Ống nano carbon và tiềm năng trong vật liệu xúc tác cảm biến

0
1851

Kể từ khi carbon nanotubes (CNTs) được phát hiện bởi Radushkevich và Lukyanovich năm 1952 [1], vật liệu này đã được giới khoa học đánh giá cao và tính chất của nó cũng luôn được thăm dò. Về mặt cấu trúc, CNTs có thể mô tả như một cuộn xoắn của mảng graphene dày 1 nguyên tử carbon, nó có thể được phân thành 2 dạng: ống đơn lớp (single-walled, SWCNTs) và ống đa lớp (multi-walled , MWCNTs). Tính dẫn điện và dẫn nhiệt của CNTs có thể được tạo ra từ việc điều chỉnh (modification), pha tạp (dopping), chức năng hóa bề mặt (side-wall functionalization) hoặc tải nạp (loading) các hạt nano. [2-4] Với việc graphene bao bọc tổ ong graphene, cấu trúc này quyết định tính chất cơ, điện, quang và các tính chất vật lý khác của CNTs. Độ bền và độ cứng cao của CNTs là kết quả của cấu trúc liên kết cộng hóa trị sp2 tạo ra giữa các nguyên tử carbon.[5] Tùy theo cấu trúc nguyên tử của nó mà CNTs thể hiện tính chất như kim loại hoặc chất bán dẫn. [6] Hơn nữa, nó còn thể hiện tính dẫn nhiệt tốt [7] cùng với diện tích bề mặt cao [38]. Để điều chế và phát triển cấu trúc  CNTs, nhiều phương pháp đã được sử dụng bao gồm phóng hồ quang điện (arc discharge) [9-11], đốt plasma [12], đốt laser [13-14], ngưng tụ điện hóa [15] hoặc phương pháp thủy nhiệt [16] hay kỹ thuật CVD [17-21].

b412876a-f2
Sơ đồ điều chế vật liệu CNT-nanoparticle tổng hợp. (a) Oxi hóa và điều chế tiền chất CNT-APTEOS, (b) Sự hình thành của hạt nano silica trong micelles nghịch trong nước-dầu vi nhũ tương.

Với những ưu điểm về mặt cấu trúc, cơ, điện và hóa tính như nêu ở trên, CNTs nhận được nhiều sự chú ý trong lĩnh vực điện hóa. Nhiều ứng dụng điện hóa của CNTs đã được nghiên cứu. Điển hình, Britto và cộng sự [22] tạo ra điện cực biến tính CNTs  sử dụng bromoform làm chất kết dính. Điện cực tao ra được sử dụng để điều tra tính oxi hóa của dopamine. Quá trình oxi hóa trên CNTs đã thu được hiệu quả cao trong phản ứng nghịch của dopamine mà không sử dụng bất kỳ bước tiền xử lý bề mặt kích hoạt. Zhang et al. [23] phát triển cảm biến điện hóa lai DNA bằng việc sử dụng SWCNTs, được tạo ra bằng phương pháp đơn lớp tự lắp ráp trên bề mặt cysteamine. Phản hồi thế của cảm biến được nâng cao do sự tương tác không liên kết giữa MWCNTs và DNA. Luo và cộng sự [24] đã nghiên cứu hiệu suất điện hóa của GCE được nâng cao tính năng với SWCNTs đã được chức năng hóa bởi các nhóm carboxylic. Tính năng xúc tác điện hóa của điện cực SWCNT/GCE được thể hiện trong việc oxi hóa dopamine, epinephrine và ascorbic acid với giới hạn dò tìm và phạm vi tuyến tính tốt. Wang và cộng sự [25] cho biết rằng SWCNTs-GCE đã được sử dụng trong nghiên cứu thế tuần hoàn của 3,4-dihydroxyphenylacetic acid (DOPAC). Giới hạn phát hiện của điện cực biến tính SWCNTs đối với DOPAC ở khoảng 4.0×10−7 mol L-1, chứng minh hiệu năng cao trong xúc tác điện hóa của cảm biến trên. Yang và cộng sự [26] cho thấy dung dịch keo PtNPs sử dụng như chất kết dính trong kiến tạo điện cực MWCNT dán trên giấy carbon (Pt/MWCNT/CPE). Tác động đồng thời của PtNPs và MWCNT đã nâng cao tính năng xúc tác điện hóa của điện cực, trong đó hợp chất nano dùng để phát hiện hydrogen peroxide với độ nhạy cao cũng như phản hồi nhanh.

Ta có thể thấy, CNTs đã được dùng để cải tiến nhiều loại điện cực dùng trong lĩnh vực xúc tác cảm biến, các kết quả cho thấy điện cực cải tiến bằng CNTs có khả năng dò tìm tốt các tác nhân ở nồng độ chất thấp cũng như độ nhạy cao. Những yếu tố trên quyết định siêu tính năng của CNTs ứng dụng trong lĩnh vực điện hóa.

Tài liệu tham khảo

  1. L.V. Radushkevich, V.M. Lukyanovich, The structure of carbon forming in thermal decomposition of carbon monoxide on an iron catalyst, Sov. J. Chem. Phys. 26 (1952) 88-95.
  2. K. Kamaras, M.E. Itkis, H. Hu, B. Zhao, R.C. Haddon, Covalent bond formation to a carbon nanotube metal, Sci. 301 (2003) 1501.
  3. M. Bottini, L. Tautz, H. Huynh, E. Monosov, N. Bottini, M.I. Dawson, S. Bellucci, T. Mustelin, Covalent decoration of multi-walled carbon nanotubes with silica nanoparticles, Chem. Commun. (2005) 758-760.
  4. E. Titus, N. Ali, G. Cabral, J. Gracio, P. Ramesh Babu, M.J. Jackson, Chemically functionalized carbon nanotubes and their characterization using thermogravimetric analysis, fourier transform infrared, and raman spectroscopy, J. Mater. Eng. Perform. 15 (2006) 182-186.
  5. M.F. Yu, O. Lourie, M.J. Dyer, K. Moloni, T.F. Kelly, R.S. Ruoff, Strength and breaking mechanism of multiwalled carbon nanotubes under tensile load, Sci. 287 (2000) 637-640.
  6. X. Lu, Z. Chen, Curved Pi-Conjugation, Aromaticity, and the related chemistry of small fullerenes (C60) and single-walled carbon nanotubes, Chem. Rev. 105 (2005) 3643-3696.
  7. E. Pop, D. Mann, Q. Wang, K. Goodson, H. Dai, Thermal conductance of an individual single-wall carbon nanotube above room temperature, Nano Lett. 6 (2005) 96-100.
  8. A. Srivastava, O.N. Srivastava, S. Talapatra, R. Vajtai, P.M. Ajayan, Carbon nanotube filters, Nature 3 (2004) 610-614.
  9. S. Ijima, Helical microtubules of graphitic carbon, Nature 354 (1991) 56-58.
  10. S. Ijima, P.M. Ajayan, T. Ichihashi, Growth model for carbon nanotubes, Phys. Rev. Lett. 69 (1992) 3100-3103.
  11. M.C. Paladugu, K. Maneesh, P.K. Nair, P. Haridoss, Synthesis of carbon nanotubes by arc discharge in open air, Nanosci. Nanotechnol. 5 (2005) 747-752.
  12. K.S. Kim, G. Cota-Sanchez, C. Kingston, M.S. Imris, S.G. Benoît, Large-scale production of single-wall carbon nanotubes by induction thermal plasma, J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 2375-2379.
  13. A. Thess, R. Lee, P. Nikolaev, H. Dai, P. Petit, J. Robert, C. Xu, Y. Lee, S.G. Kim, A.G. Rinzler, D.T. Colbert, G.E. Scuseria, D. Tománek, J.E. Fischer, R.E. Smalley, crystalline ropes of metallic carbon nanotubes, Sci. 273 (1996) 483-487.
  14. S. Takahashi, T. Ikuno, T. Oyama, S.I. Honda, M. Katayama, T. Hirao, K.Oura, Synthesis and characterization of carbon nanotubes grown on carbon particles by using high vacuum laser ablation, J. Vac. Soc. Jpn. 45 (2002) 609-704.
  15. D. Zhou, E.V. Anoshkina , K. Chow , G. Chai, Synthesis of carbon nanotubes by electrochemical deposition at room temperature, Carbon 44 (2006)1013-1024.
  16. Y. Gogotsi, J.A. Libera, M. Yoshimura, Hydrothermal synthesis of multiwall carbon nanotubes, J. Mater. Res. 15 (2000) 2591-2594.
  17. K. Awasthi, A. Srivastava, O.N. Srivastava, Synthesis of carbon nanotubes, J Nanosci. Nanotechnol. 5 (2005) 1616-1636.
  18. M. Endo, Grow carbon fibers in the vapor phase, Chemtech 18 (1988) 568-576.
  19. R.T.K. Baker, Catalytic growth of carbon filaments, Carbon 27 (1989) 315-323.
  20. J.L. Pinilla, R. Moliner, I. Suelves, M. Lazaro, Y. Echegoyen, J.M. Palacios, Production of hydrogen and carbon nanofibers by thermal decomposition of methane using metal catalysts in a fluidized bed reactor, Int. J. Hydrogen Energy 32 (2007) 4821-4829.
  21. L. Huang, X. Cui, B. White, S.P. O‘Brien, Long and oriented single-walled carbon nanotubes grown by ethanol chemical vapor deposition, J. Phys. Chem. B, 108 (2004) (42) 16451-16456.
  22. P.J. Britto, K.S.V. Santhanam, P.M. Ajayan, Carbon nanotube electrode for oxidation of dopamine, Bioelectrochem. Bioenerget. 41 (1996) 121-125.
  23. Q. Zhang, B. Piro, V. Noël, S. Reisberg, M. Pham, Applications of carbon nanotubes to electrochemical DNA sensors: a new strategy to make direct and selective hybridization detection from SWNTs, Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 1 (2010) 045011-1-8.
  24. H. Luo, Z. Shi, N. Li, Z. Gu, Q. Zhuang, Investigation of the electrochemical and electrocatalytic behavior of single-wall carbon nanotube film on a glassy carbon electrode, Anal Chem. 3 (2001) 915-920.
  25. J. Wang, M. Li, Z. Shi, N. Li, Z, Gu, Electrocatalytic oxidation of 3,4-dihydroxyphenylacetic acid at a glassy carbon electrode modified with single-wall carbon nanotubes, Electrochem. Acta 47 (2001) 651-657.
  26. M. Yang, Y. Yang, Y. Liu, G. Shen, R. Yu, Platinum nanoparticles-doped sol–gel/carbon nanotubes composite electrochemical sensors and biosensors, Biosens. Bioelectron. 21 (2006) 1125-1131.

 

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here