Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Fe2O3 bằng phương pháp đốt cháy gel polyvinyl ancol

Bài viết Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Fe2O3 bằng phương pháp đốt cháy gel polyvinyl ancol trình bày việc chế tạo vật liệu nano Fe2O3 bằng phương pháp đốt cháy gel polivinyl ancol PVA; Các phương pháp xác định đặc trưng tính chất của vật liệu.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO Fe2O3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỐT CHÁY GEL POLYVINYL ANCOL Đặng Thị Thanh Lê Trường Đại học Thủy lợi, email: ledtt@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG 2.2 Các phương pháp xác định đặc trưng tính chất vật liệu Sắt oxit có đặc tính tốt nên ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực xúc tác, làm chất màu, chế tạo vật liệu từ tính, [1, 3] Trong lĩnh vực hấp phụ, số tác giả sử dụng sắt oxit để xử lí kim loại nặng asen, coban, niken [2] Trong báo [4] chế tạo vật liệu nano Fe2O3 phương pháp sol-gel xitrat Trong báo chế tạo vật liệu nano Fe2O3 phương pháp đốt cháy gel polivinyl ancol PVA Quá trình hình thành pha oxit gel theo nhiệt độ xác định phương pháp phân tích nhiệt DTA-TGA Sự hình thành biến đổi pha tinh thể vật liệu xác định phương pháp nhiễu xạ tia X Hình thái học kích thước hạt xác định phương pháp hiển vi điện tử quét SEM hiển vi điện tử truyền qua TEM Diện tích bề mặt vật liệu xác định phương pháp hấp thụ đa lớp BET, từ đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ 77K PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Thực nghiệm Tiến hành chế tạo vật liệu nano Fe2O3 phương pháp đốt cháy gel PVA Quá trình chế tạo gồm bước tạo gel, sấy gel, nung sản phẩm Nguyên liệu để tạo gel Fe(NO3)3 PVA dạng tinh khiết phân tích Hịa tan PVA vào nước cất tạo dung dịch PVA 5% Dung dịch Fe(NO3)3 trộn với dung dịch PVA, điều chỉnh pH hỗn hợp NH3, axit axetic Quá trình gia nhiệt thực máy khuấy từ hỗn hợp tạo gel Gel có độ nhớt cao, suốt sấy khô tạo thành khối xốp, phồng đem nung nhiệt độ thích hợp thu bột mịn Tiến hành nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến tạo pha tinh thể vật liệu nano: nhiệt độ nung, pH trình tạo gel, nhiệt độ tạo gel tỷ lệ mol Fe/PVA 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới tạo pha tinh thể a) Ảnh hưởng nhiệt độ nung Để xác định khoảng nhiệt độ nung thích hợp, điều chế gel pH = 2, nhiệt độ 800C, tỉ lệ mol Fe/PVA 1/3 Giản đồ phân tích nhiệt gel sau sấy khơ Hình Từ hình cho thấy, khoảng nhiệt độ nhỏ 2500C có giảm 35,49% khối lượng trình nước kết tinh, phân hủy phần gốc nitrat PVA Trong khoảng nhiệt độ từ 250 - 4000C có giảm 32,12% khối lượng phân hủy PVA gốc nitrat lại Ở vùng nhiệt độ này, giản đồ DTA xuất hiệu ứng tỏa nhiệt mạnh 317,170C Trên 4000C đường TGA nằm ngang không quan sát thấy hiệu ứng đường DTA chứng tỏ tạo pha tinh thể α-Fe2O3 xảy vùng nhiệt độ 484 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 Dựa kết giản đồ phân tích nhiệt chúng tơi tiến hành khảo sát nhiệt độ nung từ 450-7500C a) b) PVA làm giảm phân tán đồng cation kim loại mạng, gel thu khơng xốp, kích thước hạt lớn mẫu điều chế pH =2 Còn pH =3 sắt dễ bị kết tủa Vì vậy, chọn pH tạo gel thích hợp Hình Giản đồ DTA (a) TGA (b) gel Fe3+/PVA Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu vật liệu nhiệt độ nung khác Hình Hình Giản đồ XRD mẫu điều chế pH = 1÷3 nung 6500C c) Ảnh hưởng nhiệt độ tạo gel Điều chế mẫu nhiệt độ tạo gel khác (40, 60, 80 1000C) có pH = 2, tỉ lệ mol Fe/PVA = 1/3 nung 6500C Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen mẫu nhiệt độ tạo gel khác đưa Hình Hình Giản đồ XRD mẫu nung 450-7500C Kết hình cho thấy: mẫu nung 450, 5500C, pha α-Fe2O3 lẫn pha γFe2O3; mẫu nung 6500C thu đơn pha α-Fe2O3 Khi tăng nhiệt độ nung lên 7500C thu đơn pha α-Fe2O3 kích thước hạt to so với nung 6500C kết tụ Vì chúng tơi chọn nhiệt độ nung mẫu tối ưu 6500C b) Ảnh hưởng pH tạo gel Các mẫu điều chế với tỉ lệ mol Fe/PVA = 1/3; nhiệt độ tạo gel 800C; pH = 1÷3, gel sau sấy khơ đem nung 6500C Xác định thành phần pha mẫu thu sau nung phương pháp XRD Giản đồ XRD mẫu sau nung (Hình 3) cho thấy, khoảng pH = ÷ thu đơn pha α-Fe2O3 Như vậy, pH không ảnh hưởng đáng kể đến tạo thành đơn pha α-Fe2O3 Tuy