Vật liệu nano spinnel nickel ferrite pha tạp holmium

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH DƯƠNG THANH HIỀN VẬT LIỆU NANO SPINEL NICKEL FERRITE PHA TẠP HOLMIUM: TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thành phố Hồ Chí Minh – 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH DƯƠNG THANH HIỀN VẬT LIỆU NANO SPINEL NICKEL FERRITE PHA TẠP HOLMIUM: TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT Chun ngành : Hóa vơ Mã số : 8440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ANH TIẾN Thành phố Hồ Chí Minh – 2022 i NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Vật liệu nano spinel nickel ferrite pha tạp holmium: tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc tính chất” cơng trình nghiên cứu riêng tơi với hướng dẫn PSG.TS Nguyễn Anh Tiến Các số liệu kết nghiên cứu trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác iii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PSG.TS Nguyễn Anh Tiến hướng dẫn, tận tình giúp đỡ tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Trong thời gian học cao học khoa Hóa – trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh, tơi tiếp thu nhiều kiến thức học hỏi nhiều kinh nghiệm để hỗ trợ cho nghiệp giảng dạy Tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường nhiệt tình giảng dạy hỗ trợ cho tơi suốt q trình học tập Tơi xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho trình nghiên cứu Phịng thực hành Hố vơ – trường Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, đồng nghiệp bạn bè quan tâm, động viên giúp đỡ nhiều suốt trình học tập nghiên cứu! Tơi chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 HVCH iv MỤC LỤC Trang phụ bìa Nhận xét hội đồng khoa học Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục hình ảnh Danh mục bảng biểu Danh mục chữ viết tắt, kí hiệu MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FERRITE SPINEL 1.1 Vật liệu ferrite spinel 1.2 Ứng dụng vật liệu ferrite spinel 1.3 Cấu trúc NiFe2O4 1.4 Tình hình tổng hợp NiFe2O4 10 1.5 Tình hình tổng hợp NiFe2O4 pha tạp 12 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15 2.1 Dụng cụ, thiết bị, hóa chất 15 2.2 Thực nghiệm tổng hợp vật liệu nano NiFe2-xHoxO4 16 2.2 Phương pháp nghiên cứu 18 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 18 2.2.2 Phương pháp phân tích nhiệt (TG-DSC) 20 2.2.3 Phương pháp phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 20 2.2.4 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 21 2.2.5 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 22 2.2.6 Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) 23 2.2.7 Phương pháp phân tích UV- Vis 24 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 v 3.1 Kết phân tích nhiệt 26 3.1.1 Giản đồ TG – DSC mẫu kết tủa tổng hợp vật liệu nano NiFe2O4 26 3.1.2 Giản đồ TG–DSC kết tủa tổng hợp mẫu vật liệu nano NiFe1.7Ho0.3O4 27 3.2 Kết nhiễu xạ tia X 28 3.2.1 Kết XRD vật liệu nano NiFe2O4 28 3.2.2 Kết XRD vật liệu nano NiFe2-xHoxO4 31 3.3 Kết phân tích EDX 33 3.4 Kết phân tích SEM, TEM mẫu NiFe2O4 NiFe1.85Ho0.15O4 nhiệt độ nung 800C 1h 37 3.5 Kết đo UV-Vis 38 3.5.1 Kết đo UV-Vis vật liệu nano spinel NiFe2O4 38 3.5.2 Kết đo UV-Vis mẫu vật liệu pha tạp NiFe2-xHoxO4 43 3.6 Kết đo tính chất từ 45 3.6.1 Kết đo tính chất từ vật liệu NiFe2O4 nhiệt độ nung 700°C, 800°C, 900°C 1h 45 3.6.2 Kết tính chất từ mẫu pha tạp NiFe2-xHoxO4 (x = 0,1; 0,15; 0,3; 0,5) nung 800°C 1h 48 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51 4.1 Kết luận 51 4.2 Kiến nghị 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC 58 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cấu trúc ferrite spinel Hình 1.2: Cấu trúc nickel ferrite 10 Hình 2.1: Hình ảnh bước thực nghiệm tổng hợp NiFe2-xHoxO4 17 Hình 2.2: Sơ đồ tổng hợp NiFe2-xHoxO4 thực nghiệm 18 Hình 2.3: Hiện tượng nhiễu xạ nguyên lý hoạt động phương pháp XRD 19 Hình 2.4: Nguyên tắc làm việc phương pháp phân tích SEM 22 Hình 2.5: Nguyên tắc làm việc phương pháp phân tích TEM 22 Hình 2.6: Các thành phần cấu tạo phân tích VSM 24 Hình 2.7: Cơ chế làm việc phương pháp UV-Vis 25 Hình 3.1: Giản đồ TG-DSC mẫu NiFe2O4 26 Hình 3.2: Giản đồ phân tích nhiệt TG- DSC mẫu NiFe1.7Ho0.3O4 27 Hình 3.3: Giản đồ XRD vật liệu nano NiFe2O4 nung 500, 700, 800 900°C 1h 29 Hình 3.4: Giản đồ XRD vật liệu nano NiFe2O4 nung 800°C 1h 32 Hình 3.5: Giản đồ XRD vật liệu nano NiFe2-xHoxO4 nung 800°C 1h 32 Hình 3.6: Phổ EDX mẫu vật liệu nano NiFe2O4 nung 800°C 1h 34 Hình 3.7: Phổ EDX- mapping mẫu vật liệu NiFe2O4 nung 800C 1h 34 Hình 3.8: Phổ EDX vật liệu NiFe1.85Ho0.15O4 nung 800°C 1h 35 Hình 3.9: Phổ EDX- mapping vật liệu NiFe1.85Ho0.15O4 nung 800°C 1h 35 Hình 3.10: Ảnh SEM vật liệu nano NiFe2O4 nung 800°C 1h với độ phóng đại khác 37 Hình 3.11: Ảnh TEM vật liệu nano NiFe2O4 nung 800°C 1h với độ phóng đại khác 37 Hình 3.12: Hình ảnh SEM vật liệu NiFe1.85Ho0.15O4 nung 800C 1h 38 Hình 3.13: Hình ảnh TEM vật liệu NiFe1.85Ho0.15O4 nung 800°C 1h 38 Hình 3.14: Phổ hấp thụ UV-Vis vật liệu nano NiFe2O4 nung nhiệt độ 700, 800 900°C 1h 39 Hình 3.15: Giá trị band gap mẫu NiFe2O4 nhiệt độ nung 700°C; 800°C; 900°C 41 vii Hình 3.16: Phổ UV-Vis mẫu vật liệu nano NiFe2-xHoxO4 nung 800°C 1h 43 Hình 3.17: Giá trị band gap vật liệu NiFe2-xHoxO4 (x = 0,1; 0,15; 0,3; 0,5) 44 Hình 3.18: Đồ thị đường cong từ trễ vật liệu nano NiFe2O4 nung 700, 800 900°C 1h 46 Hình 3.19: Đồ thị đường cong từ trễ mẫu vật liệu nano NiFe2-x HoxO4 (x = 0,1; 0,15; 0,3; 0,5) nung 800°C 1h 48 Hình 3.20: Giản đồ chồng phổ vật liệu NiFe2-xHoxO4 (x = 0,1; 0,15; 0,3 0,5) 48 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Thông số cấu trúc mạng số ferrite spinel Bảng 2.1: Bảng danh mục hóa chất sử dụng 15 Bảng 2.2: Bảng giá trị khối lượng tiền chất dùng tổng hợp NiFe2-xHoxO4 17 Bảng 3.1: Các thông số cấu trúc vật liệu nano NiFe2O4 nung nhiệt độ khác 31 Bảng 3.2: Bảng thông số cấu trúc kích thước mẫu NiFe2-xHoxO4 (x = 0; 0,1; 0,15; 0,3; 0,5) nung 800°C 1h 33 Bảng 3.3: Kết phân tích thành phần nguyên tố mẫu vật liệu NiFe2-xHoxO4 (x = 0; 0,15) 36 Bảng 3.4: Bảng giá trị band gap mẫu NiFe2O4 nhiệt độ nung khác 42 Bảng 3.5: Bảng giá trị band gap mẫu vật liệu nano NiFe2-xHoxO4 nung 800°C 1h 45 Bảng 3.6: Các đặc trưng từ tính vật liệu nano NiFe2O4 nung 700, 800 900°C 1h 47 Bảng 3.7: Các đặc trưng từ tính vật liệu nano NiFe2-xHoxO4 49 52 + Nghiên cứu khả ứng dụng vật liệu pha tạp NiFe2O4 pha tạp Ho vào lĩnh vực xúc tác quang, pin hay lĩnh vực y học làm vật liệu làm tác nhân cho phương pháp tăng thân nhiệt điều trị ung thư + Nghiên cứu pha tạp số nguyên tố đất khác Y, La, Nd vào mạng tinh thể spinel NiFe2O4 để so sánh xu hướng biến đổi cấu trúc tính chất vật liệu 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Bae, S W Lee, and Y Takemura, “Applications of NiFe2O4 nanoparticles for a hyperthermia agent in biomedicine”, Appl Phys Lett., vol 89, no 25, pp 4–7, 2006 [2] D S Mathew and R S Juang, “An overview of the structure and magnetism of spinel ferrite nanoparticles and their synthesis in microemulsions”, Chem Eng J., vol 129, no 1–3, pp 51–65, 2007 [3] T Tatarchuk, M Bououdina, J J Vijaya, and L J Kennedy, “Spinel ferrite nanoparticles: synthesis, crystal structure, properties and perspective applications,” pp 305–325, 2017 [4] S Jankov, S Armaković, E Tóth, S Skuban, V Srdic, and Z Cvejic, “Understanding how yttrium doping influences the properties of nickel ferritecombined experimental and computational study”, Ceram Int., vol 45, no 16, pp 20290–20296, 2019 [5] A Sinha and A Dutta, “Structural, optical, and electrical transport properties of some rare-earth-doped nickel ferrites: A study on effect of ionic radii of dopants”, J Phys Chem Solids, vol 145, no September 2019, p 109534, 2020 [6] Nguyễn Thị Thùy Dung “Chế tạo nghiên cứu tính chất hạt nano ferit spinel Li0,5Fe2,5O4”, Thạc sĩ Khoa học Vật liệu điện tử, chuyên ngành Vật liệu điện tử, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,Hà Nội, 2011 [7] Phạm Hồng Nam, “Nghiên cứu chế đốt nóng từ hệ hạt nano ferit spinel M1-xZnxFe2O4 (M = Mn, Co)”, Tiến sĩ Khoa học Vật liệu, chuyên ngành Vật liệu điện tử, Học viện Khoa học Công nghệ, Hà Nội, vol 4, 2018 [8] M Amiri, M Salavati-Niasari, and A Akbari, “Magnetic nanocarriers: Evolution of spinel ferrites for medical applications”, Adv Colloid Interface Sci., vol 265, pp 29–44, 2019 [9] C Li et al, “Optimization of NiFe2O4/rGO composite electrode for lithium-ion batteries”, Appl Surf Sci., vol 416, pp 308–317, 2017 [10] L K Babu and Y V R Reddy, “A novel thermal decomposition approach for the synthesis and properties of superparamagnetic nanocrystalline NiFe2O4 and its 54 antibacterial, electrocatalytic properties”, J Supercond Nov Magn., vol 33, no 4, pp 1013–1021, 2020 [11] K C B Naidu and W Madhuri, “Hydrothermal synthesis of NiFe2O4 nanoparticles : structural , morphological, optical, electrical and magnetic properties”, vol 40, no 2, pp 417–425, 2017 [12] Nguyễn Anh Tiến, “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano từ tính NiFe2O4 phương pháp đồng kết tủa”, Tạp chí phát triển KH&CN, vol 2, no 1, pp 137–143, 2016 [13] D Zhang et al, “Combustion synthesis of magnetic Ag/NiFe2O4 composites with enhanced visible-light photocatalytic properties”, Sep Purif Technol., vol 137, pp 82–85, 2014 [14] F Majid et al, “Synthesis and characterization of NiFe2O4 ferrite: Sol–gel and hydrothermal synthesis routes effect on magnetic, structural and dielectric characteristics”, Mater Chem Phys., vol 258, p 123888, 2021 [15] M A S Amulya, H P Nagaswarupa, M R A Kumar, C R Ravikumar, S C Prashantha, and K B Kusuma, “Sonochemical synthesis of NiFe2O4 nanoparticles: Characterization and their photocatalytic and electrochemical applications”, Appl Surf Sci Adv, vol 1, no June, p 100023, 2020 [16] S Ali and A Manikandan, “Crystal structure of NiFe2O4” vol 11, no 3, pp 1–25, 2019 [17] U Lüders et al, “NiFe2O4: A versatile spinel material brings new opportunities for spintronics”, Adv Mater., vol 18, no 13, pp 1733–1736, 2006 [18] R Sen, P Jain, R Patidar, S Srivastava, R S Rana, and N Gupta, “Synthesis and characterization of nickel ferrite (NiFe2O4) nanoparticles prepared by sol-gel method”, Mater Today Proc, vol 2, no 4–5, pp 3750–3757, 2015 [19] Y Zhang, G Rimal, J Tang, and Q Dai, “Synthesis of NiFe2O4 nanoparticles for energy and environment applications”, Mater Res Express, vol 5, no 2, 2018 [20] V Manikandan et al, “Role of ruthenium in the dielectric, magnetic properties of nickel ferrite (Ru-NiFe2O4) nanoparticles and their application in hydrogen sensors”, ACS Omega, vol 4, no 7, pp 12919–12926, 2019 55 [21] S Gaba, P S Rana, A Kumar, and R P Pant, “Structural and paramagnetic resonance properties correlation in lanthanum ion doped nickel ferrite nanoparticles”, J Magn Magn Mater, vol 508, no April, p 166866, 2020 [22] D Titus, E James Jebaseelan Samuel, and S M Roopan, Nanoparticle characterization techniques Elsevier Inc, 2019 [23] B Laboratory, “Vibrating sample magnetometry M106”, Mater Sci Eng Vibrating, pp 2–16, 2016 [24] M Meinert and G Reiss, “Electronic structure and optical band gap determination of NiFe2O4”, vol 26, pp 2–5, 2014 [25] V M C S Naveen, A R P A Sivakumar, S A M Britto, and D R Robert, “Crystallographic and magnetic phase stabilities of - NiFe2O4 nanoparticles at shocked conditions”, J Mater Sci Mater Electron., no 0123456789, 2020 [26] V Šepelák et al, “Nanocrystalline nickel ferrite, NiFe2O4: Mechanosynthesis, nonequilibrium cation distribution, canted spin arrangement, and magnetic behavior”, J Phys Chem C, vol 111, no 13, pp 5026–5033, 2007 [27] S K Paswan et al, “Optimization of structure-property relationships in nickel ferrite nanoparticles annealed at different temperature”, J Phys Chem Solids, vol 151, no October 2020, p 109928, 2021 [28] W E Pottker et al, “Influence of order-disorder effects on the magnetic and optical properties of NiFe2O4 nanoparticles”, Ceram Int., vol 44, no 14, pp 17290– 17297, 2018 [29] P Chand, S Vaish, and P Kumar, “Structural, optical and dielectric properties of transition metal (MFe2O4; M = Co, Ni and Zn) nanoferrites”, Phys B Condens Matter, vol 524, no July, pp 53–63, 2017 [30] Sapna, N Budhiraja, V Kumar, and S K Singh, “Tailoring the structural, optical and magnetic properties of NiFe2O4 by varying annealing temperature,” J Supercond Nov Magn, vol 31, no 8, pp 2647–2654, 2018 [31] R Talebi and A Alborzi, “Synthesis, characterization and optical properties of lutetium doped nickel ferrite nanoparticles prepared by novel sol–gel method”, J Mater Sci Mater Electron., vol 27, no 5, pp 4321–4325, 2016 56 [32] K S Lohar, A M Pachpinde, M M Langade, R H Kadam, and S E Shirsath, Self-propagating high temperature synthesis, structural morphology and magnetic interactions in rare earth Ho3+ doped CoFe2O4 nanoparticles, vol 604 Elsevier B.V, 2014 [33] Nguyễn Trương Xuân Minh, Huỳnh Kỳ Phương Hạ Đoàn Văn Hồng Thiện, “Tổng hợp vật liệu cấu trúc spinel nickel ferrite NixFe3-xO4 phương pháp solgel khảo sát hoạt tính quang xúc tác”, Tạp chí khoa học trường đại học Cần Thơ, vol 4, pp 20–26, 2018 [34] Z K Heiba, M B Mohamed, N M Farag, and S I Ahmed, “Structure and optical properties of Zn and Mn co-doped nano NiFe2O4”, J Mater Sci Mater Electron, vol 32, no 17, pp 22718–22729, 2021 [35] R Tiwari, M De, H S Tewari, and S K Ghoshal, “Structural and magnetic properties of tailored NiFe2O4 nanostructures synthesized using auto-combustion method”, Results Phys., vol 16, no December 2019, p 102916, 2020 [36] L Sun, R Zhang, Z Wang, L Ju, and Y Zhang, “Author ’ s Accepted Manuscript Structural , dielectric and magnetic properties of method”, J Magn Magn Mater, 2016 [37] N A Tien et al, “Optical and magnetic properties of HoFeO3 nanocrystals prepared by a simple co-precipitation method using ethanol”, J Alloys Compd, vol 834, p 155098, 2020 [38] Nguyễn Anh Tiến, Trương Thị Thuận, Đỗ Hồng Phúc,“Tính chất nhiệt từ vật liệu HoFeO3 tổng hợp phương pháp kết tủa hóa học”, Tạp chí khoa học trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, vol 6, pp 1161–1169, 2021 [39] V Q Mai and N A Tien, “Low-Temperature co-precipitation synthesis of HoFeO3 nanoparticles”, pp 1–7, 2021 [40] S Joshi, M Kumar, H Pandey, M Singh, and P Pal, “Structural, magnetic and dielectric properties of Gd3+ substituted NiFe2O4 nanoparticles”, J Alloys Compd., vol 768, pp 287–297, 2018 [41] Q Ni, L Sun, E Cao, W Hao, Y Zhang, and L Ju, “Enhanced magnetic and dielectric properties of NiFe2O4 ferrite ceramics co-substituted by (Li1+, Zn2+ and 57 La3+)”, Ceram Int., vol 46, no 7, pp 9722–9728, 2020 [42] Nguyễn Quốc Chính, 2015 Giáo trình Phân tích cấu trúc vật liệu vô cơ, Trường Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh 58 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Giản đồ XRD mẫu NiFe2O4 nung ở 500°C 1h Phụ lục 2: Giản đồ XRD mẫu NiFe2O4 nung ở 700°C 1h 59 Phụ lục 3: Giản đồ XRD mẫu NiFe2O4 nung ở 800°C 1h Phụ lục 4: Giản đồ XRD mẫu NiFe2O4 nung ở 900°C 1h 60 Phụ lục 5: Giản đồ XRD mẫu NiFe1,9Ho0,1O4 nung ở 800°C 1h Phụ lục 6: Giản đồ XRD mẫu NiFe1,85Ho0,15O4 nung ở 800°C 1h 61 Phụ lục 7: Giản đồ XRD mẫu NiFe1,7Ho0,3O4 nung ở 800°C 1h Phụ lục 8: Giản đồ XRD mẫu NiFe1,7Ho0,3O4 nung ở 800°C 1h 62 Phụ lục 9: Giản đồ XRD mẫu NiFe1,85Ho0,15O4 nung ở 800°C 1h so sánh với phổ chuẩn NiFe2O4 HoFeO3 Phụ lục 10: Giản đồ XRD mẫu NiFe1,7Ho0,3O4 nung ở 800°C 1h so sánh với phổ chuẩn NiFe2O4 HoFeO3 63 Phụ lục 11: Giản đồ XRD mẫu NiFe1,7Ho0,3O4 nung ở 800°C 1h so sánh với phổ chuẩn NiFe2O4 HoFeO3 Phụ lục 12: Giản đồ XRD phổ chuẩn NiFe2O4 (số phổ: 01-088-0380) 64 Phụ lục 13: Bảng giá trị peak phổ chuẩn NiFe2O4 (số phổ: 01-088-0380) Phụ lục 14: Giản đồ XRD phổ chuẩn HoFeO3 (số phổ: 00-046-0115) 65 Phụ lục 15: Bảng giá trị peak phổ chuẩn HoFeO3 (số phổ: 00-046-0115) 66 Phụ lục 16: Kết phân tích VSM mẫu NiFe1,9Ho0,1O4 Phụ lục 17: Kết phân tích VSM mẫu NiFe1,85Ho0,15O4 Phụ lục 18: Kết phân tích VSM mẫu NiFe1,7Ho0,3O4 Phụ lục 19: Kết phân tích VSM mẫu NiFe1,5Ho0,5O4