1. Trang Chủ
  2. Khoa học tự nhiên
  3. Khoá luân tốt nghiệp cử nhân hoá học: Tổng hợp và nghiên cứu ứng dụng của vật liệu nano perovskite Y0.8Sr0.2FeO3

Khoá luân tốt nghiệp cử nhân hoá học: Tổng hợp và nghiên cứu ứng dụng của vật liệu nano perovskite Y0.8Sr0.2FeO3

Bài nghiên cứu này khảo sát dung lượng hấp phụ Pb2+ và quá trình giải hấp trên vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3. Tổng hợp vật liệu perovskite Y1-xSrxFeO3 với các tỉ lệ hợp thức khác nhau (x = 0.1, 0.3, 0.4...) để khảo sát độ từ tính trên vật liệu. Mong muốn vật liệu có từ tính cao thì giá trị độ bão hòa từ Ms phải đạt cỡ vài chục emu/g. Mời các bạn cùng tham khảo! BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HÓA HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC Chuyên ngành:

Thể loại Tài liệu miễn phí Khoa học tự nhiên

Số trang 60

Ngày tạo 10/20/2021 3:23:18 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.83 M

Tên tệp

Tải Khoá luân tốt nghiệp cử nhân hoá học: Tổng hợp và ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HÓA HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ Nguyễn Nữ Huyền Trang TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO PEROVSKITE Y0.8Sr0.2FeO3 Thành phố 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 HÓA HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO PEROVSKITE Y0.8Sr0.2FeO3 GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2012
  3. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------- SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 1
  4. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến LỜI CẢM ƠN Trong suốt bốn năm được học tập và nghiên cứu khoa học tại Khoa Hóa – Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh em đã trưởng thành lên rất nhiều. Môi trường sư phạm đã giúp em ngày càng hoàn thiện hơn về tri thức và con người. Mỗi học kỳ trôi qua là em được học hỏi nhiều kiến thức quý báu từ những năm đại cương cho đến những năm chuyên ngành dưới sự dìu dắt của các Thầy Cô trong và ngoài Khoa. Để rồi, bước cuối cùng kết thúc cuộc đời sinh viên là hoàn thành Luận văn tốt nghiệp; em đã tự tin lên rất nhiều vì những gì mình đã học tập và trao dồi trong bốn năm qua. Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến những người mà em yêu quý và trân trọng nhất đã giúp đỡ cho em hoàn thành tốt bài Luận văn này. Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Anh Tiến – người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt bài Luận văn. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài luận văn em cũng xin cảm ơn toàn thể quý Thầy Cô Khoa Hóa – Trường Đại học Sư phạm đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ trong quá trình làm đề tài. Và em cũng không quên gửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình, bạn bè đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu! Vì thời gian và khả năng còn hạn chế nên bài luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Em kính mong nhận được sự đóng góp chân thành của Thầy Cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! TP. HCM, ngày 7 tháng 5 năm 2012 SVTH Nguyễn Nữ Huyền Trang SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 2
  5. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................2 MỤC LỤC.................................................................................................................3 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU ..............................................................5 MỞ ĐẦU...................................................................................................................7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..........................................8 1.1. Giới thiệu về công nghệ nano ............................................................................ 8 1.1.1. Một số khái niệm............................................................................................. 8 1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano...................................................................... 10 1.2. Vật liệu perovskite ABO 3 ................................................................................ 12 1.2.1. Cấu trúc tinh thể của perovskite ABO 3 ........................................................ 12 1.2.2. Sự pha tạp và sự khuyết thiếu oxi ................................................................. 14 1.2.3. Cấu trúc tinh thể YFeO 3 ............................................................................... 15 1.2.4. Ứng dụng của vật liệu oxit perovskite kích thước nanomet ......................... 15 1.3. Tổng quan tính chất của yttri¸stronti, sắt ......................................................... 18 1.3.1. Oxit yttri, yttri cacbonat ................................................................................ 18 1.3.2. Oxit stronti, stronti cacbonat ......................................................................... 20 1.3.3. Oxit sắt và sắt hidroxit .................................................................................. 21 1.4. Phương pháp tổng hợp vật liệu perovskite ...................................................... 23 1.4.1. Phương pháp gốm truyền thống .................................................................... 23 1.4.2. Phương pháp đồng kết tủa............................................................................. 25 1.4.3. Phương pháp sol-gel ..................................................................................... 26 CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.........................29 2.1. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................ 29 2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 30 2.2.1. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TGA/DTG ................................... 30 2.2.2. Phương pháp nghiên cứu nhiễu xạ tia X ....................................................... 32 2.2.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM ................................................ 33 2.2.4. Phương pháp đo phổ hồng ngoại (FTIR) ...................................................... 34 2.2.5. Phương pháp hấp phụ.................................................................................... 35 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 3
  6. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến 2.2.6. Phương pháp đo độ từ hóa ............................................................................ 37 2.3. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất ........................................................................... 39 2.3.1. Dụng cụ và thiết bị ........................................................................................ 39 2.3.2. Hóa chất ........................................................................................................ 39 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..........................................................40 3.1. Tổng hợp vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 theo phương pháp đồng kết tủa . 40 3.1.1. Quy trình tổng hợp vật liệu ........................................................................... 40 3.1.2. Kết quả phân tích nhiệt ................................................................................. 41 3.1.3. Kết quả phổ hồng ngoại FTIR ...................................................................... 42 3.1.4. Kết quả XRD của vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 ...................................................... 43 3.1.5. Kết quả nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) .......................... 44 3.2. Tổng hợp vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 theo phương pháp citrat-gel....... 44 3.2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu ........................................................................... 44 3.2.2. Kết quả phân tích nhiệt ................................................................................. 45 3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel .............................................................. 46 3.2.4. Khảo sát nhiệt độ nung ................................................................................. 47 3.2.5. Khảo sát tỷ lệ mol C/M ................................................................................. 48 3.2.6. Kết quả nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) .......................... 49 3.3. Vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 .................................................................... 49 3.3.1. Cấu trúc vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 ................................................... 49 3.3.2. Thành phần hóa học của vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 ......................... 50 3.4. Ứng dụng vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 .................................................... 52 3.4.1. Khả năng hấp phụ Pb2+ trên vật liệu ............................................................. 52 3.4.2. Từ tính của vật liệu ....................................................................................... 54 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..........................................................55 4.1. Kết luận ............................................................................................................ 55 4.2. Kiến nghị .......................................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................57 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 4
  7. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Danh mục hình vẽ Hình 01. Phân loại vật liệu nano theo số chiều ........................................................9 Hình 02. Phân loại vật liệu nano theo hình dạng .....................................................9 Hình 03. (a) Cấu trúc lý tưởng perovskite ABO 3 , (b) Sự sắp xếp các bát diện trong cấu trúc lý tưởng .....................................................................................................13 Hình 04. Sự biến dạng của cấu trúc perovskit khi góc liên kết B-O-B ≠ 180o ......13 Hình 05. Sự di chuyển của các nút khuyết oxi trong perovskit: (a) Sự tạo thành của một nút khuyết oxi, (b) Vị trí nút khuyết bị dịch chuyển .......................................14 Hình 06. Tế bào đơn vị của YFeO 3 .......................................................................15 Hình 07. Mô hình tách tế bào bằng từ trường ........................................................16 Hình 08. Mô hình dẫn thuốc dùng hạt nano từ tính ...............................................16 Hình 09. Biểu đồ thử nghiệm đốt nhiệt từ trên thỏ ................................................17 Hình 10. Cấu trúc lập phương tâm mặt của Y 2 O 3 .................................................19 Hình 11. Cấu trúc tinh thể SrO ...............................................................................20 Hình 12. Sơ đồ khối của phương pháp gốm truyền thống sản xuất vật liệu gốm ..23 Hình 13. Sự phụ thuộc giữa pH của hỗn hợp và lượng Ti4+, Nd3+ còn lại trong dung dịch vào giá trị pH..........................................................................................25 Hình 14. Kỹ thuật sol-gel và các sản phẩm của nó ................................................26 Hình 15. Mô hình máy phân tích nhiệt STA 409 PC-NETZSCH ..........................32 Hình 16. Thiết bị XRD D8 ADVANCE của Bruker AXS ....................................33 Hình 17. Sơ đồ hoạt động của kính hiển vi điện tử quét SEM...............................33 Hình 18. Thiết bị SEM HITACHI S-4800 .............................................................34 Hình 19. Thiết bị FTIR 8400S-SHIMADZU .........................................................35 Hình 20. Thiết bị AAS SHIMADZU AA-6300 .....................................................36 Hình 21. Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ ......................................................37 Hình 22. Thiết bị độ từ tính MICROSENE EV11 .................................................38 Hình 23. Sơ đồ tổng hợp vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa (phương pháp 1) ..........................................................................................40 Hình 24. Giản đồ TGA và DTG của mẫu bột tổng hợp theo phương pháp 1 ..........4 Hình 25. Phổ FTIR của mẫu vật liệu Y 0.8 Sr 0,2 FeO 3 ..................................................................... 42 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 5
  8. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến Hình 26. Giản đồ XRD của vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 tổng hợp theo phương pháp 1 nung ở 750oC trong 2h ...................................................................43 Hình 27. Ảnh SEM của vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 tổng hợp theo phương pháp 1 nung ở 750oC trong 2h .....................................................................................................44 Hình 28. Sơ đồ tổng hợp vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 tổng hợp theo phương pháp citrate-gel ................................................................................................................45 Hình 29. Giản đồ phân tích nhiệt TGA của mẫu bột được tổng hợp tại pH = 9-10, tỷ lệ citrat/kim loại = 1,2:1; nhiệt độ tạo gel là 80oC ..............................................46 Hình 30. Giản đồ XRD đã ghép với peak chuẩn của mẫu bột nung ở 950oC trong 2h; C/M =1,2 ...........................................................................................................47 Hình 31. XRD của mẫu vật liệu tổng hợp (C/M = 1,8; pH = 9) sau khi nung ở các nhiệt độ 900oC, 950oC,1000oC, 1100oC ..................................................................48 Hình 32. Giản đồ XRD của mẫu vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 được tổng hợp ở điều kiện pH = 9; T = 950oC ............................................................................. 49 Hình 33. Ảnh SEM của mẫu vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 to = 950oC trong 2h ..............49 Hình 34. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ trên vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 ..................53 Hình 35. Đường từ trễ của vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 .................................................54 Danh mục bảng biểu Bảng 1. Một vài hằng số vật lý quan trọng của oxit sronti.....................................20 Bảng 2. Kiểu mạng tinh thể, thành phần pha, hằng số mạng, kích thước hạt của vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 ...................................................................................................50 Bảng 3. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của mẫu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 tổng hợp theo hai phương pháp ............................................................................................................51 Bảng 4. Phần trăm về khối lượng của các nguyên tố trong mẫu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 .....52 Bảng 5. Nồng độ Pb2+ còn lại theo thời gian hấp phụ trên vật liệu........................52 Bảng 6. Thông số từ tính của vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 ..............................................54 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 6
  9. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến MỞ ĐẦU Khoa học nano và công nghệ nano đã bắt đầu phát triển từ những năm 60 của thế kỷ trước. Vật liệu nano đang đi sâu vào đời sống hiện đại và ngày càng chiếm một ý nghĩa rất lớn đối với con người nhờ vào các tính chất đặc biệt của chúng mà các vật liệu truyền thống trước đó không có được. Oxit phức hợp kiểu perovskite ABO 3 ( với A là nguyên tố đất hiếm như La, Y; B là nguyên tố chuyển tiếp họ d như Mn, Fe…) thu hút được nhiều sự quan tâm trong lĩnh vực từ tính và hấp phụ. Bên cạnh đó hoạt tính xác tác của perovskite đang được nghiên cứu và ứng dụng phụ thuộc nhiều vào diện tích bề mặt của chúng. Thực nghiệm đã chứng minh rằng, khi thay thế một phần kim loại La hay Y trong ABO 3 bằng các kim loại hoá trị II như Ca, Sr sẽ làm thay đổi cấu trúc mạng tinh thể perovskite, dẫn đến thay đổi các tính chất hoá lý của vật liệu được điều chế từ chúng. Có rất nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu perovskite như phương pháp gốm truyền thống thường dùng để điều chế perovskite; nhưng kết quả thu được các hạt perovskite có diện tích bề mặt thấp (< 2m2/g) do sự kết tụ [9]. Phương pháp sol-gel và đồng kết tủa được sử dụng rộng rãi hơn cả bởi các sản phẩm thu được có độ đồng thể tốt, kích thước hạt nhỏ (cỡ nano mét), diện tích bề mặt lớn (vài chục m2/g); ứng dụng trong các lĩnh vực từ tính, hấp phụ, xúc tác... Với những lý do trên, chúng tôi đã chọn đề tài: “ Tổng hợp và nghiên cứu ứng dụng của vật liệu nano perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 ” SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 7
  10. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu về công nghệ nano 1.1.1. Một số khái niệm [2, 3, 11] Công nghệ nano Nanomet là điểm kỳ diệu trong kích thước chiều dài, là điểm mà tại đó những vật sáng chế nhỏ nhất do con người tạo ra ở cấp độ nguyên tử và phân tử của thế giới tự nhiên. Hội chứng “công nghệ nano” đang tràn qua tất cả các lĩnh vực của khoa học và công nghệ, và sẽ thay đổi bản chất của hầu hết mọi đối tượng do con người tạo ra trong những thế kỷ tiếp theo. Trong công nghệ nano, thế giới nghiên cứu và sử dụng các hệ bao gồm các cấu tử có kích thước nanomet (10-9 m) với cấu trúc phân tử hoàn chỉnh trong việc chuyển hoá vật chất, năng lượng và thông tin. Như vậy, theo định nghĩa thì công nghệ nano không phải là công nghệ bao hàm nghiên cứu cơ bản về cấu tử có độ lớn nằm giữa 1 nm và 100 nm. Để hiểu rõ hơn định nghĩa, ta có thể nêu ra một số ví dụ của thế giới nano. Chẳng hạn những hạt muội than từ một thế kỷ nay là phụ gia không thể thiếu cho vật liệu cao su làm lốp xe vì nó tạo độ bền cần thiết cho vật liệu. Vậy từ lâu vật liệu nano đã đi vào cuộc sống thường nhật của chúng ta. Một số chất dùng trong tiêm chủng cũng thuộc “nano” bởi vì chúng chứa một hoặc một vài chủng protein, nghĩa là các phần tử vĩ mô kích thước nanomet. Nhưng ta không thể xếp chúng vào công nghệ nano được. Vật liệu nano (nano materials) Công nghệ nano không thể xuất hiện nếu như không có vật liệu nano. Khó có thể xác định chính xác thời điểm xuất hiện của khoa học vật liệu nano, song người ta nhận thấy rằng vài thập niên cuối của thế kỷ XX là thời điểm mà các nhà vật lý, hoá học và vật liệu quan tâm mạnh mẽ đến việc điều chế, nghiên cứu tính chất và những sự chuyển hoá của các phần tử có kích thước nano. Đó là do các phần tử nano biểu hiện những tích chất điện, hoá, cơ, quang, từ... rất khác biệt so với vật liệu khối thông thường. SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 8
  11. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến Khái niệm vật liệu nano tương đối rộng, chúng có thể là tập hợp các nguyên tử kim loại hay phi kim, oxit, sunfua, cacbua, nitrua... có kích thước trong khoảng 1-100 nm; chúng cũng có thể là các vật liệu xốp với đường kính mao quản dưới 100 nm (zeolit, photphat và cacboxilat kim loại). Như vậy, vật liệu nano có thể thuộc kiểu siêu phân tán hay hệ rắn với độ xốp cao. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: - 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... - 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… - Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do. Ví dụ: màng mỏng [1]. Ngoài ra để phân biệt được các dạng vật liệu nano người ta còn dựa vào sự khác nhau về kích thước của chúng như: - Vật liệu nano kim loại. - Vật liệu nano bán dẫn. - Vật liệu nano từ tính. - Vật liệu nano sinh học. Hình 2. Phân loại vật liệu nano Hình 1. Phân loại vật liệu nano theo hình dạng theo số chiều SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 9
  12. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến Hoá học nano Hoá học nano là khoa học nghiên cứu các phương pháp tổng hợp và xác định tính chất của vật liệu nano. Để tổng hợp các vật liệu nano người ta có thể dùng tất cả các phương pháp tổng hợp hoá học truyền thống như ngưng tụ pha hơi, phản ứng pha khí, kết tủa trong dung dịch, nhiệt phân, thuỷ phân, điện kết tủa, oxi hoá, phản ứng vận chuyển, sol-gel... Tuy nhiên, điều quan trọng nhất để tổng hợp vật liệu nano là kiểm soát kích thước và sự phân bố theo kích thước của các cấu tử hay các pha tạo thành, do đó các phản ứng thường được thực hiện trên khuôn (đóng vai trò như những bình phản ứng nano) vừa tạo ra không gian thích hợp, vừa có thể định hướng cho sự sắp xếp các nguyên tử trong phân tử hoặc giữa các các phân tử với nhau. Ngày nay, người ta đã dùng các khuôn là các ion kim loại, các mixen được tạo thành bởi các chất hoạt động bề mặt, các màng photpholipit. 1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano Công nghệ nano hứa hẹn sẽ “thay đổi cuộc sống của con người” bởi có những tính chất nổi trội và mới lạ. Chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, kinh tế và xã hội. Công nghệ nano với lĩnh vực điện tử, quang điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông Không có một lĩnh vực nào mà công nghệ nano có ảnh hưởng nhiều như điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông. Điều này được phản ánh rõ nhất ở số lượng các transistor kiến tạo nên vi mạch máy tính, số lượng các transistor trên một con chip tăng lên làm tăng tốc độ xử lý của nó, giảm kích thước linh kiện, dẫn tới giảm giá thành, nâng cao hiệu quả kinh tế lên nhiều lần. Ứng dụng đầu tiên của công nghệ nano là tạo các lớp bán dẫn siêu mỏng mới. Ngoài ra công nghệ nano mở ra cho công nghệ thông tin một triển vọng mới - chế tạo linh kiện mới, rẻ hơn và có tính năng cao hơn hẳn so với transistor, đó là các chấm lượng tử được chế tạo ở mức độ tinh vi, mỗi chiều chỉ có 1 nm thì một linh kiện cỡ 1 cm3 sẽ lưu trữ được 1000 tỷ tỷ bit, tức là toàn bộ thông tin của tất cả các thư viện trên thế giới này có thể lưu giữ trong đó. Quang điện tử cũng là một lĩnh vực chủ chốt của cuộc cách mạng công nghệ thông tin. Lĩnh vực này đang có xu thế giảm tối đa kích thước, ví dụ như một số SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 10
  13. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến linh kiện của thiết bị phát tia laze năng lượng lượng tử, các màn hình tinh thể lỏng đòi hỏi được chế tạo với độ chính xác cỡ vài nanomet. Công nghệ nano với lĩnh vực sinh học và y học Ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực sinh học để tạo ra các thiết bị cực nhỏ có thể đưa vào cơ thể để tiêu diệt virut và các tế bào ung thư, tạo ra hàng trăm các dược liệu mới từ các vi sinh vật mang ADN tái tổ hợp, tạo ra các protein cảm ứng có thể tiếp nhận các tín hiệu của môi trường sống, tạo ra các động cơ sinh học mà phần di động chỉ có kích thước cỡ phân tử protein, tạo ra các chip sinh học và tiến tới khả năng tạo ra các máy tính sinh học với tốc độ truyền đạt thông tin như bộ não. Công nghệ nano sinh học còn có thể được ứng dụng trong y học để tạo ra một phương pháp tổng hợp, thử nghiệm để bào chế dược phẩm, nâng cao các kĩ thuật chuẩn đoán, liệu pháp và chiếu chụp ở cấp độ tế bào với độ phân giải cao hơn độ phân giải của chụp hình cộng hưởng từ. Một số công cụ đã được phát triển trong những năm gần đây như: kính hiển vi đầu dò quét (SPM), kính hiển vi nguyên tử lực (AFM) cho phép quan sát trực tiếp hoạt động của từng phân tử bên trong các hệ sinh vật và sự chuyển động của phân tử ở thời gian thực bên trong một động cơ cấp phân tử. Hy vọng rằng việc ứng dụng các thành tựu của công nghệ nano vào lĩnh vực sinh học và y học sẽ tạo ra được những biện pháp hữu hiệu để nâng cao sức khoẻ, tăng tuổi thọ con người. Công nghệ nano với vấn đề môi trường Hoá học xanh và môi trường được quan tâm đặc biệt trong thời gian gần đây. Các kim loại dạng bột mịn như Fe, Zn thể hiện hoạt tính cao với các hợp chất hữu cơ chứa clo trong môi trường nước. Điều này dẫn tới việc sử dụng thành công loại màng chứa cát và bột kim loại xốp để làm sạch nước ngầm. Các oxit kim loại nano với sự phân hủy của chất hấp phụ, do đó các vật liệu mới này được gọi là các “chất hấp thụ hay phân hủy”. Chúng được sử dụng trong việc xử lí khí, phá hủy các chất độc hại. Công nghệ nano với vấn đề năng lượng Nhu cầu về năng lượng là một thách thức nghiêm trọng đối với sự tồn tại và phát triển của thế giới. Trước một thực tế là các nguồn năng lượng truyền thống SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 11
  14. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến đang ngày một cạn kiệt thì việc tìm ra các nguồn năng lượng khác thay thế là một nhiệm vụ cấp bách đặt ra. Năng lượng mặt trời có thể chuyển hoá trực tiếp thành điện năng nhờ pin quang điện. Nguồn nhiên liệu sạch là hidro có thể được tạo ra nhờ phản ứng quang hoá phân hủy nước. Các quá trình trên đạt hiệu quả cao khi sử dụng các vật liệu nano. Việc lưu trữ hidro được thực hiện khi sử dụng các vật liệu ống nano. Công nghệ nano với lĩnh vực vật liệu Vật liệu nano composit gồm các vật liệu khác nhau về cấu trúc và thành phần, sử dụng các hạt nano trong vật liệu composit làm tăng tính chất cơ lí, giảm khối lượng, tăng khả năng chịu nhiệt và hoá chất, thay đổi tương tác với ánh sáng và các bức xạ khác. Các vật liệu gốm composit được sử dụng làm lớp mạ trong điều kiện cơ, nhiệt khắc nghiệt. Các lớp mạ tạo bởi các hạt nano có các tính chất khác thường như thay đổi màu khi có dòng điện đi qua. Các loại sơn tường chứa các hạt nano làm tăng khả năng chống bám bụi. Trên thị trường đã xuất hiện loại thuỷ tinh tự làm sạch do được mạ một lớp các hạt nano chống bám bụi. 1.2. Vật liệu perovskite ABO3 1.2.1. Cấu trúc tinh thể của perovskite ABO3 [3] Các loại oxit perovskite có công thức chung ABO 3 với A là nguyên tố đất hiếm thuộc họ lantanoit (A = Y, La, Pr, Nd, Eu, Gd…) và B là các nguyên tố chuyển tiếp thuộc họ d (B = Mn, Fe, Co, Ni, Pt). Thành phần của chúng có thể thay đổi bằng cách thay thế một phần các cation ở vị trí A và B tạo thành hợp chất (A x A′ 1-x )(B y B′ y-1 )O 3 . Trong phạm vi nghiên cứu đề tài này, chúng tôi đặc biệt quan tâm đến cấu trúc hoá học của oxit perovskite trên vật liệu. Cấu trúc perovskite ABO 3 lý tưởng có dạng lập phương (hình 3a), với các thông số của ô mạng cơ sở thỏa mãn: a = b = c và α = β = γ = 90o. Cation Ln3+ nằm tại các đỉnh, anion O2- nằm tại vị trí tâm của các mặt của hình lập phương, còn tâm hình lập phương là vị trí của cation B. SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 12
  15. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến Hình 3. (a) Cấu trúc lý tưởng perovskite ABO3 (b) Sự sắp xếp các bát diện trong cấu trúc lý tưởng Chúng ta có thể mô tả cấu trúc lý tưởng perovskite dưới dạng sắp xếp các bát diện (hình 3b). Trong trường hợp này cation B nằm tại vị trí các hốc bát diện, tâm của hình lập phương tạo bởi 8 cation B lân cận là vị trí của cation A. Từ hình 1b có thể thấy góc liên kết giữa B-O-B là 180o và độ dài liên kết B-O bằng nhau theo mọi phương. Dưới tác dụng của các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, tạp chất, từ trường, áp suất... thì cấu trúc perovskite lý tưởng sẽ bị biến dạng. Cấu trúc perovskite không còn dạng lập phương lý tưởng dẫn tới góc liên kết B-O-B là khác 180o (hình 4), đồng thời độ dài liên kết B-O theo các phương khác nhau sẽ khác nhau. Sự lệch khỏi cấu trúc lý tưởng dẫn đến các hệ tinh thể đối xứng thấp hơn như trực thoi (orthohomic), mặt thoi (rhoboheral), tứ giác (tetragonal), đơn tà hay một nghiêng (monoclinic), tam tà hay ba nghiêng (triclinic). Cấu trúc méo mạng có thể tồn tại ở nhiệt độ phòng nhưng nó có thể chuyển thể sang cấu trúc lập phương khi ở nhiệt độ cao. Sự chuyển pha cấu trúc này có thể xuất hiện theo nhiều bước qua các pha méo trung gian. Chính sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể perovskite mà các tính chất đối xứng, tính chất điện và từ của vật liệu bị thay đổi. Đặc biệt khi có lẫn các loại cation kim loại khác với Hình 4. Sự biến dạng của cấu trúc các tỉ lệ hợp thức khác nhau sẽ perovskit khi góc liên kết B-O-B ≠ 180o tạo ra những loại hợp chất có SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 13
  16. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến tính chất riêng biệt và có những ứng dụng khác nhau trong sản xuất và đời sống, đây cũng là hướng nghiên cứu mới đang thu hút nhiều sự quan tâm. 1.2.2. Sự pha tạp và sự khuyết thiếu oxi [3] Tính không hợp thức dư oxi trong các oxit perovskite thường không phổ biến, về mặt nhiệt động học là không thuận lợi, do việc gộp oxi vào mạng tinh thể như “oxi ngoài nút” (interstitial oxygen). Hơn nữa, cấu trúc ABO 3 gồm một mạng AO 3 xếp chặt với các cation B trong các bát diện BO 6 dẫn đến sự tồn tại các nút khuyết ở các vị trí cation. Van Roosmalen và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng: trên hệ LaMnO 3+δ không có oxi ngoài nút, có sự xuất hiện nút khuyết cation ở vị trí La và Mn với lượng bằng nhau. Các nút khuyết ở vị trí cation thường chiếm ưu thế ở vị trí nguyên tố đất hiếm “vị trí A”. Các nút khuyết vị trí B trong các oxit perovskite không phổ biến do cation B có điện tích lớn và kích thước nhỏ nên các nút khuyết vị trí B là không thích hợp về nhiệt động học, cation A lớn hơn, ở vị trí phối trí với 12 anion oxi nên dễ bị thiếu hụt từng phần. Mặt khác, dãy AO 3 trong cấu trúc perovskite tạo nên một mạng lưới bền vững. Hình 5. Sự di chuyển của các nút khuyết oxi trong perovskit: (a) Sự tạo thành của một nút khuyết oxi (b) Vị trí nút khuyết bị dịch chuyển Thông thường thì oxit perovskite thường khuyết thiếu oxi, để đảm bảo sự cân bằng điện tích trong mạng sẽ có sự trộn lẫn hóa trị của các cation. Trong phạm vi của đề tài chúng tôi nghiên cứu oxit perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 đó là sự thay thế Sr cho Y từ perovskite YFeO 3 . Việc thay thế Sr cho Y một cách dễ dàng ta được công thức tổng quát là Y 1-x Sr x FeO 3-y . Điều này xảy ra là do các cation Y3+ và Sr2+ có bán kính ion gần giống nhau (r Y3+ = 1.04 Ao, r Sr2+ = 1.18 Ao). Vì thế, sự thay thế SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 14
  17. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến vị trí sẽ hầu như không gây ra sự méo mạng. Thứ hai, là sự phân bố vị trí của các anion O2- quanh Y3+ hoặc Sr2+ là tương đương nhau, cho phép sự thay thế giữa Y3+ và Sr2+ trong mạng. Thứ ba, sự thay thế Sr2+ cho Y3+ tạo ra sự bù điện tích cục bộ, nhưng các hạt tải cục bộ loại p được cân bằng bởi sự biến đổi một phần Y3+ thành Y4+. Cuối cùng, sự mất điện tích cục bộ do sự thế chỗ Y3+ bởi Sr2+ được cân bằng nhờ sự hình thành của các vị trí khuyết thiếu oxi cũng như sự biến đổi Y3+ thành Y4+ . 1.2.3. Cấu trúc tinh thể YFeO3 [17] 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 4). Các hiện tượng biến dạng của perovskite chủ yếu là ở vị trí Y3+ trong khi đó các ion Fe3+ cơ bản vẫn được giữ nguyên trong thể bát diện. Một số công trình nghiên cứu về tổng hợp YFeO 3 đã được công bố. Yttri orthoferit 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 pha Y 3 Fe 5 O 12 (yttri-iron garnet) và Fe 3 O 4 . Hình 6. Tế bào đơn vị của YFeO 3 1.2.4. Ứng dụng của vật liệu oxit perovskite kích thước nanomet A. Từ tính vật liệu [8, 9] Ứng dụng từ tính của hạt nano trong y sinh học SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 15
  18. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến - Phân tách và chọn lọc tế bào: Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác. Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thể sinh học cần nghiên cứu và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường. Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nano từ tính. Các hạt này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polivinyl ancol (PVA)... Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nano phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ. Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào. Các hạt từ tính Hình 7. Mô hình tách tế bào được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương bằng từ trường tự các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu. Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradien từ trường ngoài. Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu. Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nanô từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng. Hình 7 là nguyên tắc tách tế bào bằng từ trường trong đó: (a) làmột nam châm được đặt ở bên ngoài để hút các tế bào đã được đánh dấu và loại bỏ các tế bào không được đánh dấu và (b) là nam châm có thể đặt vào một dòng chảy có chứa tế bào cần tách. - Dẫn truyền thuốc: Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu. Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnh khỏe bị ảnh Hình 8. Mô hình dẫn thuốc hưởng do tác dụng phụ của thuốc. Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 16
  19. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm 1970. Những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính. Có hai lợi ích cơ bản là: (i) thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc; và (ii) giảm lượng thuốc điều trị. Hạt nanô từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị. Lúc này hạt nanô có tác dụng như một hạt mang. Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Hình 8 là nguyên lí dẫn thuốc dùng hạt nanô từ tính. Một thanh nam châm bên ngoài rất mạnh tạo ra một gradient từ trường kéo các hạt nanô từ tính gắn với thuốc đến vị trí mong muốn. Ở đó quá trình nhả thuốc diễn ra làm cho hiệu quả sử dụng thuốc được tăng lên nhiều lần. - Đốt nhiệt từ: Phương pháp đốt các tế bào ung thư bằng từ trường ngoài mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạt nano từ tính. Một trong những nghiên cứu đầu tiên về đốt nhiệt từ xuất hiện từ năm 1957. Nguyên tắc hoạt động là các hạt nano từ tính có kích thước từ 20-100 nm được phân tán trong các mô mong muốn sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều với tần số 1,2 MHz bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để Hình 9. Biểu đồ thử nghiệm đốt nhiệt từ trên thỏ làm cho các hạt nano hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt độ khoảng 42°C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư trong khi các tế bào thường vẫn an toàn. Hình 9, người ta nghiên cứu thử nghiệm đốt nhiệt từ trên thỏ cho thấy nhiệt độ bên ngoài và bên trong u bướu (hai đường trên cùng) cao hơn nhiều so với nhiệt độ của những vùng xung quanh (những đường dưới). B. Hoạt tính xúc tác Oxi hóa hợp chất hữu cơ dễ bay hơi VOCs Các perovskite YFeO 3 với kích thước nanomet, diện tích bề mặt lớn đã và đang được các nhà khoa học nghiên cứu làm hoạt tính xúc tác trong xử lý khí CO, SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 17
  20. Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến H 2 S, VOCs… bởi hoạt tính oxi hóa khử cao, khả năng chống nhiễm độc của chúng. Vật liệu xúc tác này đóng vai trò là chất cung cấp và vận chuyển O 2 . Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi được xem là một nhóm các hợp chất quan trọng gây ô nhiễm môi trường khí. VOCs được tạo ra sự đốt cháy nhiên liệu không hoàn toàn hay các quá trình sản suất hàng hoá tiêu dùng... Thiêu đốt xúc tác là biện pháp hiệu quả nhất để xử lý VOCs. Sự oxi hoá hoàn toàn VOCs sảy ra theo phương trình chung: HCHC + O 2 → CO 2 + H 2 O Weicheng Wang và các cộng sự tổng hợp YFeO 3 kích thước nanomet bằng phương pháp axit citric. Sau đó họ đã dùng các hạt sol TiO 2 trải lên bề mặt của YFeO 3 tạo thành hệ TiO 2 /YFeO 3 với hoạt tính xúc tác cao hơn. Hệ xúc tác TiO 2 /YFeO 3 có thể chuyển hóa 50% lượng bezen trong thời gian 180 phút [19]. Oxi hóa CO Nguồn phát thải ra khí CO rất nhiều như các nhà máy luyện kim đen, sản suất nhôm bằng điện phân nóng chảy hay được tạo ra trong các quá trình cháy của nhiên liệu. Oxi hoá CO thành CO 2 trên xúc tác là biện pháp để xử lí khí này. 2CO + O2 → 2CO 2 Jun Li và các cộng sự đã tổng hợp thành công hạt nano perovskite YFeO 3 - YFe 1-x Gd x O 3-z bằng phương pháp sol-gel. Hợp chất perovskite với mạng tinh thể lục giác này đã được ứng dụng vào quá trình chuyển hóa CO. Hiệu suất chuyển hóa CO/O 2 từ 20% - 50% sau 18h [18]. 1.3. Tổng quan tính chất của yttri¸stronti, sắt 1.3.1. Oxit yttri, yttri cacbonat [1, 2] A. Oxit yttri Y 2 O 3 có cấu trúc lập phương tâm mặt với Y3+ nằm ở 8 đỉnh và tâm 4 mặt của tế bào, O2- nằm ở tâm tế bào và trung điểm các cạnh. Vậy trong mỗi tế bào sẽ có 12 phân tử Y 2 O 3 . Y 2 O 3 là chất rắn màu trắng và ổn định trong không khí. Nó được sử dụng như là một nguyên liệu đầu vào phổ biến cho các ngành khoa học vật liệu cũng như trong tổng hợp vô cơ. SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang 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