i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC HUỲNH ANH HOÀNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƢNG VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU CACBON NANO ỐNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP XÚC TÁC LẮNG ĐỌNG HÓA HỌC PHA HƠI KHÍ DẦU MỎ HÓA LỎNG (LPG) VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2012 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC  HUỲNH ANH HOÀNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƢNG VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU CACBON NANO ỐNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP XÚC TÁC LẮNG ĐỌNG HÓA HỌC PHA HƠI KHÍ DẦU MỎ HÓA LỎNG (LPG) VIỆT NAM Chuyên ngành : Hóa lý thuyết Hoá lý Mã số : 62.44.31.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Hữu Phú PGS.TS Nguyễn Đình Lâm Hà Nội – 2012 iii LỜI CẢM ƠN Luận án thực hoàn thành Viện Hóa học, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam; Viện Vật lý - Hóa học vật liệu Strasbourg (IPCMS), Cộng hòa Pháp; Khoa hóa, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng; Khoa Hóa lý, trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Hữu Phú PGS.TS Nguyễn Đình Lâm, người thầy nhiệt tình hướng dẫn, hết lòng giúp đỡ suốt thời gian tác giả làm nghiên cứu, hoàn thành luận án Trân trọng cám ơn Phòng đào tạo, Viện Hóa học; môn Hóa lý, trường Đại học Sư phạm Hà Nội; Phòng thử nghiệm, Trung tâm Kỹ thuật môi trường đồng nghiệp giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả thời gian nghiên cứu luận án Cảm ơn TS Nguyễn Thị Thu, Th.S Nguyễn Hoàng Hào, CN Quách Ngọc Thành, KS Phan Thanh Sơn, KS Nguyễn Ngọc Tuân, KS Nguyễn Kim Sơn, KS Trần Châu Cẩm Hoàng tác giả tiến hành thí nghiệm tổng hợp mẫu cacbon nano nghiên cứu khả ứng dụng vật liệu lĩnh vực xúc tác hấp phụ lưu trữ khí thảo luận đóng góp ý kiến cho luận án Cuối tác giả xin cám ơn gia đình, người thân bạn bè động viên cổ vũ để hoàn thành luận án Hà Nội, 2012 Tác giả Huỳnh Anh Hoàng iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng hướng dẫn GS.TS Nguyễn Hữu Phú PGS.TS Nguyễn Đình Lâm Các số liệu kết nghiên cứu đưa luận án có nguồn trích dẫn tác giả sau năm thực nghiệm có hoàn toàn trung thực Tác giả Huỳnh Anh Hoàng v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC BẢNG xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xiv MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu cacbon nano 1.1.1 1.1.1.1 Cacbon nano ống đơn lớp (SWCNT) 1.1.1.2 Cacbon nano ống đa lớp (MWCNT) 1.1.2 1.2 Cấu trúc CNT Tính chất vật lý CNT 1.1.2.1 Tính chất học 1.1.2.2 Tính chất điện 10 1.1.2.3 Một số ứng dụng tiềm CNT CNF 11 Các phương pháp tổng hợp vật liệu cacbon nano 13 1.2.1 Phương pháp hồ quang 13 1.2.2 Phương pháp cắt gọt laze 14 1.2.3 Phương pháp xúc tác lắng đọng hóa học pha (CVD) 15 1.3 Cơ sở lý thuyết lựa chọn xúc tác để tổng hợp CNT 16 1.4 Cơ chế hình thành CNT 20 vi 1.4.1 Cơ chế hình thành CNT hỗ trợ xúc tác 20 1.4.2 Cơ chế hình