(Luận văn thạc sĩ) tổng hợp và nghiên cứu ứng dụng của vật liệu nano perovskite y0 8sr0 2feo3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HĨA HỌC KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HĨA HỌC Chun ngành: Hóa Vô Cơ Nguyễn Nữ Huyền Trang TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO PEROVSKITE Y0.8Sr0.2FeO3 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 TRƯỜNG ĐẠI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO KHOA HĨA HỌC CHÍ MINH HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HĨA HỌC Chun ngành: Hóa Vơ Cơ TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO PEROVSKITE Y0.8Sr0.2FeO3 GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến LỜI CẢM ƠN Trong suốt bốn năm học tập nghiên cứu khoa học Khoa Hóa – Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh em trưởng thành lên nhiều Mơi trường sư phạm giúp em ngày hoàn thiện tri thức người Mỗi học kỳ trôi qua em học hỏi nhiều kiến thức quý báu từ năm đại cương năm chuyên ngành dìu dắt Thầy Cơ ngồi Khoa Để rồi, bước cuối kết thúc đời sinh viên hoàn thành Luận văn tốt nghiệp; em tự tin lên nhiều học tập trao dồi bốn năm qua Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người mà em yêu quý trân trọng giúp đỡ cho em hoàn thành tốt Luận văn Lời em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Anh Tiến – người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt Luận văn Trong q trình nghiên cứu hồn thành đề tài luận văn em xin cảm ơn toàn thể q Thầy Cơ Khoa Hóa – Trường Đại học Sư phạm nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ q trình làm đề tài Và em khơng qn gửi lời cảm ơn đến người thân gia đình, bạn bè ln quan tâm, động viên giúp đỡ em suốt trình học tập nghiên cứu! Vì thời gian khả cịn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Em kính mong nhận đóng góp chân thành Thầy Cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! TP HCM, ngày tháng năm 2012 SVTH Nguyễn Nữ Huyền Trang SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu công nghệ nano 1.1.1 Một số khái niệm 1.1.2 Ứng dụng công nghệ nano 10 12 1.2 Vật liệu perovskite ABO3 12 1.2.1 Cấu trúc tinh thể perovskite ABO 1.2.2 Sự pha tạp khuyết thiếu oxi 14 15 1.2.3 Cấu trúc tinh thể YFeO3 1.2.4 Ứng dụng vật liệu oxit perovskite kích thước nanomet .15 1.3 Tổng quan tính chất yttri¸stronti, sắt 18 1.3.1 Oxit yttri, yttri cacbonat 18 1.3.2 Oxit stronti, stronti cacbonat 20 1.3.3 Oxit sắt sắt hidroxit 21 1.4 Phương pháp tổng hợp vật liệu perovskite 23 1.4.1 Phương pháp gốm truyền thống 23 1.4.2 Phương pháp đồng kết tủa 25 1.4.3 Phương pháp sol-gel 26 CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 2.1 Nội dung nghiên cứu 29 2.2 Phương pháp nghiên cứu 30 2.2.1 Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TGA/DTG 30 2.2.2 Phương pháp nghiên cứu nhiễu xạ tia X 32 2.2.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM 33 2.2.4 Phương pháp đo phổ hồng ngoại (FTIR) 34 2.2.5 Phương pháp hấp phụ 35 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến 2.2.6 Phương pháp đo độ từ hóa 37 2.3 Dụng cụ, thiết bị hóa chất 39 2.3.1 Dụng cụ thiết bị 39 2.3.2 Hóa chất 39 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40 3.1 Tổng hợp vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 theo phương pháp đồng kết tủa 40 3.1.1 Quy trình tổng hợp vật liệu 40 3.1.2 Kết phân tích nhiệt 41 3.1.3 