Nghiên cứu tổng hợp hạt nano oxit sắt từ

MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ...................................................... 2 1.Vật liệu nano .................................................................................................. 2 1.1.Khái niệm vật liệu nano .............................................................................. 2 1.2.Phân loại vật liệu nano ................................................................................ 2 a. Phân loại theo hình dáng của vật liệu............................................................ 3 b.Phân loại theo tính chất vật liệu ..................................................................... 4 1.3 Tính chất của vật liệu nano ......................................................................... 5 a.Hiệu ứng bề mặt 7 ........................................................................................ 5 b. Hiệu ứng kích thước ...................................................................................... 6 1.4.Các phương pháp chế tạo vật liệu nano .................................................... 10 a. Phương pháp từ trên xuống ( top down )..................................................... 10 b.Phương pháp từ dưới lên (bottom up) .......................................................... 12 1.5 Ứng dụng của vật ...................................................................................... 12 a. Ứng dụng trong kĩ thuật điện từ .................................................................. 12 b. Vật liệu từ nano ứng dụng trong sinh học................................................... 13 c. Vật liệu nano ứng dụng trong xử lý môi trường.......................................... 14 2. vật liệu từ và phân loại vật liệu từ............................................................... 14 2.1.Khái niệm vật liệu từ................................................................................. 14 2.2. phân loại vật liệu từ.................................................................................. 14 a.Phân loại vật liệu từ theo lực kháng từ Hc.................................................... 15 b. Phân loại vật liệu từ theo hệ số từ hoá ..................................................... 16 3.Giới thiệu chung về nano oxit sắt từ (Fe3O4) 14,15,16 ............................. 23 3.1. Tình hình nghiên cứu nano Fe3O4 từ tính ............................................. 23 a. Cấu trúc của tinh thể magnetite (Fe3O4) 17,19 ......................................... 23 b. Sự biến đổi và ổn định của magnetite a magnetite...................................... 25 c. Tính siêu thuận từ của các hạt nanô oxit sắt từ Fe3O4................................. 25 3.2. Ứng dụng trong y sinh đánh dấu và tách chiết tế bào............................. 26 a. Trong phân tách và chọn lọc tế bào............................................................. 26 b. Dẫn truyền thuốc ......................................................................................... 27 c. Tăng thân nhiệt............................................................................................ 28 d. Vá mô .......................................................................................................... 28 e. Dùng hạt nanô từ để khử độc ...................................................................... 29 3.3. Ứng dụng hạt nano Fe3O4 trong xử lý nước nhiễm asenic ...................... 29 3.3. Các phương pháp chế tạo hạt nano Fe3O4 21 ........................................ 30 a. Phương pháp nghiền bi................................................................................ 30 b. Phương pháp đồng kết tủa........................................................................... 31 c. Phương pháp solgel.................................................................................... 