nghiên cứu các đặc trưng của vật liệu nano perovskite gdfeo3 tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa sử dụng dung dịch ammonium carbonate

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HOÁ HỌC NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU NANO PEROVSKITE GdFeO3 TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA SỬ DỤ

TỔNG QUAN

Giới thiệu tổng quan về công nghệ nano

1.1.1 Một số khái niệm cơ bản về công nghệ nano

Khoa học nano là một ngành khoa học nghiên cứu về kích thước vật chất ở quy mô nguyên tử, phân tử và siêu phân tử cho các mục đích nghiên cứu Chính vì kích thước của vật liệu ở dạng rất nhỏ nên đã tạo ra những ứng dụng cũng như những tính chất nổi bật hơn so với các công nghệ khác

Công nghệ nano (nano technology) là một trong những kỹ thuật sự phân tích, điều khiển và chế tạo, tổng hợp các vật chất bằng cách đưa nó về hình dạng kích thước từ một đến một trăm nanomet [3] Bên cạnh mục tiêu tổng hợp thành công vật liệu nano thì công nghệ nano cũng nghiên cứu về những tính chất của vật liệu như độ dẫn điện, độ nhẹ, độ bền

Vật liệu nano là loại vật liệu có cấu trúc là các dạng hình sợi, dạng thanh, dạng hình cầu, với kích thước từ 1 đến 100 nanomet Về trạng thái thì có thể chia thành ba loại trạng thái chính là rắn, lỏng và khí Hiện nay trạng thái rắn được nghiên cứu nhiều nhất Chính vì thế vật liệu nano phân ra thành rất nhiều loại tùy vào mục đích phân chia theo hình thức là cấu trúc hay trạng thái, kích thước của vật liệu

Vềmặt cấu trúc thì vật liệu nano được chia thành bốn loại: không chiều (zero dimensional), một chiều (one dimensional), hai chiều (two dimensional) và ba chiều (three dimensional) được thể hiện thông qua hình 1 bên dưới

Hình 1: Những ví dụ về cấu trúc của vật liệu nano

Với vật liệu nano không chiều nghĩa là vật liệu không bị giới hạn ở các chiều định hướng không gian như các đám nano, hạt nano; một chiều có nghĩa là vật liệu bị giới hạn phát triển ở hai chiều chỉ có một chiều không bị giới hạn ví dụ như thanh nano, ống nano carbon; vật liệu nano hai chiều là vật liệu bị giới hạn không gian một chiều còn hai chiều còn lại không bị giới hạn ví dụ như graphene, màng mỏng, Và

11 vật liệu nano ba chiều là vật liệu nano có hình dạng khối không giới hạn ba hướng nhưng phần bên trong của vật liệu thì có tính chất nano

Hoá học nano là khoa học nghiên cứu các phương pháp tổng hợp cũng như các tính chất của sản phẩm tạo thành vật liệu nano Để tổng hợp vật liệu nano có thể đi theo hai hướng tổng hợp chính: top down approach (từ trên xuống dưới) và bottom up approach (từ dưới lên) ứng với hai phương pháp tổng hợp chính đó là những cách tổng hợp thuộc từng hướng như dùng laser, nghiền với hướng từ trên xuống và các phương pháp thủy nhiệt, sol gel với hướng từ nhỏ đi lên được thể hiện rõ hơn qua hình 2 bên dưới

Hình 2: Cáchướng tổng hợp vật liệu nano cùng các phương pháp trong từng hướng ứng dụng của công nghệ nano

1.1.2 Ứng dụng của vật liệu nano

Công nghệ nano có rất nhiều ứng dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau như vào tháng 11 năm 2020, khi vật liệu nano có cấu trúc dạng thanh có thể tạo thành ống nano carbon để sử dụng làm chất xúc tác điện không kim loại đa chức năng cho các phản ứng tách nước khi kết hợp với ethylendiamine được nhà khoa học Narwade cùng các

12 cộng sự công bố [4] Xa hơn công nghệ nano có thể ứng dụng cho ngành công nghệ thông tin, điện tử thông qua việc tạo ra những pin nano với cấu tạo đặc biệt có kích thước nhỏ nhưng lại có khả năng lưu trữ nhiều thông tin [3]

Trong lĩnh vực y sinh, năm 2021 công nghệ nano cũng có những đóng góp to lớn như màng cellulose tái sinh cũng thuộc dạng vật liệu nano được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực phân tách và đóng gói màng giúp đảo ngược dung dịch ion của nhà khoa học Yuanlong Guo cùng các cộng sự đã công bố [5] Công nghệ nano cũng có thể được ứng dụng trong việc sử dụng làm vật liệu, thiết bị giúp xác định vị trí khối u, chống nhiễm khuẩn, đưa thuốc đến vị trí chính xác hơn [3] Có thể nói công nghệ nano đã giúp cho ngành y học nói chung lĩnh vực y sinh nói riêng cải tiến rất nhiều trong việc chẩn đoán bệnh chính xác hơn và hiệu quả hơn.

Vật liệu perovskite

1.2.1 Cấu trúc vật liệu perovskite

Perovskite bắt nguồn từ tên của một khoáng chất có công thức phân tử CaTiO3 được phát hiện ở Nga vào năm 1839 và được đặt tên theo nhà khoáng vật học người Nga Lev Perovski (1792 – 1856) Thuật ngữ cấu trúc perovskite thường được sử dụng khi vật chất có công thức phân tử dạng tổng quát là ABX3và cấu trúc tinh thể giống với khoáng chất CaTiO3 [6]

Các oxide hỗn hợp dạng perovskite có công thức tổng quát là ABO3 trong đó A và B là 2 cation thường chúng có kích thước khác nhau và cation A có kích thước lớn hơn cation B Thường cation A là các nguyên tố đất hiếm, kim loại nhóm IA, IIA, hoặc các cation có kích thước lớn hơn như Bi 3+ , Pb 2+ còn B là cation kim loại chuyển tiếp 3d, 4d, 5d (như Co, Cr, Ni, Fe, Mn, )[6]

Cấu trúc perovskite lý tưởng được mô tả như hình 3, ô mạng cơ sở là một hình lập phương tâm khối với các thông số mạng a = b = c và 𝛼 = 𝛽 = 𝛾 = 90° Các cation A nằm tại vị trí các đỉnh của hình lập phương còn vị trí các mặt của hình lập phương là vị trí của ion O 2- và vị trí của cation B là ở tâm hình lập phương Nghĩa là xung quanh ion

B có 6 ion O 2- và quanh ion A có mười hai ion O 2- phối trí

Hình 3: Cấu trúc tinh thể perovskite ABO 3 thuần

1.2.2 Cấu trúc tinh thể GdFeO 3

Tinh thể GdFeO3 có cấu trúc trực thoi (orthorhombic) với sự nghiêng của bát diện [FeO6] thể hiện qua hình 4 tùy thuộc vào điều kiện tổng hợp [7] Mỗi ô mạng của GdFeO3 các cation Fe nằm trên các đỉnh của hình lập phương và trung điểm của cạnh hình lập phương, nguyên tố Gadolinium nằm trên các mặt phẳng còn các nguyên tố oxygen thì phân bố trên các đỉnh của bát diện [FeO6]

Hình 4: Cấu trúc của tinh thể GdFeO 3

1.2.3 Ứng dụng của vật liệu perovskite

Vật liệu perovskite có rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y sinh cũng như trong công nghiệp nhờ những tính chất đặc biệt của chúng

Tùy thuộc vào các tính chất khác nhau của oxide perovskite chúng trở nên hữu ích cho các ứng dụng khác nhau như được sử dụng làm cảm biến khí như chất bán dẫn LaFeO3, SrTiO3, chúng là những vật liệu thú vị làm cảm biến khí để phát hiện CO,

NO2, methanol, ethanol và các hydrocarbon được Taylor và các cộng sự công bố vào

14 năm 2019 [8] Ngoài ra trong lĩnh vực y học, perovskite còn được làm bộ cảm biến sinh học có độ nhạy cảm tuyệt vời để xác định nồng độ H2O2 và glucose trong cơ thể của những bệnh nhân bị đái tháo đường, thông qua khảo sát tính chất của BaZrO3 từ đó có được những phác đồ điều trị phù hợp được nhà khoa học Ottochian cùng các cộng sự công bố vào năm 2014 [9]

Bên cạnh lĩnh vực y sinh, vật liệu nano perovskite còn ứng dụng công nghiệp như làm pin nhiên liệu oxide rắn Vào năm 2012, do sự khác biệt về tính dẫn điện của perovskite chúng được chọn làm thành phần tích cực trong pin nhiên liệu oxide rắn vì chúng thể hiện tính chất dẫn điện tương đương với tính chất của kim loại có độ dẫn ion cao và hoàn hảo được Wang và các cộng sự của ông công bố [10] thông qua khảo sát tính chất dẫn điện của Sm0,5Sr0,5CoO3-δ Bên cạnh đó vật liệu nano perovkite cũng đóng góp cho những thành tựu khi làm chất xúc tác trong sản xuất hoá chất mới thậm chí thông qua việc khảo sát ứng dụng trong quá trình làm xúc tác mà Lianghao cùng các cộng sự công bố công trình chứng minh được một số oxide perovskite có hoạt tính xúc tác tuyệt vời cho các phản ứng khác nhau như phản ứng tạo hydrogen, phản ứng khử và tạo oxygen như Y0,8Ca0,2BaCoFeO5+δ vào năm 2015 [11].

Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano perovskite

Quy trình để tổng hợp nên bất cứ vật liệu nào đều có hai hướng là từ trên xuống ( top down) và từ dưới lên (bottom up) thông qua các quá trình vật lí, hoá học Trong đó các quá trình hoá học để tổng hợp nên vật liệu nano perovskite thường được nhắc đến là phương pháp gốm, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp sol gel,

1.3.1 Phương pháp phản ứng pha rắn (phương pháp gốm)

Bản chất của phương pháp phản ứng pha rắn là thực hiện phản ứng giữa các pha rắn ở nhiệt độ cao Nguyên liệu ban đầu được nghiền mịn và trộn trong một thời gian dài để tăng diện tích tiếp xúc và tạo hỗn hợp đồng nhất Hỗn hợp sau đó được ép thành viên và nung thiêu kết ở nhiệt độ cao để tạo thành phản ứng perovskite hoá Phản ứng xảy ra khi nung mẫu ở nhiệt độ cao (khoảng 2

3 nhiệt độ nóng chảy) Ở nhiệt độ này, các chất phản ứng vẫn ở trạng thái rắn nên phản ứng xảy ra chậm Để tăng phản ứng xảy ra đồng nhất trong vật liệu và pha tinh thể tạo thành có cấu trúc tinh thể như mong muốn, khâu công nghệ nghiền, trộn, ép viên và nung thường được lặp lại một vài lần và phải kéo dài thời gian nung mẫu [12] Ưuđiểm của phương pháp này là rẻ tiền, đơn giản, dễ dàng tạo ra vật liệu với số lượng lớn Nhược điểm thì đòi hỏi thiết bị phức tạp, sản phẩm tạo thành không đồng nhất, phản ứng pha rắn có tốc độ chậm

Phương pháp thủy nhiệt là phương pháp tổng hợp dựa trên quá trình hòa tan trong nước của tác chất ở nhiệt độ cao (trên 100℃ ) và áp suất (lớn hơn 1 atm) trong hệ kín Quy trình tổng hợp được tóm tắt như sau: đầu tiên trong bình thủy nhiệt chỉ toàn nước và các tiền chất rắn Tiến hành gia nhiệt, các tiền chất liên tục bị hòa tan tăng nồng độ tiền chất làm cho phản ứng hoá học diễn ra dễ dàng hơn Sau đó tiến hành hạ nhiệt độ để phản ứng ngưng tụ xảy ra nhằm tạo chất mới, giai đoạn này phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ các chất phản ứng, lượng nước dùng, các tiền chất, nhiệt độ, Ưu điểm của phương pháp này là thao tác đơn giản, có khả năng điều chỉnh kích thước hạt và hình dạng bằng nhiệt độ hoặc tác chất, tổng hợp được vật liệu có độ tinh khiết cao, chất lượng cao, độ kết tinh cao Nhược điểm thì phương pháp này khá mất thời gian và cần phải cân nhắc khi tổng hợp do có một số chất không thể hòa tan trong nước

Quá trình sol – gel [13] là một trong trong những kỹ thuật hoá ướt chế tạo một mạng lưới tích hợp (được gọi là gel) của oxide kim loại hoặc polyme Với tiền chất là các muối kim loại vô cơ thường như clorua kim loại và các hợp chất hữu cơ như alkoxide kim loại được sử dụng Các hạt sol có thể lớn lên và đông tụ để hình thành mạng polyme liên tục hay gel chứa bẫy dung môi Ưu điểm của phương pháp sol – gel không chỉ ở mức độ đồng nhất của các cation kim loại ở quy mô nguyên tử mà còn có thể chế tạo vật liệu dạng khối, màng mỏng, sợi, hạt Sản phẩm được tạo ra có độ đồng nhất cao, độ tinh khiết hoá học cao đặc biệt là có khả năng khống chế kích thước, hình dạng của hạt Nhược điểm của phương pháp này như rất nhạy cảm với độ ẩm, tiêu tốn thời gian và khó mở rộng quy mô [13]

1.3.4 Phương pháp đồng kết tủa Đây là phương pháp mà chúng tôi sử dụng để nghiên cứu trong khóa luận để tổng hợp vật liệu GdFeO3 Phương pháp này hiện nay là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi để tổng hợp vật liệu Đây là một phương pháp đi từ dung dịch để chế tạo các oxide hoặc các oxdie phức hợp Trong phương pháp này, oxide phức hợp được điều chế từ dung dịch muối chứa các cation kim loại dưới dạng hidroxide, carbonate, Khi các dung dịch đạt đến độ bão hòa thì xuất hiện các mầm kết tủa.Các mầm này phát triển thông qua sự khuếch tán vật chất lên bề mặt mầm Sau đó hỗn hợp

16 kết tủa được lọc, tách, rửa sạch, sấy khô và nung ở một nhiệt độ thích hợp, ta thu được mẫu bột với sự đồng đều, mịn sau khi nghiền trên chén cối và hạt có kích thước cỡ

Các tác nhân kết tủa thường sử dụng trong phương pháp này như sodium hidroxide, ammonium, potassium hidroxide, Tuy nhiên trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng ammonium carbonate làm tác nhân tạo kết tủa do ammonium caronate dễ phân hủy thành khí carbondioxide và ammoniac ở nhiệt độ cao đồng thời khi rửa kết tủa sẽ rửa ít lần hơn, không kỹ hơn so với dùng sodium hidroxide Ưu điểm của phương pháp đồng kết tủa là dễ thực hiện, đơn giản, nhanh chóng, không đòi hỏi dụng cụ quá hiện đại, phức tạp Kích thước hạt cũng như sản phẩm tạo thành có thể dễ dàng điều khiển, cho phép các chất tham gia phản ứng được khuếch tán tốt Nhược điểm thì có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo kết tủa của các hidroxide như nồng độ, pH của dung dịch, tỷ lệ các chất tham gia phản ứng, nhiệt độ

Do đó cần phải xác định được pH để quá trình đồng kết tủa xảy ra và tính toán được chính xác tỷ lệ muối các kim loại cân bằng trong dung dịch để sản phẩm kết tủa có thể đạt được yêu cầu.

Tình hình nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano perovskite GdFeO 3

Vật liệu nano GdFeO3 thu hút sự tìm tòi cũng như nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới cách đây hơn một thập kỷ, có thể dễ dàng tìm thấy bài báo nghiên cứu vào năm 2008 [14] của nhà khoa học Bedekar cùng các cộng sự đã tổng hợp thành công vật liệu nano perovskite GdFeO3 bằng cả ba phương pháp khác nhau: thủy nhiệt, đốt cháy và đồng kết tủa Sau khi tổng hợp thành công vật liệu bằng ba con đường khác nhau ông cũng đã tiến hành nghiên cứu và công bố những số liệu khi trải qua các phương pháp phân tích từ TEM đến giản đồ XRD, từ kế mẫu rung của vật liệu Hai năm sau nhà khoa học Shen [15] cũng đã tiến hành nghiên cứu vật liệu GdFeO3 nhưng ông đã mở rộng nghiên cứu của mình khi so sánh với các vật liệu LaFeO3, YFeO3 để tìm thấy tính chất đặc biệt của GdFeO3 so với hai vật liệu trên

Từ đây những công trình nghiên cứu GdFeO3 dần mở rộng trên thế giới thậm chí các nhà khoa học đã nghiên cứu đến sự phát triển quy mô nguyên tử của màng mỏng GdFeO3 do chúng có liên quan đến các ứng dụng tiềm năng trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu quang từ được nhà khoa học Bohr nghiên cứu công bố vào năm 2020 [16]

Có thể thấy trên thế giới các nhà khoa học đã có những công trình nghiên cứu về GdFeO3 cũng như có những bước tiến trong khai thác những tính chất của vật liệu này nên để hòa vào dòng chảy khoa học cũng như học hỏi những thành công và tìm ra những bước tiến mới trong khoa học chúng tôi chọn GdFeO3 để nghiên cứu

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM

Phương pháp nghiên cứu

2.1.1 Phương pháp phân tích nhiệt (Thermal Gravimetric Analysis –

Differential Scanning Calorimetry TGA – DSC)

Phương pháp phân tích nhiệt (Thermal Analysis) là các phương pháp mà nhờ chúng một tham số vật lí nào đó của hệ phụ thuộc vào nhiệt độ được nghiên cứu Các phương pháp này chủ yếu nghiên cứu chất rắn (vật liệu, phức chất, chất vô cơ, ) cho phép thu được nhiều thông tin quý báu về thành phần và cấu tạo Có nhiều phương pháp phân tích nhiệt, thường được dùng là phân tích nhiệt trọng lượng TGA (Thermal Gravimetric Analysis), phân tích nhiệt lượng vi sai DSC (Differential Scanning Calorimetry), phương pháp phân tích nhiệt vi phân DTA (Differential Thermal Analysis),… Ngoài ra còn có phương pháp kết nối giữa các phương pháp như TG –

MS máy phân tích nhiệt đồng thời khối phổ (Thermal Gravimetric – Mass Spectroscopy)

Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGA là kỹ thuật phân tích dự trên sự thay đổi khối lượng của vật liệu khi nung trong một chu kỳ nhiệt độ xác định và trong môi trường quy định (thường là các khí trơ không có phản ứng hoá học như nitrogen, argon, …) Khi nhận thấy sự thay đổi về khối lượng thì đầu dò sẽ thu nhận, truyền về máy tính để thể hiện thông qua sự thay đổi phần trăm khối lượng Từ đó thiết lập đường cong TGA cho phép xác định thành phần phần trăm khối lượng của chất trong mẫu [17]

Phương pháp nhiệt lượng vi sai DSC [17] cho phép xác định nhiệt lượng hoặc nhiệt độ liên quan đến biến đổi của vật liệu dưới dạng hàm thời gian và nhiệt độ DSC có thể cung cấp thông tin về những đặc tính lý hoá thông qua các quá trình như thu nhiệt, tỏa nhiệt Các kết quả của DSC thường được biểu diễn bằng đường cong từ đó có thể cho biết các thông tin như: quá trình thu nhiệt, tỏa nhiệt, nhiệt độ kết tinh, quá trình chuyển pha, …

Trong đề tài này, chúng tôi chọn phân tích nhiệt mẫu vật liệu perovskite GdFeO3 trên máy Labsys Evo (TG – DSC 1600 °C) trong môi trường không khí khô với tốc độ nâng nhiệt 10 o /phút, nhiệt độ nung tối đa 1000°C, chén nung là aluminum oxide để khảo sát sự hình thành đơn pha perovskite Mẫu được đo ở Phòng thí nghiệm khoa Hoá học – trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh

2.1.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X bột (Powder X – Ray Diffracion PXRD) Để xác định thành phần pha, kích thước và cấu trúc của vật liệu tổng hợp, chúng tôi sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X bột Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia

X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của chất rắn do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ [17]

Hình 5: Hiện tượng nhiễu xạ tia X từ hai mặt phẳng mạng

Họ mặt phẳng (hkl) nào có giá trị d (khoảng cách giữa hai mặt phẳng lân cận có cùng chỉ số) thỏa mãn định luật Bragg sẽ cho ảnh nhiễu xạ hình 5

Từ việc phân tích các dữ liệu thu được từ quá trình nhiễu xạ tia X, chúng ta có thể tìm được những thông tin liên quan đến cấu trúc tinh thể như thông số mạng (a, b, c), thành phần ô mạng, thể tích ô mạng theo công thức Debye – Scherrer

DXRD kích thước tinh thể (nm) λ bước sóng của bức xạ phát ra từ đèn tia X k hằng số Scherrer phụ thuộc hình dạng tinh thể và chỉ số Miller của vạch nhiễu xạ và cấu trúc tinh thể nhỏ hơn 500Ǻ thường có giá trị 0,89

𝛽 độ rộng bán phổ của peak nhiễu xạ tia X (rad)

19 Đồng thời, tính kích thước ô mạng từ các chỉ số Miller và thể tích ô mạng

𝑉 = 𝑎 ∙ 𝑏 ∙ 𝑐 Trong đó d khoảng cách giữa hai mặt mạng kế cận trong ô mạng h, k, l chỉ số Miller của ô mạng

Trong đề tài này, giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu bột GdFeO3 được ghi trên máy EMPYREAN – PANalytical (Hà Lan) với bức xạ CuK𝛼 ( = 0,15406 nm) Góc quét 2 = 10 – 80°, tốc độ quét 0,02 o /giây tại Phòng thí nghiệm Hải Quan, 778 Nguyễn Kiệm, P.4, Q Phú Nhuận, Tp Hồ Chí Minh Kết quả nhiễu xạ được xuất ra dưới dạng giản đồ có và không chồng với phổ chuẩn trong ngân hàng giản đồ cùng với số liệu chi tiết dưới dạng File Raw Từ kết quả File Raw, chúng tôi dùng phần mềm X’pert HighScore Plus để xử lí và thu được các thông số đặc trưng tinh thể như a, b, c, V hay kích thước tinh thể

2.1.3 Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy Dispersive X – Ray EDX)

Phổ tán sắc năng lượng tia X là một kỹ thuật phân tích vật liệu dự trên sự ghi lại nhiễu xạ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ Khi chùm điện tử có năng lượng lớn từ kính hiển vi điện tử chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp electron bên trong nguyên tử dẫn đến việc tạo ra vị trí trống electron Vị trí trống này có thể lấp đầy bởi một electron ở lớp phía ngoài có mức năng lượng cao hơn, khi electron chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn thì phần năng lượng dư được phát ra dưới dạng photon tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử [17]

Phổ tán sắc năng lượng tia X có thể có khả năng phân tích định tính các giá trị năng lượng tia X từ phổ EDX được so sánh với giá trị năng lượng tia X đặc trưng đã biết để xác định thành phần các nguyên tố có trong mẫu Phân tích định lượng từ phổ EDX có thể tính toán tỉ lệ khối lượng hay nguyên tử các nguyên tố thành phần của cả khối mẫu

Trong đề tài này, thành phần phần trăm các nguyên tố trong mẫu được tính toán thông qua kết quả phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X được đo trên máy EDX H-

7593 HORIBA (Anh) tại Trung tâm nghiên cứu triển khai Khu Công nghệ cao Tp HCM Kết quả được xuất ra dưới dạng phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) và sự phân bố nguyên tử trên bề mặt (EDX – mapping) và bảng số liệu về hàm lượng của các nguyên tố trong mẫu

2.1.4 Kính hiển vi điện tử (Scanning Electron Microscope SEM,

Phương pháp kính điện tử khi quét (Scanning Electron Microscope SEM) thì chùm điện tử thứ cấp được gia tốc bằng một hiệu điện thế ~ 30kV giữa anode và cathode rồi đi qua thấu kính từ hội tụ Chùm điện tử mang dòng điện đến bề mặt mẫu do sự tương tác của chùm điện tử với các nguyên tử trên bề mặt mẫu, các điện tử thứ cấp phát ra được thu, chuyển thành tín hiệu và chuyển thành hình ảnh biểu thị cho hình thái của vật liệu [17]

Hình 6: Sơ đồ hoạt động của kính hiển vi điện tử quét

Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM là một thiết bị nghiên cứu cấu trúc vi mô ở trạng thái rắn sử dụng chùm điện tử năng lượng cao đi qua một mẫu rắn mỏng và một thấu kính từ tính để tạo ra hình ảnh có độ phóng đại cao có thể quan sát trên một màn huỳnh quang hoặc trên phim quang học hoặc được ghi bằng máy kỹ thuật số

Thực nghiệm

2.2.1 Hoá chất, dụng cụ, thiết bị

Bảng 1: Hoá chất sử dụng trong thí nghiệm

STT Tên hoá chất Công thức hoá học

Phân tử khối (g∙mol -1 ) Độ tinh khiết Xuất xứ

Gd(NO3)3∙6H2O 451,355 99,9% Unit State of America

2 Iron (III) nitrate nonahydrate Fe(NO3)3∙9H2O 403,992 99,6% Merck – Đức

 Dụng cụ và thiết bị

Các thiết bị và dụng cụ được sử dụng trong quá trình tổng hợp vật liệu đều có trong phòng thí nghiệm Hoá Vô cơ, trường Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh được đề cập trong hai bảng 2 và 3 dưới đây

Bảng 2:Các dụng cụ sử dụng trong thí nghiệm

STT Dụng cụ STT Dụng cụ

1 Bình tia nước cất 9 Cốc 250 mL

2 Đũa thủy tinh 10 Cốc 100 mL

4 Giá đỡ buret 12 Ống nhỏ giọt

5 Giấy cân 13 Bộ phễu lọc buncher

7 Chỉ thị vạn năng 15 Chén nung

8 Cối sứ nhỏ 16 Muỗng xúc hoá chất

Bảng 3:Các thiết bị sử dụng trong thí nghiệm

STT Thiết bị STT Thiết bị

1 Cân phân tích 3 Máy khuấy từ gia nhiệt

2 Máy lọc hút chân không 4 Máy sấy mẫu

2.2.2 Thực nghiệm tổng hợp vật liệu nano perovskite GdFeO 3 bằng phương pháp đồng kết tủa

Tính toán hoá chất: trên cơ sở tính toán lượng sản phẩm thu được cần cho các phương pháp phân tích TGA – DSC, SEM, TEM, EDX, FR – IR, VSM chúng tôi tiến hành tổng hợp 0,007 mol vật liệu nano GdFeO3 Kết quả các hoá chất như sau:

Lượng cân Gd(NO3)3∙6H2O: 2,2561 g và Fe(NO3)3∙9H2O: 2,0199 g trên cân phân tích

Sử dụng khoảng 59 mL dung dịch (NH4)2CO3 được pha từ (NH4)2CO3 rắn trong

50 mL nước cất Khối lượng cân của (NH4)2CO3 hai lần trên cân phân tích lần lượt là 2,0371 g và 2,0224 g dùng để kết tủa các hidroxide của ion Gd 3+ và Fe 3+

Tổng hợp vật liệu nano GdFeO3 bằng phương pháp đồng kết tủa sử dụng dung dịch ammonium carbonate gồm các bước:

Bước 1: Cân chính xác khối lượng các muối Gd(NO3)3∙6H2O, Fe(NO3)3∙9H2O và tác nhân kết tủa (NH4)2CO3 cần để điều chế 0,007 mol GdFeO3, hòa tan vào 50 mL nước cất, khuấy từ vài phút

Bước 2: Nhỏ từ từ 50 mL dung dịch chứa hỗn hợp muối Gd(NO3)3∙6H2O, Fe(NO3)3∙9H2O vào cốc chứa 600 mLnước cất (đã được đun nóng trên bếp) trên máy khuấy từ và gia nhiệt

Bước 3: Sau khi cho hết muối, hệ được gia nhiệt thêm 4 – 5 phút rồi để nguội đến nhiệt độ phòngrồi cho từ từ tác nhân kết tủa (NH4)2CO3 trên buret 25 mL xuống Lượng dung dịch tác nhân kết tủa được lấy dư để kết tủa hoàn toàn (thử bằng giấy chỉ thị vạn năng) Vừa nhỏ vừa khuấy từ nhưng không gia nhiệt, sau khi pH ~ 9 thì khuấy thêm 30 phút rồi để lắng kết tủa sau đó lọc bằng máy hút chân không buchner và rửa bằng nước cất như hình 8

Hòa tan 2 muối Gd(NO 3 ) 3 và Fe(NO 3 ) 3 vào 50 mL nước cất

Nhỏ từ từ 50 mL dung dịch hỗn hợp 2 muối vào cốc nước đang sôi

Tiếp tục bật máy khoấy mạnh và cho tác nhân kết tủa vào

Thử dung dịch bằng giấy pH để xem (NH 4 ) 2 CO 3 có dư hay không, sau đó tiếp tục khuấy từ trong 30 phút, tắt máy, để yên để lắng kết tủa

Lọc kết tủa bằng phễu lọc buncher, rửa lại bằng nước cất Để ở nơi khô nhằm kết tủa khô hoàn toàn

Bước 4: Kết tủa sau khi được lọc để khô tự nhiên rồi tiến hành thu kết tủa bằng cách nghiền mịn trên chén sứ để thu được mẫu rồi tiến hành đem đi phân tích

Hình 8: Tóm tắt quy trình tổng hợp vật liệu GdFeO 3 bằng phương pháp đồng kết tủa sử dụng dung dịch ammonium carbonate