Nghiên cứu tổng hợp ZnAl2O4, ZnFe2O4 bằng phương pháp đốt cháy và định hướng ứng dụng

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 NGUYỄN MẠNH HÀ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP ZnAl 2 O 4 , ZnFe 2 O 4 BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỐT CHÁY VÀ ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT THÁI NGUYÊN - 2014 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 NGUYỄN MẠNH HÀ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP ZnAl 2 O 4 , ZnFe 2 O 4 BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỐT CHÁY VÀ ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG CHUYÊN NGÀNH: HÓA VÔ CƠ MÃ SỐ: 60440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THỊ TỐ LOAN THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Luận văn đã được sửa chữa theo góp ý của hội đồng khoa học Xác nhận của khoa chuyên môn Xác nhận của ngƣời hƣớng dẫn khoa học TS. NGUYỄN THỊ TỐ LOAN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, tháng 4 năm 2014 Tác giả luận văn NGUYỄN MẠNH HÀ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Luận văn được hoàn thành tại khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thị Tố Loan, đã giao đề tài, hướng dẫn tận tình, chu đáo và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Ban Giám hiệu, khoa Sau đại học, khoa Hóa học- trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực nghiệm và hoàn thành luận văn. Thái Nguyên, tháng 04 năm 2014 Tác giả NGUYỄN MẠNH HÀ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn i Lời cam đoan ii Mục lục iii Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt iv Danh mục các bảng v Danh mục các hình vi MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 2 1.1. Một số phương pháp điều chế oxit kim loại kích thước nanomet 2 1.1.1. Phương pháp gốm truyền thống 2 1.1.2. Phương pháp đồng kết tủa 2 1.1.3. Phương pháp đồng tạo phức 3 1.1.4. Phương pháp thủy nhiệt 3 1.1.5. Phương pháp sol-gel 3 1.1.6. Phương pháp tổng hợp đốt cháy 4 1.2. Giới thiệu về oxit nano ZnAl 2 O 4 , ZnFe 2 O 4 , PVA, phenol đỏ 6 1.2.1. Oxit hỗn hợp kiểu spinel 6 1.2.2. ZnAl 2 O 4 7 1.2.3. ZnFe 2 O 4 8 1.2.4. Giới thiệu về poli vinyl ancol 9 1.2.5. Phenol đỏ 10 1.3. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu 11 1.3.1. Phương pháp phân tích nhiệt 11 1.3.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen 12 1.3.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) 13 1.3.4. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng 15 1.3.5. Phương pháp trắc quang 16 1.3.6. Phương pháp nghiên cứu hoạt tính xúc tác của vật liệu 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv Chƣơng 2 THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20 2.1. Dụng cụ, hóa chất 20 2.1.1. Hóa chất 20 2.1.2. Dụng cụ, máy móc 20 2.2. Xây dựng đường chuẩn xác định phenol đỏ 20 2.3. Tổng hợp oxit nano ZnAl 2 O 4 , ZnFe 2 O 4 bằng phương pháp đốt cháy gel 21 2.4. Nghiên cứu tổng hợp oxit nano ZnAl 2 O 4 bằng phương pháp đốt cháy 22 2.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung 22 2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung 24 2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol KL/PVA 26 2.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel 27 2.4.5. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel 29 2.4.6. Các đặc trưng của mẫu ZnAl 2 O 4 tổng hợp ở điều kiện tối ưu 30 2.5. Nghiên cứu tổng hợp oxit nano ZnFe 2 O 4 bằng phương pháp đốt cháy 31 2.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung 31 2.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung 34 2.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol KL/PVA 35 2.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel 36 2.5.5. Các đặc trưng của mẫu ZnFe 2 O 4 tổng hợp ở điều kiện tối ưu 37 2.6. Nghiên cứu khả năng xúc tác phân hủy phenol đỏ của oxit nano ZnFe 2 O 4 và ZnAl 2 O 4 39 2.6.1. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 39 2.6.2. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu 41 2.6.3. Ảnh hưởng của nồng độ phenol đỏ 43 2.6.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ 45 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên đầy đủ NTC Hệ số nhiệt điện trở âm CTAB Cetyl trimetyl amoni bromua SDS Natri dodecyl sunfat PEG Poli etylen glicol EDA Etylen diamin CS Combustion Synthesis SHS Self Propagating High Temperature Synthesis Process SSC Solid State Combustion SC Solution Combustion PGC Polimer Gel Combustion GPC Gas Phase Combustion PVA Poli vinyl ancol PAA Poli acrylic axit TFTs Thin film transitors DTA Differential Thermal Analysis (phân tích nhiệt vi sai) TGA Thermo Gravimetric Analysis-TGA (Phân tích nhiệt trọng lượng) XRD X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ Ronghen) SEM Scanning Electron Microscopy (Hiển vi điện tử quét) KL Kim loại TEM Transnission Electron Microscopy (Hiển vi điện tử truyền qua) BET Brunauer- Emmett-Teller Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1: Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định phenol đỏ 21 Bảng 2.2 Kích thước hạt tinh thể ZnAl 2 O 4 ở các nhiệt độ nung khác nhau. 24 Bảng 2.3 Kích thước hạt tinh thể ZnAl 2 O 4 ở các thời gian nung khác nhau. 26 Bảng 2.4 Kích thước hạt tinh thể ZnAl 2 O 4 ở các tỉ lệ mol KL/PVA khác nhau. 27 Bảng 2.5 Kích thước hạt tinh thể ZnAl 2 O 4 ở các nhiệt độ tạo gel khác nhau. . 28 Bảng 2.6: Kích thước hạt tinh thể ZnFe 2 O 4 ở các nhiệt độ nung khác nhau. 33 Bảng 2.7: Kích thước hạt tinh thể ZnFe 2 O 4 ở các thời gian nung khác nhau. . 34 Bảng 2.8: Kích thước hạt tinh thể ZnFe 2 O 4 ở các tỉ lệ mol KL/PVA khác nhau. 36 Bảng 2.9: Kích thước hạt tinh thể ZnAl 2 O 4 ở các nhiệt độ tạo gel khác nhau. 37 Bảng 2.10:Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phân hủy phenol đỏ của vật liệu ZnFe 2 O 4 và vật liệu ZnAl 2 O 4 40 Bảng 2.11a: Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu ZnFe 2 O 4 đến hiệu suất phân hủy phenol đỏ. 41 Bảng 2.11b: Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu ZnAl 2 O 4 đến hiệu suất phân hủy phenol đỏ. 42 Bảng 2.12: Ảnh hưởng của nồng độ đến hiệu suất phân hủy phenol đỏ của vật liệu ZnFe 2 O 4 và vật liệu ZnAl 2 O 4 . 44 Bảng 2.13: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phân hủy phenol đỏ của vật liệu ZnFe 2 O 4 45 Bảng 2.14. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phân hủy phenol đỏ của vật liệu ZnAl 2 O 4 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1: Các lỗ trống tứ diện và bát diện trong ferit spinel 7 Hình 1.2. Cấu tạo phân tử, cấu trúc không gian của phenol đỏ 10 Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị hiển vi điện tử quét (SEM) 14 Hình 2.1: Đường chuẩn xác định nồng độ phenol đỏ 21 Hình 2.2. Sơ đồ tổng hợp oxit bằng phương pháp đốt cháy gel PVA 22 Hình 2.3: Giản đồ phân tích nhiệt của gel Zn 2+ -Al 3+ -PVA 23 Hình 2.4: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ZnAl 2 O 4 nung ở các nhiệt độ khác nhau 24 Hình 2.5: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ZnAl 2 O 4 nung ở các thời gian khác nhau 25 Hình 2.6: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ZnAl 2 O 4 với các tỉ lệ mol KL/PVA khác nhau 26 Hình 2.7: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ZnAl 2 O 4 ở các nhiệt độ tạo gel khác nhau 28 Hình 2.8: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ZnAl 2 O 4 ở các pH tạo gel khác nhau 29 Hình 2.10: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của mẫu ZnAl 2 O 4 được điều chế ở điều kiện tối ưu 31 2.11: Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của ZnAl 2 O 4 điều chế ở điều kiện tối ưu 31 Hình 2.12: Giản đồ phân tích nhiệt của gel Zn 2+ -Fe 3+ -PVA 32 Hình 2.13: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ZnFe 2 O 4 nung ở các nhiệt độ khác nhau 33 Hình 2.14: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ZnFe 2 O 4 nung ở các thời gian khác nhau 34 Hình 2.16: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu ZnFe 2 O 4 ở các nhiệt độ tạo gel khác nhau 36 [...]... ứng dụng để tổng hợp oxit này như phương pháp đồng kết tủa, sol-gel, thủy nhiệt, vi sóng …Tùy thuộc vào mỗi phương pháp tổng hợp mà oxit nano thu được có những đặc tính khác nhau Với mong muốn đóng góp phần nhỏ vào hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu nano, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: Nghiên cứu tổng hợp ZnAl2O4 , ZnFe2O4 bằng phương pháp đốt cháy và định hướng ứng dụng. ” 1 Chƣơng 1 TỔNG QUAN... tâm nghiên cứu bằng nhiều phương pháp khác nhau - Tác giả [17] trong công trình nghiên cứu của mình đã tổng hợp được ZnFe2O4 kích thước nanomet bằng phương pháp đồng kết tủa và đã nghiên cứu được tính chất của nó Kết quả thu được các hạt ZnFe2O4 có kích thước đạt cỡ 18,7 nm - Tác giả [39] đã công bố các kết quả nghiên cứu tổng hợp các hạt nano tinh thể ZnFe2O4 bằng phương pháp sol-gel và đã nghiên cứu. .. giới hạn Co càng nhỏ và vùng nồng độ tuyến tính giữa A và C càng hẹp *Các phƣơng pháp phân tích định lƣợng bằng trắc quang Có nhiều phương pháp khác nhau để định lương một chất bằng phương pháp trắc quang Một số phương pháp đơn giản không cần máy móc như: phương pháp dãy chuẩn nhìn màu, phương pháp chuẩn độ so sánh màu, phương pháp cân bằng màu bằng mắt…Các phương pháp này chỉ xác định được nồng độ gần... sản xuất [27] 1.1.6 Phƣơng pháp tổng hợp đốt cháy Trong những năm gần đây, phương pháp tổng hợp đốt cháy hay tổng hợp bốc cháy (Combustion Synthesis-CS) trở thành một trong những kĩ thuật 4 quan trọng trong điều chế và xử lí các vật liệu gốm mới (về cấu trúc và chức năng), composit, vật liệu nano và chất xúc tác [37] So với một số phương pháp hóa học khác, tổng hợp đốt cháy có thể tạo ra oxit nano... cần định lượng, nó thích hợp kiểm tra ngưỡng cho phép của các chất nào đó xem có đạt hay không Các phương pháp có sử dụng máy quang phổ như: phương pháp đường chuẩn, phương pháp dãy tiêu chuẩn, phương pháp chuẩn độ trắc quang, phương pháp cân bằng, phương pháp thêm, phương pháp vi sai…Tùy theo từng điều kiện và đối tượng phân tích cụ thể mà ta chọn phương pháp thích hợp Trong đề tài này chúng tôi sử dụng. .. Đường chuẩn xác định nồng độ phenol đỏ Từ hình 2.1 thu được phương trình đường chuẩn xác định phenol đỏ có dạng: y = 0,051x + 0,017 với độ hồi quy R2 = 0,9988 2.3 Tổng hợp oxit nano ZnAl2O4, ZnFe2O4 bằng phƣơng pháp đốt cháy gel Oxit nano ZnAl2O4 , ZnFe2O4 được tổng hợp bằng phương pháp đốt cháy gel có sử dụng PVA làm chất nền phân tán Quá trình tổng hợp gồm các bước: tạo gel, sấy gel và nung sản phẩm... quét (SEM) và (TEM) Hình 2.2 Sơ đồ tổng hợp oxit bằng phương pháp đốt cháy gel PVA 2.4 Nghiên cứu tổng hợp oxit nano ZnAl2O4 bằng phƣơng pháp đốt cháy 2.4.1 Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ nung * Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu Để xác định khoảng nhiệt độ nung thích hợp chúng tôi dựa vào kết quả ghi giản đồ phân tích nhiệt của gel Điều chế gel của Al(NO3)3, Zn(NO3)2 (tỉ lệ mol Zn2+/Al3+ = 1/2) và PVA với... trình phản ứng (Self Propagating High Temperature Synthesis Process) hay còn gọi là quá trình SHS Tùy thuộc vào trạng thái của các chất phản ứng, tổng hợp đốt cháy có thể chia thành: đốt cháy trạng thái rắn (Solid State Combustion-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) * Phƣơng pháp đốt cháy gel... thu được sản phẩm Phương pháp sol-gel rất đa dạng tùy thuộc vào tiền chất tạo gel và có thể qui về ba hướng sau: thủy phân các muối, thủy phân các ancolat và sol-gel tạo phức Trong ba hướng này, thủy phân các muối được nghiên cứu sớm nhất, phương pháp thủy phân các ancolat đã được nghiên cứu khá đầy đủ còn phương pháp sol-gel tạo phức hiện đang được nghiên cứu nhiều và đã được đưa vào thực tế sản xuất... tính này làm cho tổng hợp đốt cháy trở thành một phương pháp hấp dẫn để sản xuất vật liệu mới với chi phí thấp nhất so với các phương pháp truyền thống Một số ưu điểm của phương pháp đốt cháy là thiết bị công nghệ tương đối đơn giản, sản phẩm có độ tinh khiết cao, có thể dễ dàng điều khiển được hình dạng và kích thước của sản phẩm [37] Phương pháp đốt cháy được biết như là quá trình tổng hợp tự lan truyền . phần nhỏ vào hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu nano, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: Nghiên cứu tổng hợp ZnAl 2 O 4 , ZnFe 2 O 4 bằng phương pháp đốt cháy và định hướng ứng dụng. ” . phản ứng hóa học Một số phương pháp đã được ứng dụng để tổng hợp oxit này như phương pháp đồng kết tủa, sol-gel, thủy nhiệt, vi sóng …Tùy thuộc vào mỗi phương pháp tổng hợp mà oxit nano thu được. Tổng hợp oxit nano ZnAl 2 O 4 , ZnFe 2 O 4 bằng phương pháp đốt cháy gel 21 2.4. Nghiên cứu tổng hợp oxit nano ZnAl 2 O 4 bằng phương pháp đốt cháy 22 2.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