KHÓA LUẬN TỔNG hợp và KHẢO sát KHẢ NĂNG hấp PHỤ ION pb2+ của vật LIỆU NANO y0 9cd0 1feo3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HÓA  PHẠM THÁI NGỌC THẢO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC CHUYÊN NGÀNH HÓA VÔ CƠ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Pb 2+ CỦA VẬT LIỆU NANO Y 0.9 Cd 0.1 FeO 3 TP. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HÓA  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC CHUYÊN NGÀNH HÓA VÔ CƠ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Pb 2+ CỦA VẬT LIỆU NANO Y 0.9 Cd 0.1 FeO 3 GVHD: Thầy MAI VĂN NGỌC SVTH: PHẠM THÁI NGỌC THẢO TP. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2012 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 1 NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 2 LỜI CẢM ƠN  Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Mai Văn Ngọc và thầy Nguyễn Anh Tiến đã nhận và tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Em xin bày tỏ lời cảm ơn đến các quý thầy cô Khoa Hóa Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy em trong suốt 4 năm qua, những kiến thức mà em nhận được trên giảng đường đại học sẽ là hành trang giúp em vững bước trong tương lai. Cảm ơn ba mẹ, bạn bè, những người thân luôn kịp thời ủng hộ động viên và giúp đỡ em vượt qua mọi khó khăn. Do trình độ và thời gian nghiên cứu có hạn, luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn của quý thầy cô và bạn bè để khóa luận được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn. TP. HCM, tháng 5 năm 2012 SVTH Phạm Thái Ngọc Thảo Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 3 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4 Chương 1. CÁC ĐẶC TRƯNG CHUNG VỀ HẠT NANO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHÚNG 5 1.1. HẠT NANO VÀ VẬT LIỆU NANO 5 1.2. SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ BỘT NANO OXIT 8 1.3. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO 9 1.4. PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU NANO OXIT 10 1.5. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU PEROVSKITE ABO 3 11 1.5.1. Vật liệu ABO 3 thuần 11 1.5.2. Vật liệu ABO 3 biến tính 12 1.6. VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ YFeO 3 12 Chương 2. VÀI NÉT TỔNG QUAN VỀ CÁC NGUYÊN TỐ SẮT, YTTRIUM VÀ CADMIUM 14 2.1. SẮT 14 2.1.1. Sắt (III) oxit 15 2.1.2. Sắt (III) hydroxides 19 2.2. YTTRIUM 19 2.2.1. Yttrium 19 2.2.2. Oxit yttrium 20 2.3. CADMIUM 21 2.3.1. Cadmium 21 2.3.2. Cadmium oxit 23 Chương 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA BỘT NANO 24 3.1. PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X (XRD) 24 3.2. PHƯƠNG PHÁP KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM) 25 3.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KHỐI LƯỢNG NHIỆT (TG) 26 3.4. PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ 27 Chương 4. THỰC NGHIỆM – KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 29 4.1. TỔNG HỢP BỘT NANO Y 0.9 Cd 0.1 FeO 3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA 4.1.1. Hóa chất và dụng cụ 29 4.1.2. Phương pháp thực nghiệm 29 4.2. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA BỘT NANO Y 0.9 Cd 0.1 FeO 3 TỔNG HỢP THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA 30 KẾT LUẬN – ĐỀ XUẤT 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 4 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại ngày nay, công nghệ nano có thể coi là hướng nghiên cứu đang thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học cũng như các nhà đầu tư công nghiệp bởi những ứng dụng to lớn mà nó mang lại trong sản xuất các thiết bị dùng trong công nghiệp, điện tử, viễn thông, an ninh quốc phòng, trong y dược Các thiết bị ứng dụng công nghệ nano ngày càng nhỏ hơn, chính xác hơn so với các thiết bị sản xuất bởi công nghệ micro trước đó. Do các ứng dụng kỳ diệu của công nghệ nano, tiềm năng kinh tế cũng như tạo ra sức mạnh về quân sự. Vì lẽ đó hiện nay trên thế giới đang xảy ra cuộc chạy đua sôi động về phát triển và ứng dụng công nghệ nano. Không chỉ ở các trường đại học có các phòng thí nghiệm với các thiết bị nghiên cứu quy mô, mà các tập đoàn sản xuất cũng tiến hành nghiên cứu và phát triển lĩnh vực công nghệ này. Ở Việt Nam, tuy chỉ mới tiếp cận với công nghệ nano trong những năm gần đây nhưng cũng có những bước chuyển mới tạo ra sức hút đối với các nhà khoa học. Nhà nước cũng đã đầu tư một khoản ngân sách khá lớn cho chương trình nghiên cứu công nghệ nano cấp quốc gia với sự tham gia của các nhà khoa học đến từ các Trường Đại học, Cao đẳng, Trung học chuyên nghiệp, các trung tâm cũng như các Viện nghiên cứu. Ngày nay, để điều chế vật liệu nano người ta thường sử dụng các phương pháp cơ bản như: phương pháp kết tinh cryochemical, phương pháp cơ hoá, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp điện hoá, Phương pháp hóa học điều chế vật liệu từ oxit ngày nay được coi là chiếm ưu thế do đảm bảo được tính đồng nhất hóa học và hoạt tính cao của bột ferrite tạo thành. Trong đó phương pháp chiến lược, kinh tế và thân thiện môi trường được coi là phương pháp sol – gel (trong trường hợp riêng, đồng kết tủa các cấu tử từ dung dịch lỏng của chúng). Với những lý do trên, em chọn đề tài: “Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ ion Pb 2+ của vật liệu nano Y 0.9 Cd 0.1 FeO 3 ” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp cùng với mong muốn đóng góp thêm một số thông tin về loại vật liệu này. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 5 Chương 1. CÁC ĐẶC TRƯNG CHUNG VỀ HẠT NANO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHÚNG 1.1. HẠT NANO VÀ VẬT LIỆU NANO Trong khoảng vài thập niên gần đây, trong khoa học xuất hiện một dãy các từ mới gắn liền với hậu tố “nano” như: cấu trúc nano, công nghệ nano, vật liệu nano, hoá học nano, vật lý nano, cơ học nano, công nghệ sinh học nano, hiệu ứng kích thước nano v.v. Người ta đã công bố hàng loạt các bài báo, các công trình khoa học, các tạp chí và tổ chức nhiều hội nghị, hội thảo gắn liền với chủ đề công nghệ nano. Xuất hiện nhiều trung tâm, viện nghiên cứu, tổ bộ môn, khoa, chuyên ngành về công nghệ nano và vật liệu nano. Chữ “nano”, gốc Hy Lạp, được gắn vào trước các đơn vị đo để tạo ra đơn vị ước giảm đi 1 tỷ lần (10 -9 ). Ví dụ: nanogam = 1 phần tỷ gam; nanomet = 1 phần tỷ mét hay 1nm = 10 -9 m. Khoa học nghiên cứu về hạt nano đã và đang được quan tâm do chúng có tính chất vật lý, hoá học và nhiều ứng dụng khác đặc biệt hơn so với khi nghiên cứu về hạt micro. Công nghệ nano là tổ hợp các quá trình chế tạo ra vật liệu, các thiết bị máy móc và các hệ kỹ thuật mà chức năng của chúng được xác định bởi cấu trúc nano, tức là các đơn vị cấu trúc có kích thước từ 1 đến 100 nm. Công nghệ nano xuất hiện trên cầu nối của một số ngành khoa học (hoá học, vật lý, cơ học, khoa học vật liệu, sinh học và nhiều lĩnh vực khác của khoa học), ngày càng đi sâu vào nhiều lĩnh vực hiện đại của khoa học và kỹ thuật và thông qua chúng, nó đi vào đời sống của chúng ta. Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét. Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Thông thường vật liệu nano được phân ra thành nhiều loại, phụ thuộc vào hình dạng, cấu trúc của vật liệu và kích thước của chúng v.v Về mặt cấu trúc thì vật liệu nano được phân ra thành 4 loại: vật liệu nano không chiều (0D), một chiều (1D), hai chiều (2D) và ba chiều (3D) ( hình 1 và 2).  Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử) Ví dụ: đám nano, hạt nano v.v Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 6  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 v.v  Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do. Ví dụ: màng mỏng v.v (hình 1f)  Vật liệu nano ba chiều là vật liệu dạng khối được cấu tạo từ các hạt nano tinh thể. 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. Hình 1. Phân loại vật liệu nano theo số chiều Hình 2. Cấu trúc vật liệu nano không chiều (0D), 1 chiều (1D), 2 chiều (2D), 3 chiều (3D) Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 7 Ngoài ra, để phân biệt các dạng vật liệu nano người ta còn dựa vào lĩnh vực ứng dụng khác nhau của chúng như:  Vật liệu nano kim loại;  Vật liệu nano bán dẫn;  Vật liệu nano có từ tính;  Vật liệu nano sinh học. Hình 3. Phân loại vật liệu nano theo hình dạng Quá trình tổng hợp các cấu trúc nano khác nhau như hạt, thanh, dây, ống (hình 3) hay các cấu trúc nano kì dị với sự đồng đều về kích thước, hình dạng và đơn pha đang được tập trung nghiên cứu. Theo đó, nhiều hệ vật liệu nano mới với những mục đích ứng dụng khác nhau được tạo ra. Theo quan điểm của nhiều tác giả, “hạt nano” là một đối tượng nano không chiều (0D) mà kích thước tất cả các chiều đều có một bậc đại lượng, về nguyên tắc, các hạt nano có dạng hình cầu. Theo quan điểm về năng lượng, sự giảm kích thước hạt sẽ làm tăng vai trò năng lượng bề mặt của hạt cấu trúc. Các tính chất đặc trưng của vật liệu như: hằng số điện môi, điểm nóng chảy, chiết suất cũng có thể bị thay đổi khi giảm kích thước xuống thang nano. Ngoài ra còn nhiều tính chất đặc trưng khác của vật liệu như: hoạt tính và diện tích bề mặt; các tính chất nhiệt, điện, từ, quang học, cơ học, hóa học thậm chí cả sinh học… cũng bị thay đổi khi giảm kích thước đến giá trị nanomet. Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 8 Hình 4. Kích thước của vật liệu 1.2. SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ BỘT NANO OXIT Các vật liệu nano có thể thu được bằng bốn phương pháp phổ biến, mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm khác nhau, một số phương pháp chỉ có thể được áp dụng để tổng hợp một số vật liệu nhất định mà thôi. Ví dụ:  Phương pháp hóa học ướt (wet chemical): bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo (colloidal chemistry) như: phương pháp thủy nhiệt, sol-gel và kết tủa. Theo phương pháp này, các dung dịch chứa các ion khác nhau được trộn với nhau theo một tỷ phần thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất, giá trị pH của môi trường làm cho các tiểu phân kết dính hoặc kết tủa từ dung dịch của chúng. Sau các quá trình lọc, sấy khô và nung thiêu kết ta thu được các vật liệu nano mong muốn. Ví dụ, trong tài liệu [5], tác giả đã chế tạo thành công các hạt nano Y 2 O 3 và ZrO 2 với kích thước 5-15 nm bằng phương pháp hóa học ướt  Ưu điểm của phương pháp hóa ướt là các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng, chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Đặc điểm của phương pháp này là rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu.  Nhược điểm chính của phương pháp này là các hợp chất có liên kết bền với phân tử nước gây khó khăn trong việc nhiệt phân chúng.  Phương pháp cơ học (mechanical): bao gồm các phương pháp tán, nghiền hợp kim cơ học. Theo phương pháp này, vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn. Ngày nay, các máy nghiền thường dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay. Thật vậy, tác giả Nguyễn Hoàng Hải [9] bằng phương pháp nghiền đã chế tạo thành công các hạt oxit sắt từ với kích thước khoảng từ 30-100 nm.  Ưu điểm phương pháp cơ học: là đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế tạo với một lượng lớn vật liệu. [...]... bay hơi vật liệu thì toàn thể hợp chất hoặc hợp kim sẽ bị bay hơi do đó màng tạo ra có hợp phức khá gần với thành phần của vật liệu nguồn (đặc biệt là các hợp kim), người ta cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu từ đế  Nhược điểm: phương pháp này kém hiệu quả để có thể chế tạo ở quy mô thương mại Không thể chế tạo các màng quá mỏng, khó khống chế chiều dày của vật liệu do... được nhiều loại vật liệu  Nhược điểm: chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thể dùng để tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại không thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ của nó có thể lên đến 900°C 1.3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO Ngày nay, các tập đoàn sản xuất điện tử đã bắt đầu đưa công nghệ nano vào ứng dụng,... cation B có bán kính nhỏ hơn nằm tại tâm của hình lập phương Cation B được bao quanh bởi 8 cation A và 6 anion O2-, còn quanh mỗi vị trí A có 12 anion O2- như ở hình 5a, cấu trúc tinh thể của hợp chất perovskite còn có thể mô tả dưới dạng sắp xếp các bát diện BO 6 như hình 5b, với cation B nằm ở hốc của bát diện BO 6 , còn các anion O2- nằm ở đỉnh của bát diện SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 11 Khóa Luận. .. Ngọc BO 6 Từ hình 5b, ta thấy các góc B-O-B bằng 1800 và độ dài liên kết B-O bằng nhau theo mọi phương Bát diện FeO 6 này ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất điện và tính chất từ của vật liệu 1.5.2 Vật liệu ABO 3 biến tính Vật liệu ABO 3 biến tính là vật liệu có ion A hoặc B được thay thế một phần ' bởi các ion khác có thể viết dưới dạng công thức tổng quát: ( A1− x Ax )( B1− y B'y )O3 (0 ≤ x, y ≤ 1)... TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU PEROVSKITE ABO 3 1.5.1 Vật liệu ABO 3 thuần mạng cơ sở là hình lập phương tâm khối với các thông số mạng a=b=c và 𝛼 = 𝛽 = Hợp chất perovskite ABO 3 thuần có cấu trúc tinh thể lý tưởng như hình 5 Ô 𝛾 = 900 z y x a) b) Vị trí cation A2+(A3+) Vị trí cation B4+(B3+) Vị trí cation O2- Hình 5 Cấu trúc tinh thể của perovskite ABO 3 thuần Ở đây cation A nằm tại các mặt của hình lập... 3 có kích thước nano đã được tổng hợp và nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây Các màu sắc tự nhiên cũng như tổng hợp được của Fe 2 O 3 như màu đỏ, nâu và màu đen thì được sử dụng trong ngành sản xuất sơn, phụ gia và trong sản xuất kính màu Sắt (III) oxit còn được sử dụng làm chất xúc tác của nhiều phản ứng quan trọng của ngành công nghiệp sản xuất hoá chất, nó là chất xúc tác của phản ứng khử... 3000 𝐶 23 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA BỘT NANO 3.1 PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X (XRD) Nguyên tắc: Khi chiếu một chùm electron có năng lượng lớn vào bề mặt của đối âm cực (anot), các electron ở bề mặt của đối âm cực bị bức ra và làm xuất hiện lỗ trống Các electron ở mức năng lượng cao hơn nhảy về mức năng lượng thấp hơn để... nghiệm 31B Để tổng hợp được bột Y 0.9 Cd 0.1 FeO 3 với kích thước hạt nanomet, đơn tinh thể R R R R R R và độ đồng nhất cao, chúng ta cần phân tích và tìm kiếm các điều kiện tối ưu để tổng hợp chúng Trên cơ sở phân tích các tài liệu tham khảo chúng tôi đã sử dụng phương pháp đồng kết tủa các cấu tử từ dung dịch nước của chúng, phương pháp này đảm bảo được tính đồng nhất hoá học và hoạt tính cao của bột ferrite... thuộc vào điều kiện tổng hợp nên nó Mỗi tế bào đơn vị YFeO 3 chứa 4 ion sắt ở mỗi đỉnh nhưng các trục của 4 ion sắt hơi nghiêng so với bát diện (hình 6) Các hiện tượng biến SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 12 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc dạng của perovskite chủ yếu là ở vị trí Y3+ trong khí đó các ion Fe3+ cơ bản vẫn được giữ nguyên trong thể bát diện Các công trình nghiên cứu về tổng hợp YFeO... công nghệ nano Ngoài ra, các nhà khoa học đang 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 bằng các trang thiết bị, vũ khí nano rất tối tân mà sức công phá khiến ta không thể hình dung nổi 1.4 PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU NANO OXIT Ngày nay, để tổng hợp vật liệu nano ferrite . CHÍ MINH KHOA HÓA  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC CHUYÊN NGÀNH HÓA VÔ CƠ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Pb 2+ CỦA VẬT LIỆU NANO Y 0.9 Cd 0.1 FeO 3 . (trong trường hợp riêng, đồng kết tủa các cấu tử từ dung dịch lỏng của chúng). Với những lý do trên, em chọn đề tài: Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ ion Pb 2+ của vật liệu nano Y 0.9 Cd 0.1 FeO 3 ”. Vật liệu nano kim loại;  Vật liệu nano bán dẫn;  Vật liệu nano có từ tính;  Vật liệu nano sinh học. Hình 3. Phân loại vật liệu nano theo hình dạng Quá trình tổng