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
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT
CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA
VẬT LIỆU NANO NiFe 2 O4
GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến
SVTH: Nguyễn Thị Kim Yến
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2013
NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
SVTH
Nguyễn Thị Kim Yến
MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC ....................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 2
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU ........................................................... 5
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 8
CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN ............................................................................. 9
1.1. Công nghệ nano và vật liệu nano.............................................................. 9
1.1.1.
Khái niệm về công nghệ nano và vật liệu nano .............................. 9
1.1.2.
Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano oxit.............................. 10
1.1.3.
Ứng dụng của vật liệu nano .......................................................... 14
1.2. Tổng quan tính chất các nguyên tố ......................................................... 18
1.2.1.
NIKEN .......................................................................................... 18
2.1. Dụng cụ, thiết bị, hóa chất ...................................................................... 32
2.1.1.
Dụng cụ và thiết bị ....................................................................... 32
2.1.2.
Hóa chất ........................................................................................ 32
2.2. Tổng hợp vật liệu nano NiFe 2 O 4 bằng phương pháp lòng trắng trứng .. 32
2.3. Tổng hợp vật liệu nano NiFe 2 O 4 bằng phương pháp đồng kết tủa ........ 33
2.4. Cấu trúc và tính chất của vật liệu nano NiFe 2 O 4 tổng hợp bằng phương
pháp lòng trắng trứng ....................................................................................... 35
2.5. Cấu trúc và tính chất của vật liệu nano NiFe 2 O 4 tổng hợp bằng phương
pháp đồng kết tủa ............................................................................................. 42
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ................................................................................. 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 51
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Danh mục hình vẽ
Hình 1. Phân loại theo cấu trúc vật liệu nano. .....................................................9
Hình 2. Thiết bị lọc ứng dụng công nghệ nano ...................................................17
Hình 3. Kim loại Niken ........................................................................................17
Hình 4. Tinh thể niken (II) oxit ............................................................................19
Hình 5. Kim loại sắt .............................................................................................19
Hình 6. Cấu trúc của ε-Fe 2 O 3 .............................................................................21
Hình 7. Nhiễu xạ tia X .........................................................................................25
Hình 24. Giản đồ XRD của mẫu bột tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa,
sau khi nung ở 7500C trong 3 giờ ........................................................................44
Hình 25. Giản đồ XRD của mẫu bột tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa,
sau khi nung ở 8500C trong 3 giờ ........................................................................44
Hình 26. Phổ XRD của bột tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa sau khi
nung ở các nhiệt độ khác nhau trong 3 giờ: a - 6500C; b - 7500C; c - 8500C .....45
Hình 27. Ảnh SEM bột NiFe 2 O 4 tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa sau
khi nung 650°C (a) và 750°C (b) trong 3 giờ ......................................................46
Hình 28. Đồ thị đường cong từ trễ của mẫu bột NiFe 2 O 4 tổng hợp bằng phương
pháp đồng kết tủa nung ở 3 nhiệt độ: 6500C, 7500C, 8500C................................47
Hình 29. Đồ thị đường cong từ trễ của mẫu bột NiFe 2 O 4 tổng hợp bằng 2
phương pháp nung cùng 1 nhiệt độ: 6500C trong 3 giờ ......................................48
Danh sách bảng biểu
Bảng 1. Các đặc trưng từ tính của mẫu bột NiFe 2 O 4 tổng hợp bằng phương
pháp lòng trắng trứng nung ở 2 nhiệt độ: 6500C, 7500C .....................................41
Bảng 2. Các đặc trưng từ tính của mẫu bột NiFe 2 O 4 tổng hợp bằng phương
pháp đồng kết tủa nung ở 3 nhiệt độ: 6500C, 7500C, 8500C................................46
Bảng 3. Các đặc trưng từ tính của mẫu bột NiFe 2 O 4 tổng hợp bằng 2 phương
pháp nung ở nhiệt độ 6500C trong 3 giờ .............................................................48
LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ nano là một bước tiến bộ vượt bậc trong lịch sử khoa học của
nhân loại. Công nghệ tiên tiến này đã góp phần mở ra những cơ hội mới thúc đẩy
sự phát triển của nhiều lĩnh vực khác nhau trong đời sống từ y học, hóa học, bảo
vệ môi trường đến sự phát triển về kinh tế và xa hơn là nâng cao chất lượng cuộc
sống con người. Tuy nhiên, chính bởi khả năng ứng dụng phong phú của mình,
công nghệ nano cũng đặt ra những thách thức lớn về khả năng phát triển vũ khí
nano, hoá học nano, vật lý nano, cơ học nano, công nghệ sinh học nano, hiệu ứng
kích thước nano... 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 - 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. Thông thường vật liệu nano được phân ra thành nhiều loại, phụ thuộc vào
trạng thái, cấu trúc của vật liệu và kích thước của chúng v.v…
-
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.
-
Về cấu trúc vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: (hình 1)
Hình 1. Phân loại theo cấu trúc vật liệu nano
1.1.2. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano oxit
Hiện nay có rất nhiều phương pháp để tổng hợp hạt nano từ, có thể chia
thành 3 phương pháp cơ bản:
-
Phương pháp Vật lý: nghiền bi, bốc bay nhiệt trong lò ủ, thủy nhiệt, bốc
bay nhiệt trong chân không, phản ứng pha rắn, nguội nhanh…
-
Phương pháp Hóa học: đồng kết tủa, vi nhũ tương, sol-gel, hóa siêu âm…
-
Phương pháp Hóa lý: ngưng tụ, điện hóa, điện hóa siêu âm, phản ứng
trong ống thép ở nhiệt độ cao…
Như ta đã thấy các phương pháp tổng hợp vật liệu từ nano rất đa dạng,
trong phạm vi bài khóa luận của mình, tôi chỉ trình bày một số phương pháp phổ
biến:
1.1.2.1.
Phương pháp nghiền bi
Phương pháp nghiền bi là kỹ thuật dựa trên việc nghiền các vật liệu nhờ sự
va đập của các bi thép không gỉ với vật liệu khi được đặt vào buồng kín được
được mô tả với hai loại phản ứng cơ bản là phản ứng thủy phân và polime hóa
ngưng tụ. Hạt được tạo thành tồn tại ở dạng gel.
Phương pháp sol-gel đã được biết đến từ rất lâu và được ứng dụng khá
rộng rãi vì phương pháp này có thể tạo ra những vật liệu có kích thước hạt rất
nhỏ, vật liệu nano.
Phương pháp sol-gel được thực hiện theo quy trình sau:
Quá trình tạo sol bao gồm sự hòa tan các ion kim loại hoặc các oxit kim
loại kiềm, các muối kim loại hữu cơ trong dung môi rượu hoặc các muối kim loại
vô cơ trong dung môi nước tạo thành thể huyền phù, sol sẽ hình thành khi các
huyền phù trở nên chất keo lỏng. Sol sau đó chuyển đổi thành gel thông qua sự
ngưng tụ. Gel sấy khô sẽ chuyển thành Xerogel, nhằm tách nước và nhiệt phân
các chất hữu cơ. Giai đoạn tiếp theo là nung xerogel để tạo thành tinh thể bột.
Ưu điểm của phương pháp này là có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác
nhau, có khả năng thích ứng với nhiều điều kiện phản ứng, tạo ra các hạt có kích
thước tương đối đều, đồng nhất, nhỏ, mịn… Tuy nhiên, phương pháp này còn tồn
tại nhiều hạn chế: do sự khác biệt về tốc độ thủy phân của các chất ban đầu có thể
dẫn đến tính không đồng nhất hóa học, có thể tồn tại các pha tinh thể không
mong muốn.
1.1.2.4.
Phương pháp vi nhũ tương
Vi nhũ tương cũng là một phương pháp khá phổ biến để tạo hạt nano. Vi
nhũ tương là sự phân tán của chất lỏng trong một chất lỏng ổn định khác bằng
màng phân cách của các hoạt tính bề mặt. Vi nhũ tương là một chất lỏng không
màu, đẳng hướng và ổn định về mặt động lực học. Vi nhũ tương được chia làm
hai loại: vi nhũ tương nước trong dầu hay dầu trong nước.
