Nghiên cứu tổng hợp vật liệu ống nano carbon và các hạt xúc tác nano platin
Nghiên cứu tổng hợp vật liệu ống nano carbon và các hạt xúc tác nano platin
Xem bên trong

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu ống nano carbon và các hạt xúc tác nano platin

125 tr. + CD-ROM
Luận văn ThS. Vật liệu và Linh kiện Nano — Trường Đại học Công nghệ. Đại học Quốc gia Hà Nội, 2009
Trình bày tổng quan về ống than Nano- Carbon nanotubes, về cấu trúc, tính chất và các phương pháp tổng hợp của ống than Nano. Tổng quan về pin nhiên liệu, pin nhiên liệu dùng trong methanol trực tiếp, màng trao đổi proton (PEM)- tổ hợp màng/điện cực (MEA) và công nghệ micro-nano trong pin DMFC, ống than nano trong pin. Trong quá trình nghiên cứu ống than nano thuộc phòng thí nghiệm Công nghệ Nano đã tiến hành tổng hợp ống than nano bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học bằng nung nhiệt (thermal chemical vapor deposition). Khảo sát sự ảnh hưởng của các điều kiện đối với quá trình tổng hợp ống than nano như nhiệt độ, bề dày lớp xúc tác. Phân tích một số tính chất của ống than nano bằng các thiết bị như kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), thiết bị quang phổ Raman, … Từ các kết quả đạt được, nghiên cứu khả năng ứng dụng của ống than nano trong các thiết bị phát xạ trường, trong pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp và trong vật liệu composite
Electronic Resources

0.00

Tải về miễn phí bản đầy đủ PDF luận văn tại Link bản đầy đủ 1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PTN CÔNG NGHỆ NANO

NGUYỄN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP ỐNG THAN NANO
NHẰM ỨNG DỤNG TRONG PIN NHIÊN LIỆU
DÙNG METHANOL TRỰC TIẾP (DMFC)

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Thành phố Hồ Chí Minh – 2009

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PTN CÔNG NGHỆ NANO

NGUYỄN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP ỐNG THAN NANO
NHẰM ỨNG DỤNG TRONG PIN NHIÊN LIỆU
DÙNG METHANOL TRỰC TIẾP (DMFC)

Chuyên ngành : Vật Liệu và Linh Kiện Nano
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Người hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN MẠNH TUẤN