nhiên, pH thấp (pH = 1) phá mạch polime Hình Giản đồ XRD mẫu điều chế nhiệt độ tạo gel khác nung 6500C Từ Hình cho thấy gel điều chế nhiệt độ thấp 800C có xuất pha γ-Fe2O3 lẫn với pha α-Fe2O3 Mẫu điều chế từ gel 800C 1000C thu đơn pha α-Fe2O3 Tuy nhiên, nhiệt độ tạo gel cao (1000C) trình điều chế, nước bay nhanh nên gel tạo thành khơng xốp, phồng Do đó, chúng tơi chọn nhiệt độ tạo gel 80oC để tiến hành khảo sát d) Ảnh hưởng tỉ lệ mol Fe/PVA Các mẫu điều chế pH = 2, nhiệt độ tạo gel 800C, tỉ lệ mol Fe/PVA là 3/1, 2/1, 1/1, 1/2 1/3 nung 6500C Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen mẫu đưa Hình 485 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 Như vậy, oxit Fe2O3 điều chế phương pháp đốt cháy gel PVA có kích thước hạt nhỏ so với điều chế phương pháp kết tủa (35 - 150 nm) [64], lớn so với điều chế phương pháp sol-gel xitrat (~12 nm) [4] có diện tích bề mặt riêng lớn so phương pháp đốt cháy sử dụng tiền chất EDTA (20 m2/g) [65] Hình Giản đồ XRD mẫu điều chế từ gel có tỉ lệ mol Fe/PVA khác nung 6500C KẾT LUẬN Kết XRD mẫu nghiên cứu Hình cho thấy: mẫu điều chế từ gel có tỉ lệ mol Fe/PVA = 3/1, 2/1, 1/1, 1/2 tồn đồng thời hai pha α-Fe2O3 γ-Fe2O3 Mẫu điều chế từ gel có tỉ lệ mol KL/PVA = 1/3 chứa pha α-Fe2O3 Như vậy, tỉ lệ mol KL/PVA = 1/3 thuận lợi cho trình tạo đơn pha Từ kết trên, rút điều kiện thích hợp để điều chế vật liệu nano sở Fe2O3 phương pháp đốt cháy gel polyvinyl alcol PVA: pH trình phản ứng tạo gel 2; nhiệt độ tạo gel 80oC; tỷ lệ Fe/PVA 1/3 nhiệt độ nung phù hợp cho hình thành đơn pha tinh thể Fe2O3 650oC 3.2 Đặc trưng mẫu tối ưu Điều chế mẫu Fe2O3 điều kiện trên, tiến hành xác định kích thước hạt diện tích bề mặt riêng phương pháp SEM, TEM BET Ảnh hiển vi điện tử quét truyền qua mẫu (Hình 6) cho thấy hạt thu có kích thước đồng với đường kính trung bình tính theo phương trình Scherrer 24,89 nm Diện tích bề mặt riêng Fe2O3 đo theo phương pháp BET 35,5m2/g a) b) Hình Ảnh SEM (a) TEM (b) mẫu tối ưu oxit Fe2O3 Đã nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến tạo pha tinh thể vật liệu nano Fe2O3 tổng hợp phương pháp đốt cháy gel PVA: nhiệt độ nung, pH tạo gel, nhiệt độ tạo gel tỷ lệ mol Fe/PVA Điều kiện để tổng hợp oxit Fe2O3 có kích thước ~ 25 nm diện tích bề mặt riêng 35,5 m2/g: nhiệt độ nung 650oC, pH tạo gel 2, nhiệt độ tạo gel 80oC tỉ lệ mol Fe/PVA 1/3 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Chirita, I Grozescu Fe2O3Nanoparticles, Physical Properties an Their Photochemical and Photoelectrochemical Applications, Chem Bull “POLITEHNICA” Univ (Timisoara), 54(68), 1(2009) [2] Lưu Minh Đại, Đào Ngọc Nhiệm, Nguyễn Thị Tố Loan Tổng hợp α-Fe2O3 kích thước nanomet phương pháp đốt cháy gel sử dụng để hấp phụ asen, Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị Xúc tác Hấp phụ Toàn quốc lần thứ V, 341-346 (8/2009) [3] S Layek, A Pandey, A Pandey and H C Verma Synthesis of γ-Fe2O3 nanoparticles with crystallographic and magnetic texture, International Journal of Engineering, Science and Technology, 2(8), 33-39 (2010) [4] Đặng Thị Thanh Lê Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Fe2O3 phương pháp sol-gel xitrat, Tuyển tập hội nghị khoa học thường niên năm 2018, 449-451 (11/2018) [5] Khedr, M H., KS Abdel Halim, and N K Soliman "Synthesis and photocatalytic activity of nano-sized iron oxides." Materials Letters, 63.6 (2009): 598-601 [6] Sarangi, Prita P., Bhanudas Naik, and Narendra Nath Ghosh "Low temperature synthesis of single-phase α-Fe2O3 nanopowders by using simple but novel chemical methods." Powder Technology 192.3 (2009): 245-249 486 ... cho trình tạo đơn pha Từ kết trên, rút điều kiện thích hợp để điều chế vật liệu nano sở Fe2O3 phương pháp đốt cháy gel polyvinyl alcol PVA: pH trình phản ứng tạo gel 2; nhiệt độ tạo gel 80oC;... 978-604-82-2981-8 Như vậy, oxit Fe2O3 điều chế phương pháp đốt cháy gel PVA có kích thước hạt nhỏ so với điều chế phương pháp kết tủa (35 - 150 nm) [64], lớn so với điều chế phương pháp sol -gel xitrat (~12 nm)... hưởng đến tạo pha tinh thể vật liệu nano Fe2O3 tổng hợp phương pháp đốt cháy gel PVA: nhiệt độ nung, pH tạo gel, nhiệt độ tạo gel tỷ lệ mol Fe/PVA Điều kiện để tổng hợp oxit Fe2O3 có kích thước ~