ĐIỀU CHẾ NiO, NiFe2O4 KÍCH THƯỚC NANOMET VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG

ĐIỀU CHẾ NiO, NiFe2O4 KÍCH THƯỚC NANOMET VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG

Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC VŨ THẾ NINH ĐIỀU CHẾ NiO, NiFe 2 O 4 KÍCH THƯỚC NANOMET VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - năm 2009 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC Vũ Thế Ninh Điều chế NiO, NiFe 2 O 4 kích thước nanomet và định hướng ứng dụng Chuyên ngành: Hoá vô cơ Mã số: 60.44.25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Lưu Minh Đại Hà Nội – năm 2009 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 Lời cảm ơn! Trước tiên, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lưu Minh Đại đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản Luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Hoá học đã giúp đỡ trong quá trình học tập và bảo vệ luận văn tốt nghiệp. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh, chị đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm việc nghiên cứu, tại Phòng Vật liệu Vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài luận văn tác giả đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của Phòng thí nghiệm Hoá lý, Đai Học Sư Phạm Hà Nội I. Xin chân thành cảm ơn. Cuối cùng, Tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, và người thân trong gia đình đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu! Tác giả Luận văn Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 Mục lục Trang Lời cảm ơn Mục lục i Mục lục các bảng ii Mục lục các hình iii Mục lục các ký hiệu, chữ viết tắt viii Mở đầu 1 Chương 1. Tổng quan 2 1.1. Giới thiệu về công nghệ nano 2 1.1.1. Một số khái niệm 2 1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano 5 1.2. Một số phương pháp điều chế vật liệu nano 8 1.2.1. Phương pháp gốm truyền thống 8 1.2.2. Phương pháp đồng tạo phức 9 1.2.3. Phương pháp đồng kết tủa 9 1.2.4. Phương pháp sol – gel 10 1.2.5. Tổng hợp đốt cháy gel polyme 11 1.3. Vật liệu NiO và NiFe 2 O 4 kích thước nanomet 12 1.3.1. Tổng hợp vật liệu 12 1.3.1.1. Vật liệu NiO 12 1.3.1.2. Vật liệu NiFe 2 O 4 13 1.3.2. Ứng dụng của NiO, NiFe 2 O 4 kích thước nanomet 14 1.3.2.1. Oxi hoá CO 15 1.3.2.2. Xử lí H 2 S 16 1.3.2.3. Oxi hoá các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi 16 Chương 2. Các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm 17 2.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu 17 2.1.1. Lựa chọn phương pháp tổng hợp vật liệu 17 2.1.2. Tổng hợp NiO và NiFe 2 O 4 kích thước nano 18 2.2. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 19 2.3. Phương pháp nghiên cứu hoạt tính xúc tác 23 2.3.1. Sơ đồ thiết bị phản ứng 23 2.3.2. Điều kiện thực hiện phản ứng 25 2.3.3. Các tham số cần xác định 25 2.3.3.1. Tốc độ không gian thể tích 25 2.3.3.2. Thông số động học 26 2.4. Phương pháp hấp phụ 27 2.4.1. Khái niệm chung 27 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 2.4.2. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ 28 2.4.3. Phương trình động học hấp phụ 29 2.4.4. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ langmuir 30 2.5. Phương pháp xác định ion kim loại trong dung dịch 32 Chương 3. Kết quả và thảo luận 34 3.1. Tổng hợp vật liệu NiO 34 3.1.1. Kết quả phân tích nhiệt 34 3.1.2. Lựa chọn nhiệt độ nung 35 3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel 37 3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel 38 3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol PVA/KL 40 3.1.5. Khảo sát nhiệt độ tạo gel 41 3.1.6. Một số đặc trưng của mẫu NiO tối ưu 41 3.2. Tổng hợp vật liệu NiFe 2 O 4 42 3.2.1. Kết quả phân tích nhiệt 43 3.2.2. Lựa chọn nhiệt độ nung 45 3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel 46 3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol PVA/KL 48 3.2.5. Khảo sát nhiệt độ tạo gel 49 3.2.6. Phân tích thành phần hoá học 49 3.2.7. Một số đặc trưng của mẫu NiFe 2 O 4 tối ưu 49 3.3. Định hướng ứng dụng NiO, NiFe 2 O 4 kích thước nano 50 3.3.1. Xúc tác oxi hoá VOCs 50 3.3.2. Khả năng hấp phụ As (III) trên vật liệu 56 3.3.2.1. Vật liệu hấp phụ NiO 56 3.3.2.1.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ asen 56 3.3.2.1.2. Khả năng hấp phụ asen của NiO theo mô hình Langmuir 57 3.4.2. Vật liệu hấp phụ NiFe 2 O 4 59 3.4.2.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ asen 59 3.4.2.2. Khả năng hấp phụ asen của NiFe 2 O 4 theo mô hình Langmuir 60 Kết luận chính 63 Danh mục các công trình của tác giả 64 Tài liệu tham khảo 65 Phụ lục 70 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 Mục lục các bảng Trang Bảng 3.1. Phần trăm về khối lượng của các nguyên tố trong mẫu NiFe 2 O 4 49 Bảng 2.3. Độ chuyển hoá etanol của vật liệu NiO theo thời gian và nhiệt độ 51 Bảng 3.3. Độ chuyển hoá etanol của vật liệu NiFe 2 O 4 theo thời gian và nhiệt độ 52 Bảng 3.4. Độ chuyển hoá etanol trên NiO và NiFe 2 O 4 theo nhiệt độ 54 Bảng 3.5. Thành phần (% thể tích) của các khí có trong hỗn hợp khí sản phẩm 55 Bảng 3.6. Nồng độ asen còn lại theo thời gian hấp phụ trên vật liệu NiO 56 Bảng 3.7. Dung lượng hấp phụ asen trên vật liệu NiO ở nồng độ khác nhau 57 Bảng 3.8. Nồng độ asen còn lại theo thời gian hấp phụ trên vật liệu NiFe 2 O 4 59 Bảng 3.9. Dung lượng hấp phụ asen trên vật liệu NiFe 2 O 4 ở nồng độ khác nhau 60 Mục lục các hình Trang Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo vật liệu 18 Hình 2.2. Sơ đồ hệ phản ứng vi dòng đo xúc tác 23 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 Hình 2.3. Đường cong động học biểu thị sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian và nồng độ chất bị hấp phụ (C 1 > C 2 ) 30 Hình 2.4. Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc C f /q vào C f 32 Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt DTA, TGA và DTG của mẫu NiO 34 Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo nhiệt độ nung tổng hợp NiO 36 Hình 3.3. Phổ FTIR các mẫu theo nhiệt độ nung tổng hợp NiO 37 Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo pH tạo gel Ni-PVA nung ở 600 o C 38 Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X các mẫu theo tỉ lệ mol tạo gel Ni- PVA nung ở 600 o C 39 Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu theo nhiệt độ tao gel Ni- PVA nung ở 600 o C 40 Hình 3.7. Ảnh SEM của mẫu NiO 41 Hình 3.8. Giản đồ phân tích nhiệt DTA, TGA và DTG của mẫu NiFe 2 O 4 42 Hình 3.9. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo nhiệt độ nung tổng hợp NiFe 2 O 4 43 Hình 3.10. Phổ FTIR các mẫu theo nhiệt độ nung tổng hợp NiFe 2 O 4 44 Hình 3.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo pH tạo gel 46 Hình 3.12. Giản đồ nhiễu xạ tia X các mẫu theo tỉ lệ mol tạo gel (Ni 2+ +Fe 3+ )-PVA nung ở 500 o C 47 Hình 3.13. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu theo nhiệt độ tao gel (Ni 2+ +Fe 3+ )-PVA nung ở 500 o C 48 Hình 3.14. Ảnh SEM của mẫu NiFe 2 O 4 49 Hình 3.15. Độ chuyển hoá etanol trên NiO theo thời gian và nhiệt độ 51 Hình 3.16. Độ chuyển hoá etanol trên NiFe 2 O 4 theo thời gian và nhiệt độ 52 Hình 3.17. Độ chuyển hoá etanol trong 150 phút trên vật liệu xúc tác theo nhiệt độ 54 Hình 3.18. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ trên vật liệu NiO 57 Hình 3.19. Đường đẳng nhiệt hấp phụ asen trên vật liệu NiO 58 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 Hình 3.20. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ trên vật liệu NiFe 2 O 4 60 Hình 3.21. Đường đẳng nhiệt hấp phụ asen trên vật liệu NiFe 2 O 4 61 Các chữ, ký hiệu viết tắt XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua SEM Kính hiển vi điện tử quét SPM Kính hiển vi đầu dò quét ASM Kính hiển vi nguyên tử lực CS Tổng hợp đốt cháy SHS Quá trình lan truyền nhiệt độ cao phát sinh trong phản ứng VOCs Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi PVA Poly vinyl alcohol TGA Phân tích nhiệt trọng lượng FTIR Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier BET Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ IR Phương pháp phổ hồng ngoại GHSV Tốc độ không gian thể tích KL/PVA Tỉ lệ kim loại lấy theo tỉ lượng trên Poly vinyl alcohol theo mol MỞ ĐẦU Khoa học nano đã bắt đầu từ thập kỷ 60 của thế kỷ trước và trong những năm gần đây khoa học và công nghệ nano phát triển, bùng nổ. Các Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 chuyên gia dự báo rằng, công nghệ nano sẽ là một trong những nghành công nghệ đột phá, có tác dụng tích cực nhất trong vòng 25 năm tới đối với nền kinh tế thế giới. Rất nhiều phương pháp nghiên cứu hiện đại ra đời để phục vụ cho lĩnh vực này như : phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM) … Điều này sẽ tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano và đưa hướng nghiên cứu vật liệu nano thành nhiệm vụ hàng đầu. Vật liệu nano có những tính năng ưu việt như có độ bền cơ học cao, tính chất điện quang nổi trội, hoạt tính xúc tác cao … Vì vậy, vật liệu nano được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như điện tử, quang điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông cũng như sinh học, y học và môi trường. NiO và NiFe 2 O 4 (spinen) có nhiều ứng dụng trong thực tế như làm xúc tác chuyển hoá trong hữu cơ, các quá trình Reforming, vật liệu từ, làm sensor đo khí, … NiO, NiFe 2 O 4 có diện tích bề mặt lớn với kích thước cỡ vài chục nm nên có khả năng làm vật liệu xúc tác, hấp phụ cho các quá trình chuyển hoá hoàn toàn các khí độc hai CO, VOCs … Vì NiO, NiFe 2 O 4 có nhiều ứng dụng cho nên việc tìm ra một phương pháp tổng hợp hiệu quả với cách thức tiến hành đơn giản cho sản phẩm có kích thước mong muốn là hết sức cần thiết. Trong khuôn khổ bản luận văn này, chúng tôi tiến hành tổng hợp NiO, NiFe 2 O 4 kích thước nanomet và nghiên cứu khảo sát hoạt tính của vật liệu nano này. Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về công nghệ nano [...]... oxit và niken ferit kích thước hạt trung bình có thể xác định bằng cả phương trình Scherre và ảnh hiển vi điện tử quét nằm trong khoảng 11 – 36 nm - Ying Wu và các cộng sự [28] đã công bố điều chế thành công vật liệu NiO kích thước nano bằng vài phương pháp khác nhau thì thu được tinh thể NiO kết tinh ở các hình dạng khác nhau có kích thước và phân bố khác nhau, kết quả công bố cũng chỉ ra việc điều chế. .. khoảng 300 – 900 oC thu được là các oxit phức hợp mịn 1.3 Vật liệu NiO và NiFe2O4 kích thước nanomet 1.3.1 Tổng hợp vật liệu 1.3.1.1 Vật liệu NiO Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 - E.A Souza và các cộng sự [29] đã tổng hợp vật liệu NiO và NiFeO kích thước nanomet bằng phương pháp sol - gel sử dụng tiền chất C 12H22O11 (đường mía) để tạo phức gel hình thành khi làm... nghệ nano [10] Trong công nghệ nano, nghiên cứu vàp sử dụng các hệ bao gồm các cấu tử có kích thước nanomet (10 -9 m) với cấu trúc phân tử hoàn chỉnh trong việc chuyển hoá vật chất, năng lượng và thông tin Trước đây, thuật ngữ này được sử dụng với ý nghĩa hẹp hơn, ám chỉ các kĩ thuật sản suất và đo đạc các thực thể với kích thước nhỏ hơn 100 nm Như vậy, theo định nghĩa thì công nghệ nano không phải là... độ 1000oC mới quan sát được đơn pha NiFe2O4, đồng đều kích thước 70 – 80 nm - As Aluquerque và các cộng sự [34] tổng hợp niken ferit NiFe 2O4 bằng phản ứng đồng kết tủa Tiếp theo họ xác định cấu trúc và kích thước sản phẩm bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, xác định từ tính của hạt bằng phương pháp từ kế mẫu rung Bột niken ferit được tổng hợp bằng cách hoà tan sắt và niken nitrat trong nước cất với thành... 300, 400, 500 và 6000C 1.3.2 Ứng dụng của NiO, NiFe2O4 kích thước nanomet Các oxit NiO, NiFe2O4 tổng hợp được với kích thước nano có diện tích bề mặt lớn hiện nay đang được nghiên cứu áp dụng trong một số lĩnh vực khác nhau: Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (: 0918.775.368 - Xúc tác xử lí khí CO, SO2, H2S, VOCs [42], - Xúc tác trong các phản ứng chuyển hoá hữu cơ [28; 37; 40] - Xúc... như: Sự tồn tại các pha định tính, định lượng, hằng số mạng tinh thể, kích thước mạng tinh thể, sự kéo căng micro, sự kéo căng trong giới hạn mạng tinh thể do khuyết tật trong mạng tinh thể gây ra Thêm vào đó sử dụng kĩ thuật Fourier phân tích hình dạng của pic thu được sự phân bố kích thước của các vi tinh thể Sự tồn tại pha định tính, định lượng được nhận dạng chủ yếu dựa vào vị trí, cường độ, diện... phản ứng được phân tích trực tiếp tại đầu ra của ống phản ứng tại mỗi điểm thực nghiệm để xác định hoạt tính của xúc tác 2.3.2 Điều kiện thực hiện phản ứng Để đánh giá hoạt tính của xúc tác, đã sử dụng etanol là nguyên liệu để thực hiện phản ứng oxi hoá: C2H6O + 3O2 = 2CO2 + 3H2O 2.4 Hoạt tính xúc tác được đo trên thiết bị phản ứng vi dòng với các điều kiện phản ứng như sau: - Nguyên liệu sử dụng: ... có cấu trúc nano sẽ làm tăng hiệu suất của các phản ứng hoá học và các quá trình cháy, đồng thời sẽ làm giảm tới mức tối thiểu phế liệu và các chất khí gây hiệu ứng nhà kính Hơn nữa một nửa số dược phẩm mới đang dùng để chữa trị hiện nay đều ở dạng các hạt có kích thước micromet và không tan trong nước, nhưng nếu kích thước được giảm xuống thang nanomet thì chúng sẽ rất dễ dàng được hoà tan Vì vậy,... ngưng tụ pha hơi, phản ứng pha khí, kết tủa trong dung dịch, nhiệt phân, thuỷ phân, điện kết tủa, oxi hoá, phản ứng vận chuyển, sol – gel, [13; 14] Tuy nhiên, điều quan trọng nhất để tổng hợp vật liệu nano là kiểm soát kích thước và sự phân bố theo kích thước của các cấu tử hay các pha tạo thành, do đó các phản ứng thường được thực hiện trên khuôn (đóng vai trò như những bình phản ứng nano) vừa tạo ra... bằng phương pháp sol – gel, hỗn hợp nitrat niken và axit nitric được khuấy trộn liên tục ở 70 oC trong 18 h, gel thu được làm được làm khô ở 110 oC trong 24 h cuối cùng nung ở 400oC trong 4 h bột oxit NiO thu được hình cầu đồng đều có kích thước trong khoảng 10 – 15 nm - Yọngie và các cộng sự [27] đã điều chế NiO kích thước nano dạng nan tre bằng việc sử dụng tiền chất ban đầu dạng nhũ tương nuôi cấy . VŨ THẾ NINH ĐIỀU CHẾ NiO, NiFe 2 O 4 KÍCH THƯỚC NANOMET VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG . chế NiO, NiFe 2 O 4 kích thước nanomet và định hướng ứng dụng Chuyên ngành: Hoá vô cơ Mã số: 60.44.25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: