Tối ưu hóa quá trình tổng hợp Cacbon Nano ống từ LPG

Quá trình tổng hợp cacbon nano ống (CNTs) bằng phương pháp kết tụ hóa học trong pha hơi trên bề mặt xúc tác (CVD) phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ pha khí, nhiệt độ, vận tốc dòng, thời gian tổng hợp, chất xúc tác... do đó chất lượng, sản lượng CNTs tạo ra cũng sẽ khác nhau. Kết hợp các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng qui hoạch thực nghiệm để xác định các giá trị tối ưu cho thấy khi nồng độ LPG là 31%, vận tốc dòng khí là 3.2cm/phút và nhiệt độ tổng hợp là 710 oC thì lượng CNTs tạo ra là lớn nhất với tỷ lệ CNT tạo thành trên đơn vị khối lượng xúc tác là 12.2 lần. Chất lượng CNT được đánh giá bằng phương pháp Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho thấy tính ổn định cao, không thấy xuất hiện cacbon vô định hình và các cấu trúc nano khác.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tối ưu hóa quá trình tổng hợp Cacbon Nano ống từ LPG TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(38).2010 TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP CACBON NANO ỐNG TỪ LPG OPTIMIZATION OF THE CARBON NANOTUBE (CNT) FROM LIQUEFIED PETROLEUM GAS (LPG) AS FEEDSTOCK Huỳnh Anh Hoàng Nguyễn Hữu Phú Trần Châu Cẩm Hoàng, Sở Tài nguyên và Môi trường Viện Hóa học - Viện Khoa học Nguyễn Đình Lâm Thành phố Đà Nẵng và Công nghệ Việt Nam Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Quá trình tổng hợp cacbon nano ống (CNTs) bằng phương pháp kết tụ hóa học trong pha hơi trên bề mặt xúc tác (CVD) phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ pha khí, nhiệt độ, vận tốc dòng, thời gian tổng hợp, chất xúc tác... do đó chất lượng, sản lượng CNTs tạo ra cũng sẽ khác nhau. Kết hợp các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng qui hoạch thực nghiệm để xác định các giá trị tối ưu cho thấy khi nồng độ LPG là 31%, vận tốc dòng khí là o 3.2cm/phút và nhiệt độ tổng hợp là 710 C thì lượng CNTs tạo ra là lớn nhất với tỷ lệ CNT tạo thành trên đơn vị khối lượng xúc tác là 12.2 lần. Chất lượng CNT được đánh giá bằng phương pháp Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho thấy tính ổn định cao, không thấy xuất hiện cacbon vô định hình và các cấu trúc nano khác. ABSTRACT The synthesis of carbon nanotubes (CNTs) by the chemical vapor deposition method (CVD) depends on many factors such as vapour composition, temperature, flow velocity, synthesis time, catalyst... so that the yield and quality of the CNT product could be different. By combining the results from laboratory studies with the experimental planning application, we have determined the optimal conditions for the CNT synthesis with the LPG concentration, flow o velocity and temperature of 31%, 3.2 cm/min and 710 C respectively. At this condition, the weight ratio of CNTs/catalyst is 12.2. The characterization the CNT product by TEM shows that the CNT quality has high stability and the amorphous and other carbon nanostructures do not appear. 1. Đặt vấn đề Ngày nay, để tổng hợp cacbon nano ống (CNTs) hay sợi (CNFs) người ta sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp cắt gọt bằng tia laser, phương pháp hồ quang, phương pháp hóa ướt, phương pháp cơ học, phương pháp kết tụ hóa học (CVD)… Tùy theo từng điều kiện nghiên cứu cũng như lĩnh vực ứng dụng mà việc lựa chọn phương pháp cũng sẽ khác nhau.Trong các phương pháp nêu trên, với trang thiết bị hiện có của phòng thí nghiệm, chúng tôi lựa chọn phương pháp CVD để tạo ra CNTs với nguồn cacbon là khí hóa lỏng LPG thường dùng trong sinh hoạt gia đình và xúc tác được lựa chọn là Fe/γ-Al2O3. Tổng hợp CNT theo phương pháp CVD sử dụng nguồn nguyên liệu là LPG rất ít được công bố trên thế giới và là lần đầu tiên được nghiên cứu ở Việt Nam. 52  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(38).2010 Qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm thăm dò, chúng tôi nhận thấy rằng có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sản phẩm CNT tạo ra trong đó 3 yếu tố nhiệt độ tổng hợp, nồng độ LPG (%) và vận tốc dòng khí hỗn hợp đi qua thiết bị (cm/phút) có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tạo thành sản phẩm cũng như tính ổn định của CNT. Để số thí nghiệm khảo sát là ít nhất mà vẫn xác định được các điều kiện tối ưu với hàm mục tiêu là tối đa lượng sản phẩm CNT thu được, chúng tôi đã sử dụng bài toán qui hoạch thực nghiệm, xác định được phương trình hồi qui dạng tuyến tính hoặc phi tuyến, từ đó cho phép xác định được điều kiện làm việc tối ưu với mục tiêu nêu trên. Quá trình khảo sát, phân tích số liệu và tính toán tối ưu chúng tôi sử dụng phần mềm thống kê STATISTICA 7 và Solver- MS Excel. 2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 2.1. Vật liệu - Nguyên liệu chính để tổng hợp cacbon nano: Bình khí LPG, loại 13kg, áp suất 5.5kg/cm2; bình khí H2, loại 47kg, áp suất 200 kg/cm2; bình khí N2, loại 47kg, áp suất 200 kg/cm2; xúc tác 17% Fe/γ-Al2O3. - Hệ thống lò nung kiểu ống với vùng nhiệt độ làm việc từ 0-1000 oC, thiết bị điều khiển lưu lượng dòng và tín hiệu nhiệt tự động. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu lý thuyết các quá trình tổng hợp CNT, CNF từ các nguyên liệu khác nhau như acetylen; ethan; ethanol, LPG và các nghiên cứu thăm dò trên nguyên liệu LPG cho phép chúng tôi xác định sơ bộ các giá trị tổng hợp, hạn chế số lượng thí nghiệm xa vùng tối ưu, trong đó yếu tố nhiệt độ của quá trình tổng hợp là quan trọng nhất. Chẳng hạn, khi tổng hợp CNTs đi từ Ethane hay LPG thì nhiệt độ tổng hợp thường là 650-750 oC [1], [2]. Việc tạo thành cacbon nano dạng ống hay dạng sợi phụ thuộc ...