Kết phổ hồng ngoại FTIR 42 43 3.1.4 Kết XRD vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 3.1.5 Kết nghiên cứu kính hiển vi điện tử quét (SEM) 44 3.2 Tổng hợp vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 theo phương pháp citrat-gel 44 3.2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu 44 3.2.2 Kết phân tích nhiệt 45 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng pH tạo gel 46 3.2.4 Khảo sát nhiệt độ nung 47 3.2.5 Khảo sát tỷ lệ mol C/M 48 3.2.6 Kết nghiên cứu kính hiển vi điện tử quét (SEM) 49 49 3.3 Vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 49 3.3.1 Cấu trúc vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 50 3.3.2 Thành phần hóa học vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 52 3.4 Ứng dụng vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 3.4.1 Khả hấp phụ Pb 2+ vật liệu 52 3.4.2 Từ tính vật liệu 54 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 4.1 Kết luận 55 4.2 Kiến nghị 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Danh mục hình vẽ Hình 01 Phân loại vật liệu nano theo số chiều .9 Hình 02 Phân loại vật liệu nano theo hình dạng Hình 03 (a) Cấu trúc lý tưởng perovskite ABO3, (b) Sự xếp bát diện cấu trúc lý tưởng 13 o Hình 04 Sự biến dạng cấu trúc perovskit góc liên kết B-O-B ≠ 180 13 Hình 05 Sự di chuyển nút khuyết oxi perovskit: (a) Sự tạo thành nút khuyết oxi, (b) Vị trí nút khuyết bị dịch chuyển 14 Hình 06 Tế bào đơn vị YFeO3 15 Hình 07 Mơ hình tách tế bào từ trường .16 Hình 08 Mơ hình dẫn thuốc dùng hạt nano từ tính 16 Hình 09 Biểu đồ thử nghiệm đốt nhiệt từ thỏ 17 Hình 10 Cấu trúc lập phương tâm mặt Y2O3 19 Hình 11 Cấu trúc tinh thể SrO 20 Hình 12 Sơ đồ khối phương pháp gốm truyền thống sản xuất vật liệu gốm 23 4+ Hình 13 Sự phụ thuộc pH hỗn hợp lượng Ti , Nd 3+ lại dung dịch vào giá trị pH 25 Hình 14 Kỹ thuật sol-gel sản phẩm 26 Hình 15 Mơ hình máy phân tích nhiệt STA 409 PC-NETZSCH .32 Hình 16 Thiết bị XRD D8 ADVANCE Bruker AXS .33 Hình 17 Sơ đồ hoạt động kính hiển vi điện tử quét SEM 33 Hình 18 Thiết bị SEM HITACHI S-4800 .34 Hình 19 Thiết bị FTIR 8400S-SHIMADZU 35 Hình 20 Thiết bị AAS SHIMADZU AA-6300 36 Hình 21 Đường cong từ trễ vật liệu sắt từ 37 Hình 22 Thiết bị độ từ tính MICROSENE EV11 38 Hình 23 Sơ đồ tổng hợp vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa (phương pháp 1) 40 Hình 24 Giản đồ TGA DTG mẫu bột tổng hợp theo phương pháp Hình 25 Phổ FTIR mẫu vật liệu Y0.8Sr0,2FeO3 42 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến Hình 26 Giản đồ XRD vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 tổng hợp theo o phương pháp nung 750 C 2h 43 Hình 27 Ảnh SEM vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 tổng hợp theo phương pháp nung o 750 C 2h Hình 28 Sơ đồ tổng hợp vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 tổng hợp theo phương pháp 44 citrate-gel 45 Hình 29 Giản đồ phân tích nhiệt TGA mẫu bột tổng hợp pH = 9-10, o tỷ lệ citrat/kim loại = 1,2:1; nhiệt độ tạo gel 80 C 46 o Hình 30 Giản đồ XRD ghép với peak chuẩn mẫu bột nung 950 C 2h; C/M =1,2 47 Hình 31 XRD mẫu vật liệu tổng hợp (C/M = 1,8; pH = 9) sau nung o o o o nhiệt độ 900 C, 950 C,1000 C, 1100 C Hình 32 Giản đồ XRD mẫu vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 tổng hợp o điều kiện pH = 9; T = 950 C o o 48 49 Hình 33 Ảnh SEM mẫu vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 t = 