TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008

19

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VIỆC LỰA CHỌN
XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP
VẬT LIỆU NANO CARBON DẠNG ỐNG VÀ
SỢI (CNT VÀ CNF) BẰNG PHƯƠNG PHÁP
KẾT TỤ HÓA HỌC TRONG PHA HƠI (CVD)
THEORETICAL BASIS OF THE CATALYST CHOICES
FOR THE SYNTHESIS OF THE CARBON NANO TUBE (CNT)
AND THE CARBON NANO FIBRE (CNF) BY
THE CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (CVD) METHOD

NGUYỄN ĐÌNH LÂM
Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng
HUỲNH ANH HOÀNG
Trung tâm Ứng dụng Tiến bộ Khoa học và Công nghệ,
Sở Khoa học và Công nghệ Tp. Đà Nẵng

TÓM TẮT
Việc lựa chọn xúc tác phù hợp cho quá trình phát triển các sản phẩm carbon nano
dạng ống và dạng sợi là một trong những điều kiện quan trọng bảo đảm cho sự thành
công của quá trình tổng hợp và điều chỉnh các cấu trúc nano thu được. Chúng tôi đã
thực hiện các nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của các hệ xúc tác kim loại khác nhau, từ
đó đã đưa ra được các xúc tác khác nhau cho phép thu được các sản phẩm nano
carbon mong muốn là nano carbon dạng ống và dạng sợi (CNT và CNF). Các nghiên
cứu đánh giá đặc trưng của sản phẩm bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính
hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho phép chứng minh sự đồng nhất của các sản phẩm
nano thu được.


quartz, (6) Bình sục khí, (7) Máy sắc ký khí.[6]
Sự phát hiện ra carbon nanotube đã khởi động lại việc nghiên cứu các ý nghĩa
khoa học của một cấu trúc tưng tự của nó, đó là carbon nanofibre (CNF). Carbon
nanofibre là những hợp chất được tạo nên từ nhữn g tấm graphène hình nón được xếp
chồng lên nhau. Các phương pháp đã và đang được nghiên cứu sử dụng để tổng hợp
carbon nanotube và nanofibre có thể liệt kê như sau:
− Phương pháp hồ quang (Electric Arc);
− Phương pháp cắt gọt nhờ laser (Ablation laser);
− Phương pháp phân huỷ xúc tác các khí chứa carbon hay phương pháp kết tụ hóa
học trong pha hơi (Chemical Vapor Deposition - CVD).
Trong 3 phương pháp này, phương pháp CVD là có triển vọng nhất để sản xuất
carbon nanotube và nanofibre nhờ chi phí sản xuất thấp và hiệu suất cao. Hơn nữa,
phương pháp này tương đối đơn giản khi chuyển từ phòng thí nghiệm sang áp dụng thực
tế. Nguyên tắc của phương pháp này dựa trên việc phân huỷ hỗn hợp khí chứa carbon
(1)
(1)
(1)
(1)
(2)
(2)
(2)
(2)
(3)
(3)
(3)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)

cứu, chúng tôi nhận thấy rằng các giản đồ pha hệ hai cấu tử của carbon với Ni, Fe và Co
có những tính chất hoàn toàn tương tự nhau mà không tìm thấy đối với các kim loại hay
nguyên tố khác. Cả ba kim loại này đều có khả năng hòa tan carbon từ 0,5 – 1% để hình
thành các dung dịch rắn trong khoảng nhiệt độ từ 800 – 900°C [13]. Đối với sắt (Fe),
khi nồng độ của carbon trong dung dịch rắn với sắt (Fe) đạt đến trạng thái bão hòa, hợp
chất carbide (Fe
3
C) sẽ được tạo thành và tích tụ lại trong kim loại cho đến khi đạt trạng
thái bão hòa nâng hàm lượng carbon trong hợp kim lên đến 6,67%. Vượt quá giá trị này
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008

22

các graphit sẽ được hình thành và khi kim loại xúc tác có kích thước nano thì các
graphit hình thành sẽ có cấu trúc nano ống (CNT) hay nano sợi (CNF). Sự xuất hiện của
pha Fe
3
C đã được phát hiện trong các sản phẩm nano carbon thu được trên xúc tác Fe
như phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Kết quả tương tự với sự xuất hiện Co
3
C cũng
được tìm thấy trên vật liệu nano carbon thu được với xúc tác Co kim loại như được trình
bày trên hình 2.
Sự khuếch tán nhanh của carbon trong sắt cho phép sự hình thành carbide một
cách nhanh chóng và thúc đẩy quả trình kết tụ graphit. Với các kim loại như cobalt và
nickel, một trạng thái giả bền của các carbide (Co
3
C, Co
2
C và Ni

C
2
. Sự kết tụ
của carbon không thể xuất hiện cho đến khi tất cả các dạng carbide này được tạo thành,
điều này đòi hỏi một nồng độ carbon rất cao trong hệ. Do đó, thời gian cần thiết cho
động học của quá trình khuếch tán các carbon và sự hình thành các carbide này sẽ làm
chậm quá trình kết tụ graphit từ đó sẽ ngăn cản sự hình thành các cấu trúc nano carbon.
Các dạng carbide loại này trong các hệ của crom và mangan được mô tả trên hình 4.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008

23Hình 4 : Giản đồ pha hệ hai cấu tử của C – Cr và C – Mn.
Tóm lại, để bảo đảm sự phát triển của các cấu trúc nano carbon nghiên cứu,
CNT và CNF, theo phương pháp kết tụ hóa học trong pha hơi (Chemical Vapor
Deposition – CVD), các xúc tác kim loại cần có khả năng hòa tan carbon vừa đủ trong
điều kiện phản ứng, sự khuếch tán nhanh của các nguyên tử carbon và hạn chế sự hình
thành của các pha carbide. Ngoại trừ các kim loại sắt (Fe), cobalt (Co) và Nickel (Ni),
không có một nguyên tố nào khác đã được nghiên cứu thỏa mãn các yêu cầu trên cho
việc xúc tác tổng hợp CNT và CNF bằng phương pháp CVD.
3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm
Trên cơ sở các nghiên cứu lý thuyết này, chúng tôi đã tiến hành tổng hợp các
cấu trúc nano carbon với hai loại xúc tác chính được chọn đó là các kim loại sắt và
nickel. Kích thước nano của các tâm xúc tác kim loại này sẽ được bảo đ ảm khi chúng
tôi tiến hành phân tán chúng trên các chất mang thông dụng (γ-Al
2
O
3
) hoặc trên các

Trên hình 6 là một số hình ảnh của các sản phẩm CNF được tổng hợp thành công trên
các chất mang carbon có cấu trúc ảnh thu được từ máy ảnh quang học và từ kính hiển vi
điện tử quét (SEM):

Trên mousse carbon: Trên đệm carbon:

Trên vải carbon:
Hình 6: Ảnh quang học và ảnh thu được từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) của các sản phẩm
CNF phát triển trên xúc tác 1% Ni trên chất mang carbon có cấu trúc.
Cấu trúc morphology của các dạng composite của CN F/C có cấu trúc thu được
được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy toàn bộ bề mặt của
carbon macroscopic ban đầu đã được phủ một lớp dày CNF với kích thước khá đồng
nhất trên đệm carbon. Các CNF được gắn kết chặ t chẽ trên các bề mặt carbon
macroscopic có chiều dài lên đến hàng chục micro mét.
4. Kết luận
Kết quả thu được từ các nghiên cứu này đã cho phép chúng tôi xây dựng được
các quy trình công nghệ tổng hợp các dạng cấu trúc nano carbon khác nhau đang được
nghiên cứu rất mạnh mẽ trên thế giới, đó là CNT và CNF bằng phương pháp kết tụ hóa
học trong pha hơi (Chemical Vapor Deposition – CVD). Quy trình này hoàn toàn phù
hợp với điều kiện của nước ta do chi phí đầu tư có thể chấp nhận được, có khả năng
tổng hợp với số lượng lớn và dễ dàng triển khai sản xuất khi có yêu cầu. Việc lựa chọn
sản phẩm nghiên cứu CNT và CNF/Carbon có cấu trúc mở ra một khả năng ứng dụng
tiềm tàng của vật liệu nano carbon trong công nghiệp và đời sống.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(29).2008

25

1973; 30(1):86–95.
[13] Christian P. Deck, Kenneth Vecchio, Prediction of carbon nanotube growth success
by the analysis of carbon–catalyst binary phase diagrams, Carbon 44 (2006) 267–
275.
[14] Baker H, editor. Alloy phase diagrams. ASM International; 1992.
[15] Metallography, structures and phase diagrams. Metals Park, OH: American Society
for Metals; 1973.
[16] Hansen M. Constitution of binary alloys. 2nd ed. New York: McGraw-Hill; 1958.