32 d. Vi nhũ tương................................................................................................ 33 e. Phương pháp hoá siêu âm............................................................................ 36 f. Phương pháp điện hoá.................................................................................. 38 g. Phương pháp nhiệt phân.............................. Error Bookmark not defined. Chương 2: THỰC NGHIỆM........................................................................ 39 1. Thiết bị và hoá chất sử dụng trong quá trình thực nghiệm ......................... 39 1.1. Thiết bị được sử dụng trong quá trình thực nghiệm.............................. 39 1.2 Các hoá chất được sử dụng trong quá trình thực nghiệm...................... 39 2. Quy trình và phương pháp thực nghiệm .................................................. 40 2.1 Quy trình thực nghiệm .............................................................................. 40 2.2. Phương pháp thực nghiệm ....................................................................... 41 a.Nghiên cứu ảnh hưởng của NH4OH lên kích thước hạt (pH) ...................... 41 b. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ Fe2+ và Fe3+ lên kích thước hạt....... 41 c. Ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt hoá bề mặt (axit Oleic) lên kích thước hạt 42 2.3 Các phương pháp phân tích kết quả.......................................................... 43 a. Phương pháp nghiên cứu tính chất từ bằng hệ từ kế mẫu rung (VSM Vibrating Sample Magnetometry)................................................................... 43 b. Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X 31 ................................................ 43 c. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 30 ............................................... 44 d. Kính hiển vi quét phát xạ trường FESEM 29 ........................................... 45 e. Máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại: FTIR (Fourrier Transformation Infra Red spectrometer). .................................................................................................. 46 KẾT LUẬN .................................................................................................... 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 48

LỜI CẢM ƠN Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến, Th.s Nguyễn Văn Toàn, người đã tận tình hưỡng dẫn và giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đồ án này. Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể giảng viên khoa hoá và công nghệ thực phẩm trường Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu đã tạo mọi điều kiện, hỗ trợ và giúp đỡ chúng tôi thực hiện và hoàn thiện đồ án này. Xin ghi nhận những đóng góp và giúp đỡ nhiệt tình của các bạn sinh viên khoá DH11HD dành cho chúng tôi trong quá trình thực hiện đồ án . Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cha mẹ và gia đình đã là động lực và niềm tin để chúng tôi hoàn thành đồ án này. Vũng Tàu, tháng 12 năm 2014 Nhóm sinh viên thực hiện MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 2 1.Vật liệu nano 2 1.1.Khái niệm vật liệu nano 2 1.2.Phân loại vật liệu nano 2 a. Phân loại theo hình dáng của vật liệu 3 b.Phân loại theo tính chất vật liệu 4 1.3 Tính chất của vật liệu nano 5 a.Hiệu ứng bề mặt [7] 5 b. Hiệu ứng kích thước 6 1.4.Các phương pháp chế tạo vật liệu nano 10 a. Phương pháp từ trên xuống ( top down ) 10 b.Phương pháp từ dưới lên (bottom up) 12 1.5 Ứng dụng của vật 12 a. Ứng dụng trong kĩ thuật điện từ 12 b. Vật liệu từ nano ứng dụng trong sinh học 13 c. Vật liệu nano ứng dụng trong xử lý môi trường 14 2. vật liệu từ và phân loại vật liệu từ 14 2.1.Khái niệm vật liệu từ 14 2.2. phân loại vật liệu từ 14 a.Phân loại vật liệu từ theo lực kháng từ H c 15 b. Phân loại vật liệu từ theo hệ số từ hoá  16 3.Giới thiệu chung về nano oxit sắt từ (Fe 3 O 4 ) [14,15,16] 23 3.1. Tình hình nghiên cứu nano Fe 3 O 4 từ tính 23 a. Cấu trúc của tinh thể magnetite (Fe 3 O 4 ) [17,19] 23 b. Sự biến đổi và ổn định của magnetite a magnetite 25 c. Tính siêu thuận từ của các hạt nanô oxit sắt từ Fe 3 O 4 25 3.2. Ứng dụng trong y sinh- đánh dấu và tách chiết tế bào 26 a. Trong phân tách và chọn lọc tế bào 26 b. Dẫn truyền thuốc 27 c. Tăng thân nhiệt 28 d. Vá mô 28 e. Dùng hạt nanô từ để khử độc 29 3.3. Ứng dụng hạt nano Fe 3 O 4 trong xử lý nước nhiễm asenic 29 3.3. Các phương pháp chế tạo hạt nano Fe 3 O 4 [21] 30 a. Phương pháp nghiền bi 30 b. Phương pháp đồng kết tủa 31 c. Phương pháp sol-gel 32 d. Vi nhũ tương 33 e. Phương pháp hoá siêu âm 36 f. Phương pháp điện hoá 38 g. Phương pháp nhiệt phân Error! Bookmark not defined. Chương 2: THỰC NGHIỆM 39 1. Thiết bị và hoá chất sử dụng trong quá trình thực nghiệm 39 1.1. Thiết bị được sử dụng trong quá trình thực nghiệm 39 1.2 Các hoá chất được sử dụng trong quá trình thực nghiệm 39 2. Quy trình và phương pháp thực nghiệm 40 2.1 Quy trình thực nghiệm 40 2.2. Phương pháp thực nghiệm 41 a.Nghiên cứu ảnh hưởng của NH 4 OH lên kích thước hạt (pH) 41 b. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ Fe 2+ và Fe 3+ lên kích thước hạt 41 c. Ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt hoá bề mặt (axit Oleic) lên kích thước hạt 42 2.3 Các phương pháp phân tích kết quả 43 a. Phương pháp nghiên cứu tính chất từ bằng hệ từ kế mẫu rung (VSM- Vibrating Sample Magnetometry) 43 b. Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X [31] 43 c. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) [30] 44 d. Kính hiển vi quét phát xạ trường FESEM [29] 45 e. Máy đo phổ hấp thụ hồng ngoại: FT-IR (Fourrier Transformation Infra Red spectrometer). 46 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG Hình 1.1. Đám nano, hạt nao 3 Hình 1.2. Dây nano, ống nano 3 Hình 1.3. Màng mỏng nano 4 Bảng 1: Độ dài tới hạn ứng với một số tính chất của vật liệu.[8] 7 Hình 1.4. Máy nghiền SPEX, cối và bi nghiền 10 Hình 1.5. Thiết bị nghiền bi tạo hạt nano, mô tả hoạt động của thiết bị 11 Hình 1.6. nguyên lý kỹ thật nghiền bi 12 Hình 2.1. Đường cong B (H) của các loại vật liệu từ 16 Hình 2.2. Định hướng các moment từ trong vật liệu thuận từ 17 Hình 2.3. Định hướng các moment từ trong vật liệu sắt 18 Hình 2.4. Trật tự moment từ của các chất (a) nghịch từ, (b) thuận từ, (c) 18 sắt từ, (d) phản sắt từ, (e) ferit từ [13]. 18 Hình 2.5. Bảng phân loại từ tính theo các nguyên tố [13] 19 Hình 2.6. Sự phân chia thành đômen, vách đômen trong vật liệu khối 20 Hình 2.7. Đường cong từ hoá của vật liệu siêu thuận từ 22 Hình 3.1. Cấu trúc tinh thể Ferit thường gặp 24 Hình 3.2. Sự sắp xếp các spin trong một phân tử sắt từ Fe 3 O 4 24 Hình 3.3. Sự định hướng cùa các hạt siêu thuận từ khi có từ trường và khi từ trường bị ngắt 26 Hình 3.4. Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản 27 Hình 3.5.Cơ chế hình thành và phát triển hạt nano trong dung dịch 32 Hình 3.6. Hệ nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước 35 Hình 3.7. Cơ chế hoạt động của phương pháp vi nhũ tương 36 Hình 2.1: Sơ đổ pha chế hạt sắt từ 40 Bảng 1: Số mol của FeCl 2 , FeCl 3, NH 4 OH 41 Bảng 2: Số liệu pha mẫu M4, M5, M6 42 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý thiết bị VSM 43 Trường đại học Bà Rịa – Vũng Tàu GVHD: Nguyễn Văn Toàn 1 MỞ ĐẦU Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, ngày nay một thế hệ vật liệu mới đang được các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu, đó là vật liệu có kích thước nanomet (1-100nm) với nhiều tính chất đặc biệt. Dạng vật liệu này đang mở ra nhiều lĩnh vực mới trong công nghệ và khả năng ứng dụng của nó. Vật liệu nano có tính chất khá thú vị bắt nguổn từ kích thước rất nhỏ của chúng. Do vậy vật liệu nano có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp, trong sinh học cũng như trong xử lý môi trường. Oxit sắt dạng hạt (cỡ micromet) được ứng dụng nhiều trong công nghệ sơn, chất màu, chất độn. Khi chúng ta giảm kích thước của hạt oxit sắt xuống kích thước nanomet nó đã mở ra một triển vọng mới trong việc ứng dụng vào công nghệ sinh học, năng lượng, điện tử… Do các tính chất đặc biệt và ứng dụng rộng rãi của chúng mà ngày nay các hạt nano oxit sắt đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu nhiều. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp hạt nano oxit sắt từ (Fe 3 O 4 )” làm đề tài đồ án công nghệ, với mong muốn nghiên cứu tính chất và phương pháp tổng hợp vật liệu nano oxit sắt từ tính. Đồ án này chúng tôi tập chung giải quyết các vấn đề sau: 1. Tổng quan lý thuyết 2. Các phương pháp chế tạo hạt nano oxit sắt từ tính 3. Các phương pháp phân tích kết quả Trường đại học Bà Rịa – Vũng Tàu GVHD: Nguyễn Văn Toàn 2 Chương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.Vật liệu nano 1.1.Khái niệm vật liệu nano Chữ “nano” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, có nghĩa là “chú lùn”, “còi cọc”, “bé xíu”. Khi ta nói đến nano là nói đến một phần một tỷ của cái gì đó, ví dụ như một giây nano là một khoảng thời gian bằng một phần tỷ của một giây. Còn nano mà chúng ta dùng ở đây có nghĩa là nano mét, một phần một tỷ của một mét. Nói cách khác rõ hơn là vật liệu rắn có kích thước nm vì yếu tố quan trọng nhất mà chúng ta sẽ làm việc là vật liệu ở trạng thái rắn. Trong kĩ thuật, một nano mét bằng 10 -9 m, một đơn vị đo lường để đo kích thước những vật cực nhỏ.[1] Vật liệu nano có giới hạn kích thước trong khoảng 1-100 nm. Ngày nay người ta nghiên cứu công nghệ nano trên hai khía canh: khoa học nano và công nghệ nano. Theo viện hàn lâm hoang gia Anh quốc thì: Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu có kích thước nguyên tử, phân tử. Khoa học nano nghiên cứu trên nhiều lĩnh vực như: vật lý, hoá, y học, sinh học và một vài ngành khoa học liên quan [4]. Tại các kích thước đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các kích thước lớn hơn. Công nghệ nano là một việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước nano mét. 1.2.Phân loại vật liệu nano Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano, sau đây là một vài cách phân loại thường dùng: Trường đại học Bà Rịa – Vũng Tàu GVHD: Nguyễn Văn Toàn 3 a. Phân loại theo hình dáng của vật liệu Người ta chia vật liệu nano theo số chiều không gian bị giới hạn ở kích thước nano: Vật liệu nano không chiều: là vật liêu mà cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử, ví dụ: đám nano, hạt nano. Các đám nano được hình thành từ những hạt nano, đám nano do các hạt nano liên kết lại với nhau tạo thành (hình 1.1). Liên kết này không làm thay đổi các chiều của vật liệu nano, cả ba chiều của chúng đều là kích thước nano không có chiều nào cho điện tử tự do. Hình 1.1. Đám nano, hạt nao Vật liệu nano một chiều: là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ: dây nano, ống nano.Trong các dây nano luôn có một chiều điện tử tự do và chiều điện tử tự do này được hai chiều có kích thước nano bao quanh. Các dây nano liên kết với nhau tại nhiều vị trí khác nhau tạo thành các ống nano (hình 1.2). Các liên kết này không làm thay đổi chiều của vật liệu. Hình1.2. Dây nano, ống nano Trường đại học Bà Rịa – Vũng Tàu GVHD: Nguyễn Văn Toàn 4 Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng. Ngược lại với vật liệu nano một chiều, vật liệu nano hai chiều chỉ có một chiều là kích thước nano và bị hai chiều điện tử tự do bao quanh. Vật liệu nano hai chiều có dạng các màng, tấm có mặt phẳng rộng (hình 1.3). Hình 1.3. Màng mỏng nano Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. b.Phân loại theo tính chất vật liệu - Vật liệu nano kim loại là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thước nano được tạo thành từ các kim loại. Người ta biết rằng hạt nano kim loại như hạt nano vàng, nano bạc ,… - Vật liệu nano bãn dẫn là một vật liệu tổng hợp từ các sợi nano mảnh cỡ vài chục nanomet. Các sợi nano này được làm từ những vật liệu khác nhau, mà thông dụng nhất là indiumarsenid and indiumphosphid. - Vật liệu nano từ tính là loại vật liệu có kích thước nano mà dưới tác dụng của từ trường ngoài có thể bị từ hoá, tức là có những tính chất từ đặc biệt. - Vật liệu nano hữu cơ là các hợp chất hữu cơ có kích thước nano được ứng dụng trong các mục đích sinh học. Ví dụ hạt nano hữu cơ tiêu diệt khối u, hạt nano này được tạo ra từ hai phân tử tự nhiên là chlorophyl [...]... bỏ được asenic Các hạt nano từ tính có từ độ bão hoà cao cỡ 90 emu/g so với các oxit sắt, do đó các hạt nano từ tính có thể sử dụng để hấp thụ asenic và tách lọc bằng từ tính [24] Một số oxit và hydroxit sắt khác cũng được nghiên cứu để hấp thụ asenic song tính chất từ của những hợp chất này thì không bằng hạt nano từ tính Khả năng hấp thụ asenic của hạt nano từ tính được nghiên cứu ở các điều kiện... độ từ dư (từ độ còn dư sau khi ngừng tác động của từ trường ngoài), lực kháng từ Hc (từ trường ngoài cần thiết để một hệ sau khi đạt được trạng thái bão hoà từ, bị khử từ) - Vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ là vật liệu từ có độ từ cảm rất lớn ( >> 1) Trạng thái sắt từ là trạng thái từ hoá tự phát : từ độ tự phát xuất hiện cả khi từ trường ngoài bằng không (H=0) Tuy nhiên, khi H=0 vật liệu bị khử từ. .. chuyển sắt từ - siêu thuận từ được xác định bời công thức sau:[6] KV< 15 kBT Trong đó, K là hằng số dị hướng từ tinh thể, V là thể tích hạt nano, kB là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ Với một kích thước nhất định thì khi nhiệt độ thấp hạt nano thể hiện tính sắt từ, khi nhiệt độ cao hạt nano thể hiện tính siêu thuận từ Nhiệt độ mà ở đó hạt nano chuyển từ sắt từ sang siêu thuận từ gọi là nhiệt độ chuyển... moment từ tà tương tác trao đổi âm và làm cho các moment từ định hướng phản song song với nhau (song song, cùng độ lớn nhưng ngược chiều) Sự định hướng phản song song này tạo ra hai phân mạng từ Mn và Cr là hai kim loại phản sắt từ điển hình Phản sắt từ là là vật liệu thuộc loại có trật tự từ Nghiên cứu về phản sắt từ thường được tiến hành ở các màng mỏng (ví dụ các lớp kiểu bánh kẹp sắt từ - phản sắt từ) ... dụng các hạt nano từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thể sinh học cần nghiên cứu, và tách các thực thề được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nano từ tính Hạt nano thường dùng là hạt oxit sắt Các hạt này được bao phủ bởi một loại hoá chất có tính tương hợp sinh... gây ra trong đó những ứng suất nội Các loại sắt từ mềm gồm thép kỹ thuật, thép ít carbon, thép lá kỹ thuật điện, hợp kim sắt – niken có độ từ thẩm cao (permaloi) và oxit sắt từ (ferrite) Vật liệu từ cứng: là vật liệu từ có từ trường khử và từ dư lớn, một cách tương ứng thì đường cong từ trễ của nó rộng, rất khó bị từ hoá Một khi bị từ hoá thì năng lượng từ của vật liệu được giữ lại lâu, có thể được... các đặc tính từ trong một dải tần số rộng, kể cả siêu cao tần b Phân loại vật liệu từ theo hệ số từ hoá Tuỳ theo mức độ, bản chất và sự tương tác của các chất với từ trường ngoài, người ta chia vật liệu từ thành ba loại: vật liệu thuận từ, vật liệu nghịch từ và vật liệu sắt từ Sắt từ (x>>1) Thuận từ H (Oe) Nghịch từn(x . của chúng mà ngày nay các hạt nano oxit sắt đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu nhiều. Vì vậy chúng tôi chọn đề tài: Nghiên cứu tổng hợp hạt nano oxit sắt từ (Fe 3 O 4 )” làm đề tài. thuận từ 17 Hình 2.3. Định hướng các moment từ trong vật liệu sắt 18 Hình 2.4. Trật tự moment từ của các chất (a) nghịch từ, (b) thuận từ, (c) 18 sắt từ, (d) phản sắt từ, (e) ferit từ [13] liệu từ 14 a.Phân loại vật liệu từ theo lực kháng từ H c 15 b. Phân loại vật liệu từ theo hệ số từ hoá  16 3.Giới thiệu chung về nano oxit sắt từ (Fe 3 O 4 ) [14,15,16] 23 3.1. Tình hình nghiên