Xem mẫu
- NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO Fe2O3-TiO2
LÊ MINH HÙNG - VÕ VĂN TÂN
Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế
Tóm tắt: Hỗn hợp nano Fe2O3-TiO2 được tổng hợp hợp bằng phương pháp sol-gel
với Ti(OC4H9)4 và Fe(NO3)3. Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo pha của vật liệu
Fe2O3-TiO2 như tỉ lệ mol Fe:Ti, nhiệt độ nung gel vật liệu đã được khảo sát. Các đặc
trưng của vật liệu nano Fe2O3-TiO2 được xác định bằng phương pháp XRD, SEM và
BET. Gel vật liệu được nung ở 500oC trong 1 giờ thu được vật liệu nano Fe2O3-TiO2
có kích thước trung bình 20-25 nm và diện tích bề mặt khoảng 137,76 m2/g.
Từ khóa: tổng hợp, vật liệu nano Fe2O3-TiO2, phương pháp sol-gel
1. MỞ ĐẦU
Vật liệu nano Fe2O3 đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, xúc tác quang,
đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý môi trường, cũng như xử lý kim loại nặng và các nguyên tố đất
hiếm [1]. Tuy nhiên vật liệu này hấp phụ các ion kim loại có số oxi hóa cao như Ce(IV),
Tb(IV), As(V),… tốt hơn là các ion kim loại có số oxi hóa thấp tương ứng như Ce(III), Tb(III),
As(III)… Để loại bỏ các ion có số oxi hóa thấp này cần oxi hóa chúng lên mức oxi hóa cao hơn.
Nano TiO2 là chất xúc tác cung cấp oxi nguyên tử để thực hiện quá trình oxi hóa đó [2], [3], [4].
Do đó việc tổng hợp oxit hỗn hợp hệ Fe2O3-TiO2 sẽ kết hợp được tính ưu việt của các đơn oxit,
tăng khả năng xúc tác và hấp phụ các ion kim loại nặng và đất hiếm [5], [6], [7].
Trong bài báo này, chúng tôi thông báo một số kết quả nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano
Fe2O3-TiO2 bằng phương pháp sol-gel và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như: tỉ lệ mol Fe:Ti
(mol/mol); nhiệt độ nung gel vật liệu đến quá trình hình thành pha của vật liệu nano Fe2O3-
TiO2, nhằm tổng hợp được vật liệu nano Fe2O3-TiO2 có kích thước hạt nano, dạng cầu, đồng
đều để có khả năng hấp phụ tốt các ion kim loại nặng cũng như ion đất hiếm.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Hóa chất, thiết bị
- Dung dịch Fe(NO3)3, Ce(NO3)4, Ti(OC4H9)4, HNO3, C2H5OH,… đều có độ sạch PA.
- Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) được đo
trên máy D8 Advance (Brucker-Đức) và máy Nova NanoSem FEI 450 tại Khoa Hóa học,
trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội.
- Diện tích bề mặt vật liệu (BET) được đo trên thiết bị Nova 2200E, hãng Quantachrome(Mỹ)
tại phòng thí nghiệm Vật liệu Quân sự, Khoa Hóa lý Kỹ thuật, Học Viện kỹ thuật Quân sự.
2.2. Tổng hợp vật liệu
Cho 4 ml tetra-isobutyl orthotitanat (TTIB) vào 40 ml C2H5OH tinh khiết đã được axit hóa
bằng HNO3 để có pH=3-4, khuấy mạnh trên máy khuấy từ để tạo dung dịch trong suốt. Hòa
tan lượng Fe(NO3)3 với nồng độ thích hợp theo tỉ lệ mol Fe:Ti nhất định. Khuấy dung dịch
cho đến khi tạo thành sol đồng nhất. Để yên sol trong không khí khoảng 24 giờ để TTIB thủy
phân hoàn toàn và tạo gel. Lọc, rửa sản phẩm thu được bằng C2H5OH và nước cất. Sau đó sấy
mẫu thu được ở 80oC để đuổi hết lượng C2H5OH và nước dư. Sau đó nung mẫu ở nhiệt độ
thích hợp trong 1 giờ, thu được sản phẩm nano Fe2O3-TiO2.
Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Sau Đại học lần thứ hai
Trường Đại học Sư phạm Huế, tháng 10/2014: tr. 191-195
- 192 LÊ MINH HÙNG – VÕ VĂN TÂN
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Ảnh hưởng tỉ lệ mol Fe:Ti
Vật liệu nano Fe2O3-TiO2 đã được tổng hợp với các tỉ lệ mol Fe:Ti = 1:1; 3:7; 1:3 trình bày
trên hình 1.
Hình 1. Phổ XRD của các vật liệu nano Fe2O3-TiO2 với tỉ lệ mol Fe:Ti (1:1; 1:3; 3:7)
Kết quả phân tích thành phần pha bằng phương pháp nhiễu xạ tia X trên hình 1 cho thấy ở các
tỉ lệ mol Fe:Ti=3:7, 1:3 thì vật liệu tạo thành chủ yếu gồm pha Fe2TiO5 và pha rutile-TiO2.
Còn ở tỉ lệ Fe:Ti=1:1 thì vật liệu tạo thành chủ yếu gồm pha alpha-Fe2O3 và rutile-TiO2 là
phù hợp với sự hình thành vật liệu nano Fe2O3-TiO2 để có thể hấp phụ được các ion đất hiếm
hoặc các kim loại nặng [5], [6].
3.2. Ảnh hưởng nhiệt độ nung
Giản đồ phân tích nhiệt của vật liệu nano Fe2O3-TiO2 được trình bày trên hình 2.
Hình 2. Giản đồ phân tích nhiệt của vật liệu nano Fe2O3-TiO2
- NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO Fe2O3-TiO2 193
Trên giản đồ DTA, TGA của hình 2, cho thấy khi nung từ 50oC đến 800oC, vật liệu trải qua
các giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Vật liệu giảm 16,622% khối lượng bắt đầu ở khoảng 50oC kết thúc ở khoảng
120oC, tương ứng với hiệu ứng thu nhiệt có cực tiểu ở khoảng 75oC. Đây có thể là do quá
trình mất nước kết tinh.
- Giai đoạn 2: Vật liệu giảm 26,160% khối lượng bắt đầu ở khoảng 170oC đến 400oC, tương
ứng với 2 pic thu nhiệt có cực tiểu ở khoảng 220oC và 350oC. Đây có thể là do quá trình phân
hủy các gốc hữu cơ và gốc nitrat trong mẫu. Trên 400oC cả DTA và TGA đều hầu như không
có hiệu ứng nào đáng kể, đường DTA và TGA hầu như nằm ngang. Vì vậy, để khảo sát nhiệt
độ tổng hợp vật liệu cần phải khảo sát ở các khoảng nhiệt độ từ 300oC đến 750oC.
Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu vật liệu nano Fe2O3-TiO2 được nung ở 300oC, 500oC, 650oC,
750oC, trình bày trên hình 3.
Hình 3. Phổ XRD của các mẫu vật liệu nano Fe2O3-TiO2 được nung ở 300oC, 500oC, 650oC, 750oC
Kết quả phân tích thành phần pha bằng nhiễu xạ tia X trên hình 3 cho thấy: Khi nung gel vật
liệu ở 300oC thì vật liệu tạo thành chủ yếu pha anatase-TiO2, không thấy xuất hiện pha Fe2O3;
khi nung ở 650oC và 750oC thì xuất hiện pha alpha-Fe2O3, pha Fe2TiO5; rutile-TiO2. Nhưng
khi nung gel vật liệu ở 500oC cho pha alpha-Fe2O3 và rutile-TiO2 là phù hợp với sự hình
thành vật liệu nano Fe2O3-TiO2 tương tự như kết quả của phương pháp phân tích nhiệt ở trên.
3.3. Hình thái cấu trúc và diện tích bề mặt vật liệu nano Fe2O3-TiO2
Kết quả xác định hình thái bề mặt, kích thước hạt và diện tích bề mặt của vật liệu nano Fe2O3-
TiO2 đã được tổng hợp trong các điều kiện ở trên được trình bày trên hình 4 và hình 5.
- 194 LÊ MINH HÙNG – VÕ VĂN TÂN
Hình 4. Ảnh SEM của vật liệu nano Fe2O3-TiO2
Hình 5. Đường hấp phụ đẳng nhiệt trên tọa độ BET
Từ hình 4, cho thấy vật liệu nano Fe2O3-TiO2 tồn tại chủ yếu ở dạng hạt, hình cầu, đồng thời
sự phân bố hạt rất đồng đều, có kích thước trung bình khoảng 20-25 nm. Kết quả đo BET trên
hình 5, cho thấy diện tích bề mặt riêng của vật liệu vào khoảng 137,76 m2/g.
4. KẾT LUẬN
Chúng tôi đã điều chế thành công vật liệu nano Fe2O3-TiO2 có kích thước hạt cỡ 20-25 nm,
dạng hạt, hình cầu, sự phân bố hạt đồng đều, diện tích bề mặt riêng khoảng 137,76 m2/g.
- NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO Fe2O3-TiO2 195
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bingjie, Dongfeng Wang, Haiyan Li, Ying Xu, Li Zhang (2011). “As(III) removal from
aqueous solution using α-Fe2O3 impregnated chitosan beads with As(III) as imprinted ions”,
Desalination, 272, pp.286-292.
[2] Kaushil Gupta, Uday Chand Ghosh(2009). “Arsenic removal using hydrous nanostructure
iron (III)-titanium (IV) binary mixed oxide from aqueous solution”, Journal of Hazardous
Materials, (161),pp.884-892.
[3] Mitch D’Arcy, Dominik Weiss, Michael Bluck. Ramon Vilar (2011). “Adsorption kinetics,
capacity and mechanism of arsenate and phosphate on a bifunctional TiO2-Fe2O3 bi-
composite”, Journal of Colloid and Interface Science, 364, pp 205-212.
[4] Phạm Ngọc Chức, Lưu Minh Đại, Đào Ngọc Nhiệm, Vũ Thế Minh (2013). ”Tổng hợp oxit
hỗn hợp hệ Fe2O3-TiO2 kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel”, Tạp chí hóa
học, T.51(6ABC), Tr 779-782.
[5] Lưu Minh Đại, Nguyễn Thị Tố Loan (2010). “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano -Fe2O3
hấp phụ Asen, Sắt và Mangan”, Tạp chí hóa học, T.48(4A) , Tr 188-184.
[6] Huogen Yu, Jiaguo Yu, Bei Cheng, Jun Lin (2007). “Synthesis, characterization and
photocatalytic activity of mesoporous titania nanorod / titanate nanotube composites”,
Journal of Hazardous Materials, (147), pp. 581-587.
[7] G. Colon, M. Maicu, M.C. Hidalgo, J.A. Navio (2006). “Cu-doped TiO2 systems with
improved photocatalytic activity”, Applied Catalytic B: Environmental, (67), pp. 41-51.
Title: A STUDY OF SYNTHESIS OF Fe2O3-TiO2 NANOMATERIALS
Abstract: Mixed oxide of nano Fe2O3-TiO2 has been prepared by sol-gel method with Ti(OC4H9)4 and
Fe(NO3)3. Some factors affecting the phase of Fe2O3-TiO2 such as Fe/Ti molar ratio, calcinations
temperature were investigated. Fe2O3-TiO2 mixed oxide were characterized by X-ray Diffraction
(XRD), SEM and BET. The material gel was calcinated at 500oC for 1 hour to obtain Fe2O3-TiO2 with
average size of 20-25 nm and specific surface area of about 137,76 m2/g.
Keywords: synthesis, Fe2O3-TiO2 nanomaterials, sol-gel method
LÊ MINH HÙNG
Học viên Cao học, chuyên ngành Hóa vô cơ, khóa 21 (2012-2014), Trường Đại học Sư phạm – Đại
học Huế
ĐT: 0163 989 9983, Email: minhhungsphoak31@gmail.com
PGS. TS. VÕ VĂN TÂN
Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế
nguon tai.lieu . vn
