Đề tài Công nghệ sản xuất ống nano carbon

Khoa CNVL Lớp VL05PO * ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN Khoa CNVL Lớp VL05PO * DANH SÁCH THÀNH VIÊN Cao Xuân Bách Đặng Thanh Chung Trịnh Kim Cúc Nguyễn Thị Thùy Dương Trần Văn Khoa Đinh Thế Lâm Lê Thị Nga Nguyễn Thị Bảo Ngọc Vũ Thái Kim Thi Văn Đan Thùy Nguyễn Thị Anh Thy Nguyễn Diên Khả Tú Khoa CNVL Lớp VL05PO * NỘI DUNG BÁO CÁO Cấu trúc Tính chất Ứng dụng Các phương pháp tổng hợp Khoa CNVL Lớp VL05PO * Cấu trúc Khoa CNVL Lớp VL05PO * Các loại Carbon Từ trái sang phải: (a) Kim cương, (b) Than chì, (c) Lonsdaleite, (d) C60, (e) C540, (f) C70, (g) Carbon vô định hình (h) Ống nano carbon Khoa CNVL Lớp VL05PO * CNT STRUCTURE Là dạng thù hình của Carbon. Đường kính của ống nano vào cỡ một vài nanomet . Tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính vượt trên 10.000. Ống nano lại có dạng hình trụ, với ít nhất một đầu được phủ bởi một bán cầu có cấu trúc fullerene Liên kết hóa học của các ống nano được cấu thành hoàn toàn bởi các liên kết sp2, tương tự với than chì. Khoa CNVL Lớp VL05PO * CARBON NANOTUBE (CNT) Khoa CNVL Lớp VL05PO * CNT STRUCTURE Single Walled Carbon Nanotube (SWNT) Multi Walled Carbon Nanotube (MWNT) Khoa CNVL Lớp VL05PO * SWNT zigzag chiral armchair T a1 a2 Khoa CNVL Lớp VL05PO * SWNT zigzag(n,0) Armchair(m,m) chiral(n,m) Khoa CNVL Lớp VL05PO * SWNT Phần lớn các SWTN có đường kính gần 1 nanomet. Độ dài đường ống có thể gấp hàng nghìn lần đường kính Hình dung là cuộn một lớp than chì độ dày một-nguyên-tử (graphene) thành một hình trụ liền. Khoa CNVL Lớp VL05PO * MWNT Khoa CNVL Lớp VL05PO * MWNT Gồm nhiều lớp graphite cuộn lên nhau để tạo dạng ống. Có thể mô tả cấu trúc MWNT theo 2 kiểu: Russian doll: gồm những tấm graphite được xếp theo hình trụ đồng tâm. Parchment: 1 tấm graphite đơn được cuộn quanh chính nó. Khoảng cách giữa các lớp MWNT gần bằng khỏang cách giữa các lớp graphene của graphite, xấp xỉ 0.33 nm. Khoa CNVL Lớp VL05PO * Tính chất Khoa CNVL Lớp VL05PO * TÍNH CHẤT CƠ - BỀN NHẤT: 48.000 kN*m*kg-1 và 154 kN*m*kg-1 - CỨNG NHẤT - Độ bền PHƯƠNG BÁN KÍNH ≠ PHƯƠNG DỌC TRỤC Khoa CNVL Lớp VL05PO * TÍNH CHẤT ĐIỆN Cấu trúc ảnh hưởng mạnh đến tính chất điện. Có thể mang dòng điện cường độ 4 x 109 A/cm2 > Cu 1000 lần NHẠY CẢM: Phát hiện những thay đổi về điện rất chính xác. Dẫn điện > 70 lần chất bán dẫn truyền thống. BÁN DẪN Khoa CNVL Lớp VL05PO * KHUYẾT TẬT 1/ LỖ TRỐNG DẠNG TINH THỂ Graphite Khoa CNVL Lớp VL05PO * KHUYẾT TẬT 2/ DẠNG STONE WALL Lục giác  Ngũ giác + 7 cạnh Khoa CNVL Lớp VL05PO * KHUYẾT TẬT Độ bền kéo Độ dẫn điện Độ dẫn nhiệt HẬU QUẢ CỦA CÁC KHUYẾT TẬT ??? Khoa CNVL Lớp VL05PO * ĐỘC TÍNH VẤN ĐỀ CẤP BÁCH HIỆN NAY – NHỮNG NGHIÊN CỨU CHỈ MỚI BĂT ĐẦU HOẠI