Trong phương pháp này, các hạt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử
hoạt hóa bề mặt phân tán trong môi trường dầu liên tục. Các hốc hoạt hóa bề mặt
•
Phương pháp ngưng tụ chân không
Để chế tạo hạt từ mịn, người ta cho ngưng tụ hơi kim loại được đun nóng
tới nhiệt độ cao trong chân không. Quá trình ngưng tụ diễn ra chủ yếu tại thành
của bình chứa luôn được giữ trong chân không, sẽ hình thành nên hạt keo từ.
Phương pháp này có thể thu được hạt có kích thước rất nhỏ.
1.1.2.6.
Phương pháp đồng kết tủa
Phương pháp đồng kết tủa là phương pháp cực kỳ đa năng để chế tạo hạt
ferrite có kích thước rất nhỏ và tính chất từ có thể được điều chế đơn giản bằng
việc điều chỉnh điều kiện thí nghiệm. Với phương pháp đồng kết tủa: chất gốc là
các muối vô cơ như FeCl 2 , FeCl 3 , FeSO 4 … được hòa tan trong môi trường nước,
sau đó được cho phản ứng với dung dịch bazơ hydroxit như KOH, NaOH,
NH 4 OH, … để tạo kết tủa. Sản phẩm kết tủa được lọc rửa sạch bằng nước cất và
được làm khô ở nhiệt độ 600C trong chân không. Các hạt được tổng hợp có kích
thước từ vài nanomét đến vài chục nanomét. Kích thước hạt có thể được kiểm
soát thông qua nhiều yếu tố như tỉ lệ vật liệu ban đầu, trạng thái oxy hóa, độ pH
dung dịch …
Mặc dù đồng kết tủa là phương pháp đơn giản nhưng khi các hạt nano
hình thành chúng kết tụ rất mạnh do nhiều yếu tố như diện tích tiếp xúc trực tiếp
nhau tăng, ảnh hưởng của lực trọng trường, môi trường lưu giữ hạt dễ bị oxy
hóa… và gây ra sự xen lẫn nhiều pha khác nhau. Các hạt kết tụ này làm hạn chế
khả ăng ứng dụng tiếp theo, do đó đòi hỏi phải có sự biến đổi bề mặt.
Phương pháp này có những ưu điểm khá quan trọng: chế tạo đơn giản,
-
Máy tính hóa học/quang học: Các mạng hai hay ba chiều có trật tự của
kim loại hoặc nano bán dẫn có tính chất từ và quang riêng biệt. Các vật liệu này
hứa hẹn có nhiều ứng dụng trong công nghiệp điện tử, bao gồm cả máy tính
quang học.
-
Gốm và các chất cách điện cải tính: Việc nén các hạt gốm kích thước
nano tạo ra các vật rắn mềm dẻo, dường như là do vô số ranh giới hạt tồn tại. Sau
khi phát triển thêm các phương pháp nén, các vật không xốp, độ đặc cao sẽ được
điều chế. Những vật liệu mới này có thể được sử dụng như chất thay thế cho kim
loại trong rất nhiều ứng dụng.
-
Kim loại cứng hơn: Kim loại nano khi nén vào trong vật rắn sẽ có bề mặt
đáng chú ý, có độ cứng của kim loại vi tinh thể thông thường.
-
Pin mặt trời: Hạt nano bán dẫn, có kích thước điều chỉnh được, có tiềm
năng đối với pin mặt trời với hiệu suất cao hơn.
-
Chất xúc tác: Tầm quan trọng của vật liệu cấu trúc nano là sự xúc tác
không đồng nhất phụ thuộc vào các hạt nano của kim loại và nghiên cứu về tác
Ngoài ra, các nhà khoa học đã 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.
* Tính hấp phụ ion kim loại nặng của vật liệu nano
+
Hiện tượng hấp phụ
Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí – rắn, lỏng
– rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ được
gọi là chất hấp phụ, còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị
hấp phụ.
Ngược với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ. Đó là quá trình đi
ra của chất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ.
Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị
hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ
là hấp thụ vật lý và hấp phụ hóa học.
+
Hấp phụ trong môi trường nước
Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phức tạp
hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất là ba thành phần gây tương tác: nước, chất
hấp phụ và chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra
quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất
hấp phụ. Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó. Tính chọn
lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong
nước, tính ưa hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của các chất bị hấp
1.2. Tổng quan tính chất các nguyên tố [18]
1.2.1. NIKEN
1.2.1.1.
Niken
Hình 3. Kim loại Niken
Ký hiệu nguyên tố, số thứ tự
Ni, 28
Cấu hình electron hóa trị
[Ar]3d84s2
Bán kính nguyên tử (A0)
1,24
Nhiệt nóng chảy (0C)
1455
Nhiệt độ sôi (0C)
2913
Nhiệt lượng nóng chảy(kJ.mol-1)
-
Màu sắc: xanh lá cây
-
Dạng tinh thể rắn (hình 4)
-
Điểm nóng chảy: 1960 ° C
Niken (II) oxit có nhiều ứng dụng trong thực tiễn: sử dụng trong ngành
công nghiệp gốm sứ, sản xuất hợp kim thép niken, sản xuất pin sạc, làm xúc tác
linh hoạt.
1.2.2. SẮT
1.2.2.1.
Sắt
Nguyên tố, số thứ tự
Fe, 26
Cấu hình electron hóa trị
[Ar]3d64s2
Bán kính nguyên tử (A0)
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:
α - Fe
β - Fe
γ - Fe
δ -Fe
Fe lỏng
Những 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 cacbon, 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. Ứng dụng của sắt là dùng để sản xuất gang và thép.
1.2.2.2.
Sắt (III) oxit
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 corudum và tồn tại
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 et al.ε-Fe 2 O 3 có hình dạng
trực thoi với 8 tế bào đơn vị ( Hình 6).
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 hydroxit, 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 thước của các hạt ε -Fe 2 O 3 điều chế theo những
phương pháp khác nhau là khoảng 30÷80nm.
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 đã biết được 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.
*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 đen thì được sử dụng trong ngành sản xuất sơn, phụ gia và trong sản xuất
cao cho đường ống dẫn dầu bằng bê tông dưới đáy biển để mang dầu và khí đốt
vào bờ. Lớp sơn phủ này nhằm ổn định các đường ống dẫn dầu dưới đáy biển và
bảo vệ đường ống chống lại những tác hại vật lý ở những vùng nước nông.
-
Tính điện từ và khả năng quang học của các hạt nano siêu thuận từ có tầm
quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp ứng dụng bao gồm cả việc phát triển
mới các thiết bị điện và thiết bị quang học. Lợi thế của việc sử dụng các hạt
Fe 2 O 3 kích thước nano là do chúng có tính ổn định hoá học.
1.2.2.3.
Sắt (III) hidroxit
Được tạo ra do tác dụng của bazơ với muối sắt (III). Sản phẩm có màu đỏ
gỉ, màu nâu đỏ hay màu ánh tím, được sử dụng làm bột màu. Ngoài ra nó được sử
dụng ở trạng thái tinh khiết để làm thuốc giải độc asen.
Fe(OH) 3 không tan trong nước và có tính lưỡng tính: tan dễ trong dung
dịch axit và tan được trong dung dịch kiềm đặc nóng hoặc Na 2 CO 3 hay K 2 CO 3
nóng chảy.
Các kết tủa hydroxit được biết là có hệ số lọc thấp và do đó khó rửa các
ion tự do của tạp chất. Các đặc điểm của kết tủa hydroxit phụ thuộc chủ yếu vào
pH và nhiệt độ tạo thành kết tủa.
1.3. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất của
bột nano [3]
1.3.1. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) và khối lượng nhiệt
(TGA)
Phân tích nhiệt vi sai (DTA) là phương pháp phân tích nhiệt trong đó mẫu
Copyright: Tài liệu đại học ©