Phân tích nhóm chức bề mặt carbon bằng Thế Zeta

Phân tích nhóm chức bề mặt carbon bằng thế Zeta (StabinoZeta)

Carbon tồn tại ở nhiều dạng thù hình khác nhau, với các tính chất vật lý rất khác nhau, vì vậy có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng. Carbon black có nhiều dạng khác nhau; được dùng làm bột màu, trong công nghiệp cao su, làm chất mài mòn dưới dạng kim cương, và làm chất bôi trơn nhờ cấu trúc lớp của graphite.

Ngoài ra, các dạng carbon có tính dẫn điện cũng tồn tại. Graphite và CNT có thể được sử dụng làm phụ gia cho polymer nhằm tăng độ dẫn điện, đồng thời cũng được dùng làm vật liệu điện cực, ví dụ trong pin nhiên liệu (SOFC) hoặc hệ lưu trữ năng lượng như pin lithium-ion.

Mặc dù các dạng biến thể thù hình của carbon khác nhau rõ rệt về mặt vĩ mô, nhưng hóa học bề mặt của chúng lại tương đối tương đồng, đồng thời cũng rất phức tạp.

Trong quá trình sản xuất, tinh chế và biến tính bề mặt có chủ đích, nhiều nhóm chức khác nhau được hình thành (như carboxyl, lactone, phenol, carbonyl, anhydride), và các nhóm này có ảnh hưởng quyết định đến quá trình gia công cũng như các tính chất của sản phẩm.

Các phương pháp quang phổ thường được sử dụng để đặc trưng các nhóm chức trên bề mặt, tuy nhiên các phương pháp này chỉ cung cấp thông tin mang tính định tính. Việc xác định định lượng chủ yếu được thực hiện bằng phép chuẩn độ Boehm. 

Phương pháp Boehm titration truyền thống thường được sử dụng để phân tích nhóm chức trên vật liệu carbon. Tuy nhiên, phương pháp này có một số hạn chế:

• Thời gian phân tích kéo dài

• Độ chính xác và độ lặp lại hạn chế

• Không phân biệt rõ giữa nhóm chức trên bề mặt và nhóm chức nằm sâu trong khối vật liệu

Trong khi đó, chỉ các nhóm chức bề mặt thực sự tham gia vào tương tác vật liệu, do đó kết quả từ Boehm titration không luôn phản ánh đúng hành vi thực tế của carbon trong ứng dụng.

Phân tích nhóm chức bề mặt carbon bằng thế Zeta (StabinoZeta)

Cả phép đo sự phụ thuộc của thế zeta theo pH và việc xác định điện tích bề mặt đều cung cấp những thông tin quan trọng về loại và số lượng các nhóm chức trên vật liệu carbon.

Chuẩn độ pH (pH titration)

Trong phép chuẩn độ pH, mối quan hệ giữa thế zeta và giá trị pH được xác định. Qua đó, một mặt có thể xác định các khoảng pH mà hệ phân tán ổn định, mặt khác có thể xác định điểm đẳng điện (IEP – isoelectric point).

Hình 1 minh họa ảnh hưởng của điều kiện sản xuất đến các khoảng ổn định và giá trị IEP của vật liệu carbon. 

Việc nắm rõ điểm đẳng điện (IEP) cho phép xác định nhanh chóng và chính xác các vật liệu đầu vào phù hợp cho từng ứng dụng khác nhau, đồng thời nhận biết các khoảng pH mà hệ phân tán đạt độ ổn định cao.

Polyelectrolyte Titration

Thông tin chi tiết hơn nhiều về hóa học bề mặt có thể thu được thông qua việc xác định mật độ điện tích bề mặt. Hình 2 cho thấy ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng khác nhau trong quá trình oxy hóa carbon black được sản xuất bằng phương pháp nhiệt phân ngọn lửa đến mật độ điện tích bề mặt.

Trong quá trình chuẩn độ, Poly-DADMAC được hấp phụ lên bề mặt hạt và trung hòa điện tích. Bên cạnh việc định lượng các vị trí hấp phụ hoặc các vị trí phối trí, phương pháp chuẩn độ polyelectrolyte còn phù hợp cho mục đích kiểm soát chất lượng.

Việc kết hợp cả hai phương pháp, tức là đo mật độ điện tích bề mặt tại các giá trị pH khác nhau, cho phép phân biệt các nhóm chức trên bề mặt dựa trên độ mạnh axit của chúng (Hình 3).

Chuẩn độ polyelectrolyte cung cấp thông tin về trạng thái điện tích của bề mặt tại các giá trị pH khác nhau. Thông qua phép so sánh (lấy sai khác), lượng điện tích có thể được quy gán cho các nhóm chức khác nhau.

Thông tin chi tiết về thiết bị:

🔗 Máy phân tích độ ổn định và thế zeta StabinoZeta – ITS Vietnam
https://itsvietnam.com.vn/san-pham/may-phan-tich-do-on-dinh-va-the-zeta-stabino-zeta/

Thông tin kỹ thuật từ hãng sản xuất Microtrac:
🔗 https://www.microtrac.com/products/dynamic-light-scattering/stabino-zeta/

🔗 Tải tài liệu kỹ thuật bản pdf tại đây: Link tải

Kết luận

Phân tích nhóm chức bề mặt carbon bằng thế zeta là phương pháp hiệu quả để đánh giá hóa học bề mặt của carbon black, graphite và carbon nanotube. So với Boehm titration, phương pháp này tập trung vào các nhóm chức thực sự tham gia vào tương tác bề mặt, từ đó cung cấp thông tin chính xác và có ý nghĩa hơn cho nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp.