NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUI TRÌNH TỔNG HỢP CACBON NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN HUỶ XÚC TÁC CÁC HỢP CHẤT CACBON TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM
Người đăng tin: Test Test Ngày đăng tin: 17/03/2006 Lượt xem: 193

1. Đặt vấn đề:

Công nghệ nano là quá trình thao tác các phân tử ở kích thước một phần tỷ mét (10-9m), một kích thước quá nhỏ mà mắt thường chúng ta không thể nhìn thấy. Một trong những vật liệu loại này đã được nghiên cứu và có khả năng ứng dụng cao là các cấu trúc nano cacbon, thường tồn tại dưới hai dạng nano cacbon dạng ống (nanotube) và dạng sợi (nanofibre). Kể từ khi loại vật liệu này được phát hiện ra bởi Iijima [1], nó đã được nghiên cứu để sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau [2-4]. Bên cạnh đó việc sử dụng các cấu trúc nano cacbon như là các chất mang của xúc tác cũng đã mang lại nhiều phát hiện quan trọng nhờ cấu trúc dạng ống dị thường của nó [5-8].

Khởi đầu cho công nghệ nano tại Việt Nam là ứng dụng sơn Oxýt Titan (TiO2) do Viện vật lý ứng dụng và thiết bị khoa học nghiên cứu và bước đầu đã chế tạo thành công loại sơn TiO2 có khả năng quang xúc tác và tự làm sạch khi phủ lên các bề mặt vật liệu.

Thử nhìn lại công nghệ mà chúng ta tiếp cận hiện nay, hầu như đi từ lớn xuống nhỏ như xây ngôi nhà phải phá núi để khai thác đá, sản xuất xi măng,.. sản xuất ra kwh điện phải phá bao nhiêu hecta rừng, đốt cháy nhiều nhiên liệu hoá thạch và tạo ra nhiều chất thải gây ô nhiễm môi trường. Công nghệ nano có thể bắt chước theo công nghệ của tự nhiên, mọi thứ đi từ nhỏ đến lớn, tế bào là hòn gạch xây nên cơ thể sống. Vật liệu nano cũng vậy, với ưu thế là vật liệu có kích thước nhỏ (nanomét) sẽ đáp ứng cho các quá trình sản xuất tạo ra các linh kiện, thiết bị thu nhỏ hơn từ hàng ngàn đến hàng triệu lần, mặt khác nó còn là vật liệu gia cố tạo ra các sản phẩm composite khác nhằm tăng độ bền cơ, chịu nhiệt, dẫn điện tốt hơn. Minh chứng cho vấn đề này là các sản phẩm nano được ứng dụng trong công nghệ thông tin (thay thế các transitor); trong y học, vật liệu nano sẽ đóng vai trò như chất mang từ tính liên kết với các phân tử thuốc cần dùng và được điều khiển đến từng vị trí cần chữa trị (khối u,..) trong cơ thể theo ý muốn của con người; trong thiết bị lọc nước, xử lý môi trường, vật liệu nano đóng vai trò xúc tác để oxy hoá các chất ô nhiễm,..Từ lợi ích cũng như hiệu quả to lớn của công nghệ nano mang lại như vậy, việc đầu tư nghiên cứu và phát triển lĩnh vực này là hết sức cần thiết, nhất là trong thời điểm hiện nay nếu như chúng ta muốn phát triển khoa học và công nghệ theo hướng “đi tắt đón đầu”.

2. Đề xuất qui trình:

Trong phạm vi bài báo này, chúng ta sẽ nghiên cứu và xem xét các phương pháp đã và đang được nghiên cứu sử dụng để tổng hợp cacbon nano ống và cacbon nano sợi, đó là các phương pháp sau:

-Phương pháp hồ quang: Đây là phương pháp đơn giản nhưng rất tốn kém, được phát triển bởi Kräschmer và các cộng sự vào năm 1990 để sản xuất fullerène. Hiện nay, phương pháp này thường được sử dụng để tổng hợp cacbon nano ống đơn lớp và đa lớp (nanotube mono và multi-walled) với hiệu suất nhỏ. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sử dụng phương pháp hồ quang để tổng hợp các cấu trúc nano carbone được minh hoạ ở hình 1.

Vis định vị

Anode

Cathode

Cổng nạp và thải khí

Nguyên tắc của phương pháp là sự phóng điện giữa hai điện cực graphit trong buồng chứa khí trơ He hoặc Ar với các điều kiện cơ bản như sau: cường độ dòng điện 100A, khoảng cách giữa hai điện cực là 1mm dưới áp suất 500mmHg của He [9].

-Phương pháp cắt laser: Năm 1995, Guo và các cộng sự đã đề nghị phương pháp tổng hợp cacbon nanotube dựa vào quá trình bốc hơi của hỗn hợp graphit và kim loại chuyển tiếp (Ni hay hơp kim Ni-Co) bởi chùm laser trong một thiết bị được mô tả như hình 2. Các tác giả này đã thành công trong việc làm bốc hơi 15% graphit và thu được 50% cabon nanotube sau khi làm sạch từ các cấu trúc cacbon thu được [10]. Phương pháp này cho phép thu được hiệu suất thu cacbon nanotube lớn hơn phương pháp hồ quang. Tuy nhiên việc sử dụng phương pháp này vẫn còn bị hạn chế vì chi phí quá cao cho quá trình làm sạch sản phẩm sau khi tổng hợp do độ chọn lọc thấp của cacbon nanotube. Đây cũng là nhược điểm cơ bản của phương pháp cắt laser.

Chùm laser

graphit

Kết tụ chứa các nanotubes

Bộ góp bằng Cu làm lạnh bằng nước

Lò nung 1200oC

Argon

-Phương pháp phân huỷ xúc tác các khí chứa cacbon: Đây là phương pháp có triển vọng nhất để sản xuất cacbon nanotube và nanofibre nhờ chi phí sản xuất thấp và hiệu suất cao. Phương pháp này được áp dụng trong việc tổng hợp chọn lọc nano cacbon dạng ống (nanotube) đơn lớp hay đa lớp (mono or multiwalled), cũng như để tổng hợp nano cacbon dạng sợi (nanofibre).

Hệ thống thiết bị của quá trình tổng hợp các cấu trúc nano carbon theo phương pháp phân huỷ xúc tác các khí chứa carbon chủ yếu gồm: một thiết bị phản ứng hình ống bằng quartz, một lò nung đa vùng, thiết bị đo lưu lượng dòng khí và các phụ kiện. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống tổng hợp được mô tả trên hình 3.

Nguyên tắc của phương pháp này dựa trên việc phân huỷ hỗn hợp khí chứa cacbon dưới dạng hydrocacbon hay monoxyt cacbon và hydro trên các hạt xúc tác kim loại chuyển tiếp trong khoảng nhiệt độ từ 600 - 1000°C. Cấu trúc và hiệu suất của các cấu trúc cacbon phụ thuộc vào nhiều thông số của quá trình tổng hợp: bản chất của kim loại xúc tác, kích thước của hạt kim loại xúc tác, nhiệt độ, thời gian tổng hợp cũng như lưu lượng và thành phần của khí.

Từ các phương pháp nêu trên cũng như hướng tiếp cận của tác giả, chúng tôi đề xuất lựa chọn qui trình tổng hợp cacbon nano bằng phương pháp phân huỷ xúc tác các hợp chất cacbon (cụ thể là axêtylen và êtan) trong điều kiện Việt Nam với qui mô phòng thí nghiệm và được minh hoạ ở hình 4 dưới đây:

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

Đây là phương pháp có triển vọng nhất để sản xuất cacbon 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 của các vật liệu nano carbon thu được từ phương pháp phân huỷ xúc tác các hợp chất chứa carbon được minh hoạ hình 5.


Đặc tính của vật liệu nano cacbon 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 cacbon nano sợi (CNF) vào polypropylen (PP) với tỷ lệ 5%CNF và 95%PP thì đặc tính cơ học của composite PP/CNF sẽ tăng lên đáng kể [11], cụ thể như sau:

Mẫu

Môđun 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 cacbon còn có thể được nghiên cứu cho các ứng dụng tiềm tàng khác như là: định hình vật liệu nano cacbon trên các chất mang có cấu trúc để có thể áp dụng làm chất mang xúc tác hoặc sử dụng cacbon nano ống như vật liệu khuôn để tổng hợp các vật liệu nano khác: vật liệu từ tính, zeolit... với kích thước nano.

3. Kết luận và khuyến nghị:

Lợi ích to lớn của việc ứng dụng công nghệ nano nói chung và vật liệu nano nói riêng trong các lĩnh vực điện tử, y học, môi trường,.. không còn bàn cãi, hiện nay công nghệ nano đã và đang được các quốc gia tiến tiến trên thế giới rất quan tâm và đâu tư nghiên cứu chiều sâu. Đối với Việt nam chúng ta đây là lĩnh vực còn tương đối mới mẽ. Theo chúng tôi, bước đầu nhà nước cần đầu tư cho lĩnh vực này thông qua các đề tài nghiên cứu khoa học với loại hình nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng, về sau đầu tư nghiên cứu sâu hơn về các ứng dụng của vật liệu, linh kiện nano thông qua các chương trình, dự án hoặc hợp tác với các phòng thí nghiệm công nghệ nano tiến tiến của các nước phát triển khác.

Từ các phân tích trên, chúng tôi mạnh dạn đề xuất một hướng nghiên cứu để sản xuất ra vật liệu nano cacbon bằng phương pháp phân huỷ xúc tác các hợp chất cacbon trong điều kiện Việt Nam. Nếu thành công đây có thể xem như là viên gạch đầu tiên làm nền tảng cho các nghiên cứu sâu hơn về vật liệu cũng như linh kiện nano sau này tại thành phố Đà Nẵng chúng ta, góp phần vào thúc đẩy hoạt động khoa học và công nghệ của thành phố lên một tầm mới, đáp ứng được sự mong mỏi của các lãnh đạo thành phố như đã đề ra kế hoạch phát triển KH&CN, đó là: “Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ thành phố Đà Nẵng đến năm 2010-2015”; Chương trình phát triển giáo dục và đào tạo, khoa học và công nghệ, nâng cao chất lượng đào tạo nguồn nhân lực có trình độ cao, đáp ứng yêu cầu của thời kỳ CNH, HĐH” và cũng không nằm ngoài tinh thần Nghị quyết 33-NQ/TW của Bộ chính trị trong việc xây dựng Đà Nẵng thành trung tâm kinh tế, văn hoá và khoa học - công nghệ của miền Trung và Tây Nguyên./.

Tác giả:

Th.S- Huỳnh Anh Hoàng- Trung tâm Ứng dụng tiến bộ Khoa học và công nghệ

TS- Nguyễn Đình Lâm- Khoa Hoá Kỹ thuật, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà nẵng,

Tài liệu tham khảo:

[1] S. Iijima, Nature 354 (1991) 56.

[2] Rao C.N.R., Satishkumar B.C., Govindaraj A., J. Chem. Soc. Chem. Commun. (1997) 1581.

[3] Li Y, Xu D., Zhang Q., Chen D., Huang F., Xu Y., Chem. Matter. 11 (1999) 3433.

[4] Pham-Huu C., Keller N., Estournès C. Ehret G., Ledoux M.J., J. Chem. Soc. Chem. Commun, 11 (2002) 1882.

[5] Chambers A., Nemes T., Rodriguez N.M., Baker R.T.K., J. Phys. Chem. B, 102 (1998) 2251.

[6] Salman F., Park C., Baker R.T.K., Catal. Today, 53 (1999) 385.

[7] de Jong K.P., Geus J.W., Catal Rev-Sci. Eng., 42 (2000) 481.

[8] Pham-Huu C., Keller N., Charbonnière L.J., Ziessel R., Ledoux M.J., J. Chem. Soc. Chem. Commun, (2000) 1871.

[9] M. Terrones, W.K. Hsu, H.W. Kroto, D.R.M. Walton, Topics in Current Chemistry, Vol. 199, Springer Verlag, Berlin, Heildelberg, 1999.

[10] T. Guo, P. Nicolaev, D.T. Colbert, L.E. Smalley, Chem. Phys. Lett., 243 (1995) 49.

[11] S.Kumar, H.Doshi, M.srinivasarao, J.O.Park, and D.A.Schiraldi, Polymer, 43 (2002) 1701.
Chuyên mục, tin tức liên quan:
Tìm kiếm nâng cao >>









Đăng nhập