bình khí H2
4- Bình khí Ar 5- Bộ giảm áp 6- Van
7- Thiết bị điều khiển lưu lượng
8- Lò nung kiểu ống đa vùng 9- Thiết bị phản ứng
10- Bình rửa khí 11- Ống khói
P1: Đồng hồ đo áp trước bộ giảm áp P2: Đồng hồ đo áp sau bộ giảm áp
Ƣu điểm: Đây là phương pháp có triển vọng nhất để sản xuất carbon nano ống và sợi nhờ chi phí sản xuất thấp và hiệu suất cao có đường kính trung bình khoảng 30-200nm.
Hơn nữa, phương pháp này tương đối đơn giản khi chuyển từ qui mô phòng thí nghiệm sang triển khai thực tế.
Cấu trúc và đặc tính của các vật liệu nano carbon thu đƣợc :
- Cấu trúc của các vật liệu nano carbon thu được từ phương pháp phân hủy xúc tác các hợp chất chứa carbon được minh họa như hình 2.20
Hình 2.20 Cấu trúc của vật liệu nano thu được bằng phương pháp phân hủy xúc tác các chất khí chứa carbon được quét qua kính hiển vi điện tử.
Đặc tính của vật liệu nano carbon thu được có tính ổn định cao về độ sạch và kích thước nano nên có thể dùng làm bột màu cho các sản phẩm mực in chất lượng cao hoặc phối trộn với các hợp chất polimer khác nhằm tạo ra sản phẩm composite có độ bền cao hơn.
Chẳng hạn, khi pha trộn thêm carbon nano sợi (CNF) vào polypropylen (PP) với tỷ lệ 5%CNF và 95%PP thì đặc tính cơ học của composite sẽ tăng lên đáng kể, cụ thể như sau:
Mẫu Mô đun kéo
(Gpa)
Độ bền kéo (Gpa)
Độ dãn dài đứt (%)
Độ bền nén (Gpa)
PP 4.6 ± 0.7 0.49 ± 0.06 23 ± 5 25 ± 1
PP + CNF 7.1 ± 0.9 0.57 ± 0.07 16 ± 2 48 ± 10
Ngoài ra, các cấu trúc nano carbon còn có thể được nghiên cứu cho các ứng dụng tiềm năng khác như : định hình vật liệu nano carbon trên các chất mang có cấu trúc để có thể áp dụng làm chất mang xúc tác hoặc sử dụng carbon nano ống như vật liệu khuôn để tổng hợp các vật liệu nano khác : vật liệu từ tính, zeolit... với kích thước nano. [7]