1. Trang Chủ
  2. Khoa học tự nhiên
  3. Khoá luân tốt nghiệp cử nhân hoá học: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano Y0.8La0.2FeO3 bằng phương pháp đồng kết tủa

Khoá luân tốt nghiệp cử nhân hoá học: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano Y0.8La0.2FeO3 bằng phương pháp đồng kết tủa

Bố cục khoá luận gồm phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dụng chính của bản khóa luận gồm 3 chương: Chương 1 - Tổng quan về hạt nano và vật liệu perovskite; Chương 2 - Các phương pháp nghiên cứu; Chương 3 - Thực nghiệm - Kết quả - Thảo luận. Mời các bạn cùng tham khảo! BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HOÁ  KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HOÁ HỌC CHUYÊN NGÀNH HÓA VÔ CƠ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO Y0.8La0.2FeO3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT

Thể loại Tài liệu miễn phí Khoa học tự nhiên

Số trang 39

Ngày tạo 10/20/2021 3:22:00 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.48 M

Tên tệp

Tải Khoá luân tốt nghiệp cử nhân hoá học: Nghiên cứu t... (.pdf)

Xem mẫu

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HOÁ  KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HOÁ HỌC CHUYÊN NGÀNH HÓA VÔ CƠ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO Y0.8La0.2FeO3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA TP. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2012
  2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HOÁ  KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HOÁ HỌC CHUYÊN NGÀNH HÓA VÔ CƠ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO Y0.8La0.2FeO3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA Giáo viên hướng dẫn: TS. Dương Bá Vũ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Xuân Lập TP. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2012
  3. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 1
  4. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS. Dương Bá Vũ và TS. Nguyễn Anh Tiến đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành khóa luận. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô Khoa Hóa Trường Đại học Sư phạm TP. HCM đã dạy dỗ và giúp đỡ em trong suốt 4 năm học đại học. Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã động viên tinh thần và giúp đỡ em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp của mình. Do em lần đầu tiên làm quen với việc nghiên cứu khoa học nên không thể tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! Tp. HCM, tháng 5 năm 2012 SVTH Nguyễn Xuân Lập SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 2
  5. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 4 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO, VẬT LIỆU PEROVSKITE VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHÚNG .................................................... 6 1.1. HẠT NANO VÀ VẬT LIỆU NANO ....................................................... 6 1.2. SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ BỘT NANO OXIT ....... 9 1.3. PHƯƠNG PHÁP SOL- GEL ĐIỀU CHẾ BỘT NANO OXIT .............. 11 1.4. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU PEROVSKITE ABO 3 ........ 14 1.4.1. Cấu trúc tinh thể ABO 3 thuần ............................................................. 14 1.4.2. Cấu trúc tinh thể ABO 3 biến tính ........................................................ 15 1.5. VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ YFeO 3 VÀ LĨNH VỰC ỨNG DỤNG ........ 16 1.6. TỔNG QUAN TÍNH CHẤT CỦA OXIT, HYDROXIT SẮT, YTTRIUM VÀ LANTHANUM ....................................................................... 17 1.6.1. Oxit và hydroxit sắt ............................................................................. 17 1.6.2. Oxit và hydroxit yttrium ..................................................................... 22 1.6.3. Oxit và hydroxit lanthanum ................................................................ 24 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................... 26 2.1. PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X (XRD) ........................................... 26 2.2. PHƯƠNG PHÁP KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM) ................... 27 2.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KHỐI LƯỢNG NHIỆT (TG) ................ 28 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM – KẾT QUẢ - THẢO LUẬN ....................... 29 3.1. TỔNG HỢP BỘT NANO Y 0.8 La 0.2 FeO 3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA.......................................................................................................... 29 3.1.1. Hóa chất và dụng cụ ........................................................................... 29 3.1.2. Phương pháp thực nghiệm .................................................................. 29 3.2. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA BỘT NANO Y 0.8 La 0.2 FeO 3 TỔNG HỢP THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA ....... 30 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................ 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................. 36 SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 3
  6. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ MỞ ĐẦU Trong kỉ nguyên của nền kinh tế tri thức với tốc độ biến đổi thông tin chóng mặt theo từng giây phút, hàng ngày hàng giờ có rất nhiều chất mới được phát hiện cũng như được tổng hợp. Trong số đó ta không thể không kể đến vật liệu nano - một loại vật liệu tiên tiến có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Vật liệu perovskite ABO 3 được bắt đầu biết đến từ đầu thế kỷ 19. Thời gian này các nhà khoa học cũng chưa thực sự quan tâm đến chúng, nhưng trong khoảng vài chục năm trở lại đây đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu perovskite ABO 3 . Do các vật liệu này có độ bền nhiệt rất lớn nên có thể hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao. Ngoài ra, khi pha tạp hay thay thế một số nguyên tố (thí dụ: Ba, Sr, Fe, Ni, Y, Nd, Ti…) vào vị trí A hoặc B sẽ dẫn đến một số hiệu ứng vật lý lý thú như hiệu ứng nhiệt điện (Thermoelectric effect), hiệu ứng từ nhiệt (Magnetocaloric effect), từ trở khổng lồ (Collosal- magenetoresistance effect)… Điều đó đã mở ra một số ứng dụng mới của vật liệu perovskite trong một số lĩnh vực công nghiệp hiện đại như điện tử, thông tin, điện lạnh, hóa dầu, pin nhiệt điện, máy phát điện… mà không gây ô nhiễm môi trường. Trong những năm gần đây, vật liệu orthoferrite LnFeO 3 (Ln là vị trí các nguyên tố đất hiếm như La, Nd, Eu… hoặc Y) đã được ứng dụng nhiều trong thực nghiệm, đặc biệt là LaFeO 3 – chất mở đầu cho dãy các nguyên tố đất hiếm, các vật liệu này có thể làm chất xúc tác trong phản ứng oxi hóa từng phần metan, làm vật liệu xúc tác, làm các sensor nhạy khí, và còn làm điện cực ở nhiệt độ cao (SOFC)… Phương pháp thông thường và dễ nhất để điều chế các ferrite là tổng hợp gốm. Nhược điểm chính của phương pháp này là yêu cầu nhiệt độ cao (to > 1200°C) để thu được pha đơn tinh thể, dẫn đến ferrite thu được có kích thước hạt lớn và không đồng nhất, diện tích bề mặt thấp do sự kết tụ giữa các hạt. Ngày nay, để điều chế vật liệu nano người ta thường sử dụng các phương pháp cơ bản như: phương pháp kết tinh cryochemical, phương pháp cơ hoá, phương pháp thuỷ nhiệt, phương pháp điện hoá, ... Phương pháp hóa học điều chế vật liệu từ oxit ngày nay được coi là chiếm ưu thế do đảm bảo được tính đồng nhất hóa học và hoạt tính cao của bột ferrite tạo thành. Trong đó phương pháp đồng kết tủa các cấu tử từ dung dịch lỏng của chúng đơn giản, đảm bảo được tính đồng nhất hoá học và thân thiện với môi trường. SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 4
  7. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ Từ những nguyên nhân kể trên chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano Y 0.8 La 0.2 FeO 3 bằng phương pháp đồng kết tủa” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp cùng với mong muốn đóng góp thêm một ít thông tin về loại vật liệu này. Nội dụng chính của bản khóa luận gồm: - Mở đầu Lý do chọn đề tài nghiên cứu. - Chương 1. Tổng quan về hạt nano và vật liệu perovskite Trình bày tổng quan về vật liệu nano có cấu trúc perovskite và các phương pháp điều chế chúng. - Chương 2. Các phương pháp nghiên cứu Trình bày các phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể, cấu trúc tế vi của vật liệu tổng hợp được. - Chương 3. Thực nghiệm - Kết quả - Thảo luận Trình bày phương pháp tổng hợp mẫu và những kết quả nghiên cứu cấu trúc tinh thể, cấu trúc tế vi của mẫu đã tổng hợp được và đưa ra những nhận xét, giải thích kết quả. - Kết luận Tóm tắt các kết quả đạt được của đề tài. - Tài liệu tham khảo SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 5
  8. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO, VẬT LIỆU PEROVSKITE VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHÚNG 1.1. HẠT NANO VÀ VẬT LIỆU NANO[1][4] Trong khoảng hai thập niên gần đây, trong khoa học xuất hiện một dãy các từ mới gắn liền với hậu tố “nano” như cấu trúc nano, công nghệ nano, vật liệu nano, hoá học nano, vật lý nano, cơ học nano, công nghệ sinh học nano, hiệu ứng kích thước nano v.v. Người ta đã công bố hàng loạt các bài báo, các công trình khoa học, các tạp chí và tổ chức nhiều hội nghị, hội thảo gắn liền với chủ đề công nghệ nano. Xuất hiện nhiều trung tâm, viện nghiên cứu, tổ bộ môn, khoa, chuyên ngành về công nghệ nano và vật liệu nano. Chữ “nano”, gốc Hy Lạp, được gắn vào trước các đơn vị đo để tạo ra đơn vị ước giảm đi 1 tỷ lần (10-9). Ví dụ: nanogam = 1 phần tỷ gam; nanomet = 1 phần tỷ mét hay 1 nm = 10-9 m. Khoa học nghiên cứu về hạt nano đã và đang được quan tâm do chúng có tính chất vật lý, hoá học và nhiều ứng dụng khác đặc biệt hơn so với khi nghiên cứu về hạt micro trước đó. Công nghệ nano là tổ hợp các quá trình chế tạo ra vật liệu, các thiết bị máy móc và các hệ kỹ thuật mà chức năng của chúng được xác định bởi cấu trúc nano, tức là các đơn vị cấu trúc có kích thước từ 1 đến 100 nm. Công nghệ nano xuất hiện trên cầu nối của một số ngành khoa học (hoá học, vật lý, cơ học, khoa học vật liệu, sinh học và nhiều lĩnh vực khác của khoa học), ngày càng đi sâu vào nhiều lĩnh vực hiện đại của khoa học và kỹ thuật và thông qua chúng, nó đi vào đời sống của chúng ta. Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet. Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Thông thường vật liệu nano được phân ra thành nhiều loại, phụ thuộc vào hình dạng, cấu trúc của vật liệu và kích thước của chúng v.v… SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 6
  9. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ Hình 1.1. Phân loại vật liệu nano theo số chiều Về mặt cấu trúc thì vật liệu nano được phân ra thành 4 loại: vật liệu nano không chiều (0D), một chiều (1D), hai chiều (2D) và ba chiều (3D) (hình 1.1 và 1.2).  Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử) Ví dụ : đám nano, hạt nano v.v..  Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù). Ví dụ: dây nano, ống nano v.v...  Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do. Ví dụ: màng mỏng v.v... (hình 1.1)  Vật liệu nano ba chiều là vật liệu dạng khối được cấu tạo từ các hạt nano tinh thể. Vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 7
  10. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ Hình 1.2. Cấu trúc vật liệu nano không chiều (0D), 1 chiều (1D), 2 chiều (2D), 3 chiều (3D) Ngoài ra, người ta còn phân loại các dạng vật liệu nano dựa vào lĩnh vực ứng dụng khác nhau của chúng:  Vật liệu nano kim loại.  Vật liệu nano bán dẫn.  Vật liệu nano từ tính.  Vật liệu nano sinh học. Hình 1.3. Phân loại vật liệu nano theo hình dạng Quá trình tổng hợp các cấu trúc nano khác nhau như “hạt, thanh, dây, ống (hình 1.3) hay các cấu trúc nano kì dị” với sự đồng đều về kích thước, hình dạng và pha tinh thể đang được tập trung nghiên cứu. Theo đó, nhiều hệ vật liệu nano mới với những mục đích ứng dụng khác nhau được tạo ra. SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 8
  11. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ Theo quan điểm của nhiều tác giả, “hạt nano” là một đối tượng nano không chiều (0D) mà kích thước tất cả các chiều đều có một bậc đại lượng, về nguyên tắc, các hạt nano có dạng hình cầu. Theo quan điểm về năng lượng sự giảm kích thước hạt sẽ làm tăng vai trò năng lượng bề mặt của hạt cấu trúc. Các tính chất đặc trưng cho bản chất của vật liệu như: hằng số điện môi, điểm nóng chảy, chiết suất cũng có thể bị thay đổi khi giảm kích thước xuống thang nano. Ngoài ra còn có nhiều tính chất đặc trưng khác của vật liệu như: hoạt tính bề mặt, diện tích bề mặt; các tính chất nhiệt, điện, từ, quang học, cơ học, hóa học thậm chí cả sinh học… của vật liệu cũng bị thay đổi khi giảm kích thước đến giá trị nanomet. 1.2. SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ BỘT NANO OXIT[4] Hình 1.4. Kích thước của vật liệu Các vật liệu nano có thể thu được bằng bốn phương pháp phổ biến, mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm khác nhau, một số phương pháp chỉ có thể được áp dụng với một số vật liệu nhất định mà thôi. Sau đây là một số phương pháp:  Phương pháp hóa ướt (wet chemical): bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo (colloidal chemistry) như phương pháp thủy nhiệt, sol-gel và kết tủa. Theo phương pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo một tỷ phần thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch. Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano. Ví dụ: Lâm Thị Kiều Giang (2011), “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano thấp chiều trên nền yttri, ziriconi và tính chất quang của chúng”, Luận án Tiến sĩ Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã chế tạo thành công các hạt nano Y 2 O 3 và ZrO 2 với kích thước nhỏ (5-15 nm). SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 9
  12. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ  Ưu điểm của phương pháp hóa ướt là có thể chế tạo các vật liệu khác nhau như vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Ngoài ra, phương pháp này rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu.  Nhược điểm chính là các hợp chất có thể liên kết bền với phân tử nước gây khó khăn trong việc nhiệt phân chúng.  Phương pháp cơ học (mechanical): bao gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học. Theo phương pháp này, vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn. Ngày nay, các máy nghiền thường dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay. Ví dụ: PGS.TS. Nguyễn Hoàng Hải, “Chế tạo hạt nano oxit sắt từ tính”, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội. Tác giả đã chế tạo thành công các hạt oxit sắt từ với kích thước khoảng từ 30-100 nm bằng phương pháp nghiền.  Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế tạo với một lượng lớn vật liệu.  Nhược điểm là các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt không đồng nhất, dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo và thường khó có thể đạt được hạt có kích thước nhỏ. Phương pháp này thường được dùng để tạo vật liệu không phải là hữu cơ như là kim loại.  Phương pháp bốc bay: gồm các phương pháp quang khắc (lithography), bốc bay trong chân không (vacuum deposition) vật lí, hóa học. Ví dụ: Lương Hồ Vũ, “Chế tạo màng nitric coban theo phương pháp bốc bay bằng xung laser”, Đại học Khoa học Tự nhiên TP. HCM, nghiên cứu này đã chế tạo thành công màng nitric coban với độ dày khoảng 90 nm.  Ưu điểm: áp dụng hiệu quả để chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt vì khi làm bay hơi vật liệu thì toàn thể hợp chất hoặc hợp kim sẽ bị bay hơi do đó màng tạo ra có hợp phức khá gần với thành phần của vật liệu nguồn (đặc biệt là các hợp kim), người ta cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu từ đế.  Nhược điểm: phương pháp này kém hiệu quả ở quy mô thương mại. Không thể chế tạo các màng quá mỏng, khả năng khống chế chiều dày của phương pháp này rất khó khăn do tốc độ bốc bay khó điều khiển. SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 10
  13. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ  Phương pháp hình thành từ pha khí (gas-phase): gồm các phương pháp nhiệt phân (flame pyrolysis), nổ điện (electro-explosion), đốt laser (laser ablation), bốc bay nhiệt độ cao, plasma. Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí. Nhiệt phân là phương pháp có từ rất lâu, được dùng để tạo các vật liệu đơn giản như carbon, silicon. Ví dụ: Trần Châu Cẩm Hoàng (2010), “Tổng hợp, biến tính bề mặt và định hình vật liệu nano carbon (carbone nanotube) thu được bằng phương pháp phân hủy xúc tác các hợp chất chứa carbon trong điều kiện Việt Nam”, Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010. Bằng phương pháp này người ta đã thu được carbon nano dạng ống, với đường kính ngoài của ống carbon nano trung bình từ 10-30 nm.  Ưu điểm: phương pháp đốt laser có thể tạo được nhiều loại vật liệu.  Nhược điểm: chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp. Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thể dùng để tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại không thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ của nó có thể đến 900°C. 1.3. PHƯƠNG PHÁP SOL- GEL ĐIỀU CHẾ BỘT NANO OXIT Phương pháp sol-gel do R.Roy đề xuất năm 1956 cho phép trộn lẫn các chất ở quy mô nguyên tử. Do đó sản phẩm thu được có độ đồng nhất và độ tinh khiết rất cao, bề mặt riêng lớn, dải phổ phân bố kích thước hẹp. Phương pháp này ra đời từ những năm 1950- 1960 và được phát triển khá nhanh [4]. “Sol”- là một dạng huyền phù chứa các tiểu phân có đường kính khoảng 1÷100 nm phân tán trong chất lỏng, trong đó chỉ có chuyển động Brown làm lơ lửng các hạt. Sol không có hình dạng riêng mà có hình thù của bình chứa. Sol có thời gian bảo quản giới hạn vì các hạt sol hút nhau dẫn đến đông tụ thành các hạt keo. Đặc điểm của các hạt sol:  Kích thước hạt quá nhỏ nên lực hút là không đáng kể;  Lực tương tác giữa các hạt là lực Val der Waals [4];  Các hạt có chuyển động ngẫu nhiên Brown do trong dung dịch các hạt va chạm lẫn nhau. “Gel”- là một dạng chất rắn - nửa rắn (solid-semi rigide) trong đó vẫn còn giữ dung môi trong hệ chất rắn dưới dạng chất keo. Sol tồn tại đến thời điểm mà các hạt keo kết tụ SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 11
  14. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ lại với nhau và cấu trúc của thành phần rắn lỏng trong dung dịch liên kết chặt chẽ hơn gọi là gel. “Precursor” là những phần tử ban đầu để tạo những hạt keo (sol). Nó được tạo thành từ các thành tố kim loại hay á kim, được bao quanh bởi những ligand khác nhau. Các precursor có thể là chất vô cơ kim loại hay hữu cơ kim loại. Hình 1.5. Sơ đồ phản ứng thủy phân [4] “Sol-gel”: là phương pháp hoá học ướt tổng hợp các phần tử huyền phù dạng keo rắn trong dạng lỏng (sol) và sau đó tạo thành nguyên liệu lưỡng pha của bộ khung chất rắn, được chứa đầy dung môi cho đến khi xảy ra quá trình chuyển tiếp sol-gel. Trong quá trình sol-gel các phần tử trung tâm trải qua 2 phản ứng hóa học cơ bản là phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ (dưới xúc tác axit hoặc bazơ) để hình thành một mạng lưới trong toàn dung dịch.  Phản ứng thủy phân (hình 1.5): là phản ứng thay thế nhóm alkoxide (-OR) trong liên kết kim loại - alkoxide bằng nhóm hydroxyl (-OH) để tạo thành liên kết kim loại - hydroxyl.  Phản ứng ngưng tụ (hình 1.6): là phản ứng tạo nên liên kết kim loại-oxit-kim loại, là cơ sở cấu trúc cho các màng oxit kim loại. Hiện tượng ngưng tụ diễn ra liên tục làm cho liên kết kim loại-oxit-kim loại không ngừng tăng lên cho đến khi tạo ra một mạng lưới kim loại-oxit-kim loại trong toàn dung dịch. SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 12
  15. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ Hình 1.6. Sơ đồ phản ứng ngưng tụ [4] Các giai đoạn chính trong phương pháp sol-gel:  Tạo dung dịch sol: alkoxide kim loại bị thủy phân và ngưng tụ, tạo thành dung dịch sol gồm những hạt oxit kim loại nhỏ (hạt sol) phân tán trong dung dịch sol.  Gel hóa (gelation): giữa các hạt sol hình thành liên kết. Độ nhớt của dung dịch tiến ra vô hạn do có sự hình thành mạng lưới oxit kim loại (M-O-M) ba chiều trong dung dịch.  Thiêu kết (sintering): đây là quá trình kết chặt khối mạng, được điều khiển bởi năng lượng phân giới. Thông qua quá trình này gel sẽ chuyển từ pha vô định hình sang pha tinh thể dưới tác dụng của nhiệt độ. Trong toàn bộ quá trình, hai phản ứng thuỷ phân - ngưng tụ là hai phản ứng quyết định cấu trúc và tính chất của sản phẩm sau cùng. Do đó, trong phương pháp sol-gel, việc kiểm soát tốc độ phản ứng thuỷ phân-ngưng tụ là rất quan trọng. Ưu điểm và nhược điểm chính của phương pháp Sol-Gel:  Ưu điểm: o Có thể tạo ra màng phủ liên kết mỏng để mang đến sự dính chặt rất tốt giữa vật liệu kim loại và màng; o Có thể tạo ra màng dày cung cấp cho quá trình chống ăn mòn; o Có thể dễ dàng tạo các vật liệu có hình dạng khác nhau; o Có thể sản xuất được những sản phẩm có độ tinh khiết cao; SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 13
  16. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ o Khả năng thiêu kết ở nhiệt độ thấp; o Có thể điều khiển được cấu trúc của vật liệu; o Tạo được hợp chất với độ pha tạp lớn; o Độ khuyếch tán đồng đều; o Làm việc ở nhiệt độ thấp cho hiệu quả kinh tế cao, đơn giản, để sản xuất những màng có chất lượng cao.  Nhược điểm: o Sự liên kết trong màng yếu; o Có độ thẩm thấu cao; o Rất khó để điều khiển độ xốp; o Dễ bị rạn nứt trong quá trình nung sấy. Một số ứng dụng của phương pháp sol-gel: o Chế tạo màng mỏng (thin film) có cấu trúc đồng đều ứng dụng trong quang học, điện tử, pin mặt trời v.v… o Điều chế gel khối (monolithic gel) sử dụng chế tạo các oxit đa kim loại làm các chi tiết trong dụng cụ quang học như gương nóng (hot mirror), gương lạnh (cold mirror), thấu kính và bộ tách tia (beam splitter) v.v… o Gel khí (Aerogel) thu được bằng cách sấy siêu tới hạn gel ướt (wet gel). Gel khí có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hấp thụ năng lượng mặt trời (silicaaerogel), xúc tác (alumina (Al 2 O 3 ) aerogel có pha tạp kim loại), chất cách điện và cách nhiệt (silica aerogel) v.v… o Chế tạo hạt nano: đơn thành phần và đa thành phần có kích thước đồng đều bằng cách tạo kết tủa trong giai đoạn thủy phân - ngưng tụ. o Tổng hợp sợi ceramic quang chất lượng cao và sợi ceramic cách nhiệt. 1.4. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU PEROVSKITE ABO 3 1.4.1. Cấu trúc tinh thể ABO 3 thuần Hợp chất perovskite ABO 3 thuần có cấu trúc tinh thể lý tưởng như hình 1.7a. Ô mạng cơ sở là hình lập phương tâm khối với các thông số mạng a= b= c và α= β= γ= 90o . SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 14
  17. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ z y x b) a) Vị trí cation A2+(A3+) Vị trí cation B4+(B3+) Vị trí cation O2- Hình 1.7. Cấu trúc tinh thể của perovskite ABO 3 thuần Ở đây cation A nằm tại các mặt của hình lập phương, còn cation B có bán kính nhỏ hơn nằm tại tâm của hình lập phương. Cation B được bao quanh bởi 8 cation A và 6 anion O2-, còn quanh mỗi vị trí A có 12 anion O2- như ở hình 1.7a, cấu trúc tinh thể của hợp chất perovskite còn có thể mô tả dưới dạng sắp xếp các bát diện BO 6 như hình 1.7b, với cation B nằm ở hốc của bát diện BO 6 , còn các anion O2- nằm ở đỉnh của bát diện BO 6 . Từ hình 1.7b, các góc B-O-B bằng 1800 và độ dài liên kết B-O bằng nhau theo mọi phương. Bát diện FeO 6 này ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất điện và tính chất từ của vật liệu [2, 8]. 1.4.2. Cấu trúc tinh thể ABO 3 biến tính Cấu trúc tinh thể ABO 3 biến tính là có ion A hoặc B được thay thế một phần bởi các ion khác có thể viết dưới dạng công thức ( A1− x Ax' )( B1− y B 'y )O3 (0 ≤ x, y ≤ 1). Với A có thể là các nguyên tố họ đất hiếm Ln như La, Nd, Pr… hoặc Y; A' là các kim loại kiềm thổ như Sr, Ba, Ca… hoặc các nguyên tố như: Ti, Ag, Bi, Pb…; B có thể là Mn, Co; B' có thể là Fe, Ni, Y…. Sau đây là ví dụ một số mẫu đã được nghiên cứu chế tạo: LaFe 1- x Ni x O 3 , LaNi 1-x Co x O 3 , LaCo 1-x Fe x O 3 , La 1-x Sr x FeO 3 , La 1-x Ti x FeO 3 , La 1-x Nd x FeO 3 , LaFe 0.5 Ga 0.5 O 3 , La 1-x Sr x MnO 3 , La 1-x Ca x MnO 3 , Ca 1-x Nd x MnO 3 , Ca 1x Nd x Mn 1-y Fe y O 3 ; La 1-x Sr x Mn 1-y Ni y O 3 [8]. SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 15
  18. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ Các perovskite ABO 3 bị biến tính khi được pha tạp thay thế sẽ tạo ra trạng thái hỗn hợp hóa trị và sai lệch cấu trúc làm cho hợp chất nền trở thành vật liệu có nhiều hiệu ứng lý thú như: hiệu ứng nhiệt điện, hiệu ứng từ trở khổng lồ, hiệu ứng từ nhiệt… Sự sai lệch cấu trúc tinh thể được đánh giá thông qua thừa số dung hạn t do Goldchmit đưa ra: RA + RO t= 2 ( RB + RO ) Với R A , R B , R O lần lượt là bán kính của các ion A2+(A3+), B4+(B3+) và O2-. Cấu trúc perovskite được coi là ổn định khi 0.8 < t < 1. Điều đó kéo theo các cation phải có kích thước giới hạn: R A > 0.9 và R B > 0.5. Khi t = 1, ta có cấu trúc perovskite là hình lập phương như hình 1.7. Khi t ≠ 1, mạng tinh thể bị méo, góc liên kết B-O-B không còn là 1800 nữa mà bị bẻ cong và độ dài liên kết B-O theo các phương khác nhau sẽ khác nhau, Cấu trúc tinh thể bị thay đổi. Điều này dẫn tới thay đổi các tính chất điện và từ của vật liệu [8, 9]. 1.5. VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ YFeO 3 VÀ LĨNH VỰC ỨNG DỤNG[4][11] Tinh thể YFeO 3 có cấu trúc trực thoi hoặc lục giác (giống với YAlO 3 ) tùy thuộc vào điều kiện tổng hợp nên nó. Mỗi tế bào đơn vị YFeO 3 chứa 4 ion sắt ở mỗi đỉnh nhưng các trục của 4 ion sắt hơi nghiêng so với bát diện (hình 1.8). Các hiện tượng biến dạng của perovskite chủ yếu là ở vị trí Y3+ trong khí đó các ion Fe3+ cơ bản vẫn được giữ nguyên trong thể bát diện. Hình 1.8. Tế bào đơn vị của YFeO 3 Một số công trình nghiên cứu về tổng hợp YFeO 3 đã được công bố. Yttrium orthoferrite có thể được tổng hợp bằng phản ứng pha rắn thông thường của oxit nhưng quá trình này cũng gặp khá nhiều khó khăn do sự hình thành của Y 3 Fe 5 O 12 (yttri-iron garnet) và Fe 3 O 4 . Một số phương pháp khác cũng đã được đề xuất bao gồm phương pháp SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 16
  19. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ sol-gel của một hỗn hợp kim loại với oxit kiềm Y-Fe, phương pháp Pechini-là phương pháp tương tự như phương pháp sol-gel, quá trình này lấy tên của nhà phát minh người Mỹ Maggio Pechini, phương pháp tổng hợp bước sóng, phương pháp hóa cơ học và phương pháp quy nạp plasma, phương pháp phân hủy nhiệt v.v… Yttrium orthoferrite đơn tinh thể được sử dụng trong bộ cảm biến và các thiết bị truyền động, nó có nhiệm vụ như bộ chuyển đổi quang và từ trường ở đó những tinh thể này hoạt động như trong định luật cảm ứng điện từ của Faraday. YFeO 3 đơn tinh thể đã thu hút được nhiều sự chú ý do tính chất đặc biệt của chúng có ý nghĩa trong lĩnh vực công nghệ ứng dụng. YFeO 3 còn được dùng để chế tạo màng mỏng. Tinh thể YFeO 3 có kích thước nano có khả năng ứng dụng trong chiếu xạ quang xúc tác dưới ánh sáng nhìn thấy do cấu trúc của nó thuộc loại perovskite và nó có thuộc tính quang phổ hấp thụ. YFeO 3 là chất xúc tác cơ bản đã được nghiên cứu trong quá trình oxi hóa của thuốc nhuộm hữu cơ. Ngoài ra, YFeO 3 có cấu trúc lục giác có hoạt tính xúc tác cao còn được sử dụng trong quá trình oxi hóa CO. 1.6. TỔNG QUAN TÍNH CHẤT CỦA OXIT, HYDROXIT SẮT, YTTRIUM VÀ LANTHANUM 1.6.1. Oxit và hydroxit sắt[4][5][7] 1.6.1.1. Oxit sắt (III) Bảng 1. Một số oxit-hydroxit và hydroxit của sắt Fe 2 O 3 có tính thuận từ, màu nâu đỏ. Trong các hợp chất oxit sắt, Fe(III) là chất có trạng thái spin cao (có các electron thuộc phân lớp d). Fe (III) với 5 elctron d lớp ngoài cùng nên có năng lượng mạng lưới trường tinh thể ổn định. SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 17
  20. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: TS. Dương Bá Vũ Sắt (III) oxit không chỉ là một vật liệu dùng trong chiến lược công nghiệp mà nó còn là một hợp chất được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu tính đa hình và sự thay đổi hình dạng trong các hạt nano. Sắt (III) oxit với tất cả các dạng thù hình của nó là một trong những oxit kim loại được sử dụng nhiều nhất với các ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học và công nghiệp. Fe 2 O 3 có hình dạng vô định hình và tồn tại bốn loại hình dạng (alpha, beta, gamma, và epsilon) (bảng 1). α-Fe 2 O 3 và γ-Fe 2 O 3 được tìm thấy trong tự nhiên ở dạng khoáng haematite và maghemite, bốn loại thù hình của Fe 2 O 3 có kích thước nano đã được tổng hợp và nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây. Nhiệt biến đổi của chất sắt trong không khí khi bị oxi hoá làm cho các phản ứng không đồng nhất dẫn đến Fe 2 O 3 có những hình dạng khác nhau, nó trở thành một quá trình nghiên cứu khá quan trọng trong ngành vật liệu vô cơ và hoá lý, hoá học chất rắn cũng như ngành nghiên cứu khoáng vật, kỹ thuật… Mẫu nung có thể chứa một trong số bốn dạng thù hình của sắt (III) oxit. Các oxit sắt có thể được điều chế thành các hạt siêu mịn có kích thước khoảng một vài nanomet. Chất lượng và số lượng của pha thành phần trong quá trình nung phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ, thời gian, áp lực, tốc độ dòng khí, độ dày của vật liệu, kích thước hạt, thành phần hoá học và cấu trúc của vật liệu. Việc xác định các hình dạng cụ thể của oxit sắt và các cơ chế hình thành nó trong quá trình biến đổi nhiệt không chỉ là những nghiên cứu khoa học mà nó còn thể hiện tầm quan trọng trong nhiều ngành kỹ thuật. Maghemite được tìm thấy trong mẫu đất đỏ ở Đại Tây Dương, trong khi đó haematite và magnetite được tìm thấy trên bề mặt sao Hỏa. Các màu sắc tự nhiên cũng như tổng hợp được của Fe 2 O 3 như màu đỏ, nâu và màu đen thì được sử dụng trong ngành sản xuất sơn, phụ gia và trong sản xuất kính màu. Sắt (III) oxit còn được sử dụng làm chất xúc tác của nhiều phản ứng quan trọng của ngành công nghiệp sản xuất hoá chất, nó là chất xúc tác của phản ứng khử ethylbenzen để sản xuất styren. Chúng được chứng minh là chất xúc tác có hiệu quả trong quá trình oxi hoá các hydrocarbon polyaromatic, xúc tác đốt nhiên liệu, than hoá lỏng và pha hơi trong quá trình oxi hoá của axit benzoic. SVTH: Nguyễn Xuân Lập Trang 18
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược