Cấu trúc, phương pháp tổng hợp và ứng dụng họ spinel

Cấu trúc, phương pháp tổng hợp và ứng dụng họ spinel

LOGO

Cấu trúc, phương pháp tổng hợp và ứng dụng họ spinel

GVHD : Nguyễn Văn Dũng

Tổng quan

Khái niệm: Spinel là tên khoáng có công thức MgAl2O4

(Magnesium alluminat)

Công thức hóa học chung của các hợp chất có cấu trúc spinel là

AB2O4, trong đó A và B là các cation khác nhau với hóa trị khác nhau và bán kính tương đối gần nhau (thường trong khoảng 60 –

80 pm)

Tổng quan

Cation hóa trị

2

Loạt Al Loạt Fe 3+ Loạt Cr

Mg Spinel Magnesioferit Magnesiochromit

Fe Hercynit Magnetit Chromit

Cấu trúc spinel

 Công thức chung: A[B2]O4 trong đó A là kim loại hóa trị 2, B

là kim loại hóa trị 3

 Mỗi ô mạng chứa 8 phân tử

 Mỗi oxit tồn tại 1 lỗ trống bát diện và 2 lỗ trống tứ diện, trong đó kích thước lỗ trống tứ diện nhỏ hơn

 Kích thước ô cơ sở:

 Tồn tại 2 dạng cấu trúc: spinel thông thường (nornal spinel)

và spinel ngược (inverse spinel)

Cấu trúc tinh thể của spinel

Spinel nghịch

 Ion A2+ chiếm lỗ trống bát diện, sẽ thay thế phân nữa các ion

B3+ từ vị trí bát diện sang vị trí tứ diện

 Ion B3+: một nửa chiếm lỗ trống tứ diện, một nửa chiếm lỗ trống bát diện

 Ví dụ: Fe3O4 hay Fe3+[Fe2+Fe3+]O4

Phương pháp tổng hợp spinel

Phương pháp hóa cơ

Mazzoni

 Nguyên liệu: hydroxit magie (Mg(OH)2) và gibbsite (Al(OH)3)

 Nguyên liệu được pha trộn để tạo thành một thành phần tỷ

lượng hóa học spinel cho vào máy rung với tần số là 12,5

trong thời gian 5 – 15 phút, sử dụng máy nghiền bi và nghiền rung hoạt hóa cơ học để tổng hợp spinel Bột Spinel được tổng hợp ở nhiệt độ 850oC

Phương pháp hóa cơ

Phương pháp hóa cơ

Phương pháp hóa cơ

Plesingerova

 Nguyên liệu: hỗn hợp Mg và Al oxit và / hoặc hydroxit

 Nung trong khoảng nhiệt độ 600-alumina và quặng magnesium carbonate nặng 1200oC, hoạt hóa cơ học được thực bằng máy xay tốc độ cao trong 10 giờ trong môi trường không khí

Phương pháp hóa cơ

Phương pháp hóa cơ

Cơ chế Wagner

 3 ion Mg2+ khuếch tán về phía bề mặt tiếp xúc pha bên phải, trong khi đó 2 ion Al3+ khuếch tán về phía bề mặt tiếp xúc pha bên trái

Phương pháp đồng kết tủa

 Nguyên liệu : FeCl3.6H2O, CoCl2.6H2O, NaOH, NH4OH được cân theo tỉ lệ xác định

 Khuấy đều trong máy khuấy từ ở 80oC , độ pH = 6 trong vòng

30ph để thực hiện phản ứng kết tủa:

CoCl 2.6H2 O + 2(FeCl3 6H2 O) + 8NaOH = CoFe2O4 + 8NaCl + 22H2O

 Sau đó lắng đọng chế phẩm, gạn sạch nước rồi rửa sạch bằng nước cất nhiều lần để loại bỏ tạp chất,

 Quay ly tâm để tách hoàn toàn nước, cuối cùng sấy khô bột ta được bột từ CoFe2O4

Phương pháp đồng kết tủa

 Chế phẩm sẽ được khảo sát cấu trúc tinh thể bằng phổ nhiễu xạ tia X hằng số mạng a = 8,4 Ao

, kích thước hạt cỡ 14 nm

Phương pháp xà phòng hóa

 Tổng hợp bột màu Coban Aluminat (CoAl2O4) ở nhiệt độ thấp

 Tổng hợp rezinát coban và rezinát nhôm bằng phương pháp xà phòng hóa:

• Cho nhựa thông hòa tan trong các dung môi hữu cơ ở nhiệt

độ cao Gia nhiệt tới 250 – 300oC không có không khí, nhựa thông phân hủy tạo dầu lỏng colophan

• Xà phòng hóa colophan thông bằng NaOH tỉ lệ mol 1:8, lọc tách thu sản phẩm xà phòng hóa RCOONa:

RCOOH + NaOH = RCOONa + H2O (1)

Phương pháp xà phòng hóa

• Điều chế rezinát coban và rezinát nhôm: Hòa tan xà phòng trong nước 900oC Cho các dung dịch muối CoCl2.6H2O và AlCl3.6H2O vào, khuấy đều và lưu ở 700 –750oC tới khi tạo kết tủa theo phản ứng:

nRCOONa + Men+ = (RCOO)nMe + nNa+ (2)

• Lọc kết tủa và rửa nhiều lần bằng nước cất nóng Sấy các sản phẩm ở nhiệt độ 100 – 105oC

• CH3COOLi 2H2O, Mn(CH3COO)2.4H2O và axit adipic

trong nước khử Ion hóa, tương ứng, theo tỷ lệ phân tử của 01:02:03, tạo thành 3 dung dịch

• Các dung dich được trộn lẫn với nhau ở nhiệt độ 80oC trong

10 giờ, hình thành sol có chứa Magie và adipic Liti

Phương pháp sol-gel

• Sol được bay hơi ở 100°C tạo thành gel khô

• Xử lý nhiệt ở 400°C trong 8 giờ Sản phẩm được nghiền

nhỏ

• Nung kết bột ở 600-alumina và quặng magnesium carbonate nặng 800°C trong vòng 10 – 30 giờ thu

được spinel LiMn2O4

Phương pháp sol-gel

 Nhiễu xạ tia X-alumina và quặng magnesium carbonate nặng ray dùng CuKα, 40kV,120mA,với bước 0,02 độ tại

6 độ.phút-alumina và quặng magnesium carbonate nặng 1để biết thành phần

Mô hình XRD khi LiMn2O4 được nung kết ở 700 o C (a), 750°C (b) và

800°C (c) trong 20 giờ.

Ứng dụng

Company Logo

Tính chữa bệnh

 Theo quan niệm của các nhà

thạch học trị liệu, spinel tăng

cường tuần hoàn máu góp phần

củng cố tính miễn dịch, tái sinh

mô, chữa các bệnh nhiễm khuẩn,

bệnh da liễu, bệnh ở dạ dày

Company Logo

www.themegallery.com

Làm đồ trang sức

Ứng dụng dẫn thuốc và nhiệt trị

 Điều khiển các tính chất từ của các hạt nano ferit spinel dùng trong các ứng dụng dẫn thuốc và nhiệt trị:

• Các hạt từ tính mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể

• Các hạt nanô từ tính thường dùng là ô-alumina và quặng magnesium carbonate nặng xít sắt (magnetite

Fe3O4, maghemite a-alumina và quặng magnesium carbonate nặng Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, detran hoặc silica

Ứng dụng dẫn thuốc và nhiệt trị

Các thành phần trong mạch máu có tính chất từ khác nhau Có thành phần là nghịch từ (DM), thuận từ (PM), sắt từ (FM) và siêu thuận từ (SPM)

Mô hình minh họa sự chuyển động của mạch máu trong đó có sự tồn tại của hạt nanô từ tính (giữa).

Ứng dụng trong sản xuất pin

 Spinel liti mangan oxit (LiMn2O4) làm vật liệu cực dương thay thế cho pin sạc ion Liti

 LiMn2O4 có các ưu điểm sau:

• Pin sử dụng vật liệu cực dương LiMn2O4 có hiệu điện thế lớn (khoảng 4 V); dung lượng thuận nghịch lớn, giá

nguyên liệu thấp, ít độc hại, và chu kỳ sống dài

• Cấu trúc spinel LiMn2O4 có các lỗ trống phù hợp cho sự đan xen Li+ mà không bị phá vỡ

Mô hình pin mẫu Swagelok

Xử lí nước bẩn

Vật liệu chịu lửa

Gạch chịu lửa spinel được ứng

dụng nhiều để lót tại zôn nung

của lò quay sản xuất clinke xi

măng Được ứng dụng trong lò

luyện thép.

Tài liệu tham khảo

1 Cơ sở hóa học tinh thể, Trịnh Hân, Ngụy Tuyết Nhung, NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2006

2 Ferroan spinel, sapphirine phlogopite – taaffcite – apaite

metasomatic rosk in pyroxenite Musgrave Rangers, Central

Australia ( Wilson, A.F.& Hudson, D.R, 1967, Chem Geol., 2 ,

209 – 15)

3 Hercynite, corundum – spinel – ilmenite rock Plossberg,

northern Bavaria ( Propach, G., 1971, Neues Jahrb Min , 115,

120 – 2)

Thank You !