950 C 2h 49 Hình 34 Thời gian đạt cân hấp phụ vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 53 Hình 35 Đường từ trễ vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 Danh mục bảng biểu 54 Bảng Một vài số vật lý quan trọng oxit sronti 20 Bảng Kiểu mạng tinh thể, thành phần pha, số mạng, kích thước hạt vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 Bảng Kết phân tích nhiễu xạ tia X mẫu Y0.8Sr0.2FeO3 tổng hợp theo hai 50 phương pháp Bảng Phần trăm khối lượng nguyên tố mẫu Y0.8Sr0.2FeO3 51 .52 Bảng Nồng độ Pb Bảng 2+ Thơng cịn lại theo thời gian hấp phụ vật liệu 52 số từ tính vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 54 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến MỞ ĐẦU Khoa học nano công nghệ nano bắt đầu phát triển từ năm 60 kỷ trước Vật liệu nano sâu vào đời sống đại ngày chiếm ý nghĩa lớn người nhờ vào tính chất đặc biệt chúng mà vật liệu truyền thống trước khơng có Oxit phức hợp kiểu perovskite ABO ( với A nguyên tố đất La, Y; B nguyên tố chuyển tiếp họ d Mn, Fe…) thu hút nhiều quan tâm lĩnh vực từ tính hấp phụ Bên cạnh hoạt tính xác tác perovskite nghiên cứu ứng dụng phụ thuộc nhiều vào diện tích bề mặt chúng Thực nghiệm chứng minh rằng, thay phần kim loại La hay Y ABO3 kim loại hoá trị II Ca, Sr làm thay đổi cấu trúc mạng tinh thể perovskite, dẫn đến thay đổi tính chất hố lý vật liệu điều chế từ chúng Có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu perovskite phương pháp gốm truyền thống thường dùng để điều chế perovskite; kết thu hạt perovskite có diện tích bề mặt thấp (< 2m /g) kết tụ [9] Phương pháp sol-gel đồng kết tủa sử dụng rộng rãi sản phẩm thu có độ đồng thể tốt, kích thước hạt nhỏ (cỡ nano mét), diện tích bề mặt lớn (vài chục m /g); ứng dụng lĩnh vực từ tính, hấp phụ, xúc tác Với lý trên, chọn đề tài: “ Tổng hợp nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano perovskite Y 0.8Sr0.2FeO3 ” SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu công nghệ nano 1.1.1 Một số khái niệm [2, 3, 11] Công nghệ nano Nanomet điểm kỳ diệu kích thước chiều dài, điểm mà vật sáng chế nhỏ người tạo cấp độ nguyên tử phân tử giới tự nhiên Hội chứng “công nghệ nano” tràn qua tất lĩnh vực khoa học công nghệ, thay đổi chất hầu hết đối tượng người tạo kỷ Trong công nghệ nano, giới nghiên cứu sử dụng hệ bao gồm -9 cấu tử có kích thước nanomet (10 m) với cấu trúc phân tử hồn chỉnh việc chuyển hố vật chất, lượng thông tin Như vậy, theo định nghĩa cơng nghệ nano khơng phải cơng nghệ bao hàm nghiên cứu cấu tử có độ lớn nằm nm 100 nm Để hiểu rõ định nghĩa, ta nêu số ví dụ giới nano Chẳng hạn hạt muội than từ kỷ phụ gia thiếu cho vật liệu cao su làm lốp xe tạo độ bền cần thiết cho vật liệu Vậy từ lâu vật liệu nano vào sống thường nhật Một số chất dùng tiêm chủng thuộc “nano” chúng chứa một vài chủng protein, nghĩa phần tử vĩ mơ kích thước nanomet Nhưng ta xếp chúng vào công nghệ nano Vật liệu nano (nano materials) Công nghệ nano xuất khơng có vật liệu nano Khó xác định xác thời điểm xuất khoa học vật liệu nano, song người ta nhận thấy vài thập niên cuối kỷ XX thời điểm mà nhà vật lý, hoá học vật liệu quan tâm mạnh mẽ đến việc điều chế, nghiên cứu tính chất chuyển hố phần tử có kích thước nano Đó phần tử nano biểu tích chất điện, hoá, cơ, quang, từ khác biệt so với vật liệu khối thông thường SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang