Tổng hợp, đặc trưng của vật liệu cacbon xốp meso CMK - 3 đi từ khuôn cứng SBA - 15 và khả năng ứng dụng làm siêu tụ điện hóa

Tạp chí Khoa học và Công nghệ 141 (2020) 051-056 
51 
Tổng hợp, đặc trưng của vật liệu cacbon xốp meso CMK-3 đi từ khuôn 
cứng SBA-15 và khả năng ứng dụng làm siêu tụ điện hóa 
Synthesis, Characteristics of CMK-3 Carbon Materials Derived on Various SBA-15 Templates and 
their Application in Electrochemical Supercapacitors 
Bùi Thị Thanh Huyền1, Lê Thị Thu Hằng2* 
1 Trường Đại học Xây dựng - Số 55 Giải Phòng, Hai Bà Trưng, Hà Nội 
2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội 
Đến Tòa soạn: 09-9-2019; chấp nhận đăng: 20-3-2020 
Tóm tắt 
Vật liệu khuôn SBA-15 đã tổng hợp thành công từ nguồn hóa chất tinh khiết ở các chế độ khuấy trộn 2, 6,10 
phút và nhiệt độ thủy nhiệt 80, 100, 120 
o
C. Bằng kỹ thuật thấm ướt sucrose như là nguồn cacbon, vật liệu 
cacbon xốp meso CMK-3 đã được tổng hợp từ các vật liệu khuôn silica SBA-15 khác nhau. Kết quả nghiên 
cứu SEM, TEM, XRD và BET cho thấy, các mẫu CMK-3 chế tạo được là vật liệu cacbon xốp meso, có cấu 
trúc trật tự, tồn tại ở trạng thái vô định hình. CMK-3 có hình thái dạng que ngắn với kích thước khoảng 800 
nm, tương tự như hình dáng của khuôn SBA-15. Đường cong quét thế vòng cho thấy CMK-3 sử dụng khuôn 
SBA-15 được thủy nhiệt ở 100 °C là mẫu cho đáp ứng siêu tụ tốt nhất. 
Từ khóa: Cacbon xốp meso, CMK-3, SBA-15, Siêu tụ, Thấm ướt sucrose 
Abstract 
In this work, mesoporous silica SBA-15 has been synthesized from pure chemicals at different stirring 
regimes (2, 6, 10 minutes) and hydrothermal temperatures (80, 100, 120 
o
C). Then, ordered mesoporous 
carbon materials (CMK-3) with very high surface area and pore volume has been succesfully prepared by 
incipient wetness impregnation technique using sucrose as carbon source and SBA-15 as hard templates. 
The obtained results of SEM, TEM, XRD and BET analyses showed that the sysnthesized CMK-3 samples 
possessed ordered mesoporous structure, and existed amorphous phase. The CMK-3 materials were 
composed of short nanorods with a size of 800 nm, which is analogous to the SBA-15 templates. The 
measured cyclic voltammetry results demonstrated that the CMK-3/100 electrode with the SBA-15 template 
synthesized at 100 
o
C exhibited the excellent supercapacitive behavior in 6 M KOH electrolyte with a highest 
specific capacitance of 95.8 F/g. 
Keywords: Mesoporous carbon, CMK-3, SBA-15, Supercapacitor, Sucrose impregnation 
1. Mở đầu* 
Vật liệu cacbon mao quản trung bình (MQTB) 
là chất rắn cấu thành chủ yếu từ cacbon, có cấu trúc 
mao quản phát triển, kích thước mao quản từ 2-50 
nm, diện tích bề mặt riêng lớn khoảng 1000 m2/g, độ 
xốp lớn, hóa tính cao và ổn định nhiệt. Vật liệu 
cacbon MQTB được biết đến từ năm 1992 bởi Ryoo 
và cộng sự [1], đến nay nó được ứng dụng rộng rãi 
trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp hóa 
chất, hấp phụ, tách chất, điện cực cho pin, ắc qui ion 
liti, pin nhiên liệu, chất hấp phụ, chất mang,Trong 
những năm gần đây, cacbon MQTB được nghiên cứu 
làm điện cực mới cho siêu tụ do diện tích bề mặt cao, 
cung cấp không gian lớn bên trong lỗ xốp cho phép 
vận chuyển electron và các ion dễ dàng. Ưu điểm của 
nó bao gồm chi phí thấp, dễ sản xuất, ổn định và thân 
thiện với môi trường 
* Địa chỉ liên hệ: Tel.: (+84) 973 469 466 
Email: hang.lethithu@hust.edu.vn 
Trong các phương pháp điều chế vật liệu cacbon 
xốp MQTB (xốp meso), phương pháp khuôn mẫu 
mềm và phương pháp khuôn mẫu cứng được sử dụng 
hiệu quả [2]. Phương pháp khuôn mẫu mềm cho phép 
chế tạo cacbon xốp meso mà không cần sử dụng công 
đoạn khắc mòn bởi HF hoặc NaOH để loại bỏ khuôn. 
Việc loại bỏ khuôn mẫu mềm trong quá trình tổng 
hợp tiến hành dễ dàng và an toàn hơn. Tuy nhiên, 
khuôn mẫu mềm không có cấu trúc vững chắc xác 
định, dẫn đến khó khăn trong việc điều chỉnh kích 
thước và đồng nhất hình dạng của lỗ xốp. Nhìn 
chung, độ trật tự trong cấu trúc lỗ xốp của cacbon 
tổng hợp được thường không cao [2, 3]. Phương pháp 
khuôn mẫu cứng cho phép kiểm soát chính xác khối 
lượng và kích thước mao quản do cacbon tổng hợp 
được có cấu trúc như là bản sao của khuôn mẫu. Tuy 
nhiên, phương pháp này đòi hỏi có thêm bước loại bỏ 
khuôn mẫu để thu được cấu trúc xốp như mong muốn 
[2-4]. 
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 141 (2020) 051-056 
52 
Hiện nay có nhiều loại vật liệu khuôn cứng khác 
nhau. Ví dụ, họ vật liệu silica (SBA-1, SBA-15, 
MCM-41, MCM-48, MCM-50, TDU-1, AMS và 
KIT) và vật liệu alumina AAO. Trong các loại vật 
liệu khuôn silica, vật liệu SBA-15 cho đường kính 
mao quản đồng đều, với kích thước lớn hơn 3 đến 4 
lần kích thước mao quản Zeolit và diện tích bề mặt 
riêng lớn, có thể hơn 800 m2/g. Một ưu điểm nữa của 
vật liệu SBA-15 là có kích thước mao quản lớn, 
tường mao quản dày nên nó có tính bền nhiệt và thủy 
nhiệt cao [5]. Vì vậy, bài báo này trình bày nghiên 
cứu tổng hợp vật liệu khuôn silica SBA-15 ở các chế 
độ khác nhau (thời gian khuấy trộn và nhiệt độ thủy 
nhiệt) và từ đó tổng hợp lên vật liệu cacbon MQTB 
CMK-3. Ngoài ra, đặc trưng hình thái, cấu trúc và 
khả năng ứng dụng làm siêu tụ điện hóa của vật liệu 
CMK-3 cũng được nghiên cứu. 
2. Thực nghiệm 
2.1 Tổng hợp vật liệu SBA-15 và CMK-3 
 SBA-15 được tổng hợp bằng phương pháp thủy 
nhiệt, sử dụng tetraetyl othosilicat (TEOS 98%, 
Sigma-Aldrich) làm nguồn silic. Trước tiên, hòa tan 
12 g Pluronic P123 ([PEO]20-[PPO]70-[PEO]20, Mn 
~5800, Sigma-Aldrich) vào 500 ml dung dịch HCl 
2M ở nhiệt độ từ 38-40°C, và tốc độ khuấy 500 
vòng/phút. Sau đó, hỗn hợp được đưa vào lõi 
Polytetrafloetylen (PTFE) của autoclave, ổn định 
nhiệt ở 38-40°C. Cho 27 ml TEOS vào hỗn hợp, 
khuấy ở tốc độ 650 vòng/phút trong 2-10 phút rồi để 
yên trong 24 giờ. Đưa lõi PTFE vào trong autoclave, 
thủy nhiệt ở nhiệt độ từ 80-120°C trong 24 giờ. Sản 
phẩm sau khi thủy nhiệt được lọc rửa, sấy khô, 
nghiền, và đem nung ở nhiệt độ 550°C trong 5 giờ. 
 SBA-15 được tổng hợp ở ba điều kiện khuấy 
trộn khác nhau (2 phút, 6 phút, 10 phút) và được thủy 
nhiệt ở 100oC (ký hiệu là SBA-15-2 min, SBA-15-6 
min, và SBA-15-10 min) để đánh giá ảnh hưởng của 
thời gian kết tụ keo mixen của Pluronic P123. Ba mẫu 
SBA-15 được tổng hợp với thời gian khuấy 6 phút và 
được thủy nhiệt ở các nhiệt độ 80°C, 100°C và 120°C 
(ký hiệu lần lượt là SBA-15/80, SBA-15/100 và 
SBA-15/120) để đánh giá sự ảnh hưởng của nhiệt độ 
già hóa đến đặc tính cấu trúc của vật liệu. 
Vật liệu CMK-3 được chế tạo đi từ khuôn SBA-
15 ở trên và nguồn cacbon là sucrose ((C12H22O11)n 
≥99.5%, Sigma-Aldrich). Quy trình tổng hợp như 
sau: (i) Thấm cacbon lần 1: 5 g sucrose được hòa tan 
trong 20 ml dung dịch chứa 0,56 g H2SO4. Tiếp đó, 4 
g SBA-15 sẽ được phân tán vào hỗn hợp trong điều 
kiện siêu âm trong 1 giờ. Sau đó, hệ sẽ được sấy ở 
nhiệt độ 100°C trong 12 giờ, và 160°C trong 12 giờ 
thu được mẫu phẩm có màu nâu. (ii) Thấm cacbon 
lần 2: mẫu sau khi thấm cacbon lần 1 được nghiền 
mịn, rồi tiếp tục được phân tán vào trong 20 ml dung 
dịch chứa 0,36 g H2SO4 và 3,2 g sucrose. Tiếp đó, 
mẫu được đem đi sấy khô và thiêu kết ở 900°C trong 
5 giờ ở điều kiện khí trơ để thu được compozit SBA-
15/CMK-3 có màu đen. Mẫu compozit được phân tán 
trong dung dịch HF 5% để loại bỏ khuôn SBA-15. 
CMK-3 còn lại được đem lọc rửa ly tâm trong hỗn 
hợp nước và etanol, sấy chân không ở 100°C trong 12 
giờ. Các mẫu CMK-3 được tổng hợp đi từ các khuôn 
SBA-15/80, SBA-15/100, SBA-15/120 được ký hiệu 
lần lượt là CMK-3/80, CMK-3 /100, CMK-3/120. 
2.2 Chế tạo điện cực CMK-3 
Để nghiên cứu đặc tính điện hóa, các vật liệu 
CMK-3 được chế tạo thành các điện cực nhờ sử dụng 
kỹ thuật quét phủ lên trên điện cực nền niken xốp đã 
được làm sạch trước đó. Ở đây hỗn hợp chất hoạt 
động điện cực bao gồm CMK-3 (80%), chất kết dính 
polyvinylidene fluoride (PVDF, 10%) và chất dẫn 
điện cacbon super-P (10%). Khối lượng điện cực 
được khống chế qua số lần quét. Mẫu Ni xốp sau khi 
quét vật liệu điện cực lên được sấy khô ở 80 oC trong 
12 giờ. 
2.3 Các phương pháp nghiên cứu 
 Hình thái bề mặt của các mẫu được nghiên cứu 
bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) thực hiện trên 
máy đo SEM, S-4700 của hãng Hitachi. Cấu trúc của 
vật liệu được xác định bởi phương pháp chụp kính 
hiển vi điện tử truyền qua (TEM) - thực hiện trên máy 
đo TEM, JEM1010-JEOL, và phương pháp nhiễu xạ 
tia X (XRD)- thực hiện trên máy D/MAX Ultima III 
(hãng Rigaku). Diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp 
của vật liệu được đo thông qua phép phân tích hấp 
phụ-nhả hấp phụ đẳng nhiệt khí nitơ (BET) ở nhiệt độ 
77 K. Phép đo này được tiến hành trên hệ máy đo 
ASAP 2020, Micromeritics. 
 Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV) 
được dùng để đánh giá để đánh giá đặc tính siêu tụ 
cho vật liệu CMK-3. Phép đo CV được thực hiện với 
hệ đo 3 điện cực trên máy đo Autolab 302N (Hà Lan) 
với phần mềm Nova 2.1. Trong đó điện cực làm việc 
là điện cực CMK-3, điện cực đối là điện cực Pt lưới 
và điện cực so sánh là điện cực calomen bão hòa 
(SCE). 
3. Kết quả và thảo luận 
3.1 Đặc trưng hình thái, cấu trúc của SBA-15 
3.1.1. Ảnh hưởng của thời gian khuấy trộn 
Hình 1 biểu diễn ảnh SEM của các mẫu SBA-15 
được tổng hợp trong các điều kiện khuấy trộn khác 
nhau từ 2-10 phút. Dựa vào ảnh SEM, thấy rằng 
SBA-15 có kích thước hạt nanomet, dạng que ngắn 
(nanorod) với đường kính khoảng 500 nm và chiều 
dài dao động từ 600 nm đến 2 µm. Từ ảnh SEM có độ 
phân giải thấp có thể thấy rằng khi tăng thời gian 
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 141 (2020) 051-056 
53 
khuấy trộn thì chiều dài của que nano tăng lên. Cụ 
thể, với thời gian 2 phút thì hạt SBA-15 dài cỡ 600-
700 nm. Trong khi với thời gian khuấy lâu hơn, cỡ 6 
và 10 phút, thì kích thước hạt tăng lên ~ 1 µm và 2 
µm. Điều này cho thấy thời gian khuấy trộn có ảnh 
hưởng lớn đến quá trình ngưng tụ keo mixen của 
Pluronic P123 để hình thành nên cấu trúc của SBA-
15. Từ các ảnh SEM có độ phân giải cao, thì thấy các 
que nano (hạt thứ cấp) của SBA-15 lại được cấu 
thành bởi các hạt silica, có kích thước nhỏ hơn (hạt sơ 
cấp). Đáng chú ý, đối với mẫu SBA-15-2 min các hạt 
sơ cấp này không có sự sắp xếp theo một trật tự rõ 
ràng (hình 1b). Điều này cho thấy ở chế độ tổng hợp 
này vẫn chưa tổng hợp thành công vật liệu silica xốp 
mao quản trung bình có cấu trúc trật tự (ordered 
mesoporous silica). Tuy nhiên, đối với mẫu SBA-15-
6 min (hình 1d), các hạt sơ cấp này đã được sắp xếp 
theo một trật tự (theo hàng) nhất định giống như cơ 
chế hình thành cấu trúc của SBA-15 [6]. Điều này 
chứng tỏ đã tổng hợp thành công vật liệu khuôn silica 
SBA-15 ở điều kiện khuấy trộn 6 phút. Trong khi đó, 
mẫu SBA-15-10 min được tổng hợp trong điều kiện 
khấy trộn 10 phút cho thấy kích thước các hạt sơ cấp 
silica rất lớn (hình 1f). Các hạt này mặc dù được sắp 
xếp theo hàng nhưng mức độ trật tự không cao so với 
mẫu SBA-15-6 min. Hơn nữa, tỷ lệ tương quan giữa 
kích thước chiều dài và đường kính của mẫu này lớn, 
dẫn đến việc giảm diện tích bề mặt hơn so với mẫu 
SBA-15-6 min và làm cho cacbon MQTB có diện 
tích bề mặt nhỏ. Đây là thông số không được mong 
muốn. Vì vậy, điều kiện khuấy trộn tối ưu là 6 phút. 
.31.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy nhiệt 
Hình 2 cho thấy hình ảnh SEM của các mẫu 
SBA-15 được tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau 80, 
100, và 120oC. Nhìn chung sau khi tăng nhiệt độ 
thủy nhiệt thì hình dáng bên ngoài của các que nano 
SBA-15 hầu như không thay đổi. Các que nano SBA-
15 vẫn được cấu thành bởi các hạt silica sơ cấp sắp 
xếp theo trật tự nhất định. 
Để xác định mức độ trật tự và trạng thái cấu trúc 
của các khuôn SBA-15, các mẫu được đem đi phân 
tích XRD ở góc quét hẹp (0.5o-3o) và góc quét rộng 
(10-90o). Kết quả được trình bày trên hình 3.
Hình 1. Ảnh SEM với độ phân giải thấp và cao của các mẫu SBA-15 được tổng hợp trong các thời gian khuấy 
trộn khác nhau: (a,b)- SBA-15-2 min; (c,d)- SBA-15-6 min; (e,f)- SBA-15-10 min. 
Hình 2. Ảnh SEM với độ phân giải thấp và cao của các mẫu SBA-15 được tổng hợp trong các điều kiện thủy 
nhiệt khác nhau: (a,b)- SBA-15/80; (c,d)- SBA-15/100; (e,f)- SBA-15/120. 
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 141 (2020) 051-056 
54 
Hình 3. Giản đồ nhiễu xạ tia X (a) góc quét hẹp và 
(b) góc quét rộng của các mẫu SBA-15. 
Từ giản đồ XRD góc hẹp (hình 3a) có thể thấy 
các pic nhiễu xạ đều xuất hiện ở góc quét nhỏ, chứng 
tỏ rằng vật liệu có tính trật tự về mặt cấu trúc. Hơn 
nữa, mức độ trật tự của các mẫu SBA-15 đều rất cao 
(được chỉ ra bởi độ sắc nét của các pic quan sát 
được). Tuy nhiên, vị trí xuất hiện của các đỉnh pic có 
xu hướng dịch chuyển về góc nhiễu xạ thấp hơn khi 
tăng nhiệt độ thủy nhiệt. Điều này cho thấy sự khác 
nhau về kích thước trong cấu trúc hexagonal của các 
mẫu SBA-15. Đáng chú ý, ngoài pic chính nằm ở vị 
trí 2θ ≈ 1o, ứng với mặt (100), thì trên giản đồ XRD 
của các mẫu SBA-15 còn có hai pic phụ ứng với mặt 
(110) và (200) có cường độ phản xạ yếu xuất hiện ở 
các vị trí 2θ ≈ 1,6o và 2θ ≈ 1,8o. Trong khi đó, giản đồ 
XRD góc rộng (hình 3b) đều chỉ có một pic rất tù ở 
góc 2θ = ~22o, chứng tỏ vật liệu SBA-15 tổng hợp 
được tồn tại ở trạng thái vô định hình [7,8]. Như vậy, 
việc thay đổi nhiệt độ thủy nhiệt trong phạm vi 80-
120oC không làm thay đổi cấu trúc pha vô định hình 
của SBA-15. 
Hình 4. (a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ nitơ và (b) 
đường phân bố kích thước lỗ của các mẫu SBA-15. 
Để xác nhận đặc trưng cấu trúc mao quản của vật 
liệu SBA-15, mẫu tổng hợp được đem đi phân tích 
hấp phụ đẳng nhiệt nitơ (BET). Kết quả được trình 
bày trong hình 4. Như quan sát thấy, các đường đẳng 
nhiệt hấp phụ khí N2 của các mẫu SBA-15 đều có 
hiện tượng trễ vòng (hình 4a), tức là đường hấp phụ 
và đường nhả hấp phụ không trùng khít với nhau. 
Đây là điểm đặc trưng của vật liệu mao quản trung 
bình. Như vậy, dựa vào dáng điệu của đường cong 
hấp phụ và nhả hấp phụ có thể kết luận rằng vật liệu 
SBA-15 tổng hợp được trong nghiên cứu này là vật 
liệu có cấu trúc mao quản trung bình. Hơn nữa khi 
Bảng 1. Thông số BET của SBA-15 và CMK-3 
Mẫu 
Diện tích bề 
mặt (m2/g) 
Kích thước 
lỗ xốp (nm) 
Thể tích lỗ 
xốp (cm3/g) 
SBA-15/80 746,5 4,88 0,92 
SBA-15/100 670,1 5,87 0,98 
SBA-15/120 471,3 9,61 1,13 
CMK-3/80 948,5 4,41 1,04 
CMK-3/100 1059,6 5,22 1,68 
CMK-3/120 1313,5 6,28 2,06 
quan sát trên hình 4b có thể thấy rằng kích thước lỗ 
mao quản phân bố rất hẹp, chủ yếu tập trung ở kích 
thước cỡ khoảng 5 nm đến 10 nm. Các thông số về 
diện tích bề mặt riêng, kích thước lỗ xốp trung bình 
và thể tích lỗ xốp được trình bày trong bảng 1. 
3.2 Đặc trưng hình thái, cấu trúc của CMK-3 
Ảnh SEM của các mẫu cacbon CMK-3 được 
tổng hợp từ các khuôn SBA-15 khác nhau được thể 
hiện trên hình 5. Quan sát hình 5 cho thấy hình dạng 
của các mẫu CMK-3 không có sự khác biệt nhiều khi 
thay đổi khuôn SBA-15 được tổng hợp trong các 
nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau. Khi so sánh với ảnh 
SEM của khuôn SBA-15 (hình 2), thấy rằng sau khi 
than hóa sucrose và loại bỏ khuôn SBA-15 đi thì hình 
dạng của CMK-3 không thay đổi nhiều. Vật liệu vẫn 
giữ được hình dáng que nano ban đầu của khuôn mẫu 
SBA-15 tổng hợp lên nó. Tuy nhiên, hình dạng của 
các que nano CMK-3 trông không được sắc nét như 
của SBA-15 do cấu trúc của CMK-3 là dạng lập thể 
ngược của SBA-15. Như vậy, các mẫu CMK-3 điều 
chế được đều có kích thước nanomet dạng que ngắn, 
với chiều dài cỡ 800 nm, tương tự như hình dáng của 
khuôn SBA-15 tạo nên chúng. 
