TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
==========

NGUYỄN THỊ VANG

TỔNG HỢP VÀ XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC
TRƢNG CỦA VẬT LIỆU XÚC TÁC
Fe/MgO

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa vô cơ

HÀ NỘI – 2012

-1-


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
==========

NGUYỄN THỊ VANG

TỔNG HỢP VÀ XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC
TRƢNG CỦA VẬT LIỆU XÚC TÁC
Fe/MgO

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa vô cơ


Nguyễn Thị Vang

-4-


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG
Trang
MỞ ĐẦU.............................................................................................

1

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN..............................................................

4

1.1. Sắt và các oxit sắt …….................................................................

4

1.1.1. Sắt.......................................................................................

4

1.1.1.1. Tính chất vật lý……………..................................

4


11

1.2.1. Tính chất vật lý...................................................................

11

1.2.2. Tính chất hóa học…...........................................................

11

1.2.3. Ứng dụng…………………………………………………

12

-5-


1.2.4. Điều chế………………………………………………….

13

1.2.5. MgO hoạt tính…………………………………................

14

1.3. Vật liệu Fe/MgO………………………………………………...

15


22

2.1.1. Hóa chất..............................................................................

22

2.1.2. Dụng cụ..............................................................................

22

2.1.3. Thiết bị…...........................................................................

23

2.1.4. Chuẩn bị dung dịch……………………………………….

23

2.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu.....................................................

24

2.2.1. Tổng hợp vật liệu MgO......................................................

24

2.2.2. Tổng hợp vật liệu Fe/MgO.................................................

25



3.1. Xác định các đặc trưng của MgO ………………………………

27

3.1.1. MgO được tổng hợp thông qua sản phẩm trung gian là
MgC2O4(M1)……………………………………………..…….

27

3.1.1.1. Đặc trưng nhiệt của vật liệu MgC2O4.....….……

27

3.1.1.2. Đặc trưng cấu trúc và ảnh hưởng của các thông
số phản ứng đến cấu trúc vật liệu M1…………………...
3.1.1.3. Hình thái học vật liệu …………………….........

28
31

3.1.2. MgO được tổng hợp thông qua sản phẩm trung gian là
Mg(OH)2 (M2)…………………………………………………

32

3.1.2.1. Đặc trưng nhiệt của vật liệu Mg(OH)2………….

33


-7-


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

EDTA

Etilendiamin Tetraaxetic Axit

DTA

Differential Themal Analysis (Phân tích nhiệt vi sai)

EDX

Energy Dispersive Spectroscopy (Xác định thành phần nguyên tố)

FT-IR

Infrared spectroscopy (Quang phổ hồng ngoại)

PAM

Polyacrylamit

PEO

Polyetylen oxit

PVA

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG
Trang
Hình 1.1: a. Cấu trúc tinh thể của α-Fe, β-Fe và δ-Fe.
b. Cấu trúc tinh thể của γ-Fe.

3

Hình 1.2: Sắt(II) oxit.

6

Hình 1.3: Sắt(III) oxit

7

Hình 1.4: Sắt(II,III) oxit

8

Hình 1.5: a. Magie oxit
b. Cấu trúc tinh thể MgO
Hình 1.6: Hình vẽ cấu tạo máy nhiễu xạ bột

14

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét

18

Hình 3.1: Giản đồ TA của mẫu MgC2O4


Hình 3.9: Hình 3.9. Ảnh SEM của hai mẫu vật liệu MgO M1 (3.8a) và
36

M2 (3.8b)

-9-


Hình 3.10: Giản đồ XRD của vật liệu MgO M1(a) và các mẫu
Fe/MgO với nồng độ Fe 6%(b), 15%(c), 25%(d), 30%(e), ( #) pha

37

MgO, (*) pha Fe2O3
Hình 3.11: Giản đồ XRD (được dãn rộng) của vật liệu MgO M1(a) và
các mẫu Fe/MgO với nồng độ Fe 6%(b), 15%(c), 25%(d), 30%(e), ( #)

38

pha MgO, (*) pha Fe2O3
Hình 3.12: Phổ FT-IR của các mẫu FM (a), FM1 (b) và FM2 (c)

39

Hình 3.13: Phổ EDX của mẫu FM1 (Fe 15%)

42

Hình 3.14: Ảnh SEM của các mẫu vật liệu Fe/MgO: FM (a), FM1 (b)


-11-


những năm gần đây đã trở thành vấn đề bức thiết. Do vậy, chúng tôi chọn đề
tài: “Tổng hợp và xác định các đặc trưng của vật liệu xúc tác Fe/MgO”.
Mục đích của đề tài: Tổng hợp được vật liệu xúc tác Fe/MgO hướng
đến ứng dụng làm xúc tác trong xử lý H2S cho biogas.
Nội dung nghiên cứu:
- Tổng hợp vật liệu MgO.
- Tổng hợp vật liệu Fe/MgO.
- Xác định các đặc trưng vật liệu tổng hợp được: thành phần pha, hình
dạng, kích thước.

-12-


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Sắt và các oxit sắt
1.1.1. Sắt [5]
Kí hiệu hóa học: Fe (Z=26) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2. Sắt thuộc phân
nhóm VIIIB, chu kỳ IV bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học.
1.1.1.1. Tính chất vật lý
Sắt là kim loại màu trắng xám, có ánh kim, dễ rèn, dát mỏng.
Trong thiên nhiên sắt có 4 đồng vị bền 54Fe, 56Fe , 57Fe và 58 Fe.
tonóng chảy = 1536oC, tosôi = 2800oC, tỷ khối d = 791 g/cm3 [5].
Sắt có 4 dạng thù hình tồn tại bền vững ở những nhiệt độ xác định (αFe, β-Fe và δ-Fe tồn tại ở điều kiện thường, còn γ-Fe ở áp suất rất cao).
Những dạng α, ß và δ có kiến trúc tinh thể kiểu lập phương tâm khối (Hình
1.a), dạng γ có kiến trúc tinh thể lập phương tâm diện (Hình 1b) [1,5].

2Fe + 3/2 O2 + nH2O → Fe2O3.nH2O

-14-


Gỉ sắt tạo nên ở trên bề mặt là một lớp xốp và giòn không bảo vệ được
sắt và quá trình ăn mòn sắt tiếp tục diễn ra.
1.1.1.3. Phƣơng pháp điều chế [1,4]
Cách đây 4000 năm loài người đã biết luyện sắt từ quặng. Ngày này,
sắt được sản xuất trên quy mô công nghiệp bằng lò cao. Nguyên liệu để luyện
gang là quặng sắt, than cốc, chất chảy và không khí.
Các phản ứng diễn ra:
C + O2 → CO2
CO2 + Cnóng đỏ→ 2CO
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3 CO2↑
Sắt luyện thường bị lẫn tạp chất, sắt tinh khiết thường được điều chế
bằng phương pháp sau:
Dùng H2 tinh khiết để khử oxit sắt tinh khiết
Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O
Nhiệt phân sắt Pentacacbonyl
Fe(CO)5 →

Fe + 5CO

Sắt rất tinh khiết có thể điều chế bằng phương pháp điện phân
dung dịch muối Fe(II), với dương cực là tấm Fe-Cr, còn âm cực là sắt tinh
khiết.
1.1.1.4. Ứng dụng
Sắt là kim loại quan trọng nhất đối với các ngành kỹ thuật và công
nghiệp hiện đại. Sắt được dùng chủ yếu để tạo ra các hợp kim, đặc biệt là các

thêm nhiều các tạp chất hữu cơ.
Trong vật liệu gốm: FeO trong vật liệu gốm có thể được hình thành bởi
phản ứng khử oxit sắt (III) trong lò nung. Khi sắt ba đã bị khử thành sắt hai
trong men thì rất khó oxy hoá trở lại. FeO là một chất trợ chảy mạnh, có thể
thay thế cho oxit chì hay oxit canxi.
Hầu hết các loại men sẽ có độ hoà tan sắt hai khi nung chảy cao hơn
khi ở trạng thái rắn do đó sẽ có oxit sắt kết tinh trong men khi làm nguội, môi
trường oxy hoá hay khử.
1.1.2.2. Sắt(III) oxit
Hematit α – Fe2O3 là oxit bền nhất của sắt ở điều kiện thường (Hình 3).
Nó là sản phẩm cuối cùng trong sự chuyển hóa của các oxit sắt khác, trong đó
ion O2- được sắp xếp ở các nút mạng của hình lục giác còn ion Fe3+ nằm ở lỗ
trống bát diện [5].

Hình 1.3: Sắt(III) oxit
Maghemit, γ-Fe2O3 tồn tại ở trạng thái nửa bền và có mối quan hệ với α
– Fe2O3 và Fe3O4. γ-Fe2O3 có cấu trúc tinh thể spinel khuyết, trong đó ion O2được sắp xếp ở nút mạng của hình lập phương và ion Fe3 + được sắp xếp ngẫu
nhiên trong các lỗ trống bát diện và tứ diện [5].

-17-


Hiện nay phương pháp tổng hợp trạng thái rắn tỏ ra không thích hợp để
điều chế oxit sắt nano vì ở nhiệt độ cao làm tăng kích thước hạt. Nhiều
phương pháp tổng hợp được phát triển nhằm điều chế oxit sắt ở nhiệt độ thấp
như phương pháp sol-gel, thủy nhiệt, nhiệt phân trong dung môi không
nước… . Với mỗi mục đích sử dụng khác nhau mà người ta tạo ra sản phẩm
có những đặc trưng riêng về hình thái và tính chất.
Phương pháp truyền thống để điều chế γ-Fe2O3 là tổng hợp Fe3O4, sau
đó oxi hóa với nhiệt độ < 250oC. γ-Fe2O3 không bền ở nhiệt độ cao, dễ

Khi sử dụng phương pháp sol-gel dùng etylen glicol monometyl, nung ở nhiệt
độ 400oC – 700oC người ta cũng thu được α – Fe2O3.
Khi tổng hợp α – Fe2O3 bằng phương pháp thủy nhiệt, người ta dùng
poli vinyl ancol (PVA) để làm giảm sự kết bám của các hạt oxit sắt. Ảnh
hưởng của nồng độ Fe(NO)3 và PVA đến kích thước hạt đã được khảo sát.
1.1.2.3. Sắt(II, III) oxit
Sắt(II, III) oxit hay oxit sắt từ là một oxit sắt có màu đen (Hình 4).
Trong đó sắt thể hiện cả hóa trị II và III với công thức Fe3O4 hay có thể viết
thành [FeO x Fe2O3], tỷ trọng 5.17 g/cm3, điểm nóng chảy 1597oC.

Hình 1. 4: Sắt(II, III) oxit

-19-


Fe3O4 có cấu trúc spinel, số phân tử trong một ô cơ sở là 8. Cấu trúc
spinel có thể xem như được tạo ra từ mặt phẳng xếp chặt của các ion O 2- với
các lỗ trống tứ diện và lỗ trống bát diện được lấp đầy bằng các ion kim loại
Fe2+ và Fe3+ [5]. Oxit sắt từ được tạo ra nhờ phản ứng:
3Fe + 2O2

→

Fe3O4

Dựa trên đặc tính vật lý, hóa học, nhiệt học và cơ học Fe 3O4 được ứng
dụng trong sinh học làm tác nhân tăng độ tương phản trong chụp ảnh cộng
hưởng từ hạt nhân, phân tách và chọn lọc tế bào, tạo hiệu ứng tăng thân nhiệt
cục bộ xử lý tế bào bệnh và dẫn truyền thuốc hướng đích.
1.2. Vật liệu MgO

→ Mg(OH)2

Tác dụng với axít:
MgO + 2HCl

→ MgCl2 + H2O

Tác dụng với oxit axit:
MgO + CO2

→ MgCO3

1.2.3. Ứng dụng
Magie oxit là một trong oxit kiềm có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh
vực. Những ứng dụng truyền thống của magie oxit:
Được sử dụng như là vật liệu chịu lửa trong sản xuất sắt và thép, kim
loại màu, thủy tinh hay xi măng.
Trong nông nghiệp: magie oxit và các hợp chất khác nhau được sử
dụng làm phân bón rất cần thiết cho dinh dưỡng thực vật, thức ăn chăn nuôi
bổ sung cho gà, gia súc và động vật khác.
Trong công nghiệp: MgO được sử dụng như một chất cách điện trong
các loại cáp công nghiệp: nhựa, cao su, giấy và bột chế biến giấy, phụ gia, lò
hơi thép, chất kết dính.

-21-


Trong xây dựng: do chúng có một số đặc điểm hấp dẫn nên chúng
được sử dụng trong các vật liệu: chống cháy, chống ẩm, khả năng chống nấm
mốc.

MgSO4 + CaCl2 → MgCl2 + CaSO4↓
- Tiến hành tách lọc để loại bỏ kết tủa này ta được nước ót sạch.
- Kết tủa Mg(OH)2 từ sữa dolomit và nước ót sạch:
Mg(OH)2 + Ca(OH)2 + MgCl2 → 2Mg(OH)2 + CaCl2
- Sau khi sấy và nung Mg(OH)2, thu được MgO:
Mg(OH)2 → MgO + H2O
MgO có hai dạng do chế độ nung bán thành phẩm Mg(OH) 2 quyết
định. MgO hoạt tính thu được khi nung Mg(OH)2 ở nhiệt độ thấp (700oC),
MgO thiêu kết có được khi nung Mg(OH)2 ở nhiệt độ cao (1600oC).
 Sản xuất MgO từ quặng
Quặng magnezit MgCO3 được nung trực tiếp để sản xuất MgO. Các
thiết bị nung thường là lò đứng, lò nhiều tầng hoặc lò quay, được đốt trực tiếp
bằng dầu hoặc khí đốt. Nhưng quy trình này thường chỉ sản xuất MgO loại
chất lượng thấp (90-98%), trừ khi có được nguồn magnezit chất lượng cao:
MgCO3 + nhiệt → MgO + CO2
1.2.5. MgO hoạt tính
MgO hoạt tính mang đặc điểm chung của các chất rắn hoạt tính là diện
tích bề mặt lớn do sự phân tán cao của các hạt chất rắn. Sự phân tán này cũng
quyết định độ xốp của vật liệu.

-23-


Nhờ sự phân tán của các hạt vật liệu, một phần đáng kể các ion và
nguyên tử cấu tạo nên đơn vị cấu trúc sẽ nằm trên bề mặt và ở cạnh các hạt:
gần ¼ số ion O2- có trên bề mặt [14], chúng quyết định các tính chất hóa lý
của MgO.
Đặc trưng và tính chất của MgO là khác nhau, phụ thuộc mạnh mẽ vào
con đường tổng hợp và điều kiện của quá trình. MgO hoạt tính có thể được
điều chế bằng nhiều phương pháp vật lý và hóa học như phương pháp thăng

độ cao. Các kết quả nghiên cứu cũng khẳng định sự tồn tại ở dạng phân tán
mịn của các cation Fe3+, các đám oxit của Fe(III) và một phần MgFe2O4 trong
sản phẩm tạo thành [12].
Những năm gần đây, vật liệu Fe/MgO đã được phát triển như một vật
liệu xúc tác oxy hóa H2S tạo thành lưu huỳnh nguyên tố. Năng lực loại bỏ
H2S của hệ thống được thông báo đạt hiệu suất 100% liên tục trong thời gian
thử nghiệm tại nhiệt độ phòng. Khác với quá trình lỏng cũng thực hiện bằng
cơ chế oxi hóa khử trên xúc tác Fe cần phải kiểm soát độ pH và cần một số
tác nhân khác để ổn định chất xúc tác, xúc tác nano Fe/MgO không đòi hỏi
phải kiểm soát độ pH cũng như thêm các tác nhân ổn định [13]. Chất xúc tác
nano Fe/MgO trong hệ thống không đồng nhất có tiềm năng trong việc loại bỏ
H2S vì nó có thể được tái sinh liên tục bằng oxy hòa tan. Đây là hướng nghiên
cứu rất có triển vọng, đang được giới khoa học quan tâm.
1.4. Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng của vật liệu
1.4.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Phương pháp nhiễu xạ tia X dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của
vật liệu, cho phép xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể, định lượng pha
tinh thể và kích thước tinh thể với độ tin cậy cao.
Kỹ thuật nhiễu xạ tia X được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp bột

-25-