TỬ PHỔI Tạo KHỐI U TRONG PHỔI VIÊM PHẾ QUẢN TỬ VONG Khoa CNVL Lớp VL05PO * Ứng dụng Khoa CNVL Lớp VL05PO * ỨNG DỤNG Quần áo, trang thiết bị thể thao, bánh lái trong ngành hàng không. Composite siêu bền 138Gpa(liên kết mạng CNT với Polymer). Pin nhiên liệu Hydro Cánh tay rôbot Tấm phim quang học Vỏ tàu vũ trụ Khoa CNVL Lớp VL05PO * ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ +Transitor :đóng ngắt bằng 1 electron(tốc độ hơn 1000 lần) +Transitor từ tính (thêm Fe, Co). +Vi mạch kích thước rất nhỏ (cơ chế dẫn điện một chiều) tốc độ 1GHz +Bộ nhớ điện tử (tăng khả năng dẫn điện lên). Khoa CNVL Lớp VL05PO * ỨNG DỤNG +Bộ cảm biến +IBM  “single-chip wafers” trên 10 tỉ ống nano cacbon nối thẳng hàng +Tế bào năng lượng +Bóng đèn tivi (tiết kiệm điện, tuổi thọ tăng, sáng hơn) Khoa CNVL Lớp VL05PO * ỨNG DỤNG Y HỌC +Dư báo bệnh (tiêm vào cơ thể) +Định vị vùng bệnh - Liều lượng thuốc - Hạn chế mổ xẻ +Ghép và trị liệu xương Khoa CNVL Lớp VL05PO * VI MẠCH CMOS Khoa CNVL Lớp VL05PO * CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG Khoa CNVL Lớp VL05PO * VỢT CẦU LÔNG YONEX ARCSABER 10 Khoa CNVL Lớp VL05PO * SPACE ELEVATOR Khoa CNVL Lớp VL05PO * NANOTUBE RADIO Khoa CNVL Lớp VL05PO * BỘ PHẬN TẢN NHIỆT CPU HYDRO JET Ống nanotube mang thuốc Khoa CNVL Lớp VL05PO * Khoa CNVL Lớp VL05PO * BỘ PHẬN TẢN NHIỆT CPU HYDRO JET Khoa CNVL Lớp VL05PO * Các phương pháp tổng hợp Khoa CNVL Lớp VL05PO * CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP PP HỒ QUANG ĐIỆN PP SỬ DỤNG TIA LASER PP PHÂN HỦY XÚC TÁC CÁC KHÍ CHỨA CACBON( CVD) Khoa CNVL Lớp VL05PO * Pp hồ quang điện Khoa CNVL Lớp VL05PO * PP HỒ QUANG ĐIỆN Khoa CNVL Lớp VL05PO * A-TỔNG HỢP SWNT Khoa CNVL Lớp VL05PO * A- TỔNG HỢP SWNT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG KHÍ TRƠ PLASMA HÌNH DẠNG CATHODE Khoa CNVL Lớp VL05PO * A-TỔNG HỢP SWNT HÌNH DẠNG CATHODE Khoa CNVL Lớp VL05PO * B- TỒNG HỢP MWNT TỔNG HỢP TRONG NITƠ LỎNG TỔNG HỢP TRONG TỪ TRƯỜNG PP HỒ QUANG ĐIỆN QUAY Khoa CNVL Lớp VL05PO * B-TỒNG HỢP MWNT TỔNG HỢP TRONG NITƠ LỎNG Khoa CNVL Lớp VL05PO * B-TỒNG HỢP MWNT TỔNG HỢP TRONG TỪ TRƯỜNG Khoa CNVL Lớp VL05PO * B-TỒNG HỢP MWNT TỔNG HỢP TRONG TỪ TRƯỜNG Khoa CNVL Lớp VL05PO * B-TỒNG HỢP MWNT PP HỒ QUANG ĐIỆN QUAY Khoa CNVL Lớp VL05PO * Pp sử dụng tia lazer Khoa CNVL Lớp VL05PO * BẢN VẼ PHÁC HỌA THIẾT BỊ CẮT LASER Khoa CNVL Lớp VL05PO * Ảnh TEM của một bó SWNTs dùng xúc tác Ni/Y (2 : 0.5),tổng hợp bằng phương pháp laser liên tục. Khoa CNVL Lớp VL05PO * Sản xuất SWNTs với quy mô lớn Hai phương pháp mới nhất để tăng quy mô tổng hợp SWNTs : Dùng điện cực laser tự do với xung cực nhanh. Dùng sóng laser liên tục dạng hạt. Khoa CNVL Lớp VL05PO * THIẾT BỊ CỦA PP DÙNG XUNG LASER SIÊU NHANH Khoa CNVL Lớp VL05PO * PP dùng sóng laser liên tục Khoa CNVL Lớp VL05PO * PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY CÁC KHÍ CHỨA CARBON Khoa CNVL Lớp VL05PO * PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY CÁC KHÍ CHỨA CARBON Nguồn năng lượng Nguyên liệu (các chất chứa C) Chất nền Si,SiO2 Xúc tác Ni,Fe,Co, Fe/Mo,Co/Mo Khoa CNVL Lớp VL05PO * PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY CÁC KHÍ CHỨA CARBON Phương pháp CVD được tiến hành theo 2 bước Chuẩn bị xúc tác Tiến hành tổng hợp ống than cacbon Phun lên bề mặt chất nền 1 lớp màng mỏng kim loại chuyển tiếp sau đó sử dụng nhiệt hoặc dùng hóa chất ăn mòn tạo thành các hạt xúc tác nhỏ mịn. Khoa CNVL Lớp VL05PO * CƠ CHẾ PHẢN ỨNG Khoa CNVL Lớp VL05PO * CƠ CHẾ PHẢN ỨNG Khoa CNVL Lớp VL05PO * CƠ CHẾ PHẢN ỨNG Số lượng hạt và kích thước của các hạt xúc tác kim loại ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, đường kính và khuyết tật của ống than nano Khoa CNVL Lớp VL05PO * XÚC TÁC KIM LOẠI DÙNG ĐỂ TỔNG HỢP Khoa CNVL Lớp VL05PO * CÁC PHƯƠNG PHÁP CỤ THỂ PP phân hủy các khí chứa cacbon dạng plasma (PECVD) PP phân hủy các khí chứa cacbon dùng nhiệt PP phân hủy dùng alcohol (ACCVD) PP tạo thành các pha bay hơi Khoa CNVL Lớp VL05PO * CÁC PHƯƠNG PHÁP CỤ THỂ PP phân hủy sử dụng xúc tác ở dạng gel PP phân hủy sử dụng nhiệt laser (LCVD) Qui trình CoMoCat Qui trình bất đối xứng CO ở áp suất cao (HiPco) Khoa CNVL Lớp VL05PO * PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY CÁC KHÍ CHỨA CARBON Ở DẠNG PLASMA Sử dụng dòng cao tần đặt vào 2 điện cực đặt song song; một điện cực dưới chứa ( xúc tác + chất nền) Xúc tác: Fe,Ni,Co Nhiệt độ tiến hành phản ứng 330°C. Đường kính ống nano tạo thành khoảng 15 nm. Hiệu suất cao nhất đạt được là 50%. Khoa CNVL Lớp VL05PO * PHÂN HỦY DÙNG NHIỆT Phủ xúc tác (Fe, Ni hoặc Co) lên các rãnh của chất nền silica bị ăn mòn bởi HF. Thổi NH3 vào ống quartz chứa chất nền ở 750-1050°C để hình thành các hạt xúc tác kích thước nano. Ống carbon sẽ hình thành trên các hạt này. Sản phẩm là MWNTs,đường kính phụ thuộc bề dày lớp màng kim loại Bề dày màng 13nm  đường kính ống than 30 - 40 nm. Bề dày màng là 27nm  đường kính ống than 100 - 200nm. Khoa CNVL Lớp VL05PO * PHÂN HỦY DÙNG NHIỆT PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY XÚC TÁC DÙNG ALCOHOL Khoa CNVL Lớp VL05PO * Sản phẩm là SWNTs tinh khiết, có thể ứng dụng sản xuất trên qui mô lớn với giá thành thấp. Đường kính ống nano khoảng 1nm. Sử dụng các ethanol với xúc tác Fe/Co trên nền Zeolite Nhiệt độ tạo thành ống nano chỉ khoảng 550o C Khoa CNVL Lớp VL05PO * Catalyst C OH Khoa CNVL Lớp VL05PO * PHƯƠNG PHÁP TẠO THÀNH CÁC PHA BAY HƠI Sản phẩm : SWNTs và MWNTs SWNTs : đường kính 2-4 nm. MWNTs : đường kính 70 -100 nm. Phương pháp này cung cấp trực tiếp khí và xúc tác vào buống phản ứng mà không cần sử dụng chất nền Xúc tác sử dụng : Ferrocene Khoa CNVL Lớp VL05PO * PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY SỬ DỤNG XÚC TÁC Ở DẠNG GEL Phân hủy khí CO trên nền xúc tác Fe/Mo ở dạng gel. Ưu điểm : Diện tích bề mặt riêng cực lớn  hiệu suất cao hơn hẳn các phương pháp khác. Nhiệt độ phản ứng tối ưu : 860°C. Sản phẩm thu được : SWNTs có đường kính 1-1,5 nm. Khoa CNVL Lớp VL05PO * PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY SỬ DỤNG NHIỆT LASER Khoa CNVL Lớp VL05PO * PHƯƠNG PHÁP PHÂN HỦY SỬ DỤNG NHIỆT LASER Kết quả thu được : cả SWNTs và MWNTs Đường kính của SWNTs từ 0,7 nm đến 2,5 nm. Đường kính của MWNTs từ 30 nm đến 80 nm. Khoa CNVL Lớp VL05PO * QUY TRÌNH COMOCAT Khoa CNVL Lớp VL05PO * QUY TRÌNH COMOCAT Mo đóng vai trò điều tiết lượng carbon trên Co, ngăn cản sự hình thành các dạng cacbit không mong muốn. 80-90% sản phẩm là SWNTs. Ưu điểm : cho phép thêm vào hoặc lấy ra những hạt rắn từ bình phản ứng mà không phải dừng phản ứng. Có thể điều chỉnh nhiệt độ phản ứng để đạt được SWNT có đường kính mong muốn. Khoa CNVL Lớp VL05PO * QUI TRÌNH BẤT ĐỐI XỨNG CO Ở ÁP SUẤT CAO Dùng để sản xuất SWNTs. Nguyên liệu là khí CO, xúc tác Fe(CO)5. Khoa CNVL Lớp VL05PO * QUI TRÌNH BẤT ĐỐI XỨNG CO Ở ÁP SUẤT CAO Tạo được SWNTs ổn định có đường kính nhỏ nhất (0,7 nm) trong các phương pháp hóa học. Hiệu suất 70%. SWNTs có thể tạo ra với tốc độ 450 mg/giờ với độ tinh khiết 97%. Kích thước của SWNT có thể điều chỉnh thông qua áp suất của CO. Qui trình này hứa hẹn việc sản xuất ống nano ở qui mô lớn. Khoa CNVL Lớp VL05PO * SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP Khoa CNVL Lớp VL05PO * VỀ NGUYÊN LÝ Khoa CNVL Lớp VL05PO * HiỆU SUẤT LÝ THUYẾT Hồ quang điện Cắt Lazer Phân hủy khí 30-90% Nhỏ hơn 70% 20-100% Khoa CNVL Lớp VL05PO * SẢN PHẨM Hồ quang điện Cắt Lazer Phân hủy khí SWNTs MWNTs SWNTs SWNTs MWNTs MWNTs Ống ngắn, đường kính 0,6-1,4 nm Ống ngắn, đường kính ngoài 10 nm Chùm ống dài, đường kính 1-2 nm Có thể tạo được nhưng rất đắt Ống dài, đường kính 0,6-4 nm Ống dài, đường kính ngoài 10-240 nm Khoa CNVL Lớp VL05PO * ƯU ĐIỂM Hồ quang điện Cắt Lazer Phân hủy khí Sản phẩm ít khuyết tật. Chi phí sản xuất thấp. SWNT ít khuyết tật, kích thước ống dài, có thể điều khiển đường kính. Sản phẩm ít lẫn tạp chất. Có thể điều khiển đường kính SWNT Kích thước ống dài, sản phẩm ít lẫn tạp chất. Qui trình đơn giản, dễ sản xuất ở qui mô công nghiệp. Khoa CNVL Lớp VL05PO * NHƯỢC ĐIỂM Hồ quang điện Cắt Lazer Phân hủy khí Sản phẩm ngắn, không điều chỉnh kích thước được. Sản phẩm lẫn nhiều tạp chất. Chi phí sản xuất cao. Sản phẩm thường là MWNT. Khuyết tật nhiều hơn.