tổng hợp oxit nano ceo2 bằng phương pháp đốt cháy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  VƢƠNG THỊ THÚY HỒNG TỔNG HỢP OXIT NANO CeO 2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỐT CHÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Thái Nguyên, năm 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  VƢƠNG THỊ THÚY HỒNG TỔNG HỢP OXIT NANO CeO 2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỐT CHÁY Chuyên ngành: Hoá vô cơ Mã số: 60.44.25 LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Hữu Thiềng Thái Nguyên, năm 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Hữu Thiềng đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa sau Đại học, Khoa Hóa học Trường ĐHSP Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài. Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo và các cán bộ phòng thí nghiệm Khoa Hóa học Trường Đại học Sư phạm- Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình thực nghiệm. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu xót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 5 năm 2012 Tác giả Vươmg Thị Thúy Hồng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: đề tài “Tổng hợp oxit nano CeO 2 bằng phương pháp đốt cháy" là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kì các công trình nào khác . Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm. Tác giả Vương Thị Thúy Hồng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục i Danh mục các hình iii MỞ ĐẦU 1 NỘI DUNG LUẬN VĂN 4 Chƣơng 1. TỔNG QUAN 4 1.1. Một số khái niệm trong lĩnh vực khoa học nano 4 1.1.1. Công nghệ nano 4 1.1.2. Vật liệu nano 4 1.1.3. Hóa học nano 5 1.2. Oxit nano CeO 2 14 1.2.1. Nghiên cứu về đặc điểm của CeO 2 14 1.2.2. Một số phương pháp tổng hợp CeO 2 kích thước nano 16 1.2.3. Ứng dụng của CeO 2 nano 21 Chƣơng 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 24 2.1. Thiết bị, hóa chất 24 2.1.1. Thiết bị 24 2.1.2. Hóa chất 24 2.2. Phương pháp thực nghiệm 25 2.3. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu 27 2.3.1. Phương pháp phân tích nhiệt 27 2.3.2. Nhiễu xạ tia Rơnghen ( X-ray Diffraction – XRD) 28 2.3.3. Phương phá p hiể n vi điệ n tử qué t và hiể n vi điệ n tử truyền qua 31 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii 2.3.4. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng 32 2.4. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo pha tinh thể của oxit CeO2 . 33 2.4.1. Khảo sát ả nh hưởng của nhiệt độ nung 33 2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng pH của hỗn hợp ban đầu 33 2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 34 2.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol Ce +4 /glyxin 34 2.4.5. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol Ce +4 /NH 4 NO 3 34 Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1. Tổng hợp oxit nano CeO 2 bằng phương pháp đốt cháy 35 3.2. Kế t quả khả o sá t ảnh hưởng của một số yếu tố đến sự tạ o pha tinh thể củ a oxit CeO 2 36 3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung 36 3.2.2. Ảnh hưởng pH của hỗn hợp ban đầu 40 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 42 3.2.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol Ce +4 /glyxin 44 3.2.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol Ce +4 /NH 4 NO 3 46 3.3. Hình thái học, diện tích bề mặt riêng củ a mẫu tối ưu 48 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC 56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể CeO 2 15 Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp oxit CeO 2 bằng phương pháp đốt cháy 26 Hình 2.2. Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể 29 Hình 3.1. Giản đồ DTA và TGA 37 Hình 3.2. Giản đồ XRD của mẫu khi nung ở 300 0 C, 400 0 C và 500 0 C 39 Hình 3.3. Giản đồ XRD của mẫu ở pH 2÷5 41 Hình 3.4. Giản đồ XRD của mẫu ở 40 0 C, 60 0 C, 80 0 C, 100 0 C 43 Hình 3.5. Giản đồ XRD của mẫu có tỉ lệ mol Ce +4 /glyxin khác nhau 45 Hình 3.6. Giản đồ XRD của mẫu có tỉ lệ mol Ce +4 /NH 4 NO 3 khác nhau 47 Hình 3.7. Ảnh SEM của oxit CeO 2 48 Hình 3.8. Ảnh TEM của oxit CeO 2 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU Khoa học và công nghệ nano là một trong những thuật ngữ được sử dụng rộng rãi nhất trong khoa học vật liệu ngày nay. Nó đóng vai trò hết sức quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực của khoa học - kĩ thuật và trở thành một trong những hướng nghiên cứu nổi bật nhất trong lĩnh vực vật lí chất rắn và hóa học của thế giới. Sở dĩ như vậy là do đối tượng nghiên cứu của chúng là vật liệu nano có những tính chất kì lạ khác hẳn với các tính chất của vật liệu khối mà người ta nghiên cứu trước đó. Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối bắt nguồn từ hai hiện tượng là: hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước. Vật liệu nano đóng vai trò quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực như: vật lý, hoá học, sinh học và y học. Ngoài ra các nhà khoa học còn tìm cách đưa công nghệ nano vào việc giải quyết các vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, việc cải tiến các thiết bị quân sự… Ngày nay, người ta rất quan tâm đến việc chế tạo các vật liệu nano xúc tác vì loại vật liệu này có thể làm cho phản ứng đạt được tốc độ lớn nhất và hiệu quả sản phẩm cao nhất. Ceri là nguyên tố chiếm 50% tổng hàm lượng các nguyên tố đất hiếm trong các khoáng vật đất hiếm. Ceri và các hợp chất của nó đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như luyện kim, gốm, thủy tinh, xúc tác, vật liệu phát quang. CeO 2 là oxit quan trọng nhất của các nguyên tố đất hiếm với vai trò là chất xúc tác trong công nghiệp. CeO 2 đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi như một chất hoạt hóa điện tử làm tăng khả năng hoạt động, tính chọn lọc và ổn định nhiệt độ của các chất xúc tác [13]. Ngoài ra, CeO 2 kích thước nano còn có nhiều đặc tính ưu việt như: diện tích bề mặt lớn nên có nhiều ứng dụng phong phú trong nhiều lĩnh vực như Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 phản ứng nhiên liệu rắn, xúc tác xử lí khí thải ô tô và xe máy, làm vật liệu hấp thụ tia UV, làm phụ gia cho vật liệu gốm, chế tạo vật liệu phát quang, các thiết bị quang học và đánh bóng vật liệu… Gần đây nhất, các hạt oxit nano CeO 2 đã được sử dụng như gốc tự do mạnh để bảo vệ thần kinh, chống phóng xạ và đặc tính kháng viêm. Những tính chất của oxit nano CeO 2 có thể mở ra triển vọng mới trong y học và công nghệ sinh học [28], [34]. Do đó việc nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng CeO 2 nano đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Có một số phương pháp hay được dùng để điều chế CeO 2 nano như: phương pháp thủy nhiệt, phương pháp sol-gel, phương pháp kết tủa đồng thể, phương pháp vi nhũ tương…Các phương pháp này kỹ thuật khó, thiết bị đắt nên rất khó có thể sản xuất một lượng lớn CeO 2 kích thước nano trong công nghiệp. Phương pháp tổng hợp CeO 2 nano bằng phương pháp tổng hợp đốt cháy là một trong những phương pháp có thể khắc phục được các nhược điểm của các phương pháp trên. Tổng hợp đốt cháy có kỹ thuật đơn giản, ít chi phí, tiết kiệm thời gian và tiêu thụ ít năng lượng, có thể sản xuất khối lượng lớn, tạo ra bột CeO 2 nano siêu nhỏ, đồng thể và có hoạt tính cao [28], [34]. Tổng hợp đốt cháy được xem như là một kĩ thuật quan trọng trong điều chế các vật liệu nano. Tổng hợp đốt cháy được đặc trưng bởi nhiệt độ cao, diễn ra trong một thời gian ngắn, là phương pháp hữu hiệu để tạo ra nhiều loại bột nano với cấu trúc và thành phần như mong muốn, dễ điều khiển kích thước hạt, các hạt tạo thành có kích thước đồng đều và giá thành lại rẻ rất thích hợp cho việc điều chế với quy mô công nghiệp. Chính vì vậy, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài luận văn “Tổng hợp oxit nano CeO 2 bằng phương pháp đốt cháy”. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Nội dung chính của luận văn là tổng hợp oxit CeO 2 kích thước nano bằng phương pháp đốt cháy gel. Quá trình tổng hợp đi từ chất đầu là muối (NH 4 ) 2 Ce(NO 3 ) 6 đóng vai trò như nguồn cung cấp ion ceri và chất oxi hóa, glyxin đóng vai trò là nhiên liệu. Bố cục của luận văn gồm các phần: - Mở đầu - Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm - Chương 3: Kết quả và thảo luận - Kết luận - Tài liệu tham khảo [...]