nghiên cứu tổng hợp oxit nano kẽm và bước đầu thăm dò 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  PHẠM THU HƢỜNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP OXIT NANO KẼM VÀ BƢỚC ĐẦU THĂM DÕ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Thái Nguyên, năm 2013 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  PHẠM THU HƢỜNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP OXIT NANO KẼM VÀ BƢỚC ĐẦU THĂM DÕ ỨNG DỤNG Chuyên ngành : Hoá vô cơ Mã số: 60. 44.0113 LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thị Tố Loan Thái Nguyên, năm 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 05 năm 2013 Tác giả Phạm Thu Hường Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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. Tác giả Phạm Thu Hường Xác nhận của khoa chuyên môn Nguời huớng dẫn T.s. Nguyễn Thị Tố Loan Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục i Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt iv Danh mục các bảng biểu 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 kẽm, PVA, Xanh metylen 6 1.2.1. Oxit nano ZnO 6 1.2.4. Giới thiệu về poli vinyl ancol 12 1.2.5. Giới thiệu về xanh metylen 13 1.3. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu 13 1.3.1. Phương pháp phân tích nhiệt 13 1.3.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen 14 1.3.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) 15 1.3.4. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng 17 1.3.5. Phương pháp trắc quang 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.3.6. Phương pháp nghiên cứu hoạt tính xúc tác của vật liệu 20 Chƣơng 2.THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 22 2.1. Dụng cụ, hóa chất 22 2.1.1. Hóa chất 22 2.1.2. Dụng cụ, máy móc 22 2.2. Xây dựng đường chuẩn xác định xanh metylen 22 2.3. Tổng hợp oxit kẽm bằng phương pháp đốt cháy gel 23 2.4. Nghiên cứu tổng hợp oxit nano ZnO bằng phương pháp đốt cháy gel 24 2.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung 24 2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung 26 2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol KL/PVA 27 2.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel 27 2.4.5. Các đặc trưng của mẫu ZnO tổng hợp ở điều kiện tối ưu 28 2.5. Nghiên cứu tổng hợp oxit nano ZnMnO 3 bằng phương pháp đốt cháy gel 32 2.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung 32 2.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung 33 2.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol Zn 2+ /Mn 2+ 34 2.5.5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel 36 2.5.6. Xác định các đặc trưng của mẫu ZnMnO 3 điều chế ở điều kiện tối ưu 36 2.6. Nghiên cứu tổng hợp oxit nano ZnMn 2 O 4 bằng phương pháp đốt cháy gel 41 2.6.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung 41 2.6.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung 42 2.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol KL/PVA 44 2.6.5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel 44 2.6.6. Xác định các đặc trưng của mẫu ZnMn 2 O 4 điều chế ở điều kiện tối ưu 45 2.7. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các oxit kẽm 48 2.7.1. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.7.2. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu 50 2.7.3. Ảnh hưởng của nồng độ xanh metylen 51 KẾT LUẬN 53 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 TEM Kim loại 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 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Số liệu dựng đường chuẩn xác định xanh metylen 22 Bảng 2.2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phân hủy xanh metylen. 49 Bảng 2.3: Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến hiệu suất phân hủy xanh metylen 50 Bảng 2.4: Ảnh hưởng của nồng độ xanh metylen đến hiệu suất phân hủy 52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc wurtzite của ZnO 6 Hình 1.2 Cấu trúc Rocksalt và Blende của ZnO 7 Hình 1.3: Một số dạng hình học của ZnO cấu trúc nano 8 Hình 1.4: Các ứng dụng chính của ZnO 8 Hình 1.5. Cấu trúc tinh thể của họ perovskite ABO 3 9 Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể ZnMn 2 O 4 10 Hình 1.7: Ảnh SEM của oxit ZnMn 2 O 4 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt 11 Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 16 Hình 2.1: Đường chuẩn xác định xanh metylen 23 Hình 2.2. Sơ đồ tổng hợp oxit bằng phương pháp đốt cháy gel PVA 24 Hình 2.3: Giản đồ phân tích nhiệt của gel PVA và Zn(NO 3 ) 2 25 Hình 2.4: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu nung ở các nhiệt độ khác nhau 25 Hình 2.5: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu nung ở các thờ i gian khác nhau 26 Hình 2.6: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu có tỉ lệ mol KL/PVA khác nhau 27 Hình 2.7: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu tạo gel ở nhiệt độ khác nhau 28 Hình 2.8: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của ZnO điều chế ở điều kiện tối ưu 28 Hình 2.9: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của ZnO điều chế ở điều kiện tối ưu 29 Hình 2.10: Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của ZnO điều chế ở điều kiện tối ưu 30 Hình 2.11: Kết quả đo diện tích bề mặt riêng của ZnO điều chế ở điều kiện tối ưu 31 Hình 2.12: Giản đồ phân tích nhiệt giữa PVA với Zn(NO 3 ) 2 và Mn(NO 3 ) 2 (tỉ lệ mol Zn 2+ /Mn 2+ = 1/1) 32 Hình 2.13: Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của các mẫu gel có nhiệt độ nung khác nhau 33 [...]... lớn và kích thước hạt nhỏ, chúng được ứng dụng làm vật liệu chịu nhiệt cao, vật liệu catot của pin thứ cấp, chất hấp phụ, chất xúc tác [15] Với tầm quan trọng như vậy, việc nghiên cứu tổng hợp oxit nano ngày càng nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học 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 oxit nano kẽm. .. xác tỷ lệ hợp thức thì mới cần thiết tổng hợp theo phương pháp này [6] 1.1.4 Phương pháp thủy nhiệt Phản ứng trong dung dịch nước xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cao gọi là phản ứng thủy nhiệt Các oxit kim loại thường được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt kết tủa và kết tinh Tổng hợp thủy nhiệt kết tủa sử dụng dung dịch muối tinh khiết của kim loại, còn tổng hợp thủy nhiệt kết tinh dùng hidroxit, sol... trúc nano: (a) dây nano ZnO, (b) ZnO dạng lò xo, (c) ZnO dạng lá kim, (d) ZnO nano tetrapods, (e) sợi nano ZnO, (f) ống nano ZnO Với nhiều tính chất phong phú, ZnO được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực (hình 1.4) [25, 33, 35] Hình 1.4: Các ứng dụng chính của ZnO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Oxit nano ZnO đã được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu tổng hợp. .. ankolat 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 [23] 1.1.6 Phương 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 quan trọng trong điều chế và xử lí các vật liệu gốm mới (về cấu trúc và chức năng),... quy r2 = 0,997 2.3 Tổng hợp oxit kẽm bằng phƣơng pháp đốt cháy gel Chúng tôi sử dụng phương pháp đốt cháy gel ở nhiệt độ thấp, dùng PVA là chất nền phân tán để tổng hợp các oxit kẽm Dung dịch muối Zn(NO3)2, Mn(NO3)2 được khuấy trộn với dung dịch PVA theo tỉ lệ mol tương ứng Hỗn hợp được gia nhiệt và khuấy liên tục trên máy khuấy từ cho đến khi hình thành gel trong suốt Sấy khô gel và nung mẫu ở các... độ tạo gel còn hạn chế và mới được nghiên cứu cho một số vật liệu 1.2 Giới thiệu về oxit nano kẽm, PVA, Xanh metylen 1.2.1 Oxit nano ZnO Oxit kẽm là chất khó nóng chảy (nhiệt độ nóng chảy ở 19500C), có khả năng thăng hoa, không phân hủy khi đun nóng, hơi rất độc, màu trắng ở nhiệt độ thường, màu vàng khi đun nóng [7] ZnO tồn tại ở 3 dạng cấu trúc: hexagonal wurtzite, lập phương và lập phương tâm khối... phương và lập phương tâm khối của ZnO Trong tinh thể ZnO thực luôn có những nguyên tử (hoặc ion) có thể bật ra khỏi vị trí nút mạng để lại những vị trí trống Hình dạng của oxit ZnO phụ thuộc nhiều vào phương pháp điều chế Oxit ZnO cấu trúc nano có thể tồn tại ở một số dạng hình thái như màng mỏng, sợi nano, dây nano, thanh nano, ống nano hay tồn tại ở dạng lá, dạng lò xo, … (hình 1.3) Tùy vào ứng dụng. .. cứu tổng hợp oxit nano kẽm và bước đầu thăm dò ứng dụng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Một số phƣơng pháp điều chế oxit kim loại kích thƣớc nanomet 1.1.1 Phƣơng pháp gốm truyền thống Bản chất của phương pháp là thực hiện phản ứng giữa các pha rắn ở nhiệt độ cao, sản phẩm thu được thường dưới dạng bột và có cấp hạt cỡ milimet Từ... nhiều nghiên cứu và được ứng dụng trong các thiết bị thực tế như hệ số nhiệt âm (NTC) của nhiệt điện trở, vật liệu chịu nhiệu cao, vật liệu catot của pin thứ cấp , chất xúc tác [15], anot của pin ion Liti [38, 24] Đi từ ZnO và MnO, bằng phản ứng trạng thái rắn tác giả [28, 37] đã tổng hợp được ZnMn2O4 Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là nhiệt độ phản ứng cao, thời gian phản ứng kéo dài từ vài... được sự tạo pha trung gian và tiết kiệm được năng lượng [23] Trong quá trình tổng hợp đốt cháy xảy ra phản ứng oxi hóa khử tỏa nhiệt mạnh giữa hợp phần chứa kim loại và hợp phần không kim loại, phản ứng trao đổi giữa các hợp chất hoạt tính hoặc phản ứng giữa hợp chất hay hỗn hợp oxi hóa khử… Những đặc tính này làm cho tổng hợp đốt cháy trở thành một phương pháp hấp dẫn để sản xuất vật liệu mới với chi . 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 oxit nano kẽm và bước đầu thăm dò ứng dụng . Số hóa bởi Trung. ĐẠI HỌC SƢ PHẠM  PHẠM THU HƢỜNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP OXIT NANO KẼM VÀ BƢỚC ĐẦU THĂM DÕ ỨNG DỤNG Chuyên ngành : Hoá vô cơ Mã số: 60. 44.0113 . HỌC SƢ PHẠM  PHẠM THU HƢỜNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP OXIT NANO KẼM VÀ BƢỚC ĐẦU THĂM DÕ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC