Tổng hợp tinh thể graphene tinh khiết từ khí co ở áp suất thường

Các nhà nghiên cứu đến từ Viện Khoa học và công nghệ Skolkovo, Viện Vật lý kỹ thuật Moskva, Viện Vật lý chất rắn (LB Nga), Trường đại học tổng hợp Ааltо (Phần Lan) và các trung tâm khoa học khác lần đầu tiên nghiên cứu ra phương pháp tổng hợp graphen từ khí CO. Phương pháp mới cho phép thu được graphen chất lượng cao, giá thành tương đối rẻ, thiết bị sử dụng để tổng hợp lại đơn giản.

Hình ảnh các tinh thể khắc trên graphen trong phòng thí nghiệm của viện khoa học và công nghệ Skolkovo. Vùng sáng –graphen, vùng tối – Cu ở dạng oxi hoá. Hình ảnh được tạo ra do một phần graphen bị ăn mòn bởi khi CO trong thí nghiệm khi chưa tìm ra tỉ lệ khí tối ưu

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Science. Kết tủa từ pha khí là phương pháp tiêu chuẩn để tổng hợp graphen, một vật liệu có các tính chất điện tử và nhiều tính chất độc đáo khác. Vật liệu này có cấu trúc như một dàn tinh thể hình tổ ong dưới dạng tấm phẳng với độ dày bằng một lớp nguyên tử. Trong quá trình tổng hợp các nguyên tử cacbon tách ra khỏi phân tử khí và kết tủa trên tấm nền bằng một lớp duy . Thường các quá trình này xảy ra trong chân không trên tấm phủ Cu, và sử dụng nguồn nguyên liệu là các hidrocacbon như: methan, propan, acetylen, alcol…

Theo giáo sư Albert Nasibulin từ Viện Khoa học và công nghệ Skolkovo, ý tưởng tổng hợp graphen từ khí CO đã có từ lâu, chất khí này được sử dụng để tổng hợp các ống nanocacbon một lớp. Họ đã làm việc với khí CO gần 20 năm. Tuy nhiên, trải qua một thời gian dài trước khi họ tìm ra phương pháp mới, những thử nghiệm đầu tiên tổng hợp graphen đã không thành công. Ưu điểm của phương pháp mới là các phân tử khí CO chỉ phân hủy trên bề mặt chất xúc tác, điều này cho phép quá trình tổng hợp graphen lớp đơn với c ác tinh thể lớn có thể tự giới hạn ở áp suất thường.

Ở nhiệt độ cao các phân tử khí CO tiến gần đến tấm nền Cu xúc tác, phân hủy thành các nguyên tử cacbon và oxi. Lớp tinh thể cacbon tạo ra không cùng với khí bị tách ra khỏi tấm xúc tác thành từng lớp, mà hướng đến hình thành lớp đơn nên quá trình tổng hợp này được gọi là quá trình tự giới hạn.

Theo Artem Grebenko, tác giả đầu tiên của nghiên cứu thì hệ thống mà họ sử dụng có nhiều ưu điểm. Graphen tạo ra có độ tinh khiết hơn và quá trình tổng hợp cũng nhanh hơn. Ngoài ra việc sử dụng khí CO loại bỏ được nguy cơ cháy nổ do không có khí hidro cũng như các khí dễ nổ khác trong hệ phản ứng. Vì không có nguy cơ cháy nổ, nên không cần tạo ra chân không. Thiết bị làm việc ở áp suất thường, do vậy mà việc lắp đặt đơn giản hơn rất nhiều so với hệ thống thiết bị kết tủa từ pha khí bình thường.

Cũng theo lời giáo sư Boris Gorshunov từ Viện Vật lý kỹ thuật Moskva, một trong các tác giả của nghiên cứu, nhờ có phương pháp tổng hợp mới, graphen tạo ra có chất lượng cao, có thể sử dụng trong lĩnh vực điện tử.

Ngoài những ứng dụng của graphen ở dạng tinh khiết, các nhà khoa học còn cho biết tiềm năng sử dụng graphen cùng với tấm Cu xúc tác. Khí CO có năng lượng liên kết với kim loại cao hơn so với khí methan, nên graphen kết tủa không chỉ bảo vệ lớp Cu khỏi các phản ứng hóa học mà còn làm cho nó có cấu trúc bề mặt đặc biệt với tính chất xúc tác tối ưu. Với một số kim loại khác như Ru và Pd cũng giống như vậy, cho nên có thể nói về hướng nghiên cứu tổng thể các vật liệu mới có bề mặt đặc biệt này.

Nguồn: https://naked-science.ru

Nguyễn Thị Thanh Tâm - Phòng TTKHQS (dịch)