thành CNT có hỗ trợ xúc tác 22 1.5 Phương pháp biến tính CNT 23 1.6 Hấp phụ 24 1.6.1 Hiện tượng hấp phụ 25 1.6.2 Hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học 25 1.6.2.1 Hấp phụ vật lý (HHVL) 25 1.6.2.2 Hấp phụ hóa học (HPHH) 25 1.6.3 1.6.3.1 Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 29 1.6.3.2 Đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 30 1.6.3.3 Đẳng nhiệt hấp phụ BET 30 1.6.4 1.7 Một số mô hình hấp phụ đẳng nhiệt 27 Động học hấp phụ 31 Xúc tác 32 1.7.1 Động học phản ứng xúc tác 32 1.7.1.1 Tốc độ bậc phản ứng 32 1.7.1.2 Năng lượng hoạt hóa 33 1.7.2 Yêu cầu điều chế xúc tác 35 1.7.3 Thành phần chế tạo xúc tác 36 1.7.4 Đặc tính xúc tác cấu trúc cacbon nano 36 1.7.5 Ứng dụng xúc tác để oxy hóa phenol môi trường nước 37 1.7.5.1 Oxy hóa phenol dung dịch oxy không khí nhờ xúc tác (CWAO) 37 vii 1.7.5.2 Chương 2.1 Oxy hóa phenol dung dịch H2O2 xúc tác 38 THỰC NGHIỆM 40 Thực nghiệm 40 2.1.1 Nguyên liệu hóa chất 40 2.1.2 Xây dựng hệ thiết bị tổng hợp vật liệu cacbon nano phương pháp xúc tác lắng đọng hóa học pha (CVD) 41 2.1.3 Chế tạo xúc tác theo phương pháp tẩm 42 2.1.3.1 Chế tạo xúc tác cho trình tổng hợp CNT 42 2.1.3.2 Tổng hợp xúc tác cho trình oxy hóa phenol đỏ H2 O2 44 2.1.4 Tổng hợp vật liệu cacbon nano 44 2.1.5 Qui trình biến tính CNT 45 2.1.6 Quy trình tạo hạt cacbon nano 47 2.1.7 Qui trình hấp phụ phenol đỏ CNTbt 48 2.1.7.1 Phenol đỏ 48 2.1.7.2 Nghiên cứu động học trình hấp phụ 49 2.1.7.3 Nghiên cứu oxy hóa phenol đỏ H2O2 xúc tác Cu/Ag/CNTbt 50 2.1.8 2.2 Qui trình lưu trữ khí metan CNT dạng hạt 50 Các phương pháp nghiên cứu 53 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray) 53 2.2.2 Phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 54 2.2.3 Phương pháp quang phổ hồng ngoại (IR) 55 viii 2.2.4 Phương pháp đo bề mặt riêng (BET) 57 2.2.5 Phương pháp phân tích nhiệt (TGA/DTA) 58 2.2.6 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 59 2.2.7 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 60 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 61 3.1 Chế tạo xúc tác Fe/-Al2O3 61 3.2 Nghiên cứu tổng hợp cacbon nano từ LPG etan 62 3.2.1 3.2.1.1 Khảo sát thành phần LPG 63 3.2.1.2 Tối ưu hóa trình thực nghiệm 65 3.2.1.3 Khảo sát lượng CNT với thông số tối ưu theo thời gian 72 3.2.1.4 Kết TEM, SEM sản phẩm CNT 74 3.2.2 3.3 Nghiên cứu tổng hợp cacbon nano từ LPG 63 Nghiên cứu tổng hợp cacbon nano từ etan 76 Mô hình hóa trình tổng hợp CNT phần mềm COMSOL Multiphysics 83 3.3.1 Cơ sở mô hình 84 3.3.2 Các thông số đầu vào mô hình 85 3.3.3 Kết chạy mô hình COMSOL 85 3.4 Nghiên cứu trình biến tính CNT 90 3.5 Nghiên cứu định hình CNT dạng hạt 98 3.6 Nghiên cứu khả hấp phụ phenol đỏ pha lỏng CNTbt 100 3.6.1 Xác định bước sóng tối ưu để xây dựng đường chuẩn 100 ix 3.6.2 Ảnh hưởng nồng độ phenol đỏ ban đầu đến trình hấp phụ 101 3.6.3 Nghiên cứu mô hình đẳng nhiệt hấp phụ phenol đỏ vật liệu CNTbt 102 3.6.3.1 Mô hình đẳng nhiệt Freundlich 102 3.6.3.2 Mô hình đẳng nhiệt Langmuir 104 3.6.4 Nghiên cứu động học hấp phụ phenol đỏ pha lỏng vật liệu CNTbt 108 3.6.4.1 Phương trình bậc biểu kiến (Pseudo-first-order equation) 108 3.6.4.2 Phương trình bậc hai biểu kiến (Pseudo-second-order equation) 110 3.7 Nghiên cứu khả oxy hóa phenol đỏ H2O2 pha lỏng hệ xúc tác Cu/Ag/CNTbt 112 3.7.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình oxy hóa phenol đỏ H2O2 112 3.7.2 3.8 Động học phản ứng oxy hóa phenol đỏ H2O2 114 Nghiên cứu khả lưu trữ khí metan từ hạt CNT 118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AFM Hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscopy) BET Brunauer-Emmett-Teller CNF Cacbon nano sợi (Carbon nanofirbe) CNT Cacbon nano ống (Carbon nanotube) CNTbt Cacbon nano ống biến tính CVD Xúc tác lắng đọng hoá học pha (Chemical vapor deposition) CWAO Oxi hóa chất hữu không khí xúc tác (Catalytic Wet Air Oxidation) ĐHBK Đại học Bách khoa DLHP Dung lượng hấp phụ DWCNT Cacbon nano ống lớp đôi (Double-wall carbon nanotubes) EDX Phổ tán sắc lượng tia X (Energy Dispersive X-ray spectroscopy) SF Hệ số lưu trữ (Storage Factor) H2SO4đđ Dung dịch H2SO4 đậm đặc HPHH Hấp phụ hóa học HPVL Hấp phụ vật lý IR Phổ hồng ngoại (Infra Red Spectroscopy) IUPAC Hiệp hội quốc tế hóa học ứng dụng (International Union of Pure and Applied Chemistry) LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng MWCNT Cacbon nano ống đa lớp (Multi-wall carbon nanotubes) PTHQ Phương trình hồi qui xi PTN Phòng thí nghiệm SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) SWCNT Cacbon nano ống đơn lớp (Single-wall carbon nanotubes) TEM Hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy) TGA Phân tích nhiệt (Thermogravimetry Analysis) THT Than hoạt tính VLMQTB Vật liệu mao quản trung bình XRD Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction ) xii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1 Tính chất lý CNT số vật liệu thông dụng 10 Bảng 1-2 Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt 28 Bảng 2-1 Danh mục hóa chất, nguyên liệu sử dụng 40 Bảng 2-2 Các thông số vật lý trình lưu trữ khí metan 52 Bảng 2-3 Tần số đặc trưng số nhóm chức 56 Bảng 3-1 Thành phần tính chất LPG 64 Bảng 3-2 Mức yếu tố thí nghiệm 65 Bảng 3-3 Kết tổng hợp CNT theo thí nghiệm với LPG 66 Bảng 3-4 Các thông số vận hành tối ưu trình tổng hợp CNT từ LPG 73 Bảng 3-5 Kết tổng hợp CNT theo thí nghiệm với etan 76 Bảng 3-6 Các thông số vận hành tối ưu trình tổng hợp CNT từ C2H6 80 Bảng 3-7 Các thông số đầu vào mô hình COMSOL 85 Bảng 3-8 Ảnh hưởng nồng độ phenol đỏ ban đầu đến dung lượng cân hấp phụ qe khoảng thời gian 150 phút 103 Bảng 3-9 Mối quan hệ Ce Ce/qe khoảng thời gian hấp phụ 150 phút 106 Bảng 3-10 Các tham số nhiệt động học tính theo mô hình Freundlich Langmuir 108 Bảng 3-11 Các tham số phương trình động học bậc biểu kiến 109 Bảng 3-12 Các tham số phương trình động học bậc hai biểu kiến 111 xiii Bảng 3-13 Oxy hóa phenol đỏ H2O2 xúc tác Cu/Ag/CNTbt theo nhiệt độ 113 Bảng 3-14 Quan hệ ln(C0/C) thời gian phản ứng nhiệt độ khác 115 Bảng 3-15 Quan hệ lnk 1/T 116 Bảng 3-16 Khả lưu trữ metan CNT 119 xiv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1 Cấu trúc dạng thù hình cacbon Hình 1-2 Cấu trúc fulleren ống cacbon nano đơn lớp Hình 1-3 Cấu trúc mạng graphit hai chiều cuộn lại thành SWCNT Hình 1-4 Mô hình phân tử dạng cấu trúc hình học SWCNT Hình 1-5 Ảnh TEM thu từ hiển vi điện tử truyền qua cấu trúc MWCNT Hình 1-6 Vùng hoá trị vùng dẫn graphit hai chiều 11 Hình 1-7 Sơ đồ nguyên lý thiết bị tổng hợp CNT phương pháp hồ quang 13 Hình 1-8 Sơ đồ thiết bị tổng hợpCNT phương pháp cắt gọt Laze 14 Hình 1-9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tổng hợp cacbon nano phương pháp CVD 16 Hình 1-10 Cấu trúc vật liệu cacbon nano thu theo CVD 16 Hình 1-11 Giản đồ nhiễu xạ tia X sản phẩm CNT thu với xúc tác Fe Co 18 Hình 1-12 Giản đồ pha hệ hai cấu tử Co – C, Ni – C Fe – C 19 Hình 1-13 Cơ chế hình thành đóng kín CNT 20 Hình 1-14 Cơ chế hình thành CNT với đầu mở 21 Hình 1-15 Mô hình hình thành CNT với hạt xúc tác đỉnh 22 Hình 1-16 Mô hình hình thành CNT với hạt xúc tác đáy 23 Hình 1-17 Sơ đồ trình biến tính CNT axit phản ứng với amin rượu 24 xv Hình 1-18 Ảnh hưởng nhiệt độ lên HPVL&HPHH 26 Hình 1-19 Sáu kiểu đường đẳng nhiệt hấp phụ 27 Hình 1-20 Phản ứng xúc tác có xúc tác 34 Hình 1-21 Chất mang xúc tác vô (a) bó CNT CNF (b) 37 Hình 1-22 Sơ đồ phản ứng oxy hóa phenol theo Devlin Harris 38 Hình 2-1 Sơ đồ hệ thiết bị tổng hợp vật liệu cacbon nano theo CVD 41 Hình 2-2 Hệ thiết bị tổng hợp CNT lắp đặt PTN ĐHBK Đà Nẵng 42 Hình 2-3 Sơ đồ qui trình tẩm xúc tác Fe/-Al2O3 43 Hình 2-4 Sơ đồ tổng hợp cacbon nano ống LPG với xúc tác Fe/γAl2O3 45 Hình 2-5 Sơ đồ oxy hóa CNT axit mạnh 46 Hình 2-6 Quy trình oxy hóa CNT axit HNO3 46 Hình 2-7 Quy trình tạo hạt cacbon nano ống 48 Hình 2-8 Sơ đồ thiết bị nghiên cứu động học trình hấp phụ phenol đỏ 49 Hình 2-9 Sơ đồ nguyên lý trình lưu trữ khí metan vật liệu CNT 51 Hình 2-10 Đồ thị xác định bề mặt riêng theo BET 58 Hình 3-1 Giản đồ nhiễu xạ tia X xúc tác sau khử hydro 450oC 61 Hình 3-2 Sự phân bố tâm xúc tác Fe 62 Hình 3-3 Quan hệ nồng độ LPG vận tốc dòng đến lượng CNT tạo thành 67 Hình 3-4 Quan hệ nồng độ LPG nhiệt độ đến lượng CNT tạo thành 68 xvi Hình 3-5 Quan hệ vận tốc dòng nhiệt độ đến lượng CNT tạo thành 68 Hình 3-6 Lượng CNT tạo thành ứng với giá trị nhiệt độ khác 71 Hình 3-7 Lượng CNT tạo thành theo thời gian với chế độ tối ưu 72 Hình 3-8 Ảnh TEM mẫu CNT 670oC 710oC với độ phóng đại 25.000 150.000 lần 74 Hình 3-9 Ảnh SEM mẫu CNT 710oC với độ phóng đại 200.000 50.000 lần 74 Hình 3-10 Ảnh SEM mẫu CNT hãng Showa Denko K.K 75 Hình 3-11 Ảnh TEM mẫu CNT hãng Showa Denko K.K 75 Hình 3-12 Quan hệ nồng độ C2H6 vận tốc dòng đến lượng CNT tạo thành 77 Hình 3-13 Quan hệ nồng độ C2H6 nhiệt độ đến lượng CNT tạo thành 78 Hình 3-14 Quan hệ vận tốc dòng nhiệt độ đến lượng CNT tạo thành 78 Hình 3-15 Ảnh SEM sản phẩm CNT thu từ etan 700°C (A) 780°C (B) 81 Hình 3-16 Ảnh TEM sản phẩm CNT thu từ etan 780oC 81 Hình 3-17 Giản đồ nhiễu xạ tia X CNT thu từ trình tổng hợp LPG 82 Hình 3-18 Mô thiết bị phản ứng ống quartz 84 Hình 3-19 Sự thay đổi nồng độ chất tham gia phản ứng 85 Hình 3-20 Hoạt độ xúc tác giảm dần theo thời gian tổng hợp 86 xvii Hình 3-21 Mô trường vận tốc dòng khí thiết bị phản ứng ống quartz 87 Hình 3-22 Sự thay đổi vận tốc dòng khí thiết bị phản ứng ống quartz 87 Hình 3-23 H2 sinh từ trình lắng đọng cacbon vùng phản ứng 88 Hình 3-24 Mô trường áp suất thiết bị phản ứng ống quartz 89 Hình 3-25 Sự phân bố áp suất thiết bị phản ứng ống quartz 89 Hình 3-26 Ảnh SEM CNT sau tổng hợp 90 Hình 3-27 Ảnh SEM CNTbt 91 Hình 3-28 Ảnh SEM CNTbt bị đứt đoạn (A) xếp chặt (B) 91 Hình 3-29 Nhiễu xạ tia X CNTbt 92 Hình 3-30 Phổ tán sắc EDX CNT 92 Hình 3-31 Phổ tán sắc EDX CNTbt 93 Hình 3-32 Phổ IR CNTbt 94 Hình 3-33 Giản đồ TGA/DTA CNT môi trường không khí 95 Hình 3-34 Giản đồ TGA/DTA CNTbt môi trường không khí 95 Hình 3-35 Giản đồ TGA/DTA CNT môi trường khí argon 96 Hình 3-36 Giản đồ TGA/DTA CNTbt môi trường khí argon 97 Hình 3-37 Ảnh TEM mẫu hạt nung 4000C, O2 (A) mẫu hạt nung 6000C, N2 (B) 98 Hình 3-38 Ảnh SEM mẫu hạt nung 6000C, N2 với độ phóng đại 25 10.000 lần 98 Hình 3-39 Sản phẩm CNT dạng “bột”(A) định hình tạo hạt CNT (B) 99 Hình 3-40 Xác định bước sóng tối ưu cho phenol đỏ 100 Hình 3-41 Xây dựng đường chuẩn phenol đỏ 101 xviii Hình 3-42 Ảnh hưởng nồng độ phenol đỏ ban đầu đến trình hấp phụ 102 Hình 3-43 Đồ thị đẳng nhiệt Freundlich hấp phụ phenol đỏ lên CNTbt 104 Hình 3-44 Đồ thị đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ phenol đỏ lên CNTbt 106 Hình 3-45 Đồ thị đẳng nhiệt Freundlich Langmuir so với đường thực nghiệm 107 Hình 3-46 Động học hấp phụ bậc biểu kiến phenol đỏ lên CNTbt 109 Hình 3-47 Động học hấp phụ bậc hai biểu kiến phenol đỏ lên CNTbt 111 Hình 3-48 Độ chuyển hóa phenol đỏ H2O2 Cu/Ag/CNTbt từ 060 phút 113 Hình 3-49 Độ chuyển hóa phenol đỏ H2O2 Cu/Ag/CNTbt từ 1060 phút 114 Hình 3-50 Quan hệ ln(C0/C) thời gian phản ứng nhiệt độ khác 115 Hình 3-51 Quan hệ lnk 1/T 117 MỞ ĐẦU Cuối kỷ 20 đầu kỷ 21, chứng kiến xuất lĩnh vực khoa học công nghệ mới: vật liệu nano (nano materials) Vật liệu nano cách nói tắt thuật ngữ mô tả tập hợp nguyên tử, phân tử (ion) thành đơn vị vật chất có kích thước cỡ nano mét (nm, 1nm 10-9m) Người ta cho rằng, nano mét điểm mốc kì diệu thang đo độ dài, người ta chế tạo đơn vị vật liệu nhỏ đến mức tiếp cận với nguyên tử, phân tử giới tự nhiên [44] Thực vậy, nhà hóa học tiếng Richard Smalley, giải thưởng Nobel, nói rằng: “Hãy đợi đấy! tưong lai tới tuyệt vời Chúng ta tạo thứ khác có kích thước nhỏ đến nguyên tử Các vật liệu nano làm cách mạng công nghiệp sống chúng ta”[89] Những thuộc tính lạ vật liệu nano hiệu ứng kích thước hiệu ứng “khép kín” tạo Cho đến nay, người chưa hiểu hết qui luật tác động hệ nano Nhưng chắn rằng, định luật vật lý, học, hóa học, hệ vĩ mô (vật liệu khối) hệ vi mô (nguyên tử, phân tử) không áp dụng cho hệ nano Sự khác tạo tính chất đặc biệt vật liệu nano [19, 41] Cho đến nay, người ta tìm nhiều dạng vật liệu nano có cấu trúc, thành phần hóa học, khác ứng dụng hiệu nhiều lĩnh vực vật lý, hóa học, sinh học, y học, Đối với hóa học, vật liệu cacbon nano đối tượng quan tâm nghiên cứu vài thập kỉ qua 2 Ở Việt Nam, nói: việc nghiên cứu vật liệu cacbon nano bắt đầu tiến hành theo hai hướng; hướng thứ chế tạo vật liệu cacbon nano sở nguồn nguyên liệu sẵn có khả thi; hướng thứ tìm kiếm ứng dụng hiệu vật liệu cacbon nano lĩnh vực vật liệu mới, công nghiệp hóa học xử lý môi trường Xuất phát từ tình hình nêu trên, luận án lựa chọn mục tiêu nghiên cứu là: (i) tiếp cận công nghệ sản xuất vật liệu cacbon nano tiến đến làm chủ nó, nhằm tạo vật liệu cacbon nano mang nhãn hiệu Việt Nam mà không phụ thuộc vào nguồn cacbon nano từ nước (ii) nghiên cứu ứng dụng bước đầu vật liệu vào lĩnh vực hấp phụ, xúc tác nhằm xử lý chất hữu độc hại gây ô nhiễm môi trường Để thực hai mục tiêu đó, nội dung luận án đặt là: - Chế tạo xúc tác Fe/γ-Al2O3 để phục vụ cho trình tổng hợp CNT - Lắp đặt hệ thiết bị tổng hợp CNT hệ xúc tác Fe/γ-Al2O3 với nguồn cacbon từ etan LPG theo phương pháp CVD - Nắm vững qui trình vận hành thông số tổng hợp CNT theo phương pháp CVD, tạo CNT có chất lượng ổn định - Tạo hình CNT theo dạng hạt để tiện lưu trữ vận chuyển - Nghiên cứu ứng dụng bước đầu xử lý chất hữu độc hại môi trường khả tăng lưu trữ chất khí có mặt vật liệu CNT Trên sở nội dung nghiên cứu luận án, tác giả đề xuất qui trình sản xuất CNT qui mô nhỏ làm chủ công nghệ tổng hợp CNT từ nguồn cacbon etan LPG sẵn có Việt Nam theo phương pháp CVD Nghiên cứu khả hấp phụ CNT phenol đỏ khả oxy hóa phenol đỏ hệ xúc tác CNT nghiên cứu khả tăng lưu trữ khí CH4 [...]... áp dụng được cho hệ nano Sự khác nhau đó đã tạo ra những tính chất đặc biệt của vật liệu nano [19, 41] Cho đến nay, người ta đã tìm ra nhiều dạng vật liệu nano có cấu trúc, thành phần hóa học, khác nhau được ứng dụng rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như vật lý, hóa học, sinh học, y học, Đối với hóa học, vật liệu cacbon nano là một trong các đối tượng được quan tâm nghiên cứu trong vài thập kỉ qua và. .. trong vài thập kỉ qua và hiện nay 2 Ở Việt Nam, có thể nói: việc nghiên cứu vật liệu cacbon nano chỉ mới bắt đầu và được tiến hành theo hai hướng; hướng thứ 1 là chế tạo vật liệu cacbon nano trên cơ sở nguồn nguyên liệu sẵn có và khả thi; hướng thứ 2 là tìm kiếm các ứng dụng hiệu quả của vật liệu cacbon nano trong lĩnh vực vật liệu mới, trong công nghiệp hóa học và xử lý môi trường Xuất phát từ tình... tiêu nghiên cứu là: (i) tiếp cận được công nghệ sản xuất ra vật liệu cacbon nano và tiến đến làm chủ được nó, nhằm tạo ra vật liệu cacbon nano mang nhãn hiệu Việt Nam mà không phụ thuộc vào nguồn cacbon nano từ nước ngoài (ii) nghiên cứu ứng dụng bước đầu của vật liệu này vào lĩnh vực hấp phụ, xúc tác nhằm xử lý các chất hữu cơ độc hại gây ô nhiễm môi trường Để thực hiện hai mục tiêu đó, nội dung của. .. lưu trữ các chất khí khi có mặt của vật liệu CNT Trên cơ sở nội dung nghiên cứu của luận án, tác giả đề xuất qui trình sản xuất CNT qui mô nhỏ và làm chủ công nghệ tổng hợp CNT đi từ nguồn cacbon là etan và LPG sẵn có ở Việt Nam theo phương pháp CVD Nghiên cứu khả năng hấp phụ của CNT đối với phenol đỏ và khả năng oxy hóa phenol đỏ trên hệ xúc tác CNT và nghiên cứu khả năng tăng lưu trữ khí CH4 ... qua của cấu trúc MWCNT 8 Hình 1-6 Vùng hoá trị và vùng dẫn của graphit hai chiều 11 Hình 1-7 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị tổng hợp CNT bằng phương pháp hồ quang 13 Hình 1-8 Sơ đồ thiết bị tổng hợpCNT bằng phương pháp cắt gọt Laze 14 Hình 1-9 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống tổng hợp cacbon nano bằng phương pháp CVD 16 Hình 1-10 Cấu trúc của vật liệu cacbon nano. .. đến từng nguyên tử Các vật liệu nano đó sẽ làm cách mạng nền công nghiệp và cuộc sống của chúng ta”[89] Những thuộc tính mới lạ của vật liệu nano là do hiệu ứng kích thước hoặc hiệu ứng “khép kín” tạo ra Cho đến nay, người ra vẫn chưa hiểu hết các qui luật tác động trong các hệ nano Nhưng chắc chắn rằng, các định luật vật lý, cơ học, hóa học, trong các hệ vĩ mô (vật liệu khối) và trong các hệ vi mô... đặt ra là: - Chế tạo xúc tác Fe/γ-Al2O3 để phục vụ cho quá trình tổng hợp CNT - Lắp đặt hệ thiết bị tổng hợp CNT trên hệ xúc tác Fe/γ-Al2O3 với nguồn cacbon từ etan và LPG theo phương pháp CVD - Nắm vững qui trình vận hành và các thông số tổng hợp CNT theo phương pháp CVD, tạo ra CNT có chất lượng ổn định - Tạo hình CNT theo dạng hạt để tiện lưu trữ và vận chuyển - Nghiên cứu ứng dụng bước đầu trong... hợp vật liệu cacbon nano theo CVD 41 Hình 2-2 Hệ thiết bị tổng hợp CNT lắp đặt tại PTN ĐHBK Đà Nẵng 42 Hình 2-3 Sơ đồ qui trình tẩm xúc tác Fe/-Al2O3 43 Hình 2-4 Sơ đồ tổng hợp cacbon nano ống bằng LPG với xúc tác Fe/γAl2O3 45 Hình 2-5 Sơ đồ oxy hóa CNT bằng axit mạnh 46 Hình 2-6 Quy trình oxy hóa CNT bằng axit HNO3 46 Hình 2-7 Quy trình tạo hạt cacbon nano ống ... CNT bằng axit và các phản ứng với amin hoặc rượu 24 xv Hình 1-18 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên HPVL&HPHH 26 Hình 1-19 Sáu kiểu đường đẳng nhiệt hấp phụ 27 Hình 1-20 Phản ứng không có xúc tác và có xúc tác 34 Hình 1-21 Chất mang xúc tác vô cơ (a) và bó CNT hoặc CNF (b) 37 Hình 1-22 Sơ đồ phản ứng oxy hóa phenol theo Devlin và Harris 38 Hình 2-1 Sơ đồ hệ thiết bị tổng hợp vật. .. giữa ln(C0/C) và thời gian phản ứng ở các nhiệt độ khác nhau 115 Hình 3-51 Quan hệ giữa lnk và 1/T 117 1 MỞ ĐẦU Cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, chúng ta được chứng kiến sự xuất hiện của một lĩnh vực khoa học công nghệ mới: đó là vật liệu nano (nano materials) Vật liệu nano là cách nói tắt của thuật ngữ mô tả một tập hợp các nguyên tử, phân tử (ion) thành các đơn vị vật chất có kích