ĐIỀU CHẾ NiO, NiFe2O4 KÍCH THƯỚC NANOMET VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG

Đề tài: ĐIỀU CHẾ NiO, NiFe2O4 KÍCH THƯỚC NANOMET VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC VŨ THẾ NINH ĐIỀU CHẾ NiO, NiFe 2 O 4 KÍCH THƯỚC NANOMET VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - năm 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC Vũ Thế Ninh Điều chế NiO, NiFe 2 O 4 kích thước nanomet và định hướng ứng dụng Chuyên ngành: Hoá vô cơ Mã số: 60.44.25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Lưu Minh Đại Hà Nội – năm 2009 Lời cảm ơn! Trước tiên, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lưu Minh Đại đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản Luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Hoá học đã giúp đỡ trong quá trình học tập và bảo vệ luận văn tốt nghiệp. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh, chị đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm việc nghiên cứu, tại Phòng Vật liệu Vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài luận văn tác giả đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của Phòng thí nghiệm Hoá lý, Đai Học Sư Phạm Hà Nội I. Xin chân thành cảm ơn. Cuối cùng, Tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, và người thân trong gia đình đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu! Tác giả Luận văn Mục lục Trang Lời cảm ơn Mục lục i Mục lục các bảng ii Mục lục các hình iii Mục lục các ký hiệu, chữ viết tắt viii Mở đầu 1 Chương 1. Tổng quan 2 1.1. Giới thiệu về công nghệ nano 2 1.1.1. Một số khái niệm 2 1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano 5 1.2. Một số phương pháp điều chế vật liệu nano 8 1.2.1. Phương pháp gốm truyền thống 8 1.2.2. Phương pháp đồng tạo phức 9 1.2.3. Phương pháp đồng kết tủa 9 1.2.4. Phương pháp sol – gel 10 1.2.5. Tổng hợp đốt cháy gel polyme 11 1.3. Vật liệu NiO và NiFe 2 O 4 kích thước nanomet 12 1.3.1. Tổng hợp vật liệu 12 1.3.1.1. Vật liệu NiO 12 1.3.1.2. Vật liệu NiFe 2 O 4 13 1.3.2. Ứng dụng của NiO, NiFe 2 O 4 kích thước nanomet 14 1.3.2.1. Oxi hoá CO 15 1.3.2.2. Xử lí H 2 S 16 1.3.2.3. Oxi hoá các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi 16 Chương 2. Các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm 17 2.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu 17 2.1.1. Lựa chọn phương pháp tổng hợp vật liệu 17 2.1.2. Tổng hợp NiO và NiFe 2 O 4 kích thước nano 18 2.2. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 19 2.3. Phương pháp nghiên cứu hoạt tính xúc tác 23 2.3.1. Sơ đồ thiết bị phản ứng 23 2.3.2. Điều kiện thực hiện phản ứng 25 2.3.3. Các tham số cần xác định 25 2.3.3.1. Tốc độ không gian thể tích 25 2.3.3.2. Thông số động học 26 2.4. Phương pháp hấp phụ 27 2.4.1. Khái niệm chung 27 2.4.2. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ 28 2.4.3. Phương trình động học hấp phụ 29 2.4.4. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ langmuir 30 2.5. Phương pháp xác định ion kim loại trong dung dịch 32 Chương 3. Kết quả và thảo luận 34 3.1. Tổng hợp vật liệu NiO 34 3.1.1. Kết quả phân tích nhiệt 34 3.1.2. Lựa chọn nhiệt độ nung 35 3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel 37 3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel 38 3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol PVA/KL 40 3.1.5. Khảo sát nhiệt độ tạo gel 41 3.1.6. Một số đặc trưng của mẫu NiO tối ưu 41 3.2. Tổng hợp vật liệu NiFe 2 O 4 42 3.2.1. Kết quả phân tích nhiệt 43 3.2.2. Lựa chọn nhiệt độ nung 45 3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel 46 3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol PVA/KL 48 3.2.5. Khảo sát nhiệt độ tạo gel 49 3.2.6. Phân tích thành phần hoá học 49 3.2.7. Một số đặc trưng của mẫu NiFe 2 O 4 tối ưu 49 3.3. Định hướng ứng dụng NiO, NiFe 2 O 4 kích thước nano 50 3.3.1. Xúc tác oxi hoá VOCs 50 3.3.2. Khả năng hấp phụ As (III) trên vật liệu 56 3.3.2.1. Vật liệu hấp phụ NiO 56 3.3.2.1.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ asen 56 3.3.2.1.2. Khả năng hấp phụ asen của NiO theo mô hình Langmuir 57 3.4.2. Vật liệu hấp phụ NiFe 2 O 4 59 3.4.2.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ asen 59 3.4.2.2. Khả năng hấp phụ asen của NiFe 2 O 4 theo mô hình Langmuir 60 Kết luận chính 63 Danh mục các công trình của tác giả 64 Tài liệu tham khảo 65 Phụ lục 70 Mục lục các bảng Trang Bảng 3.1. Phần trăm về khối lượng của các nguyên tố trong mẫu NiFe 2 O 4 49 Bảng 2.3. Độ chuyển hoá etanol của vật liệu NiO theo thời gian và nhiệt độ 51 Bảng 3.3. Độ chuyển hoá etanol của vật liệu NiFe 2 O 4 theo thời gian và nhiệt độ 52 Bảng 3.4. Độ chuyển hoá etanol trên NiO và NiFe 2 O 4 theo nhiệt độ 54 Bảng 3.5. Thành phần (% thể tích) của các khí có trong hỗn hợp khí sản phẩm 55 Bảng 3.6. Nồng độ asen còn lại theo thời gian hấp phụ trên vật liệu NiO 56 Bảng 3.7. Dung lượng hấp phụ asen trên vật liệu NiO ở nồng độ khác nhau 57 Bảng 3.8. Nồng độ asen còn lại theo thời gian hấp phụ trên vật liệu NiFe 2 O 4 59 Bảng 3.9. Dung lượng hấp phụ asen trên vật liệu NiFe 2 O 4 ở nồng độ khác nhau 60 Mục lục các hình Trang Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo vật liệu 18 Hình 2.2. Sơ đồ hệ phản ứng vi dòng đo xúc tác 23 Hình 2.3. Đường cong động học biểu thị sự phụ thuộc của dung lượng 30 hấp phụ vào thời gian và nồng độ chất bị hấp phụ (C 1 > C 2 ) Hình 2.4. Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc C f /q vào C f 32 Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt DTA, TGA và DTG của mẫu NiO 34 Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo nhiệt độ nung tổng hợp NiO 36 Hình 3.3. Phổ FTIR các mẫu theo nhiệt độ nung tổng hợp NiO 37 Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo pH tạo gel Ni-PVA nung ở 600 o C 38 Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X các mẫu theo tỉ lệ mol tạo gel Ni- PVA nung ở 600 o C 39 Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu theo nhiệt độ tao gel Ni- PVA nung ở 600 o C 40 Hình 3.7. Ảnh SEM của mẫu NiO 41 Hình 3.8. Giản đồ phân tích nhiệt DTA, TGA và DTG của mẫu NiFe 2 O 4 42 Hình 3.9. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo nhiệt độ nung tổng hợp NiFe 2 O 4 43 Hình 3.10. Phổ FTIR các mẫu theo nhiệt độ nung tổng hợp NiFe 2 O 4 44 Hình 3.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo pH tạo gel 46 Hình 3.12. Giản đồ nhiễu xạ tia X các mẫu theo tỉ lệ mol tạo gel (Ni 2+ +Fe 3+ )-PVA nung ở 500 o C 47 Hình 3.13. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu theo nhiệt độ tao gel (Ni 2+ +Fe 3+ )-PVA nung ở 500 o C 48 Hình 3.14. Ảnh SEM của mẫu NiFe 2 O 4 49 Hình 3.15. Độ chuyển hoá etanol trên NiO theo thời gian và nhiệt độ 51 Hình 3.16. Độ chuyển hoá etanol trên NiFe 2 O 4 theo thời gian và nhiệt độ 52 Hình 3.17. Độ chuyển hoá etanol trong 150 phút trên vật liệu xúc tác theo nhiệt độ 54 Hình 3.18. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ trên vật liệu NiO 57 Hình 3.19. Đường đẳng nhiệt hấp phụ asen trên vật liệu NiO 58 Hình 3.20. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ trên vật liệu NiFe 2 O 4 60 Hình 3.21. Đường đẳng nhiệt hấp phụ asen trên vật liệu NiFe 2 O 4 61 Các chữ, ký hiệu viết tắt XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua SEM Kính hiển vi điện tử quét SPM Kính hiển vi đầu dò quét ASM Kính hiển vi nguyên tử lực CS Tổng hợp đốt cháy SHS Quá trình lan truyền nhiệt độ cao phát sinh trong phản ứng VOCs Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi PVA Poly vinyl alcohol TGA Phân tích nhiệt trọng lượng FTIR Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier BET Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ IR Phương pháp phổ hồng ngoại GHSV Tốc độ không gian thể tích KL/PVA Tỉ lệ kim loại lấy theo tỉ lượng trên Poly vinyl alcohol theo mol MỞ ĐẦU Khoa học nano đã bắt đầu từ thập kỷ 60 của thế kỷ trước và trong những năm gần đây khoa học và công nghệ nano phát triển, bùng nổ. Các chuyên gia dự báo rằng, công nghệ nano sẽ là một trong những nghành công nghệ đột phá, có tác dụng tích cực nhất trong vòng 25 năm tới đối với nền kinh tế thế giới. Rất nhiều phương pháp nghiên cứu hiện đại ra đời để phục vụ cho lĩnh vực này như : phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM) … Điều này sẽ tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano và đưa hướng nghiên cứu vật liệu nano thành nhiệm vụ hàng đầu. Vật liệu nano có những tính năng ưu việt như có độ bền cơ học cao, tính chất điện quang nổi trội, hoạt tính xúc tác cao … Vì vậy, vật liệu nano được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như điện tử, quang điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông cũng như sinh học, y học và môi trường. NiO và NiFe 2 O 4 (spinen) có nhiều ứng dụng trong thực tế như làm xúc tác chuyển hoá trong hữu cơ, các quá trình Reforming, vật liệu từ, làm sensor đo khí, … NiO, NiFe 2 O 4 có diện tích bề mặt lớn với kích thước cỡ vài chục nm nên có khả năng làm vật liệu xúc tác, hấp phụ cho các quá trình chuyển hoá hoàn toàn các khí độc hai CO, VOCs … Vì NiO, NiFe 2 O 4 có nhiều ứng dụng cho nên việc tìm ra một phương pháp tổng hợp hiệu quả với cách thức tiến hành đơn giản cho sản phẩm có kích thước mong muốn là hết sức cần thiết. Trong khuôn khổ bản luận văn này, chúng tôi tiến hành tổng hợp NiO, NiFe 2 O 4 kích thước nanomet và nghiên cứu khảo sát hoạt tính của vật liệu nano này. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về công nghệ nano [...]... NiO và NiFe2O4 kích thước nanomet 1.3.1 Tổng hợp vật liệu 1.3.1.1 Vật liệu NiO - E.A Souza và các cộng sự [29] đã tổng hợp vật liệu NiO và NiFeO kích thước nanomet bằng phương pháp sol - gel sử dụng tiền chất C 12H22O11 (đường mía) để tạo phức gel hình thành khi làm bay hơi nước ở 60 oC cuối cùng nung ở nhiệt độ 300, 600 hoặc 700 oC trong thời gian 2 h có thể thu được niken oxit và niken ferit kích thước. .. xác định bằng cả phương trình Scherre và ảnh hiển vi điện tử quét nằm trong khoảng 11 – 36 nm - Ying Wu và các cộng sự [28] đã công bố điều chế thành công vật liệu NiO kích thước nano bằng vài phương pháp khác nhau thì thu được tinh thể NiO kết tinh ở các hình dạng khác nhau có kích thước và phân bố khác