... hợp vật liệu nano bằng cách tiến hành phản ứng hóa học truyền thống hoặc hoàn toàn mới Cho tới nay đã có rất nhiều phương pháp tổng hợp thành công vật liệu nano như: phương pháp phóng điện hồ quang, phương pháp sol – gel, phương pháp nghiền bi, phương pháp ngưng đọng pha hơi, phương pháp mạ điện… Việc xác định tính chất của vật liệu nano được thực hiện bằng các phương pháp vật lý như phương pháp phân... nghiêm ngặt để kết tủa có thành phần mong muốn[2], [6] 1.1.5.3 Phƣơng pháp tổng hợp đốt cháy Trong những năm gần đây, phương pháp tổng hợp đốt cháy hay tổng hợp bốc cháy (CS-Combustion) nổi lên như là một kĩ thuật quan trọng trong điều chế và xử lí các vật liệu nano Trong số các phương pháp hóa học, tổng hợp đốt cháy có thể tạo ra oxit nano ở nhiệt độ thấp hơn trong một thời gian ngắn và có thể đạt ngay... đầu Hiện nay có nhiều phương pháp tổng hợp CeO2 siêu mịn như phương pháp lắng đọng đồng thể, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp sol-gel , phương pháp lắng đọng phun… Các phương pháp này thường đòi hỏi mức độ phức tạp về kiểm soát hệ thống thiết bị và khống chế phản ứng để nhận được những tính chất mong muốn của bột nên những phương pháp này không thuận tiện cho việc điều chế CeO2 nano ở quy mô lớn do... – SSC), đốt cháy dung dịch (Solution Combustion – SC), đốt cháy gel polime (Polimer Gel Combustion – PGC) và đốt cháy pha khí (Gas Phase Combustion – GPC) Tổng hợp đốt cháy bao gồm: đốt cháy trạng thái rắn, đốt cháy pha khí, đốt cháy dung dịch và đốt cháy gel polime [23] Trong tổng hợp đốt cháy gel polime, để ngăn ngừa sự tách pha cũng như tạo ra sự đồng nhất cao cho sản phẩm thường sử dụng các tác... làm cho tổng hợp đốt cháy trở thành một phương pháp sản xuất vật liệu mới với chi phí thấp so với các phương pháp truyền thống và trở thành một nhánh riêng trong nghiên cứu khoa học [24] Tùy thuộc vào trạng thái của các chất phản ứng, tổng hợp đốt cháy có thể chia thành các loại sau: đốt cháy trạng thái rắn (Solid State Combustion – SSC), đốt cháy dung dịch (Solution Combustion – SC), đốt cháy gel... Bột CeO2 nano có kích thước khoảng 10nm đã được tổng hợp bởi Jin– SeokLe và cộng sự [18], bằng phương pháp thủy nhiệt sol – gel Tác giả đã dùng H2O2 oxi hóa Ce(NO3)3, phản ứng được tiến hành trong môi trường NH4OH, sản phẩm của phản ứng được nung ở 200oC trong vòng 6 giờ Sriksnth Gopalan và các cộng sự [32], đã tổng hợp bột CeO2 nano bằng phương pháp cơ hóa, với các hợp chất đầu là CaO và CeCl3 Hỗn hợp. .. CaO và CeCl3 Hỗn hợp đầu được nghiền nhỏ và nung ở 400oC trong vòng 6 giờ Các hạt CeO2 nano thu được có kích thước 19nm R.D Purohit và cộng sự [27] , bằng phương pháp tổng hợp đốt cháy đã sử dụng Ce(NO3)3.6H2O với vai trò là chất oxi hóa và glyxin (NH2-CH2COOH) với vai trò là nhiên liệu để tổng hợp oxit nano CeO2 Hỗn hợp glyxin và Ce(NO3)3.6H2O được trộn lẫn theo các tỉ lệ cần thiết trong môi trường... ở nhiệt độ thích hợp thu được oxit CeO2 dạng bột mịn Quá trình tổng hợp oxit CeO2 bằng phương pháp đốt cháy đươc thê ̣ ̉ hiên qua sơ đô sau: ̣ ̀ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 26 (NH4)2Ce(NO3)6 NH4NO3 Glyxin Dung dịch hỗn hợp Điều chỉnh pH Khuấy từ, gia nhiệt Chất lỏng nhớt Sấy Sản phẩm dạng bột màu vàng nhạt Phân tích nhiệt Nung Oxit CeO2 Đo diện tích... truyền qua (TEM) Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp oxit CeO2 bằng phương pháp đốt cháy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 27 Phương pháp phân tích nhiệt được ghi trên máy DTA-50 và TGA-50 của hãng Shimadzu (Nhật Bản) tại khoa Hóa học, trương Đai hoc sư pham ̀ ̣ ̣ ̣ Hà Nội Sự hình thành và biến đổi pha tinh thể của CeO2 được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen (X-ray... 510oC trong 1 giờ thu được CeO2 tinh khiết Với tỉ lệ glyxinnitrat là 0,3; 0,55 và 1,0 lần lượt cho các oxit CeO 2 có kích thước 11; 12; 22 nm Yen – PeiFu và các cộng sự [35], đã điều chế thành công bột CeO2 có kích thước 20 – 30 nm bằng phương pháp đốt cháy hỗn hợp xeri nitrat và ure (nhiên liệu) trong lò vi sóng trong 15 phút Các tác giả cũng đã điều chế CeO2 nano bằng phương pháp kết tủa muối xeri nitrat . nghiệp. Phương pháp tổng hợp CeO 2 nano bằng phương pháp tổng hợp đốt cháy là một trong những phương pháp có thể khắc phục được các nhược điểm của các phương pháp trên. Tổng hợp đốt cháy có kỹ. và đốt cháy pha khí (Gas Phase Combustion – GPC). Tổng hợp đốt cháy bao gồm: đốt cháy trạng thái rắn, đốt cháy pha khí, đốt cháy dung dịch và đốt cháy gel polime [23]. Trong tổng hợp đốt cháy. rất nhiều phương pháp tổng hợp thành công vật liệu nano như: phương pháp phóng điện hồ quang, phương pháp sol – gel, phương pháp nghiền bi, phương pháp ngưng đọng pha hơi, phương pháp mạ điện…