1. Trang Chủ
  2. Khoa học tự nhiên
  3. Khoá luận tốt nghiệp: Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ ion Pb2+ của vật liệu nano Y0.9Cd0.1FeO3

Khoá luận tốt nghiệp: Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ ion Pb2+ của vật liệu nano Y0.9Cd0.1FeO3

Nội dung chính của đề tài là tổng quan về vật liệu nano, phân loại vật liệu nano dựa vào các dấu hiệu khác nhau như số chiều, kích thước, hình dạng, lĩnh vực ứng dụng...; Cấu trúc, phương pháp điều chế vật liệu perovskite dạng ABO3 và các lĩnh vực ứng dụng chúng; Tổng quan về kim loại, oxit, hydroxides của sắt, yttrium và cadmium. Mời các bạn cùng tham khảo! BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HÓA  PHẠM THÁI NGỌC THẢO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC

Thể loại Tài liệu miễn phí Khoa học tự nhiên

Số trang 41

Ngày tạo 10/20/2021 3:21:34 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.91 M

Tên tệp

Tải Khoá luận tốt nghiệp: Tổng hợp và khảo sát khả năn... (.pdf)

Xem mẫu

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HÓA  PHẠM THÁI NGỌC THẢO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC CHUYÊN NGÀNH HÓA VÔ CƠ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Pb2+ CỦA VẬT LIỆU NANO Y0.9Cd0.1FeO3 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 HÓA  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC CHUYÊN NGÀNH HÓA VÔ CƠ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Pb2+ CỦA VẬT LIỆU NANO Y0.9Cd0.1FeO3 GVHD: Thầy MAI VĂN NGỌC SVTH: PHẠM THÁI NGỌC THẢO TP. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2012
  3. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 1
  4. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc LỜI CẢM ƠN  Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Mai Văn Ngọc và thầy Nguyễn Anh Tiến đã nhận và tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Em xin bày tỏ lời cảm ơn đến các quý thầy cô Khoa Hóa Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy em trong suốt 4 năm qua, những kiến thức mà em nhận được trên giảng đường đại học sẽ là hành trang giúp em vững bước trong tương lai. Cảm ơn ba mẹ, bạn bè, những người thân luôn kịp thời ủng hộ động viên và giúp đỡ em vượt qua mọi khó khăn. Do trình độ và thời gian nghiên cứu có hạn, luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn của quý thầy cô và bạn bè để khóa luận được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn. TP. HCM, tháng 5 năm 2012 SVTH Phạm Thái Ngọc Thảo SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 2
  5. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 4 Chương 1. CÁC ĐẶC TRƯNG CHUNG VỀ HẠT NANO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHÚNG .......................................................................................... 5 1.1. HẠT NANO VÀ VẬT LIỆU NANO .................................................................... 5 1.2. SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ BỘT NANO OXIT .................... 8 1.3. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO ........................................... 9 1.4. PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU NANO OXIT .... 10 1.5. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU PEROVSKITE ABO 3 .................... 11 1.5.1. Vật liệu ABO 3 thuần ................................................................................. 11 1.5.2. Vật liệu ABO 3 biến tính............................................................................ 12 1.6. VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ YFeO 3 ...................................................................... 12 Chương 2. VÀI NÉT TỔNG QUAN VỀ CÁC NGUYÊN TỐ SẮT, YTTRIUM VÀ CADMIUM ................................................................................................................... 14 2.1. SẮT...................................................................................................................... 14 2.1.1. Sắt (III) oxit ............................................................................................... 15 2.1.2. Sắt (III) hydroxides ................................................................................... 19 2.2. YTTRIUM ........................................................................................................... 19 2.2.1. Yttrium ...................................................................................................... 19 2.2.2. Oxit yttrium ............................................................................................... 20 2.3. CADMIUM ......................................................................................................... 21 2.3.1. Cadmium ................................................................................................... 21 2.3.2. Cadmium oxit............................................................................................ 23 Chương 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA BỘT NANO ......................................................................................................... 24 3.1. PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X (XRD) ..................................................... 24 3.2. PHƯƠNG PHÁP KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM).............................. 25 3.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KHỐI LƯỢNG NHIỆT (TG)........................... 26 3.4. PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ .............................. 27 Chương 4. THỰC NGHIỆM – KẾT QUẢ - THẢO LUẬN ..................................... 29 4.1. TỔNG HỢP BỘT NANO Y 0.9 Cd 0.1 FeO 3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA 4.1.1. Hóa chất và dụng cụ .................................................................................. 29 4.1.2. Phương pháp thực nghiệm ........................................................................ 29 4.2. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA BỘT NANO Y 0.9 Cd 0.1 FeO 3 TỔNG HỢP THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA ........................................... 30 KẾT LUẬN – ĐỀ XUẤT ............................................................................................. 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 38 SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 3
  6. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại ngày nay, công nghệ nano có thể coi là hướng nghiên cứu đang thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học cũng như các nhà đầu tư công nghiệp bởi những ứng dụng to lớn mà nó mang lại trong sản xuất các thiết bị dùng trong công nghiệp, điện tử, viễn thông, an ninh quốc phòng, trong y dược ... Các thiết bị ứng dụng công nghệ nano ngày càng nhỏ hơn, chính xác hơn so với các thiết bị sản xuất bởi công nghệ micro trước đó. Do các ứng dụng kỳ diệu của công nghệ nano, tiềm năng kinh tế cũng như tạo ra sức mạnh về quân sự. Vì lẽ đó hiện nay trên thế giới đang xảy ra cuộc chạy đua sôi động về phát triển và ứng dụng công nghệ nano. Không chỉ ở các trường đại học có các phòng thí nghiệm với các thiết bị nghiên cứu quy mô, mà các tập đoàn sản xuất cũng tiến hành nghiên cứu và phát triển lĩnh vực công nghệ này. Ở Việt Nam, tuy chỉ mới tiếp cận với công nghệ nano trong những năm gần đây nhưng cũng có những bước chuyển mới tạo ra sức hút đối với các nhà khoa học. Nhà nước cũng đã đầu tư một khoản ngân sách khá lớn cho chương trình nghiên cứu công nghệ nano cấp quốc gia với sự tham gia của các nhà khoa học đến từ các Trường Đại học, Cao đẳng, Trung học chuyên nghiệp, các trung tâm cũng như các Viện nghiên cứu. 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 thủy 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 chiến lược, kinh tế và thân thiện môi trường được coi là phương pháp sol – gel (trong trường hợp riêng, đồng kết tủa các cấu tử từ dung dịch lỏng của chúng). Với những lý do trên, em chọn đề tài:“Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ ion Pb2+ của vật liệu nano Y 0.9 Cd 0.1 FeO 3 ” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp cùng với mong muốn đóng góp thêm một số thông tin về loại vật liệu này. SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 4
  7. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc Chương 1. CÁC ĐẶC TRƯNG CHUNG VỀ HẠT NANO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHÚNG 1.1. HẠT NANO VÀ VẬT LIỆU NANO Trong khoảng vài 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 1nm = 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. 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 nano mét. 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... 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 và 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.. SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 5
  8. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc  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 1f)  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. Hình 1. Phân loại vật liệu nano theo số chiều Hình 2. Cấu trúc vật liệu nano không chiều (0D), 1 chiều (1D), 2 chiều (2D), 3 chiều (3D) SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 6
  9. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc Ngoài ra, để phân biệt các dạng vật liệu nano người ta còn dựa vào lĩnh vực ứng dụng khác nhau của chúng như:  Vật liệu nano kim loại;  Vật liệu nano bán dẫn;  Vật liệu nano có từ tính;  Vật liệu nano sinh học. Hình 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 3) hay các cấu trúc nano kì dị với sự đồng đều về kích thước, hình dạng và đơn pha 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. 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 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 nhiều tính chất đặc trưng khác của vật liệu như: hoạt tính và diện tích bề mặt; các tính chất nhiệt, điện, từ, quang học, cơ học, hóa học thậm chí cả sinh học… cũng bị thay đổi khi giảm kích thước đến giá trị nanomet. SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 7
  10. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc Hình 4. Kích thước của vật liệu 1.2. SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ BỘT NANO OXIT Các vật liệu nano có thể thu được bằng bốn phương pháp phổ biến, mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm khác nhau, một số phương pháp chỉ có thể được áp dụng để tổng hợp một số vật liệu nhất định mà thôi. Ví dụ:  Phương pháp hóa học 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 các ion khác nhau được trộn với nhau theo một tỷ phần thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất, giá trị pH của môi trường làm cho các tiểu phân kết dính hoặc kết tủa từ dung dịch của chúng. Sau các quá trình lọc, sấy khô và nung thiêu kết ta thu được các vật liệu nano mong muốn. Ví dụ, trong tài liệu [5], tác giả đã chế tạo thành công các hạt nano Y 2 O 3 và ZrO 2 với kích thước 5-15 nm bằng phương pháp hóa học ướt  Ưu điểm của phương pháp hóa ướt là các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng, chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Đặc điểm của phương pháp này là rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu.  Nhược điểm chính của phương pháp này là các hợp chất có 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. Thật vậy, tác giả Nguyễn Hoàng Hải [9] bằng phương pháp nghiền đã chế tạo thành công các hạt oxit sắt từ với kích thước khoảng từ 30-100 nm.  Ưu điểm phương pháp cơ học: là đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế tạo với một lượng lớn vật liệu. SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 8
  11. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc  Nhược điểm là các hạt bị kết tụ với nhau, dãi phân bố kích thước hạt không đều, 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 kim loại.  Phương pháp bốc bay: gồm các phương pháp quang khắc (lithography), bốc bay trong chân không (vacuum deposition) vật lí và hóa học. Ví dụ, trong công trình [7], tác giả 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 để có thể chế tạo ở quy mô thương mại. Không thể chế tạo các màng quá mỏng, khó khống chế chiều dày của vật liệu do tốc độ bốc bay khó điều khiển.  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 [14]. Bằng phương pháp này người ta đã thu được carbon nano dạng ống với đường kính ngoài 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 lên đến 900°C. 1.3. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO Ngày nay, các tập đoàn sản xuất điện tử đã bắt đầu đưa công nghệ nano vào ứng dụng, tạo ra các sản phẩm có tính cạnh tranh, từ chiếc máy nghe nhạc iPod nano đến các con chip có dung lượng lớn với tốc độ xử lý cực nhanh và hiệu quả. Trong y học, để chữa bệnh ung thư người ta tìm cách đưa các phân tử thuốc đến đúng các tế bào ung thư qua các hạt nano đóng vai trò là “xe tải kéo”, tránh được hiệu SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 9
  12. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc ứng phụ gây ra cho các tế bào lành. Hiện nay, y tế nano trên thế giới đang nhằm vào những mục tiêu bức xúc nhất đối với sức khỏe con người, đó là các bệnh do di truyền có nguyên nhân từ gen như: HIV/AIDS hay ung thư, tim mạch và các bệnh đang lan rộng hiện nay như béo phì, tiểu đường, liệt rung (Parkison), mất trí nhớ (Alzheimer), rõ ràng y học là lĩnh vực được lợi nhiều nhất từ công nghệ này. Đối với việc sửa sang sắc đẹp đã có sự hình thành nano phẩu thuật thẩm mỹ, nhiều loại thuốc thẩm mỹ có chứa các loại hạt nano để làm thẩm mỹ và bảo vệ da. Đây là một thị trường có sức hấp dẫn mạnh, nhất là đối với công nghệ kiệt xuất mới ra đời như công nghệ nano. Ngoài ra, các nhà khoa học đang tìm cách đưa công nghệ nano vào việc giải quyết các vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng. Việc cải tiến các thiết bị quân sự bằng các trang thiết bị, vũ khí nano rất tối tân mà sức công phá khiến ta không thể hình dung nổi. 1.4. PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU NANO OXIT Ngày nay, để tổng hợp vật liệu nano ferrite người ta thường sử dụng phương pháp đồng kết tủa các ion từ dung dịch lỏng của chúng. Phương pháp này đảm bảo được tính đồng nhất hóa học và hoạt tính cao của bột ferrite tạo thành. Thực nghiệm cho thấy, các hạt bột sản phẩm điều chế theo phương pháp đồng kết tủa thường có sự kết tụ, gây ảnh hưởng đến tính chất vật liệu được sản xuất từ chúng. Người ta thực hiện khuếch tán các chất tham gia phản ứng ở mức độ phân tử (precursor phân tử); Hỗn hợp ban đầu được gọi là precursor có tỷ lệ các ion kim loại đúng theo hợp thức của hợp chất mà ta cần tổng hợp, chuẩn bị hỗn hợp dung dịch chứa các muối tan rồi thực hiện phản ứng đồng kết tủa dưới dạng hidroxit, cacbonat, oxalate… Cuối cùng tiến hành nhiệt phân sản phẩm rắn đồng kết tủa đó, ta thu được sản phẩm  Ưu điểm  Chế tạo được vật liệu có kích thước cỡ nanomet.  Phản ứng có thể tiến hành trong điều kiện nhiệt độ phòng, do đó tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu quá trình mất mát do bay hơi, ít ô nhiễm môi trường.  Có thể tổng hợp với khối lượng lớn. SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 10
  13. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc  Trong phương pháp đồng kết tủa, các chất muốn khuếch tán sang nhau chỉ cần vượt quãng đường từ 10 đến 50 lần kích thước ô mạng cơ sở.  Nhược điểm  Phản ứng tạo kết tủa phụ thuộc vào tích số tan, khả năng tạo phức giữa ion kim loại và ion tạo kết tủa, lực ion, giá trị pH của môi trường..  Tính đồng nhất hóa học của oxit phức hợp tùy thuộc vào tính đồng nhất của kết tủa từ dung dịch.  Việc chọn điều kiện để các ion kim loại cùng kết tủa là một công việc rất khó khăn và phức tạp.  Quá trình rửa kéo theo một cách chọn lọc cấu tử nào đấy làm cho sản phẩm thu được có thành phần khác với thành phần dung dịch ban đầu. 1.5. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU PEROVSKITE ABO 3 1.5.1. Vật liệu ABO 3 thuần Hợp chất perovskite ABO 3 thuần có cấu trúc tinh thể lý tưởng như hình 5. Ô mạng cơ sở là hình lập phương tâm khối với các thông số mạng a=b=c và 𝛼 = 𝛽 = 𝛾 = 900 . z y x a) b) Vị trí cation A2+(A3+) Vị trí cation B4+(B3+) Vị trí cation O2- Hình 5. 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 5a, cấu trúc tinh thể của hợp chất perovskite còn có thể mô tả dưới dạng sắp xếp các bát diện BO 6 như hình 5b, với cation B nằm ở hốc của bát diện BO 6 , còn các anion O2- nằm ở đỉnh của bát diện SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 11
  14. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc BO 6 . Từ hình 5b, ta thấy 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. 1.5.2. Vật liệu ABO 3 biến tính Vật liệu ABO 3 biến tính là vật liệu có ion A hoặc B được thay thế một phần bởi các ion khác có thể viết dưới dạng công thức tổng quát: ( 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 , Y 1-x Cd x FeO 3 , Y 1-x La x FeO 3 . [1] 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 Goldsmith 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 (Å). Khi t = 1, ta có cấu trúc perovskite là hình lập phương. 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. 1.6. VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ YFeO 3 Tinh thể YFeO 3 có cấu trúc trực thoi hoặc lục giác (giống 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 6). Các hiện tượng biến SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 12
  15. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc 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. Các công trình nghiên cứu về tổng hợp YFeO 3 cho thấy, yttrium orthoferrit có thể được tổng hợp bằng phản ứng pha rắn thông thường từ oxit, hay nitrat của các kim loại tương ứng. Tổng hợp YFeO 3 theo phương pháp này gặp khá nhiều khó khăn do sự hình thành pha Y 3 Fe 5 O 12 (yttrium-iron Tế bàovà garnet) Hình 6. đơn Fevị3 O của 4 . YFeO Phương 3 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 orthoferrit 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 orthoferrit hoạt động như trong định luật cảm ứng điện từ của Faraday. SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 13
  16. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc Chương 2. VÀI NÉT TỔNG QUAN VỀ CÁC NGUYÊN TỐ SẮT, YTTRIUM VÀ CADMIUM 2.1. SẮT Nguyên tố, số thứ tự Fe, 26 Cấu hình electron hóa trị [Ar]3d64s2 Bán kính nguyên tử (A0) 1,26 Nhiệt nóng chảy (0C) 1536 Nhiệt độ sôi (0C) 2880 Nhiệt thăng hoa (kJ/mol) 418 Tỉ khối 7,91 Độ cứng (thang Moxơ) 4–5 Độ dẫn điện (Hg=1) 10 Hình 7. Kim loại sắt Sắt có màu trắng xám, dễ rèn và dễ dát mỏng. Trong tự nhiên tồn tại 4 đồng vị bền 54 Fe, 56Fe (91,68%), 57 Fe và 58 Fe. Chúng có tính sắt từ, bị nam châm hút và hút nam châm, dưới tác dụng của dòng điện chúng trở thành nam châm. Từ tính của sắt đã được phát hiện từ thời cổ xưa, cách đây hơn hai ngàn năm. Nguyên nhân của tính sắt từ không phải chỉ là ở nguyên tử hay ion mà chủ yếu là ở mạng lưới tinh thể của chất. Sắt có 4 dạng thù hình bền ở những khoảng nhiệt độ xác định: 7000 𝐶 9110 𝐶 13900 𝐶 15360 𝐶 α-Fe �⎯⎯� β-Fe �⎯⎯� γ-Fe �⎯⎯⎯� δ-Fe �⎯⎯⎯� Fe lỏng Dạng α và β có cấu trúc tinh thể kiểu lập phương tâm khối nhưng cấu trúc electron khác nhau nên α-Fe có tính sắt từ và β-Fe có tính thuận từ, α-Fe khác với β-Fe là không hòa tan carbon, γ-Fe có cấu trúc lập phương tâm diện và có tính thuận từ, δ- Fe có cấu trúc lập phương tâm khối như α-Fe nhưng tồn tại đến nhiệt độ nóng chảy. Sắt là kim loại được tách ra từ các mỏ quặng sắt và rất khó tìm thấy nó ở dạng tự do. Để thu được sắt tự do, các tạp chất phải được loại bỏ bằng phương pháp khử hóa học. Sắt được sử dụng trong sản xuất gang và thép, là vật liệu không thể thiếu trong ngành giao thông và xây dựng. SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 14
  17. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc 2.1.1. Sắt (III) oxit Bảng 1. Oxide-hydroxides và hydroxides Hình 8. Dạng bột và mạng không gian của sắt (III) oxit Sắt (III) oxit là chất bột không tan trong nước, có màu nâu đỏ. Có các dạng đa hình giống nhôm oxit: α-Fe 2 O 3 là tinh thể lục phương giống với corodum và tồn tại trong thiên nhiên dưới dạng khoáng vật hematite, γ-Fe 2 O 3 là tinh thể lập phương giống với γ-Al 2 O 3 , β-Fe 2 O 3 , ε-Fe 2 O 3 . Dạng α có tính thuận từ còn dạng γ có tính sắt từ. α-Fe 2 O 3 được nghiên cứu và tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng quặng hematite. Hematite có dạng hình thoi ở trung tâm và có cấu trúc lục giác giống như hình dạng của những viên corodum (α-Al 2 O 3 ), trong mạng lưới oxi ion sắt (III) chiếm 2/3 thể tích bát diện. Hematite là một trong những sản phẩm cuối cùng của sự biến đổi nhiệt của các hợp chất sắt (II) và sắt (III). Ngoài phương pháp xử lý nhiệt thì một loạt các phương pháp khác để tổng hợp hematite đã được biết đến, chẳng hạn như phương pháp hóa ướt. Hematite có thể được điều chế bằng cách thuỷ phân muối sắt trong môi trường axít mạnh (pH=1÷2), ở nhiệt độ cao (100°C). SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 15
  18. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc β-Fe 2 O 3 có từ tính không ổn định là một điểm riêng để phân biệt nó với các dạng α, γ, ε, β-Fe 2 O 3 siêu bền với nhiệt và được chuyển đổi thành hematite ở nhiệt độ khoảng 500°C. γ-Fe 2 O 3 tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng maghemite. γ-Fe 2 O 3 không bền với nhiệt và được chuyển thành hematite ở nhiệt độ cao hơn. Nhiệt độ và cơ chế của sự thay đổi cấu trúc phụ thuộc vào điều kiện thí nghiệm và đặc biệt là kích thước của các hạt maghemite. Trong trường hợp cấu trúc hạt bé thì ε-Fe 2 O 3 là chất trung → α-Fe 2 O 3 , cơ chế chuyển đổi thành gian trong sự chuyển đổi cấu trúc từ γ-Fe 2 O 3  hematite phụ thuộc nhiều vào mức độ các hạt tích tụ. γ-Fe 2 O 3 (maghemite) đã thu hút được nhiều sự nghiên cứu do nó có tính từ và được sử dụng làm chất xúc tác. ε-Fe 2 O 3 có thể được xem là chất mới nhất trong hợp chất sắt (III) oxit, cấu trúc của nó được biết đến vào năm 1988 bởi Tronc và các đồng nghiệp. ε-Fe 2 O 3 có hình dạng trực thoi với 8 tế bào đơn vị (hình 9). ε-Fe 2 O 3 được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel hoặc đun nóng dung dịch kali ferricyanide với hypochlorite natri và kali hydroxides, sau đó nung kết tủa ở 400°C. Nhiệt độ chuyển dạng thù hình từ ε-Fe 2 O 3 → α-Fe 2 O 3 nằm trong khoảng từ 500°C ÷ 750°C. Kích Hình 9. Cấu trúc của ε- Fe2O3 thước của các hạt ε -Fe 2 O 3 được chuẩn bị theo những phương pháp khác nhau là khoảng 30÷80 nm. Fe 2 O 3 được hình thành trong quá trình nhiệt phân của FeO(OH) ở 170°C trong chân không. Năm 1975, Howe và Gallagher nghiên cứu cơ chế mất nước và cấu trúc của oxit sắt. Họ thấy rằng các oxit có cấu trúc khuyết tật đều có tất cả các đặc tính của các hợp chất ban đầu. Bốn mô hình phân phối các anion chỗ trống trong mạng tinh thể oxit đã được đưa ra. Sắt oxit có cấu trúc dạng ống thì được giữ lại trong quá trình mất nước, ion sắt (III) có số phối trí là 4. Theo Ayyub và các đồng nghiệp, một oxit sắt (III) vô định hình được hình thành từ các hạt rất nhỏ, có đường kính nhỏ hơn 5 nm. Van Diepen và Popma thì cho rằng trong Fe 2 O 3 vô định hình các ion sắt (III) được bao quanh bởi tám oxi có cấu trúc bát diện trong mạng tinh thể. Ayyub cùng với các đồng nghiệp đã nêu được hai hiệu SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 16
  19. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc ứng tỏa nhiệt dựa trên đường phân tích nhiệt DTA, hiệu ứng tỏa nhiệt thứ nhất ở tại 290°C ông cho rằng đó là sự hình thành của γ-Fe 2 O 3 và hiệu ứng nhiệt thứ hai ở tại 400°C đó là sự chuyển dạng thù hình từ γ-Fe 2 O 3 sang α-Fe 2 O 3 . Khi tăng nhiệt độ nung lên đến 600°C thì γ-Fe 2 O 3 và ε-Fe 2 O 3 đã không còn xuất hiện nữa, nhưng thay vào đó là β-Fe 2 O 3 , cùng với sự tăng nhiệt độ thì β-Fe 2 O 3 cũng bị biến thành hematite. Hình 10. Màu sắc của sắt (III) oxit Fe 3 O 4 có màu đen xám, là hỗn hợp của FeO và Fe 2 O 3 .Fe 3 O 4 (magnetite) (hình 10), là loại có từ tính mạnh nhất trong tất cả các khoáng vật có mặt trong tự nhiên. Magnetite có vai trò quan trọng trong việc tìm hiểu các điều kiện môi trường hình thành đá. Magnetite phản ứng với ôxi để tạo ra hematite và cặp khoáng vật hình thành một vùng đệm có thể khống chế sự phá hủy của oxi. Fe 3 O 4 là nguồn quặng sắt có giá trị. Magnetite có thể được điều chế trong phòng thí nghiệm ở dạng nước theo phương pháp Massart bằng cách trộn sắt (II) clorua và sắt (III) clorua trong hydroxides natri. Ngoài ra, magnetite cũng có thể điều chế bởi sự đồng kết tủa, hỗn hợp dung dịch FeCl 3 .6H 2 O và FeCl 2 .4H 2 O (0,1 M) cho vào động cơ quay với tốc độ khoảng 2000 SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 17
  20. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc vòng/phút. Tỷ lệ mol FeCl 3 : FeCl 2 có thể là 2 : 1, đun dung dịch này ở 70°C, và ngay sau đó nâng tốc độ quay lên 7500 vòng/phút và thêm nhanh dung dịch NH 4 OH (10% về thể tích), ngay lập tức sẽ hình thành kết tủa màu đen chứa các hạt magnetite kích thước nano. Các hạt Fe 3 O 4 tạo thành có đường kính trung bình nhỏ hơn 10nm và dãi kích thước phân bố hẹp. Các dạng huyền phù của magnetite có thể trực tiếp bị oxi hóa trong không khí để tạo thành γ-Fe 2 O 3 . Quá trình oxi hóa Fe 3 O 4 thành γ-Fe 2 O 3 được thực hiện bằng cách điều chỉnh độ pH của hydrosol của Fe 3 O 4 trong khoảng 3.5, các hydrosol được khuấy trong thời gian 30 phút ở 100°C. Dung dịch chuyển từ màu xanh đen sang màu nâu đỏ. * Ứng dụng 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. 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. 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. Fe 2 O 3 cũng là nguyên liệu đầu vào để sản xuất ferrite, ngoài ra nó còn được sử dụng trong công nghệ sản xuất gốm sứ, nam châm vĩnh cửu, trong kỹ thuật lưu trữ phương tiện truyền thông. Oxit sắt là thành phần quan trọng nhất của một số quặng dùng để sản xuất sắt và thép. Mặt khác khi nhiệt độ cao sự ăn mòn sắt thép cũng liên quan đến một số giai đoạn trong việc hình thành oxit sắt. Chúng luôn được hình thành trên bề mặt của sắt thép và đôi khi nó cũng là nguyên nhân gây ra những vấn đề nghiêm trọng trong quy trình chế tạo. Các oxit sắt cũng có thể được kết hợp xen vào hợp chất như là một chất bán dẫn để từ đó ta sẽ thấy được khả năng xúc tác tuyệt vời của oxit sắt. SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 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