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
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO
TỪ TÍNH Y 1-xSrx FeO3 (x = 0.1 và 0.2)
BẰNG PHƯƠNG PHÁP KẾT TỦA HÓA HỌC
Sinh viên thực hiện: Trần Thị Mai Xuân
Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Anh Tiến
TP. Hồ Chí Minh, 05/2013
NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
thành của quý Thầy, Cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Tp. HCM, tháng 05 năm 2013
SVTH
Trần Thị Mai Xuân
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU .................................................................. 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI ...................... 7
1.1. GIỚI THIỆU VỀ NANO ...................................................................................... 7
1.1.1. Hạt nano, vật liệu nano và công nghệ nano .................................................... 7
1.1.2. Phương pháp điều chế vật liệu nano ............................................................... 9
1.1.3. Ứng dụng của công nghệ nano ..................................................................... 10
1.2. VẬT LIỆU NANO TỪ TÍNH ............................................................................. 13
1.2.1. Vật liệu từ tính .............................................................................................. 13
1.2.2. Phương pháp điều chế hạt nano từ tính ........................................................ 13
1.3. VẬT LIỆU PEROVSKITE ................................................................................. 15
1.3.1. Cấu trúc vật liệu perovskite .......................................................................... 15
1.3.2. Sự pha tạp và sự khuyết thiếu oxi ................................................................. 16
1.3.3. Vật liệu trên cơ sở YFeO 3 ............................................................................ 17
1.4. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ HỢP CHẤT CỦA YTTRI, STRONTI VÀ SẮT . 18
1.4.1. Hợp chất của yttri ......................................................................................... 18
1.4.2. Hợp chất của stronti ...................................................................................... 19
1.4.3. Oxit và hydroxit của sắt ................................................................................ 20
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................. 23
2.1. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT (TGA/DTA) ........................................ 23
2.2. PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X (XRD) ..................................................... 24
ghi âm, ghi hình. Vật liệu nano từ tính trên cở sở YFeO 3 đã được ứng dụng nhiều trong
thực tế như làm chất xúc tác cho các quá trình oxi hóa, làm vật liệu nhạy khí trong việc
chế tạo các dụng cụ cảm biến khí hoạt động ở nhiệt độ cao, làm điện cực,…
Có nhiều phương pháp điều chế vật liệu nano: phương pháp hóa ướt, phương
pháp cơ học, phương pháp bốc bay, phương pháp hình thành từ pha khí,.... Gần đây,
phương pháp hóa học với ưu điểm là thân thiện với môi trường được sử dụng rộng rãi
do nhiệt độ kết tinh thấp, quá trình thí nghiệm đơn giản để thu được bột mịn có kích
thước hạt đồng nhất và cho giá trị kinh tế cao được coi là phương pháp kết tủa hóa
học.
Với những lí do trên, chúng tôi chọn nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu tổng hợp
vật liệu nano từ tính Y 1-x Sr x FeO 3 (x = 0.1 và 0.2) bằng phương pháp kết tủa hóa
học”.
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Phân loại vật liệu nano theo hình dáng
Hình 1.2. Mô hình ứng dụng công nghệ nano trong việc điều trị bệnh
Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể perovskite ABO 3 thuần
Hình 1.4. Sự biến dạng cấu trúc perovskite khi góc B-O-B
180o
Hình 1.5. Tế bào đơn vị của YFeO 3
Hình 1.6. Oxit SrO trong tự nhiên (a) và mạng tinh thể của nó (b)
Hình 2.1. Đường cong DTA
Hình 2.2. Hiện tượng nhiễu xạ tia X từ hai mặt phẳng mạng tinh thể
Hình 2.3. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét
Hình 2.4. Đường cong từ trễ của 2 loại vật liệu sắt từ: vật liệu từ cứng và vật liệu từ
mềm
dài, là điểm mà tại đó những vật liệu sáng chế nhỏ nhất do con người chế tạo ra ở cấp
độ nguyên tử và phân tử của thế giới tự nhiên.
Công nghệ nano (nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết
kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều
khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (từ 1 đến 100 nm).
Khoa học nano (nanoscience) là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng
và sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại
phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại
các quy mô lớn hơn.
Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy
nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu nano.
Vật liệu nano (nanomaterials) là các tổ chức, cấu trúc, thiết bị, hệ thống,… có
kích thước nano (khoảng từ 1 đến vài trăm nanomet, tức cỡ nguyên tử, phân tử, hay
đại phân tử - macromolecule). Các vật liệu với kích thước như vậy có những tính chất
hóa học, nhiệt, điện, từ, quang, xúc tác,… rất đặc biệt, khác hẳn các vật liệu có kích
thước lớn.
Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano, mỗi cách phân loại cho ra rất nhiều loại
nhỏ nên thường hay làm lẫn lộn các khái niệm. Sau đây là một vài cách phân loại
thường dùng:
Phân loại theo hình dáng của vật liệu (hình 1.1): người ta đặt tên số chiều không
bị giới hạn ở kích thước nano:
-
Vật liệu nano không chiều là hạt có cả ba chiều đều có kích thước nano, thường
là hạt hình cầu, được tạo thành do quá trình polyme hóa nhũ tương hay polyme hóa
mixen, các quá trình sol-gel,… Ví dụ: các hạt chất phát quang kích thước nano
(Oxonica) dùng cho màn hình điện tử, xúc tác, dược phẩm, chấm lượng tử, các hạt từ,
Vật liệu nano từ tính
-
Vật liệu nano sinh học,…
Đôi khi người ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái
niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới. Ví dụ: khái niệm “hạt nano kim loại’ trong đó
“hạt” được phân loại theo hình dáng, “kim loại” được phân loại theo tính chất hoặc
“vật liệu nano từ tính sinh học” trong đó cả “từ tính” và “sinh học” đều là khái niệm có
được khi phân loại theo tính chất.
1.1.2. Phương pháp điều chế vật liệu nano[1]
Dù điều chế vật liệu nano bằng phương pháp nào thì cũng đi theo một trong hai
hướng: phương thức từ trên xuống dưới (top-down) nghĩa là chia nhỏ một hệ thống lớn
để cuối cùng tạo ra được đơn vị có kích thước nano và phương thức từ dưới lên
(bottom-up) nghĩa là lắp những hạt cỡ phân tử, nguyên tử hay ion lại để thu kích thước
nano.
Có 4 nhóm phương pháp chính để điều chế vật liệu nano, mỗi phương pháp đều
có những ưu và nhược điểm riêng, có phương pháp chỉ có thể áp dụng để điều chế một
số vật liệu nhất định.
1.1.2.1. Phương pháp hóa ướt (wet chemical)
Phương pháp này 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 ion khác nhau được trộn với nhau theo một thành phần
thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu nano được kết tủa từ
dung dịch. Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano.
Ưu điểm của phương pháp hóa ướt là có thể chế tạo các vật liệu khác nhau như
Phương pháp hình thành từ pha khí dùng chủ yếu để tạo lồng cacbon (fullerene)
hoặc ống cacbon, rất nhiều các công ty dùng phương pháp này để chế tạo mang tính
thương mại.
1.1.3. Ứng dụng của công nghệ nano
Công nghệ nano được nghiên cứu lần đầu tiên trên thế giới vào năm 1959 bởi
nhà vật lí học người Mĩ Richard Feynman, song chỉ bắt đầu thu được thành quả trong
vòng hai thập kỉ trở lại đây nhưng đã tạo ra một cuộc cách mạng đối với khoa học
nhân loại. Những hạt phân tử nano với kích thước bé nhỏ đã và đang được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực và công nghệ nano được báo trước sẽ là công nghệ của một vài
thập kỉ tới.
1.1.3.1. Công nghệ nano trong y học
Tại rất nhiều quốc gia đang phát triển, việc thiếu các trang thiết bị xét nghiệm,
chẩn đoán và điều trị bệnh gây nhiều khó khăn cho các bệnh viện. Tập đoàn Micronics
của Mĩ đã ứng dụng công nghệ nano phát triển một bộ test có tên gọi DxBox, có tác
dụng như một thiết bị kiểm tra, chỉ có kích cỡ lớn hơn kích cỡ của một tấm card. Trên
bề mặt của DxBox có chứa thuốc thử ở dạng khô và một hệ thống các ống dẫn nhỏ tạo
từ các phân tử nano. Các bác sĩ có thể tiến hành một thử nghiệm máu đơn giản bằng
thiết bị này mà không cần tới hệ thống giữ lạnh để bảo quản thuốc thử mà có thể phát
hiện dịch bệnh sốt rét và dịch tả một cách nhanh chóng, dễ dàng; từ đó các bác sĩ có
thể đưa ra pháp đồ điều trị bệnh đạt hiệu quả cao và hạn chế được nguy cơ tử vong cao
cho bệnh nhân.
Công nghệ nano hứa hẹn sẽ mang lại
cho y học một bước tiến vượt bậc. Đó là sự
ra đời của những rôbốt siêu nhỏ có thể đi
sâu vào trong cơ thể, đến từng tế bào để hàn
gắn, chữa bệnh cho các mô xương bị gãy và
thậm chí là tiêu diệt những virut gây bệnh
đang ở trong cơ thể. Với công nghệ phân tử
công nghệ thông tin và truyền thông. Điều này được phản ánh rõ nhất ở số lượng các
transitor kiến tạo nên vi mạch máy tính, số lượng các transitor trên một con chíp tăng
lên làm tăng tốc độ xử lí 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 ngành công nghệ thông tin một triển vọng mới chế tạo linh kiện mới, rẻ hơn và có tính năng cao hơn hẳn so với transitor, 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 tỉ tỉ 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 linh
kiện của thiết bị phát tia laser năng lượng lượng tử, các màn hình tinh thể lỏng đòi hỏi
được chế tạo với độ chính xác cỡ vài nanomet.
1.1.3.5. Ứng dụng trong làm sạch môi trường
Một trong những ứng dụng nữa của công nghệ nano đó là dùng để chế tạo các
thiết bị, chẳng hạn như các lưới lọc nước nano với cấu tạo đủ rộng để cho các phân tử
nước đi qua, song cũng đủ hẹp để ngăn chặn các phân tử chất bẩn gây ô nhiễm.
Để lọc nước bị nhiễm bẩn, quá trình ứng dụng công nghệ nano sẽ cần tới các hạt
phân tử nano từ – nanomagnets. Ngoài lọc sạch nước, các hạt phân tử nano từ còn có
tác dụng giữ lại các phân tử thạch tín – arsenic trong nước, loại bỏ một lượng lớn chất
clo, thủy ngân và thậm chí là các phân tử phóng xạ radon trong nước (khả năng làm
sạch thành phần arsenic của phân tử nano từ có thể lên tới 99%), do đó nước được lọc
bằng công nghệ nano còn có thể uống được ngay sau khi lọc.
Cùng với công nghệ nano, nước và cả không khí còn có thể giảm được nồng độ ô
nhiễm một cách đáng kể do tác động của khoáng chất zeolites, đặc biệt là những ô
nhiễm do nhiễm dầu và các nhiên liệu hóa thạch khác.
1.2. VẬT LIỆU NANO TỪ TÍNH[2]
1.2.1. Vật liệu từ tính
các ứng dụng vật lí như truyền động từ môi trường không khí vào buồng chân không,
làm chất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao,... Trong những nghiên cứu đầu tiên về
chất lỏng từ, vật liệu từ tính oxit sắt Fe 3 O 4 , được nghiền cùng với chất hoạt hóa bề mặt
(axit oleic) và dung môi (dầu, hexan). Chất hoạt hóa bề mặt giúp cho quá trình nghiền
được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với nhau. Sau khi nghiền, sản phẩm
phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp để có được các hạt tương đối
đồng nhất.
Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu với khối
lượng lớn. Việc thay đổi chất hoạt hóa bề mặt và dung môi không ảnh hưởng nhiều
đến quá trình chế tạo. Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt
nano không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt nano. Chất lỏng từ
chế tạo bằng phương pháp này thường được dùng cho các ứng dụng vật lí.
1.2.2.2. Phương pháp hóa học
Phương pháp hóa học để chế tạo các hạt nano từ cũng được phát triển từ lâu.
Phương pháp hóa học có thể tạo ra các hạt nano với độ đồng nhất khá cao, rất thích
hợp cho phần lớn các ứng dụng sinh học.
Nguyên tắc tạo hạt nano bằng phương pháp hóa học là kết tủa từ một dung dịch
đồng nhất dưới các điều kiện nhất định hoặc phát triển hạt từ thể hơi khi một hóa chất
ban đầu bị phân rã.
Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến một trạng
thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ. Các
mầm kết tụ đó sẽ phát triển thông qua quá trình khuếch tán của vật chất từ dung dịch
lên bề mặt của các mầm cho đến khi mầm trở thành hạt nano. Để thu được hạt có độ
đồng nhất cao, người ta cần phân tách hai giai đoạn hình thành mầm và phát triển
mầm. Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình thành của những mầm mới.
Các phương pháp sau đây là những phương pháp kết tủa từ dung dịch: đồng kết tủa,
nhũ tương, polyol, phân li nhiệt,...
Phương pháp đồng kết tủa: người ta thực hiện khuếch tán các chất tham gia
có kích thước rất nhỏ, độ đồng nhất cao và không bị kết tụ.
1.3. VẬT LIỆU PEROVSKITE[3, 4, 5]
1.3.1. Cấu trúc vật liệu perovskite
Cấu trúc perovskite lí tưởng ABO 3 được mô tả ở hình 1.3, trong đó A là các
nguyên tố đất hiếm thuộc họ lantanit (La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd) và B là các kim loại
chuyển tiếp (Mn, Co, Fe,...). Trường hợp chung, bán kính của cation A lớn hơn bán
kính của cation B.
Việc thay thế một phần các cation ở vị trí A và B bằng một nguyên tố thứ ba là
một kĩ thuật cơ bản để thay đổi cấu trúc các hợp chất perovskite, nhằm khám phá ra
các tính chất mới. Loại vật liệu này còn được gọi là vật liệu perovskite biến tính.
Vật liệu ABO 3 biến tính có công thức (A 1-x A’ x )(B 1-y B’ y )O 3 (0 ≤ x, y ≤ 1),
trong đó ion A hoặc B được thay thế một phần bởi các ion khác. Với A có thể là các
nguyên tố họ đất hiếm Ln như La, Nd, Pr,… ; 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,… Khi pha tạp, tùy theo ion và nồng độ pha tạp mà cấu trúc tinh thể sẽ bị thay đổi
không còn là cấu trúc lí tưởng, 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 lí thú như hiệu ứng nhiệt
điện, hiệu ứng từ trở khổng lồ, hiệu ứng từ nhiệt,…
Trong cấu trúc perovskite lí tưởng, ô mạng cơ sở là một hình lập phương tâm
khối với các thông số mạng a = b = c và α = β = γ = 90o. Vị trí tám đỉnh của hình lập
phương là vị trí của các cation A, tâm của sáu mặt hình lập phương là vị trí của ion
phối trí, thường là vị trí của ion oxi và tâm của hình lập phương là vị trí của ion B.
Nghĩa là xung quanh ion B có sáu ion oxi (hình 1.3a) và quanh ion A có mười hai ion
oxi phối trí (hình 1.3b). Như vậy cấu trúc perovskite là một siêu cấu trúc với một
khung kiểu ReO 3 được xây dựng bởi sự kết hợp cation A vào trong bát diện BO 6 .
z
vững.
Hình 1.4. Sự biến dạng cấu trúc perovskite khi góc B-O-B
180o
Điển hình là sự thay thế Sr cho Y trong YFeO 3 được thực hiện một cách dễ dàng.
Thứ nhất là các ion Y3+ và Sr2+ có bán kính ion gần bằng nhau (R Y 3+ = 1.04 Å, R Sr 2+ =
1.26 Å), do đó sự thay thế vị trí sẽ hầu như không gây ra sự méo mạng. Thứ hai, sự
phân bố vị trí của các ion âm 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+ sẽ tạo ra sự
bù điện tích cục bộ, nhưng các hạt tải cục bộ loại p được cân bằng bởi các sự biến đổi
một phần Fe3+ thành Fe4+. Cuối cùng, sự mất điện tích cục bộ do thế chỗ Y3+ bởi Sr2+
được cân bằng bằng cách tạo ra sự khuyết thiếu oxi. Do đó, chúng tôi có được công
thức hóa học là Y 1-x Sr x FeO 3 .
1.3.3. Vật liệu trên cơ sở YFeO3
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 1.5). 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.
Hình 1.5. Tế bào đơn vị của YFeO3
Một số công trình nghiên cứu về tổng hợp YFeO 3 đã được công bố. Yttrium
Dùng để chế tạo các dạng ngọc hồng lựu: ngọc hồng lựu yttri sắt làm các bộ lọc
vi sóng hiệu suất cao; ngọc hồng lựu yttri nhôm, Y 2 O 3 , florua yttri liti, vanadat yttri
được dùng trong tổ hợp với các tác nhân kích thích (dopant) như terbi, ytterbi trong
các laser cận - hồng ngoại.
Oxit yttri (III) được dùng như là phụ gia kết dính trong sản xuất nitrua silic xốp,
là chất phụ gia trong sơn, nhựa, nam châm vĩnh cửu.
Y 2 O 3 có thể được sử dụng làm vật liệu thay thế cho SiO 2 trong các transitor và
các thiết bị nhớ. Yttri oxit còn được dùng làm lớp phủ chống ăn mòn các vật liệu có
nền là urani hoặc các kim loại dễ hoạt động khác, nó cũng khá ổn định với graphit ở
nhiệt độ 1600oC.
1.4.1.2. Yttri cacbonat
Muối yttri cacbonat là chất ở dạng kết tủa, thực tế không tan trong nước. Khi đun
nóng trong nước nó chuyển thành cacbonat bazơ:
Y 2 (CO 3 ) 3 + H 2 O 2Y(OH)CO 3 + CO 2
Y 2 (CO 3 ) 3 được tạo nên khi cho muối yttri (III) tác dụng đủ với dung dịch
cacbonat kim loại kiềm hay amoni. Khi cho dư cacbonat kim loại kiềm hay amoni sẽ
thu được muối cacbonat kép M 2 CO 3 .Y 2 (CO 3 ) 3 .nH 2 O (trong đó M là cation kim loại
kiềm hay NH 4 +).
Các cacbonat kép của đất hiếm nhóm xeri hầu như không tan trong dung dịch
bão hòa của cacbonat kim loại kiềm hay amoni. Còn các cacbonat kép của đất hiếm
hay Y có độ tan tăng dần đều.
Được dùng làm chất đầu để điều chế các oxit và hợp chất khác của lantanoit.
1.4.2. Hợp chất của stronti
1.4.2.1. Oxit stronti
Oxit SrO ở dạng bột màu trắng (hình 1.6a), khi nấu chảy trong lò điện rồi để
nguội, chúng ở dạng tinh thể, mạng tinh thể lập phương kiểu muối ăn (hình 1.6b). Vì
SrO có năng lượng mạng lưới rất lớn nên rất khó nóng chảy và rất bền nhiệt, có thể bị
sôi mà không phân hủy. Bởi vậy, một trong những công dụng lớn nhất của SrO là làm
1.4.3. Oxit và hydroxit của sắt
1.4.3.1. Oxit sắt
Fe 2 O 3 có tính thuận từ, màu nâu đỏ. Trong các hợp chất oxit sắt, Fe(III) là chất
có trạng thái spin cao (có các electron thuộc phân lớp d). Fe (III) với 5 electron d lớp
ngoài cùng nên có năng lượng mạng lưới trường tinh thể ổn định.
Fe 2 O 3 có hình dạng vô định hình và tồn tại 4 loại hình dạng (alpha, beta, gamma
và epsilon).
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 giống như hình dạng của những viên
corondum (α-Al 2 O 3 ), trong đó ion sắt (III) chiếm 2/3 thể tích bát diện.
β-Fe 2 O 3 có từ tính không ổn định là một điểm riêng để phân biệt nó với các dạng
gamma, alpha và epsilon. 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.
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
tám tế bào đơn vị. 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 - 750°C. Kích thước của các hạt ε-Fe 2 O 3 vào khoảng 30 - 80 nm phụ thuộc vào
phương pháp điều chế.
axit và tan được trong dung dịch kiềm đặc nóng hoặc Na 2 CO 3 hay K 2 CO 3 nóng chảy.
Hydroxit sắt (III) có công thức Fe(OH) 3 .nH 2 O. Kết quả XRD cho ta thấy chúng
có cấu trúc hình lập phương với cạnh bằng 0.7568 nm.
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT (TGA/DTA)[6]
TGA là phương pháp khảo sát sự thay đổi khối lượng của chất theo nhiệt độ khi
chất được đặt trong lò nung có chương trình thay đổi nhiệt độ được kiểm soát một
cách chặt chẽ, nhiệt độ nung có thể lên đến 1600°C.
Từ giản đồ phân tích nhiệt, ta có thể xác định độ bền nhiệt của chất, các quá trình
hóa lí xảy ra trong quá trình phân hủy nhiệt của chất và đồng thời xác định được độ
tinh khiết của chất.
Phương pháp phân tích nhiệt là phương pháp phân tích mà trong đó các tính chất
vật lí, hóa học của mẫu được đo một cách liên tục như những hàm của nhiệt độ (nhiệt
độ được thay đổi có quy luật). Trên cơ sở lí thuyết về nhiệt động học, từ sự thay đổi
các tính chất đó ta có thể xác định được các thông số yêu cầu của việc phân tích. Hiện
nay, kĩ thuật này được ứng dụng khá phổ biến trong nhiều lĩnh vực như cho biết thông
tin về cấu trúc, độ bền, độ ổn định của phản ứng hóa học, tính chất động học, nhiệt độ
chuyển pha, khối lượng mất đi, xác định thành phần khối lượng các chất có trong mẫu.
Phương pháp phân tích này được dùng để xác định tính chất vật lí và hóa học của
polyme, những vật liệu có dạng tinh thể.
Trong phương pháp TGA, mẫu được đặt trên đĩa, cân liên tục và nung nóng đến
nhiệt độ bay hơi. Nguyên tắc hoạt động của máy đo TGA dựa vào quá trình tăng nhiệt
độ và các quá trình lí hóa xảy ra làm thay đổi khối lượng của mẫu, nhờ đó bộ cảm biến
(sensor) khối lượng chuyển tín hiệu về máy tính và chuyển đổi thành phần phần trăm
khối lượng của vật liệu bị mất đi.
DTA là phương pháp phân tích nhiệt dựa trên việc thay đổi nhiệt độ của mẫu đo
và chất tham khảo trơ được xem như là một hàm của nhiệt độ mẫu. Chất tham khảo trơ
không bị biến đổi trong khoảng nhiệt độ đang khảo sát nên nhiệt độ của nó biến thiên
Nhiễu xạ tia X là thiết bị dùng để nghiên cứu, xác định pha cấu trúc tinh thể của
vật liệu. Nó là một trong những công cụ quan trọng nhất được sử dụng trong nghiên
cứu hóa học chất rắn và khoa học vật liệu.
Nguyên lí hoạt động của nó dựa trên hiện tượng nhiễu xạ tia X. Khi chiếu chùm
tia X vào vật liệu kết tinh, nó sẽ bị phản xạ bởi các mặt phẳng tinh thể (hình 2.2). Họ
mặt phẳng tinh thể nào có giá trị d thõa mãn điều kiện phản xạ theo định luật Bragg:
nλ = 2dsinθ, trong đó:
n – bậc nhiễu xạ (n là số nguyên)
λ – bước sóng của tia X
Copyright: Tài liệu đại học ©