nhau, kết quả công bố cũng chỉ ra việc điều chế bằng phương pháp sol – gel, hỗn hợp nitrat niken và. .. nước cất và etanol Bột mịn nhận được sau quá trình làm khô ở 700C trong 20 giờ Các mẫu với kích cỡ phần tử trung bình khác nhau được tạo ra bằng cách nung từ 300 0C tới 6000C trong 2 giờ ở không khí thường Phân tích nhiễu xạ tia X các mẫu bột có đường kính trung bình là 4, 5, 6, 8 và 15 nm với các mẫu nung ở 300, 400, 500 và 6000C 1.3.2 Ứng dụng của NiO, NiFe2O4 kích thước nanomet Các oxit NiO, NiFe2O4. .. đồng đều có kích thước trong khoảng 10 – 15 nm - Yọngie và các cộng sự [27] đã điều chế NiO kích thước nano dạng nan tre bằng việc sử dụng tiền chất ban đầu dạng nhũ tương nuôi cấy trong dung dịch NaCl sau khi kết tinh, rửa sạch bằng axeton làm khô và nung ở 810oC trong 1 h loại bỏ NaCl với nước, kết quả đã chỉ ra đường kính của nan tre cỡ 40 – 100nm - Lili Wu và các cộng sự [30] đã điều chế vật liệu... làm sạch vài lần với nước để khử ion dư thừa, qua phân tích và tính toán cỡ hạt của các tinh thể NiFe2O4 trung bình là 11 nm ứng với diện tích bề mặt 94 m2/g - J Azadmanjiri cùng các cộng sự [33] đã điều chế thành công NiFe2O4 kích thước nano bằng quá trình tự bắt cháy sol – gel citrate bằng cách hoà tan các muối nitrat kim loại cùng với axit citric theo tỷ lệ phân tử nitrat và citric là 1:1, điều chỉnh... nghệ nano [10] Trong công nghệ nano, nghiên cứu vàp sử dụng các hệ bao gồm các cấu tử có kích thước nanomet (10 -9 m) với cấu trúc phân tử hoàn chỉnh trong việc chuyển hoá vật chất, năng lượng và thông tin Trước đây, thuật ngữ này được sử dụng với ý nghĩa hẹp hơn, ám chỉ các kĩ thuật sản suất và đo đạc các thực thể với kích thước nhỏ hơn 100 nm Như vậy, theo định nghĩa thì công nghệ nano không phải là... như: Sự tồn tại các pha định tính, định lượng, hằng số mạng tinh thể, kích thước mạng tinh thể, sự kéo căng micro, sự kéo căng trong giới hạn mạng tinh thể do khuyết tật trong mạng tinh thể gây ra Thêm vào đó sử dụng kĩ thuật Fourier phân tích hình dạng của pic thu được sự phân bố kích thước của các vi tinh thể Sự tồn tại pha định tính, định lượng được nhận dạng chủ yếu dựa vào vị trí, cường độ, diện... hoá, phản ứng vận chuyển, sol – gel, [13; 14] Tuy nhiên, điều quan trọng nhất để tổng hợp vật liệu nano là kiểm soát kích thước và sự phân bố theo kích thước của các cấu tử hay các pha tạo thành, do đó các phản ứng thường được thực hiện trên khuôn (đóng vai trò như những bình phản ứng nano) vừa tạo ra không gian thích hợp, vừa có thể định hướng cho sự sắp xếp các nguyên tử trong phân tử hoặc giữa... cũng đang có xu thế giảm tối đa kích thước, ví dụ như một số linh kiện của thiết bị phát tia laze năng lượng lượng tử, các màn hình tinh thể lỏng đòi hỏi được chế tạo với độ chính xác cỡ vài nanomet Công nghệ nano với lĩnh vực sinh học và y học [17] Ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực sinh học để tạo ra các thiết bị cực nhỏ có thể đưa vào cơ thể để tiêu diệt virut và các tế bào ung thư, tạo ra hàng... có cấu trúc nano sẽ làm tăng hiệu suất của các phản ứng hoá học và các quá trình cháy, đồng thời sẽ làm giảm tới mức tối thiểu phế liệu và các chất khí gây hiệu ứng nhà kính Hơn nữa một nửa số dược phẩm mới đang dùng để chữa trị hiện nay đều ở dạng các hạt có kích thước micromet và không tan trong nước, nhưng nếu kích thước được giảm xuống thang nanomet thì chúng sẽ rất dễ dàng được hoà tan Vì vậy,