 Hình 5. Ảnh SEM của các mẫu (a) CMK3/80, (b) 
CMK3/100, (c) CMK3/120. 
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 141 (2020) 051-056 
55 
Hình 6. Ảnh TEM của mẫu (a) SBA-15/100 và mẫu 
(b)CMK-3/100 
Để xác nhận hơn nữa việc duy trì cấu trúc xốp 
meso của cacbon CMK-3 sau khi loại bỏ khuôn SBA-
15, mẫu đặc trưng CMK-3/100 và khuôn SBA-15/100 
tương ứng được lựa chọn đem đi chụp TEM. So với 
ảnh TEM của khuôn SBA-15/100 (hình 6a), các que 
nano CMK-3/100 cũng có cấu trúc tế vi tương tự với 
độ trật tự cao (hình 6b), được cấu thành bởi các thanh 
cacbon (màu đen) và những kênh dẫn xốp (màu 
trắng) song song. Tuy nhiên, khoảng cách giữa các 
kênh này nhỏ hơn với khuôn mẫu SBA-15/100 tổng 
hợp nên nó. Vậy có thể kết luận rằng cấu trúc xốp có 
trật tự bên trong của CMK-3/100 vẫn được duy trì sau 
khi khắc mòn bằng axit HF để loại bỏ khuôn SBA-15. 
Để xác định cấu trúc có trật tự và cấu trúc pha 
của vật liệu CMK-3 tổng hợp được, các mẫu được 
đem phân tích XRD. Kết quả được trình bày trên hình 
7. Từ giản đồ XRD góc hẹp trên hình 7a có thể thấy 
các pic nhiễu xạ đều xuất hiện ở góc quét nhỏ chứng 
tỏ rằng vật liệu có tính trật tự về mặt cấu trúc. Tuy 
nhiên so với khuôn SBA-15 (hình 3), mức độ trật tự 
của lỗ xốp trong các mẫu CMK-3 không cao bằng. 
Điều này được chứng tỏ bởi độ sắc nét của các pic 
quan sát được. Hơn nữa, vị trí của các pic nhiễu xạ 
cũng có một chút khác biệt. Điều này cho thấy sự 
khác biệt nhỏ về kích thước trong cấu trúc của chúng. 
Đỉnh pic nhiễu xạ của các mẫu CMK-3 dường như 
dịch chuyển về phía góc phản xạ lớn hơn. Điều này 
ám chỉ kích thước lỗ xốp mao quản nhỏ hơn so với 
vật liệu khuôn SBA-15 tương ứng. Đáng chú ý, ngoài 
pic chính nằm ở vị trí 2θ ≈ 1o, ứng với mặt (100), thì 
hai pic phụ ứng với mặt (110) và (200) có cường độ 
phản xạ yếu cũng có thể quan sát thấy trên các mẫu 
CMK-3 ở các góc lần lượt 2θ ≈ 1,6o và 2θ ≈ 1,8o. Tuy 
nhiên, cường độ tín hiệu của hai pic này yếu hơn 
nhiều so với mẫu SBA-15. Tương tự như giản đồ 
XRD góc quét rộng của các mẫu SBA-15, các mẫu 
CMK-3 (hình 7b) cho thấy chỉ có một pic rất tù ở góc 
~25o, chứng tỏ các vật liệu CMK-3 tổng hợp được 
đều ở trạng thái vô định hình, có cùng bản chất cấu 
trúc với các khuôn SBA-15 tổng hợp nên chúng. Kết 
quả thu được trong nghiên cứu này cũng phù hợp với 
các nghiên cứu trước đây [9,10]. 
Bên cạnh đó, các vật liệu CMK-3 cũng được đem 
đi phân tích BET. Kết quả thu được trình bày trên 
bảng 1. Từ kết quả BET có thể thấy rằng, các vật liệu 
CMK-3 tổng hợp được đều có dạng cấu trúc mao 
quản trung bình với đường kính lỗ xốp tăng dần từ 
4,41 đến 6,28 nm. Diện tích bề mặt lớn, dao động từ 
948,5 đến 1313,5 m2/g và thể tích lỗ xốp lớn cũng 
tăng dần từ 1,04 đến 2,06 cm3/g. 
Hình 7. Giản đồ nhiễu xạ tia X (a) góc quét hẹp và 
(b) góc quét rộng của các mẫu CMK-3. 
3.3 Đặc trưng siêu tụ của CMK-3 
Phép đo quét thế vòng tuần hoàn (CV) cho phép 
khảo sát đặc tính phóng nạp cũng như tuổi thọ của vật 
liệu CMK-3. Thông qua các số liệu thu được, có thể 
tính toán điện dung riêng, tuổi thọ và mật độ năng 
lượng của vật liệu, cũng như sự ảnh hưởng của điều 
kiện làm việc đến điện dung riêng của vật liệu. 
Hình 8a biểu diễn đường cong CV của điện cực 
CMK-3/100 trong dung dịch KOH 6M ở tốc độ quét 
thế 20 mV/s ở các cửa sổ điện thế làm việc khác 
nhau: [-1 ÷ -0,6] V , [-1 ÷ -0,4] V, [-1 ÷ -0,2] V, [-1 ÷ 
0] V. Nhận thấy tại cả 4 khoảng quét thế, đường cong 
CV đều có dạng hình chữ nhật đặc trưng cho tụ điện 
lớp kép. Tuy nhiên, khi mở rộng khoảng quét về phía 
dương, tính đối xứng của đường cong CV càng giảm, 
hình chữ nhật dường như bị méo đi. Ở cửa sổ điện thế 
[-1÷0] V, ở cuối đường CV trong khoảng điện thế [-
0,2 ÷ 0] V có một đoạn dốc lên. Đây là khoảng thế 
mà nền niken xốp bắt đầu phản ứng điện hóa. Do đó 
để tránh hiện tượng này, khoảng thế [-1 ÷ -0,2] V 
được coi là phù hợp nhất, vì ở khoảng thế này dáng 
điệu của đường CV vẫn có dạng hình chữ nhật đặc 
trưng và khoảng quét thế khá rộng, với ΔE = 0,8V. 
Hình 8b biểu diễn đường cong CV của các mẫu 
CMK-3/80, CMK-3/100 và CMK-3/120. Qua hình 
8b có thể thấy các mẫu CMK-3 đều cho đáp ứng siêu 
tụ tốt với dáng điệu đặc trưng của hình chữ nhật. 
Trong 3 đường CV, đường CV của mẫu CMK-3/100 
và mẫu CMK-3/120 có dạng gần giống với hình chữ 
nhật nhất. Từ đường CV trên hình 8b, điện dung riêng 
của các mẫu có thể tính được dựa vào công thức sau: 
  =
∫ ()


	()
 (1) 
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 141 (2020) 051-056 
56 
Hình 8. Đường cong CV của (a) CMK-3/100 tại các khoảng thế khác nhau và (b) các vật liệu CMK-3 khác 
nhau ở tốc độ quét thế 20 mV/s trong dung dịch KOH 6M. 
Trong đó: ∫ ()	


điện lượng thu được khi tính 
tích phân theo chiều quét thế dương và âm trong 
đường CV; v là tốc độ quét thế; E1 và E2 là ngưỡng 
cửa sổ điện thế quét; m là khối lượng điện cực. Kết 
quả tính toán thu được cho thấy CMK-3/80, CMK-
3/100, và CMK-3/120 cho điện dung riêng lần lượt là 
92,2 F/g, 95,8 F/g, và 88,6 F/g. Do bản chất tích điện 
tĩnh điện (tích điện lớp kép), nên vật liệu cacbon 
thường có điện dung bị giới hạn so với vật liệu siêu tụ 
giả điện dung hoạt động dựa trên cơ chế tích điện 
điện hóa. Kết quả đặc tính điện hóa thu được trong 
nghiên cứu này hoàn toàn tương tự như các tài liệu đã 
báo cáo trước đây về vật liệu siêu tụ CMK-3 [11,12]. 
Như vậy, sự thay đổi hình thái cấu trúc của vật liệu 
khuôn SBA-15 do thay đổi điều kiện tổng hợp đã dẫn 
đến sự thay đổi hình thái cấu trúc vật liệu CMK-3. 
Kết quả là đặc tính siêu tụ của vật liệu CMK-3 (gồm 
dáng điệu phóng-nạp điện và điện dung riêng) cũng 
bị ảnh hưởng. Đây mới chỉ là kết quả đánh giá hoạt 
tính điện hóa sơ bộ ban đầu. Những nghiên cứu sâu 
hơn nhằm nâng cao đặc tính siêu tụ cho vật liệu 
CMK-3 sẽ được tiến hành và báo cáo trong những 
công bố về sau. 
4. Kết luận 
Trong nghiên cứu này đã tổng hợp thành công 
vật liệu SBA-15 có kích thước mao quản trung bình 
đi từ nguồn hóa chất tinh khiết. SBA-15 tổng hợp 
được có diện tích bề mặt lớn dao động từ 471 m2/g 
đến 746 m2/g và đường kính lỗ xốp dao động từ 4,88 
nm đến 9,61 nm. Từ đó làm khuôn cứng để tổng hợp 
nên vật liệu cabon xốp mao quản trung bình có cấu 
trúc trật tự CMK-3 thông qua việc sử dụng kỹ thuật 
thấm ướt sucrose trên khuôn SBA-15. Các mẫu 
CMK-3 chế tạo được cũng có dạng cấu trúc mao quản 
trung bình độ xốp cao (1,04 ÷ 2,06 cm3/g) và diện 
tích bề mặt lớn (948,5 ÷ 1313,5 m2/g). CMK-3 tồn tại 
ở trạng thái vô định hình, có dạng que nano ngắn, dài 
khoảng 800 nm. Các nghiên cứu đặc tính điện hóa sơ 
bộ ban đầu cho thấy các vật liệu CMK-3 tổng hợp 
được đều có dạng đường CV hình chữ nhật, đặc trưng 
cho siêu tụ lớp kép. Vì vậy, rất phù hợp để làm vật 
liệu điện cực cho siêu tụ. 
Lời cảm ơn 
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa 
học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề 
tài mã số 104.99-2017.305. 
Tài liệu tham khảo 
[1]. R. Ryoo, S.H. Joo, M. Kruk, M. Jaroniec, Advanced 
Materials, 13 (2001) 677-681. 
[2]. C. Liang, Z. Li, and S. Dai, Angewandte Chemie 
International Edition 47 (2008) 3696-3717. 
[3]. C.T. Kresge, M.E. Leonowicz, W.J. Roth, J.C. 
Vartuli, J.S. Beck, Nature, 359 (1992) 710-712. 
[4]. R. Ryoo, S.H. Joo, S. Jun, Journal of Physical 
Chemistry B, 103 (1999) 7743-7746. 
[5]. Do. Zhao, J. Feng, Q. Huo, N. Melosh, G. H. 
Fredrickson, B. F. Chmelka, G. D. Stucky, Science 
279 (1998) 548-552. 
[6]. J. S. Beck, J. C. Vartuli, W. J. Roth, M. E. 
Leonowicz, C. T. Kresge, K. D. Schmitt, C. T. W. 
Chu, D. H. Olson, E. W. Sheppard, S. B. McCullen, J. 
B. Higgins, J. L. Schlenker, Journal of the American 
Chemical Society 114(27) (1992) 10834-10843. 
[7]. D. Zhao, J. Feng, Q. Huo, N. Melosh, G. H. 
Fredrickson, B. F. Chmelka, G. D. Stucky, Science 
279 (1998) 548-552. 
[8]. L.Y. Shi, Y.M. Wang, A. Ji, L. Gao, Y. Wang, 
Journal of Materials Chemistry, 15 (2005) 1392-1396. 
[9]. F. Su, J. Zeng, X. Bao, Y. Yu, J. Y. Lee, X. S. Zhao, 
Chemistry of Materials, 17 (2005) 3960-3967. 
[10]. K. T. Lee, X. Ji, M. Rault, L. F. Nazar, Angewandte 
Chemie International Edition, 48 (2009) 5661-5665. 
[11]. Z. Li, K. Guo, X. Chen, RSC Advances, 7 
(2017)30521-30532. 
[12]. V.C. Almeida, R. Silva, M. Acerce, O. P. Junior, A. L. 
Cazetta, A. C. Martins, X. Huang, M. Chhowalla, T. 
Asefa, Journal of Materials Chemistry A 2 (2014) 
15181-15190.