(Luận văn thạc sĩ) khảo sát các điều kiện tổng hợp vật liệu bột nano lafeo3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HỐ  KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HỐ HỌC CHUN NGÀNH: HĨA VÔ CƠ KHẢO SÁT CÁC ĐIỀU KIỆN TỔNG HỢP VẬT LIỆU BỘT NANO LaFeO3 Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HOÁ  KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HOÁ HỌC CHUN NGÀNH: HĨA VƠ CƠ KHẢO SÁT CÁC ĐIỀU KIỆN TỔNG HỢP VẬT LIỆU BỘT NANO LaFeO3 GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến SVTH: Trần Thị Thùy Dung Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 Luận văn tốt nghiệp Tiến GVHD: TS Nguyễn Anh LỜI NHẬN XÉT …………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………… ……… Trang Luận văn tốt nghiệp Tiến GVHD: TS Nguyễn Anh LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Anh Tiến, người tin tưởng giao đề tài ln tận tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho em tham gia nghiên cứu, hồn thành khố luận Gần năm học tập Khoa Hóa - Trường Đại học Sư phạm Thành Phố Hồ Chí Minh cung cấp cho em lượng kiến thức lớn trang bị kĩ cần thiết phục vụ cho việc tiến hành thí nghiệm cách an tồn đạt kết cao Em xin chân thành cám ơn thầy ngồi khoa, người ln tận tình giảng dạy, truyền cho chúng em niềm đam mê học tập đam mê nghiên cứu khoa học Em gửi lời tri ân đến thầy cơ, anh chị, cán phịng thí nghiệm hóa lí, hóa hữu vơ tạo điều kiện thuận lợi cho em trình tiến hành thực nghiệm Em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới gia đình bạn bè em, người giúp đỡ, động viên, khuyến khích em năm học, q trình hồn thành đề tài Do lần tham gia nghiên cứu đề tài khoa học, nỗ lực nên em khơng tránh khỏi việc mắc phải thiếu sót sai lầm, em mong nhận đóng góp, phê bình thầy bạn để khóa luận hoàn thiện Một lần em xin chân thành cám ơn TP Hồ Chí Minh ngày 10 tháng năm 2012 SVTH Trần Thị Thùy Dung Trang Luận văn tốt nghiệp Tiến GVHD: TS Nguyễn Anh LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển khoa học kĩ thuật nhu cầu người ngày cao đòi hỏi nhà khoa học phải tiến hành nghiên cứu tìm loại vật liệu để đáp ứng yêu cầu Hóa học nano kĩ thuật vật liệu nano khơng nằm ngồi xu hướng chung Mặc dù giới, công nghiệp nano phát triển lâu (từ khoảng năm 50 kỉ trước) đạt nhiều tiến vượt bậc, sánh ngang ngành kĩ thuật khác, phần đáp ứng nhu cầu nghiên cứu sản xuất, Việt Nam cịn ngành khoa học tương đối mới, việc giảng dạy trường đại học dừng mức độ đại cương việc nghiên cứu vấn đề sinh viên cịn khiêm tốn Trong oxit bán dẫn có kích thước hạt nhỏ ferrite chiếm vị trí đặc biệt quan trọng thể tính chất từ Các ferrite kích thước nano có từ tính mà sử dụng rộng rãi ngành điện tử nano đại dùng làm môi trường chép lưu trữ thông tin, làm dụng cụ cảm biến, làm chất xúc tác phản ứng oxi - hóa khử, ứng dụng y học, quang học nhiều lĩnh vực khác Các ferrite loại ABO3 (A = La, Y; B = Cr, Mn, Fe, Co, Ni) nghiên cứu nhiều lĩnh vực xúc tác Phương pháp thông thường dễ để điều chế ferrite tổng hợp gốm Nhược điểm phương pháp yêu cầu nhiệt độ cao (T > 1200°C) để thu pha đơn tinh thể, dẫn đến ferrite thu có kích thước hạt lớn khơng đồng nhất, diện tích bề mặt thấp kết tụ hạt Ngày để điều chế vật liệu nano người ta thường sử dụng phương pháp như: phương pháp kết tinh cryochemical, phương pháp hoá, phương pháp thuỷ nhiệt, phương pháp điện hố, Phương pháp hóa học điều chế vật liệu từ oxit coi chiếm ưu đảm bảo tính đồng hóa học hoạt tính cao bột ferrite tạo thành Trong phương pháp chiến lược, kinh tế khơng gây ô nhiễm môi trường coi phương pháp sol – gel (trong trường hợp riêng, đồng kết tủa cấu tử từ dung dịch lỏng chúng) Trang Luận văn tốt nghiệp Tiến GVHD: TS Nguyễn Anh Lantan orthorferrtite LaFeO3 với cấu trúc nano loại vật liệu có giá trị sử dụng cao, ứng dụng nhiều thực tế đặc biệt làm xúc tác phản ứng hóa học Phương pháp tổng hợp hợp chất khơng q phức tạp khơng địi hỏi loại máy móc thiết bị đại, phần lớn chúng trang bị sẵn phịng thí nghiệm khoa, thời gian thực nghiệm không dài nên phù hợp với việc nghiên cứu khoa học sinh viên Vì lí với bảo tận tình giúp đỡ giảng viên khoa, đặc biệt hướng dẫn trực tiếp thầy Nguyễn Anh Tiến em chọn “khảo sát điều kiện tổng hợp vật liệu bột nano LaFeO 3” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp Trang Luận văn tốt nghiệp Tiến GVHD: TS Nguyễn Anh MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN LỜI MỞ ĐẦU MỤC LỤC………………………………………………………………………………… DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ…………………………………………………………… CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGUYÊN CỨU .8 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO VÀ CÔNG NGHỆ NANO 1.1.1 Công nghệ hóa học 1.1.2 Phân loại vật liệu nano 1.1.3 Ứng dụng vật liệu nano 12 1.2 TỔNG QUAN VỀ OXIT, HIDROXIT CỦA LANTAN VÀ SẮT [8] 14 1.2.1 Trạng thái oxi hóa +3 Lantan 14 1.2.1.1 Tóm tắt tính chất hóa học 14 1.2.1.2 Sự tạo phức Ln3+ 15 1.2.2 Oxit hidroxit sắt(III) 15 15 1.2.2.2 Sắt(III) hydroxit 16 1.2.2.1 Sắt(III) oxit Fe2O3 1.2.2.3 Muối phức chất sắt(III) 16 17 1.3.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu perovskite 17 1.3 CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA ABO3 1.3.2 Hiệu ứng Jahn-Teller 18 1.3.3 Một số đặc tính vật liệu có cấu trúc orthoferrite 20 1.3.3.1 Sự pha tạp khuyết thiếu oxi 21 1.3.3.2 Hoạt tính xúc tác 21 23 1.3.3.3 Cấu trúc tinh thể tinh thể LaFeO3 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU NANO …………………………………… 26 26 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO LaFeO 2.1.1 Tổng hợp lantan orthoferrite theo phương pháp gốm công nghệ cao [9] 26 2.1.2 Tổng hợp lantan orthoferrite theo phương pháp khuôn SBA-16 28 2.1.2.1 Giới thiệu SBA-16 28 2.1.2.2 Cơ chế tổng hợp SBA-16 29 2.1.2.3 Phương pháp tổng hợp SBA-16 29 2.1.3 Quy trình tổng hợp LnFeO3 cách sử dụng khuôn SBA-16 32 Trang Luận văn tốt nghiệp Tiến GVHD: TS Nguyễn Anh 2.1.4 Tổng hợp lantan orthoferrite phương pháp đồng kết tủa 33 2.1.5 Tổng hợp lantan orthoferrite theo phương pháp đồng kết tủa có sử dụng axit oleic làm chất hoạt động bề mặt 33 2.1.5.1 Chất hoạt động bề mặt 33 2.1.5.2 Axit Oleic 34 2.1.5.3 Vai trị axit oleic q trình tổng hợp lantan orthoferrite .34 2.1.6 Tổng hợp lantan orthoferrite theo phương pháp sol-gel 35 2.1.6.1 Đại cương phương pháp sol-gel 35 2.1.6.2 Sơ đồ tổng hợp lantan orthoferrite theo phương pháp sol-gel 37 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 37 2.2.1 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc tinh thể [6] 37 2.2.1.1 Nhiễu xạ tia Rơnghen (X-Ray Diffraction – XRD) 37 2.2.1.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM–Transmission Electron Microscope) 40 2.2.1.3 Hiển vi điện tử quét (SEM – Scanning Electron Microscope) 41 2.2.2 Phương pháp phân tích nhiệt 43 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM – KẾT QUẢ – THẢO LUẬN 45 3.1 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ 45 3.1.1 Các hóa chất sử dụng 45 3.1.2 Dụng cụ 45 45 3.2.1 Tổng hợp bột nano LaFeO3 theo phương pháp đồng kết tủa sử dụng axit oleic làm chất phân tán bề mặt 46 3.2 THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO LaFeO3 3.2.2 Tổng hợp bột nano LaFeO3 phương pháp sol-gel 46 3.3 Kết thảo luận 46 3.3.1 Phương pháp 46 3.3.2 Phương pháp 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 Trang DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1……………………………………………………………………………… 10 Hình 2……………………………………………………………………………… 11 Hình 3……………………………………………………………………………… 18 Hình 4……………………………………………………………………………… 19 Hình 5……………………………………………………………………………… 23 Hình 6……………………………………………………………………………… 23 Hình 7……………………………………………………………………………… 27 Hình 8……………………………………………………………………………… 31 Hình 9……………………………………………………………………………… 31 Hình 10……………………………………………………………………………… 32 Hình 11……………………………………………………………………………… 33 Hình 12… 34 Hình 13……………………………………………………………………………… 36 Hình 14……………………………………………………………………………… 37 Hình 15……………………………………………………………………………… 38 Hình 16……………………………………………………………………………… 41 Hình 17……………………………………………………………………………… 42 Hình 18……………………………………………………………………………… 44 Hình 19……………………………………………………………………………… 47 Hình 20……………………………………………………………………………… 48 Hình 21……………………………………………………………………………… 49 Hình 22……………………………………………………………………………… 50 Hình 23……………………………………………………………………………… 50 Hình 24……………………………………………………………………………… 51 Hình 25……………………………………………………………………………… 51 Hình 26……………………………………………………………………………… 52 Hình 27……………………………………………………………………………… 52 Hình 28……………………………………………………………………………… 53 Hình 29……………………………………………………………………………… 53 Hình 30……………………………………………………………………………… 54 Hình 31……………………………………………………………………………… 54 Hình 32……………………………………………………………………………… 55 Hình 33……………………………………………………………………………… 55 Hình 34……………………………………………………………………………… 56 Hình 35……………………………………………………………………………… 56 Hình 36……………………………………………………………………………… 58 Hình 37……………………………………………………………………………… 58 Hình 38……………………………………………………………………………… 59 Luận văn tốt nghiệp Tiến GVHD: TS Nguyễn Anh CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGUYÊN CỨU 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO VÀ CÔNG NGHỆ NANO Nanomet điểm kỳ diệu kích thước chiều dài, điểm mà vật liệu sáng chế nhỏ người chế tạo cấp độ nguyên tử phân tử giới tự nhiên Khái niệm vật liệu nano mang nghĩa tương đối rộng Vật liệu nano tập hợp (aggregate) nguyên tử kim loại hay phi kim (được gọi cluster) hay phân tử oxit, sunfua, cacbua, nitrua, borua… có kích thước khoảng từ đến 100 nm Đó vật liệu xốp với đường kính mao quản nằm giới hạn tương tự (như zeolit, photphat, cacboxylat kim loại…) [2] Như vậy, nói cơng nghệ nano có ý nghĩa sử thuật sử dụng kích thước từ 0,1 nanomet đến 100 nanomet để tạo biến đổi hồn tồn lý tính cách sâu sắc hiệu ứng kích thước lượng tử (quantum size effect) “Hội chứng công nghệ nano” tràn qua tất lĩnh vực công nghệ thay đổi chất hầu hết đối tượng người tạo kỷ Trong cơng nghệ nano có phương thức từ xuống (top-down) nghĩa chia nhỏ hệ thống lớn để cuối tạo đơn vị có kích thước nano phương pháp từ lên (bottom-up) nghĩa lắp ghép hạt có kích thước nano Đặc biệt gần đây, việc thực công nghệ nano theo phương thức bottom-up trở thành kĩ thuật tạo hình thái vật liệu mà lồi người mong muốn, nên thu hút nhiều quan tâm Trong bối cảnh người ta nói tới hóa học đặc biệt hóa học cao phân tử trở thành phương tiện quan trọng phương thức bottom-up Từ kích thước ngun tử hình thành khối dạng hạt cấu trúc nano Những khối nano tổ chức hóa thành hình thái khác xếp chặt chẽ kích thước nanomet Các phương pháp chế tạo vật liệu nano tổng hợp từ tổng hợp hóa học hay công đoạn đặc biệt để tạo nên cấu trúc nano Những chất để Trang