Thành phố Hồ Chí Minh – 2009
iv
Mục lục
LUẬN VĂN THẠC SỸ ……………………………………………………………………………………..i
Lời cam đoan………………………………………………………………………………………………….. ii
Lời cám ơn…………………………………………………………………………………………………….. iii
Mục lục …………………………………………………………………………………………………………. iv
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt …………………………………………………………….. vii
Danh mục các bảng biểu ………………………………………………………………………………. viii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị …………………………………………………………………………. ix
Lời mở đầu ………………………………………………………………………………………………….. xiii
Chương 1 ỐNG THAN NANO…………………………………………………………………………1
1.1 Tổng quan ống than nano – Carbon nanotubes ……………………………………………..2
1.2 Cấu trúc ống than nano ……………………………………………………………………………..4
1.3 Các tính chất của ống than nano …………………………………………………………………8
1.4 Các ứng dụng của ống than nano………………………………………………………………10
1.4.1 – Vật liệu composite …………………………………………………………………………..10
1.4.2 – Phát xạ trường…………………………………………………………………………………10
1.4.3 – Vật liệu kim loại và bán dẫn ……………………………………………………………..11
1.4.4 – Các cảm biến ống than nano……………………………………………………………..11
1.4.4 – Nguồn năng lượng mới …………………………………………………………………….11
1.4.5 – Đầu dò ống than nano ………………………………………………………………………12
1.5 Các phương pháp tổng hợp ống than nano …………………………………………………12
1.5.1 – Quá trình mọc ống than nano bằng xúc tác kim loại …………………………….13
1.5.2 – Phóng điện hồ quang ……………………………………………………………………….15
1.5.3 – Bốc bay bằng laser…………………………………………………………………………..16
1.5.4 – Lắng đọng hơi hóa học …………………………………………………………………….17
1.5.5 – Các phương pháp khác……………………………………………………………………..21
Chương 2 PIN NHIÊN LIỆU DÙNG METHANOL TRỰC TIẾP……………………22
2.1 Tổng quan pin nhiên liệu …………………………………………………………………………23
2.1.1 – Thí nghiệm William R.Grove ……………………………………………………………23
2.1.2 – Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu ……………………………………………..24
2.1.3 – Định nghĩa pin nhiên liệu …………………………………………………………………25
v
2.1.4 – Các phản ứng cơ bản trong pin nhiên liệu …………………………………………..25
2.1.5 – Ưu, nhược điểm của pin nhiên liệu…………………………………………………….26
2.1.6 – Phân loại và ứng dụng của pin nhiên liệu……………………………………………28
2.1.7 – Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC)…………………………………….30
2.2 Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp………………………………………………………31
2.2.1 – Cấu tạo và cơ chế hoạt động của pin DMFC……………………………………….31
2.2.2 – Cơ chế phản ứng trong pin DMFC …………………………………………………….32
2.2.3 – Ưu, nhược điểm trong pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp ………………36
2.3 Màng trao đổi proton (PEM) – Tổ hợp màng/điện cực (MEA)……………………..37
2.3.1 – Màng trao đổi proton (PEM) …………………………………………………………….37
2.3.2 – Màng Nafion®………………………………………………………………………………..39
2.3.3 – Tổ hợp màng/điện cực (Membrane Electrode Assembly – MEA) ………….41
2.4 Công nghệ micro-nano trong pin DMFC……………………………………………………43
2.4.1 – Công nghệ MEMS – Pin nhiên liệu micro …………………………………………..43
2.4.2 – Pin micro DMFC (µDMFC) ……………………………………………………………..45
2.4.3 – Một số pin µDMFC ứng dụng công nghệ MEMS………………………………..46
2.4.4 – Vật liệu cấu trúc nano trong pin DMFC ……………………………………………..48
2.5 Ống than nano trong pin DMFC……………………………………………………………….50
2.5.1 – Ứng dụng ống than nano trong pin nhiên liệu ……………………………………..50
2.5.2 – Điện cực xúc tác kim loại Pt trên nền ống than nano (Pt/CNTs) ……………50
2.5.3 – Điện cực xúc tác hợp kim Pt-Ru trên nền ống than nano (Pt-Ru/CNTs) …51
2.5.4 – Một số hạn chế của ống than nano trong pin DMFC…………………………….52
Chương 3 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ……………………………………………….54
3.1 Tạo lớp xúc tác kim loại bằng dung dịch……………………………………………………55
3.1.1 – Dung dịch Ferrocene………………………………………………………………………..55
3.1.2 – Dung dịch sắt clorua ………………………………………………………………………..56
3.1.3 – Phương pháp phủ quay (Spin coating) ……………………………………………….57
3.1.4 – Phương pháp phủ nhúng (Dipping method) ………………………………………..58
3.2 Tạo màng đa lớp xúc tác kim loại bằng phương pháp phún xạ DC ……………….59
3.2.1 – Phủ màng kim loại bằng phún xạ một chiều (DC sputtering) ………………..59
3.2.2 – Phủ màng đa lớp xúc tác kim loại………………………………………………………60
3.3 Tổng hợp ống than nano bằng thiết bị lắng đọng nhiệt hơi hóa học ………………62
vi
3.3.1 – Mô hình thiết bị lắng đọng nhiệt hơi hóa học tCVD …………………………….62
3.3.2 – Quy trình hoạt động của tCVD………………………………………………………….62
3.3.3 – Quá trình tổng hợp ống than nano bằng tCVD…………………………………….63
3.4 Các phương pháp phân tích ……………………………………………………………………..64
3.4.1 – Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ……………………………………………………….64
3.4.2 – Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ………………………………………………66
3.4.3 – Thiết bị quang phổ micro Raman (Raman spectroscopy) ……………………..68
3.4.5 – Các thiết bị phân tích khác……………………………………………………………….73
3.5 Tổng hợp các hạt nano Pt và Pt-Ru trên ống than nano ……………………………….74
3.5.1 – Tổng hợp xúc tác trên chất mang carbon…………………………………………….74
3.5.2 Các phương pháp tổng hợp xúc tác nano Pt trên CNTs…………………………..75
3.5.3 – Các phương pháp tổng hợp xúc tác nano Pt-Ru trên CNTs …………………..80
3.5.4 – Phương pháp thực nghiệm………………………………………………………………..83
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ……………………………………………………………86
4.1 Tổng hợp ống than nano trên lớp xúc tác ferrocene …………………………………….87
4.1.1 Khảo sát điều kiện phủ xúc tác ferrocene ……………………………………………..87
4.1.2 – Khảo sát ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt ban đầu …………………………88
4.1.3 – Ảnh hưởng của thời gian mọc ống than nano………………………………………89
4.1.4 – Mật độ phân bố và khả năng bám dính của phương pháp phủ quay ……….90
4.2 Tổng hợp ống than nano trên lớp xúc tác sắt clorua…………………………………….91
4.2.1 – Ảnh hưởng của lớp đệm Al……………………………………………………………….91
4.2.2 – Ảnh hưởng của lớp đệm Al2O3 ………………………………………………………….93
4.3 Tổng hợp ống than nano trên lớp xúc tác kim loại ………………………………………94
4.3.1 – Sự tổng hợp ống than nano trên màng đa lớp………………………………………96
4.3.2 – Ảnh hưởng của bề dày lớp Fe trong tổng hợp ống than nano ………………..98
4.3.3 – Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với quá trình tổng hợp ống than nano………..99
4.3.4 – Ảnh hưởng của bề dày lớp Mo trong tổng hợp ống than nano……………..102
4.4 Tổng hợp các hạt nano Pt và Pt-Ru trên ống than nano ……………………………..107
4.4.1 – Tổng hợp hạt nano bằng phương pháp thấm ……………………………………..107
4.4.2 – Phủ màng Pt trên ống than nano ………………………………………………………110
KẾT LUẬN ………………………………………………………………………………………………….113
Tài liệu tham khảo………………………………………………………………………………………..115
vii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
µm micromet = 10-9 m
AD Arc discharge : phóng điện hồ quang
CB carbon black : carbon đen, than chì
CNTs Carbon nanotubes : ống than nano
DMFC Direct methanol fuel cell : pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp
DWNTs Double-walled nanotubes : ống than nano vách đôi
DC sputtering phún xạ DC
Electrodeposition Phương pháp mạ điện
SEM Scanning Electron Microscopy : kính hiển vi điện tử quét
MEA Membrane electrode assembly : hệ màng điện cực
MEMS Micro Electro Mechanical System : hệ vi cơ điện
MWNTs Multi-wall carbon nanotubes : ống than nano đa vách
Nafion® màng Nafion, hãng Du Pont
PEMFC Proton exchange membrane fuel cell : pin nhiên liệu màng trao
đổi proton
RBM Radial Breathing Mode : mode dao động RBM
rpm tốc độ quay vòng/phút
SWNTs Single wall carbon nanotubes : ống than nano đơn vách
t-CVD thermal Chemical Vapor Deposition : phủ nhiệt hơi hóa học
TEM Transmission Electron Microscope : kính hiển vi điện tử truyền
qua
wt% tỷ lệ phần trăm về khối lượng
viii
Danh mục các bảng biểu
Bảng 1.1 : Một số tính chất cơ học của hai loại ống than nano [26]………………………….9
Bảng 2.1 : Các loại pin nhiên liệu điển hình [2,24]……………………………………………….28
Bảng 2.2 : Những ứng dụng của pin nhiên liệu [24] ……………………………………………..29
Bảng 2.3 : Các thành phần của tổ hợp MEA và vai trò của chúng ………………………….42
Bảng 3.1 : Các tham số và công suất phún xạ DC ………………………………………………..61
Bảng 3.1 : Các bước quy trình tổng hợp Pt/CNTs bằng phương pháp thấm …………….76

ix
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1 : Một số cấu trúc của carbon : a) Kim cương; b) Than chì; c) Lonsdaleite; d) –
f) cấu trúc Fullerene (C60, C540, C70); g) Vô định hình và h) Ống than nano
…………………………………………………………………………………………………………..2
Hình 1.2 : Ảnh TEM độ phân giải cao của các ống micro nhiều vách graphite, a) ống 5
vách, đường kính 6,7 nm; b) ống 2 vách, đường kính 5,5 nm; và c) ống 7 tấm,
đường kính 6,5 nm. Đường kính bên trong nhỏ nhất là 2,2 nm [40]…………….3
Hình 1.3 : Ảnh TEM của ống than nano đơn vách (SWNTs) [10] ……………………………..4
Hình 1.4 : Các giá trị khác nhau của vector chiral và góc chiral trên tấm graphite ……….5
Hình 1.5 : Ống than nano (a) zig – zag; (b) chiral; và (c) armchair…………………………….5
Hình 1.6 : Tính chất dẫn điện của ống than nano theo vector chiral……………………………6
Hình 1.7 : Ảnh TEM của một số sai hỏng tại đầu của ống than nano [20]…………………..7
Hình 1.8 : Cấu trúc ống tre (bamboo CNTs) của ống than nano [42] ………………………….7
Hình 1.9 : Ảnh TEM minh họa biến dạng cong của một ống CNT (a); với sự thay thế
các vòng năm và bảy cạnh tại một số vị trí (P, H) trong mạng sáu cạnh (b) [9]
…………………………………………………………………………………………………………..7
Hình 1.10 : Ảnh SEM của một đầu dò CNT gắn trên thanh cantilever [19]……………….12
Hình 1.11 : Mô hình mọc ống than nano với xúc tác là hạt kim loại…………………………13
Hình 1.12 : Sơ đồ mô hình cơ chế mọc ống than nano với hạt xúc tác kim loại [9]…….14
Hình 1.13 : Mô hình phương pháp phóng điện hồ quang [9]……………………………………15
Hình 1.14 : Mô hình thiết bị phân ly bằng laser của bia carbon [10]…………………………16
Hình 1.15 : Mô hình phương pháp lắng đọng hơi hóa học với xúc tác [10]……………….17
Hình 1.16 : Mô hình thiết bị lắng đọng nhiệt hơi hóa học [28] ………………………………..19
Hình 1.17 : Mô hình thiết bị PECVD [28] …………………………………………………………….19
Hình 1.18 : Mô hình thiết bị ACCVD…………………………………………………………………..20
Hình 1.19 : Mô hình tổng hợp ống than nano ở thể khí [28] ……………………………………21
Hình 2.1 : Sơ đồ thí nghiệm Grove [16]………………………………………………………………..23
Hình 2.2 : Mô hình hoạt động của pin nhiên liệu màng trao đổi proton [23] ……………..30
Hình 2.3 : Sơ đồ hoạt động của pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp [29]……………..32
Hình 2.4 : Sơ đồ phản ứng oxy hóa methanol với xúc tác Pt [24] …………………………….33
Hình 2.5 : Sơ đồ các bước phản ứng trong quá trình oxy hóa methanol tại anode [2] …34
x
Hình 2.6 : Cấu trúc hóa học của các màng PEM trong pin DMFC [49]…………………….38
Hình 2.7 : Cấu trúc hóa học màng Nafion® (Dupont)…………………………………………….39
Hình 2.8 : Mô hình cấu trúc đám (cluster) của màng Nafion® ………………………………..40
Hình 2.9 : Cấu trúc tổ hợp màng/điện cực trong pin DMFC ……………………………………41
Hình 2.10 : Các thành phần cơ bản trong pin PEM và pin DMFC [36] …………………….45
Hình 2.11 : Mô hình kênh dẫn nhiên liệu và chất oxy hóa trong pin nhiên liệu [36] …..47
Hình 2.12 : Mô hình “flip-flop” của pin nhiên liệu [36] ………………………………………….47
Hình 2.13 : Ảnh µDMFC sử dụng phương pháp khắc quang học trên tấm thủy tinh [41]
…………………………………………………………………………………………………………47
Hình 3.1 : Cấu trúc hóa học của ferrocene…………………………………………………………….55
Hình 3.2 : Dung dịch ferrocene 0,1 wt%……………………………………………………………….56
Hình 3.3 : Dung dịch sắt clorua 0,1 wt% ………………………………………………………………57
Hình 3.4 : Phương pháp phủ quay (Spin coating) …………………………………………………..57
Hình 3.5 : Các bước của phương pháp phủ nhúng (Dip coating) ……………………………..58
Hình 3.6 : Mô hình phún xạ một chiều DC Sputtering ……………………………………………59
Hình 3.7 : Máy phún xạ DC – DC Sputtering system, CoreVac …………………………….61
Hình 3.8 : Sơ đồ quy trình phủ màng đa lớp bằng phún xạ DC………………………………..61
Hình 3.9 : Mô hình thiết bị phủ nhiệt hơi hóa học (t-CVD) …………………………………….62
Hình 3.10 : Sơ đồ quá trình tổng hợp ống than nano bằng tCVD……………………………..63
Hình 3.11 : Ảnh thiết bị tCVD dùng để tổng hợp CNTs …………………………………………64
Hình 3.12 : Mô hình kính hiển vi điện tử quét SEM [10] ………………………………………..65
Hình 3.13 : Kính hiển vi JEOL JSM-6480LV ……………………………………………………..66
Hình 3.14 : Kính hiển vi FE-SEM – JEOL JSM 6700F …………………………………………66
Hình 3.15 : Mô hình kính hiển vi điện tử truyền qua TEM [10]……………………………….67
Hình 3.16 : Kính hiển vi điện tử truyền qua – JEM 1400………………………………………..68
Hình 3.17 : Mô hình hai quá trình tán xạ Stokes và tán xạ đối-Stokes [42] ……………….69
Hình 3.18 : Mô hình dịch chuyển các mức năng lượng trong tán xạ Raman………………69
Hình 3.19 : Phổ Raman của một SWNTs theo hai dạng kim loại (trên) và bán dẫn (dưới)
trên đế silicon [21] ………………………………………………………………………………70
Hình 3.20 : Thiết bị quang phổ Raman – Renishaw Invia Basic ……………………………..72
Hình 3.21 : Thiết bị Micro-Raman – LABRam Horiba JOBIN YVON…………………..73
Hình 3.22 : Kính hiển vi lực nguyên tử AFM – NanoTec Electronica……………………..73
xi
Hình 3.23 : Sơ đồ quá trình tổng hợp Pt và Pt-Ru trên chất mang carbon………………….75
Hình 3.24 : Sơ đồ quá trình tổng hợp xúc tác trên vật liệu MWNTs [30] ………………….77
Hình 3.25 : Ảnh TEM của Pt/MWNT (c) và Pt-Ru/MWNT (d) [30] ………………………..77
Hình 3.26 : Ảnh TEM Pt-MWNT/Nafion (a) và Pt-SWNT/Nafion (b) [15] ………………78
Hình 3.27 : a) Ảnh TEM Pt/CNTs và b) ảnh SEM tổ hợp màng Nafion – CNTs [23]…79
Hình 3.28 : Ảnh TEM của Pt-Ru phủ trên CNTs với tỷ lệ Pt:Ru từ trái qua phải là 1:1,
1:2 và 1:3; và sự phân bố kích thước hạt Pt-Ru với tỷ lệ tương ứng [25] ……81
Hình 3.29 : Ảnh TEM của (b) Pt-Ru/MWNT và (d) Pt-Ru/DWNT [45] …………………..82
Hình 3.30 : Ảnh SEM của lớp xúc tác Pt-Ru/MWNTs (a) và Pt-Ru/DWNTs (c) trên
màng Nafion® 115 [45]……………………………………………………………………….82
Hình 3.31 : Hệ khuấy từ gắn ống hoàn lưu ……………………………………………………………84
Hình 4.1 : Ảnh SEM của ống than nano trên đế Si được phủ quay dung dịch ferrocene
(a) 1.000 rpm và (b) 4.000 rpm……………………………………………………………..87
Hình 4.2 : Ảnh SEM của ống than nano trên đế Si được nhúng dung dịch ferrocene….88
Hình 4.3 : Ảnh SEM mẫu CNTs với thời gian xử lý nhiệt (a) 0; (b) 10 và (c) 20 phút..88
Hình 4.4 : Ảnh SEM mẫu CNTs mọc trong 10 phút (a,c) và 20 phút (b,d) với nhiệt độ
800oC ở 2 tốc độ phủ quay……………………………………………………………………89
Hình 4.5 : Ảnh SEM mẫu CNTs mọc ở 800oC trong 20 phút ở hai tốc độ quay…………90
Hình 4.6 : Sơ đồ quá trình phủ lớp xúc tác sắt clorua ……………………………………………..91
Hình 4.7 : Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên lớp sắt clorua sau 01 giờ và 24 giờ……..92
Hình 4.8 : Phổ Raman của ống than nano được tổng hợp bằng dung dịch FeCl2………..93
Hình 4.9 : Ảnh SEM của CNTs trên đế FeCl2/Al2O3/Si với hai độ phóng đại khác nhau
…………………………………………………………………………………………………………93
Hình 4.10 : Quá trình tiến hành thực nghiệm tổng hợp ống than nano trên màng đa lớp
xúc tác kim loại bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học ………………………94
Hình 4.11 : Biểu đồ quá trình tổng hợp ống than nano bằng phương pháp tCVD ………95
Hình 4.12 : Ảnh AFM bề mặt màng Fe dày 3 nm phủ trên lớp Al ……………………………96
Hình 4.13 : Ảnh SEM của ống than nano tổng hợp trên màng Fe/Al/Si ở mặt thẳng (a,b)
và mặt cắt (c), nhiệt độ mọc là 850oC trong 10 phút ………………………………..97
Hình 4.14 : Ảnh TEM của ống than nano đa vách đường kính 30 nm ………………………97
Hình 4.15 : Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên màng Mo(0,5 nm)/Fe(1-2 nm) ở 850oC
…………………………………………………………………………………………………………98
xii
Hình 4.16 : Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên màng Fe(2-3 nm)/Al ở 800oC…………..98
Hình 4.17 : Ảnh SEM của ống than nano tổng hợp ở nhiệt độ khác nhau………………….99
Hình 4.18 : Ảnh SEM mặt cắt ngang ống than nano tổng hợp ở nhiệt độ khác nhau…100
Hình 4.19 : Phổ Raman của ống than nano tổng hợp ở nhiệt độ khác nhau ……………..101
Hình 4.20 : Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ theo tỷ số IG/ID……………………………………102
Hình 4.21 : Ảnh SEM của CNTs tổng hợp ở 850oC trên màng đa lớp Mo/Fe(1 nm)/Al
với bề dày lớp Mo từ 0 – 5 nm ……………………………………………………………103
Hình 4.22 : Ảnh SEM của CNTs tổng hợp ở 800oC trên màng đa lớp Mo/Fe(3 nm)/Al
với bề dày lớp Mo từ 0 – 5 nm ……………………………………………………………104
Hình 4.23 : Mô hình quá trình hình thành các hạt xúc tác kim loại…………………………105
Hình 4.24 : Ảnh SEM mặt cắt ngang của lớp ống than nano tổng hợp ở 850oC với bề
dày lớp Mo thay đổi…………………………………………………………………………..105
Hình 4.25 : Phổ Raman ống than nano được tổng hợp bởi màng đa lớp Mo/Fe/Al, với
bề dày lớp Mo thay đổi từ 0,5 đến 5,0 nm…………………………………………….106
Hình 4.26 : Phổ Raman của chất mang ống than nano thương mại …………………………107
Hình 4.27 : Ảnh TEM của bột ống than nano thương mại……………………………………..108
Hình 4.28 : Ảnh TEM mẫu Pt/CNTs, tỷ lệ 10 wt% ………………………………………………109
Hình 4.29 : Ảnh TEM mẫu Pt-Ru/CNTs, tỷ lệ 10 wt% …………………………………………109
Hình 4.30 : Thiết bị phủ màng Pt – JSM 1600 Auto fine coater ……………………………110
Hình 4.31 : Phổ Raman của ống than nano trước và sau khi phủ màng platin ………….111

xiii
Lời mở đầu
Trong thế kỷ 21, cùng với sự phát triển vũ bão nền khoa học kỹ thuật là sự ô
nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng, nguồn tài nguyên thiên niên ngày càng cạn
kiệt. Việc nghiên cứu, phát triển những nguồn năng lượng mới, có hiệu suất cao và
thân thiện với môi trường được nhiều nước quan tâm và đầu tư thích đáng. Một trong
số các nguồn năng lượng được coi là có triển vọng và “sạch” nhất hiện nay chính là
pin nhiên liệu.
Vào năm 1839, nhà khoa học tự nhiên W.R. Grove đã chế tạo ra mô hình thực
nghiệm đơn giản đầu tiên của pin nhiên liệu. Và trải qua hơn 170 năm nghiên cứu,
phát triển và cải tiến, pin nhiêu liệu ngày nay đa dạng và phức tạp hơn nhiều.
Có rất nhiều loại pin nhiên liệu theo những công nghệ khác nhau, với nhiều kích
cỡ và công suất tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng. Trong khi các loại pin nhiên liệu oxit
rắn (Solid Oxide Fuel Cells – SOFC) có kích thước lớn, hoạt động ở nhiệt độ cao dùng
trong các nhà máy điện, thì những pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton
Exchange Membrane Fuel Cells – PEMFC) nhỏ gọn, hoạt động ở nhiệt độ thấp (dưới
100oC) ứng dụng cho các thiết bị cầm tay hoặc di động.
Cùng với sự phát triển của các loại pin nhiên liệu là sự phát triển nhanh chóng
của khoa học và công nghệ nano đã mang đến khả năng to lớn và đầy hứa hẹn cho nền
công nghệ pin nhiên liệu. Nhiều loại vật liệu mới có cấu trúc nano được khám phá
nhằm thay thế các thành phần đắt tiền trong pin nhiên liệu. Đây là hướng nghiên cứu
được đẩy mạnh trong thời gian gần đây nhằm tạo ra những sản phẩm pin nhiên liệu có
giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao và khả năng ứng dụng rộng rãi trong
đời sống và kỹ thuật.
Đến năm 1991, giáo sư Sumio Iijima lần đầu tiên công bố những nghiên cứu đầu
tiên về một loại cấu trúc vật liệu mới có những tính chất rất đặc biệt và khả năng ứng
dụng to lớn. Vật liệu mới có cấu trúc là những tấm than chì (graphite) cuốn lại thành
ống, có đường kính ngoài cùng từ 4 – 30 nm và chiều dài 1 µm, được đặt tên gọi là
ống than nano, hay carbon nanotubes (CNTs).
xiv
Ngay từ khi phát hiện, ống than nano đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học
và nghiên cứu về một loại vật liệu kì diệu có nhiều đặc tính lạ thường chưa từng có
như: độ cứng cao, mềm dẻo, dẫn điện cực tốt, phát xạ electron cao, có kích thước và
khối lượng vô cùng bé. Khả năng ứng dụng của ống than nano này rất to lớn, trong rất
nhiều lĩnh vực như : vật liệu composites, màn hình hiển thị phát xạ trường (field
emission display), các thiết bị tồn trữ hydro trong pin nhiên liệu, màng polymer dẫn,
thiết bị chiếu sáng, các linh kiện điện tử nano, tụ siêu dẫn (supercapacitor), linh kiện
điện hóa, thiết bị cảm biến, thiết bị lưu trữ dung lượng Terabit,…..
Do có những ưu điểm và tính chất đặc biệt mà ống than nano được xem là một
trong những vật liệu được chú ý trong nhiều nghiên cứu và ứng dụng trong pin nhiên
liệu. Với các đặc điểm như tiết diện bề mặt lớn, độ dẫn điện cao, tính ổn định và bền
vững trong các phản ứng hóa học mà CNTs đã trở thành hướng nghiên cứu chính trong
vài năm gần đây nhằm thay thế các lớp đệm carbon trong các loại pin nhiêu liệu màng
trao đổi ion, đặc biệt là pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC).
Trong Đề tài này, tác giả và các đồng nghiệp trong nhóm nghiên cứu ống than
nano thuộc Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano đã tiến hành tổng hợp ống than nano
bằng phương pháp lắng đọng nhiệt hơi hóa học (thermal Chemical Vapor Deposition).
Chúng tôi cũng đã khảo sát sự ảnh hưởng của các điều kiện đối với quá trình tổng hợp
ống than nano như nhiệt độ, bề dày lớp xúc tác, ….; phân tích một số tính chất của ống
than nano bằng các thiết bị như kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử
truyền qua (TEM), thiết bị quang phổ Raman,…. Từ các kết quả đạt được, chúng tôi
nghiên cứu khả năng ứng dụng của ống than nano trong các thiết bị phát xạ trường,
trong pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp và trong vật liệu composite.
Trong Luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu tổng hợp ống than nano bằng
phương pháp lắng đọng hơi hóa học với các loại màng xúc tác khác nhau và khả năng
ứng dụng của ống than nano trong pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp.
Đề tài được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano – ĐHQG TP.HCM,
Viện Vật Lý Thành Phố Hồ Chí Minh và Trung tâm nghiên cứu Ống than nano và
Nanocomposite (CNNC) – Đại học Sungkyunkwan (SKKU), Hàn Quốc.

Chương 1
ỐNG THAN NANO
(CARBON NANOTUBES)

Tổng quan ống than nano
Cấu trúc ống than nano
Các tính chất của ống than nano
Các ứng dụng của ống than nano
Các phương pháp tổng hợp ống than nano
2
1.1 Tổng quan ống than nano – Carbon nanotubes
Carbon, , là nguyên tố cơ bản và quan trọng nhất trong tự nhiên. Carbon có
thể liên kết với chính nó hoặc các nguyên tố khác trong ba kiểu lai hóa orbitals. Điều
này tạo nên sự đa dạng trong cấu trúc carbon cùng nhiều tính chất đặc biệt, khiến
carbon trở thành một nguyên tố cơ bản trong hóa học hữu cơ và sự sống. Từ những cấu
trúc đã được biết đến từ nhiều thế kỷ trước là than chì (graphite) và kim cương
(diamond) đến các cấu trúc nano mới được khám phá gần đây như Fullerene C60, ống
than nano (carbon nanotubes), sợi carbon nano đã mang đến nhiều ứng dụng trong
công nghiệp và thương mại.
12
6C
Cho đến ngày nay, đã có một cấu trúc phi tinh thể (vô định hình) và bốn nhóm
cấu trúc tinh thể của carbon được phát hiện, bao gồm các cấu trúc như hình 1.1: carbon
vô định hình (g); graphite (than chì) (b); kim cương (a) và tựa kim cương (c); khối cầu
fullerene (d – f) và ống than nano (carbon nanotubes) (h).

Hình 1.1 : Một số cấu trúc của carbon : a) Kim cương; b) Than chì; c) Lonsdaleite; d)
– f) cấu trúc Fullerene (C60, C540, C70); g) Vô định hình và h) Ống than nano

Tác giả

Nguyễn Tuấn Anh

Nhà xuất bản

ĐHCN

Năm xuất bản

2009

Người hướng dẫn

Nguyễn Mạnh Tuấn

Định danh

V_L0_02168

Kiểu

text

Định dạng

text/pdf

Chủ đề

Nano Carbon,Nano Platin,Vật liệu ống Nano

Nhà xuất bản

Khoa vật lý kỹ thuật và công nghệ nano,

Trường đại học Công nghệ

Các đánh giá

Hiện chưa có đánh giá cho sản phẩm.

Hãy là người đầu tiên đánh giá “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu ống nano carbon và các hạt xúc tác nano platin”

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *