Nghiên cứu cấu trúc vật chất có vai trò quan trọng trong sự phát triển của nhiều ngành khoa học và kỹ thuật như vật lý, hoá học, y dược, sinh học, môi trường, địa chất khoáng sản, dầu khí … Nhờ sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và tin học nên các thiết bị phân tích hoá học cũng được hiện đại hoá, cho phép xác định nhanh chóng với độ chính xác cao các mẫu với hàm lượng rất nhỏ của các chất chứa trong mẫu phân tích. Mục đích của nghiên cứu cấu trúc vật chất trong công nghệ hoá học: Nghiên cứu thành phần, cấu trúc và tính chất của vật chất; Xác định thành phần và tính chất bề mặt của vật chất; Liên hệ giữa thành phần, tính chất vật chất với khả năng tác dụng xúc tác và hấp phụ; Chế tạo xúc tác và vật liệu mới. Trong báo cáo này, em xin trình bày sơ lược về 3 phương pháp thực nghiệm: Phân tích nhiễu xạ tia X Đo hồng ngoại FTIR. Phân tích nhiệt.
CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU PHẦN 1: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỄU XẠ TIA X 1.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.1 Phạm vi ứng dụng .3 1.1.2 Nguyên tắc hoạt động 1.1.3 Nguồn phát tia X 1.1.4 Các phương pháp phân tích 1.2 THỰC NGHIỆM 1.2.1 Thiết bị 1.2.2 Trình tự thí nghiệm .7 PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP ĐO HỒNG NGOẠI FTIR .9 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.1 Phạm vi ứng dụng .9 2.1.2 Ưu, nhược điểm phương pháp .11 2.1.3 Nguyên tắc hoạt động 12 2.2 THỰC NGHIỆM 15 2.2.1 Thiết bị 15 2.2.2 Quy trình phân tích mẫu 16 PHẦN : PHÂN TÍCH NHIỆT 17 3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17 3.1.1 Phạm vi ứng dụng 17 3.1.2 Nguyên tắc hoạt động 17 3.1.3 Các phương pháp phân tích .18 3.2 THỰC NGHIỆM 19 3.2.1 Thiết bị 19 3.2.2 Trình tự thí nghiệm 19 3.2.3 Phân tích kết .20 Lê Hữu Ninh – 13BKTHH1 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT LỜI NÓI ĐẦU Nghiên cứu cấu trúc vật chất có vai trị quan trọng phát triển nhiều ngành khoa học kỹ thuật vật lý, hoá học, y dược, sinh học, mơi trường, địa chất khống sản, dầu khí … Nhờ phát triển nhanh chóng kỹ thuật điện tử tin học nên thiết bị phân tích hố học đại hố, cho phép xác định nhanh chóng với độ xác cao mẫu với hàm lượng nhỏ chất chứa mẫu phân tích Mục đích nghiên cứu cấu trúc vật chất cơng nghệ hố học: - Nghiên cứu thành phần, cấu trúc tính chất vật chất; - Xác định thành phần tính chất bề mặt vật chất; - Liên hệ thành phần, tính chất vật chất với khả tác dụng xúc tác hấp phụ; - Chế tạo xúc tác vật liệu Trong báo cáo này, em xin trình bày sơ lược phương pháp thực nghiệm: - Phân tích nhiễu xạ tia X - Đo hồng ngoại FTIR - Phân tích nhiệt Lê Hữu Ninh – 13BKTHH1 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT PHẦN 1: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỄU XẠ TIA X 1.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương pháp phân tích XRD phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật chất dùng để phân tích nguyên tố, dựa đặc trưng thành phần hoá học vật chất axit, tâm hoạt động (số tâm, cường độ hoạt động tâm …); tính chất hố học vật liệu (cấu trúc hoá học khối vật liệu, cấu trúc hoá học bề mặt vật liệu cấu trúc chất phụ gia bề mặt) 1.1.1 Phạm vi ứng dụng - Nhận biết pha tinh thể vật liệu: khoáng, đá, hợp chất hoá học…; - Xác định cấu trúc tinh thể vật liệu nhận biết; - Các phương pháp nhận biết phân tích cấu trúc khống sét zeolit; - Phát có mặt vật liệu vơ định hình hỗn hợp tinh thể 1.1.2 Nguyên tắc hoạt động Cơ sở phương pháp nhiễu xạ tia X vật liệu bột định luật Bragg Theo đó, nhiễu xạ tính tốn tương tự phản xạ từ bề mặt phẳng sử dụng tia X đơn sắc Trong đó: n - Số nguyên; λ - Bước sóng tia X; d - Khoảng cách hai mặt phẳng song song; θ – Góc quét; 2θ – Góc nhiễu xạ XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) kỹ thuật bắn phá bề mặt photon tia X, sau tiến hành đo photoelectron nhân phát hàm số lượng electron Sự phát xạ riêng biệt nguyên tố trạng thái oxy hố Nhờ cho phép ứng dụng phân tích hố học Lê Hữu Ninh – 13BKTHH1 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT Vì lượng phát từ photoelectron tương đối nhỏ nên chiều sâu phép đo hạn chế khoảng – 20 Å Thành phần lớp bề mặt mỏng hàm số chiều sâu xác định cách quét bỏ lớp bề mặt phân tích lớp sâu Rất nhiều tính chất quan trọng vật liệu & xúc tác nghiên cứu phương pháp như: trạng thái oxy hóa cụm hoạt tính, tương tác kim loại với oxyt chất mang, thay đổi trang thái oxy hóa tác dụng hoạt hóa xúc tác hay chất tạp chất bề mặt chất độc bị hấp thụ hóa học XPS ứng dụng để đo độ phân tán pha oxyt mà phương pháp hấp phụ hóa học khơng thể xác định Chẳng hạn dùng XPS để đo độ phân tán ZrO SiO2 sau xử lý nhiệt khác nhau; hay đo độ phân tán Mo Al 2O3 SiO2 sau tiến hành oxy hoá - khử, hay sulphit hóa (Muralidhar et al 1984) 1.1.3 Nguồn phát tia X - Để nhận hình ảnh rõ nét cấu trúc vật liệu tinh thể đòi hỏi tia X gần đơn sắc tốt - Ống phát tia X phận điện tử phụ trợ tạo chùm tia X khoảng tần số giới hạn có cường độ lớn - Các lọc, gương Gobel, phận phụ trợ phần mềm điều khiển cho phép tạo chùm tia đơn sắc có tần số thích hợp phục vụ cho phép phân tích Lê Hữu Ninh – 13BKTHH1 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT a) Cơ chế tạo tia X Khi nguyên tử kích thích lượng photon đủ lớn xảy q trình ion hố ngun tử lớp electron phía Ví dụ hình vẽ, q trình ion hoá xảy lớp K electron bị bật ngoài, để lại lỗ trống lỗ trống lấp đầy electron lớp ngồi Q trình electron từ lớp ngồi chuyển vào lớp giải phóng lượng dạng xạ Bức xạ tia X b) Tạo tia X đơn sắc * Nguồn phát tia X: Anot làm kim loại tinh khiết: Cu, Co, Mo, Fe Cr thường sử dụng phổ biến * Tạo tia X đơn sắc: - Tia X khỏi ống phát chùm tia với bước sóng liên tục, đặc trưng Kα1, Kα2 Kβ Nếu khơng lọc tách chùm tia khơng xác định cực đại nhiễu xạ giản đồ chuẩn X-ray thu ứng với bước sóng Do đó, cần thiết phải tạo tia X đơn sắc, từ xác định khoảng cách hai mặt phẳng song song d thông số mạng - Có vài phương pháp sử dụng để biến đổi thành chùm tia đơn sắc sử dụng phân tích nhiễu xạ: Sử dụng lọc tia β; Sử dụng detector nhấp nháy lựa chọn theo chiều cao xung; Sử dụng detector bán dẫn rắn Si (Li); Sử dụng phát đơn sắc nhiễu xạ đơn sắc Lê Hữu Ninh – 13BKTHH1 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT 1.1.4 Các phương pháp phân tích - Chụp ảnh vật thể sở quan hệ tỷ trọng vật mức độ hấp thụ X-ray Ứng dụng y học công nghiệp; - XRF dựa đặc trưng xạ thứ cấp nguồn tia Rơnghen có lượng cao chiếu vào vật sử dụng để phân tích định lượng; - XRD Phân tích cấu trúc tinh thể 1.2 THỰC NGHIỆM 1.2.1 Thiết bị Thiết bị: Máy D8 Advance Bruker * Các ống phát tia X sử dụng Tại PTN Hố Dầu có loại ống phát tia X, ống Cu thơng dụng Ống phát làm mát nước đặt vỏ bảo vệ nhôm Cường độ tối đa 40kV/40mA, cửa sổ 10mm - Ống phát Cu, bước sóng 1,5406 Å; - Ống phát Co, bước sóng 1,78897 Å; - Ống phát Cr, bước sóng 2,2897 Å; Lê Hữu Ninh – 13BKTHH1 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT - Ống phát Mo, bước sóng 0,7093 Å * Detector Detector nhấp nháy - Độ nhạy trung bình; Làm việc có độ ổn định cao * Cửa quan sát Detector bán dẫn - Độ nhạy cao; - Điều kiện bảo dưỡng khắt khe Cửa quan sát làm từ vật liệu kính pha chì để đảm bảo an tồn cho người vận hành 1.2.2 Trình tự thí nghiệm - Nghiền mịn mẫu bột; - Lấy mẫu nghiền vào cuvet ép phẳng bề mặt; - Đặt cuvet chứa mẫu vào phận gá mẫu để định vị; - Bật máy làm mát ống phát (15 ÷ 20 phút); - Bật máy phân tích; - Bật cơng tắc nguồn cao áp; - Khởi động phần mềm điều khiển X-Ray Commander; - Cài đặt thông số để quét mẫu: + Điện áp (40 kV, 40 mA); + Góc θ: chọn góc quét hợp lý để tiết kiệm thời gian vật liệu có dải phổ khác nhau, tiến hành quét thô trước quét tinh; + Chọn bước thời gian quét để có tốc độ quét phù hợp Chọn start để ghi phổ; - Lưu file liệu phổ; Lê Hữu Ninh – 13BKTHH1 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT - Sử dụng phần mềm EVA để xử lý phổ Lê Hữu Ninh – 13BKTHH1 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP ĐO HỒNG NGOẠI FTIR Quang phổ hồng ngoại IR phương pháp áp dụng để nghiên cứu bề mặt xúc tác.Khi sử dụng cells đo chuyên biệt, người ta nghiên cứu chỗ bề mặt chất xúc tác hay vật liệu xúc tác hấp phụ đặc trưng sau: - Cấu trúc chất bị hấp phụ, chất sản phẩm, hợp chất trung gian, nghĩa hệ số tỷ lượng, điện tích, hình dáng độ che phủ bề mặt - Bản chất bề mặt xúc tác: trạng thái oxyhóa, độ axit, số tâm hoạt động, số lượng nguyên tử 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.1 Phạm vi ứng dụng - Nghiên cứu xúc tác; - Ứng dụng hữu cơ; - Dò tâm axit bề mặt (tâm Brontes tâm Lewis) cách định lượng xác định chất tâm Ví dụ: - Phổ IR phương pháp nhạy để nghiên cứu cấu trúc vật liệu zeolit: A, X, Y, ZSM-5, Mordenit, Silicagel… CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT - Sử dụng IR hấp pyridine để xác định chất tâm axit xúc tác Kỹ thuật IR nghiên cứu tính chất bề mặt xác định tam Bronsted va tâm Lewis Tâm Bronsted cm-1 Tâm Lewis cm-1 Zeolit FAU MFI MOR NH3 NH4+ Pyridin PyH+ 1475 1540 NH3L PyL 1630 1450 OH frequence (cm- Assigment ) 3650 OH hốc lớn 3550 OH sodalit 3750 3610 Silanol khơng có tính axit Trong pore 3750 3720 Silanol 3650 Silanol CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT - Sử dụng IR chân khơng để xác định nhóm OH bề mặt độ axit xúc tác zeolit Ở điều kiện thường bề mặt, pore chứa phân tử H 2O, điều làm che dao động nhóm OH bề mặt xúc tác Sử dụng hồng ngoại chân khơng ta xác định: số lượng, độ mạnh, chất tâm axit… - Dùng hấp phụ CO, NO chất dị tìm cấu trúc bề mặt xúc tác tâm kim loại, oxit kim loại chất mang, độ phân tán kim loại…; - Xác định nồng độ cấu trúc phức chất hợp chất trung gian hình thành bề mặt 2.1.2 Ưu, nhược điểm phương pháp • Ưu điểm - Phổ hồng ngoại phương pháp nhạy để nghiên cứu cấu trúc; - Phương pháp rẻ tiền dễ trang bị dễ tạo nguồn phát hồng ngoại; - Lượng mẫu sử dụng để đo nên sử dụng phương pháp để nghiên cứu vật liệu quý, hiếm; - Phương pháp không phá huỷ mẫu thời gian đo nhanh nên ứng dụng đo nhanh, đo chỗ đo trực tiếp • Nhược điểm - Rất nhiều vật liệu suốt mà tia hồng ngoại trung khơng xun qua (ví dụ muốn nghiên cứu vật liệu đựng thuỷ tinh phải lấy vật ra) nên khó định lượng hồng ngoại với mẫu lỏng khí - IR hấp phụ H2O CO2 mạnh có thay đổi moment liên kết phân tử, nên điều kiện môi trường ảnh hưởng trực tiếp tới việc đo mẫu Do phịng đo mẫu phải ổn dịnh T độ ẩm kết có độ lặp lại cao - Phương pháp đo nhạy nên phải chuẩn bị mẫu yêu cầu điều kiện chuẩn bị mẫu phức tạp cách trộn muối clorua số muối vơ khác có độ suốt tia hồng ngoại, ví dụ trộn KBr tinh khiết (độ suốt 60 %), ép viên, pha lỗng Nụol… Vì vậy, q trình chuẩn bị mẫu làm tiêu tốn thời gian, không thuận tiện CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT - Phương pháp đo độ truyền qua nên không đo số vật liệu màng Có thể khắc phục sử dụng modul đo phản xạ 2.1.3 Nguyên tắc hoạt động IR số phương pháp quang phổ dao động Dao động IR, RS kích thích hấp thụ photon, tán xạ photon tương ứng Trong trường hợp IR, xạ hồng ngoại nhìn chung nằm khoảng 4000 ÷ 400 cm -1 dùng để kích thích dao động phân tử theo loại sau: Quay, Dao động mặt phẳng, Dao động mặt phẳng Dao động riêng phân tử • Bước chuyển Phổ hồng ngoại xây dựng tương tác xạ điện từ với hệ dao động phân tử Khi phân tử hấp thụ lượng xạ hồng ngoại để chuyển từ trạng thái dao động (n = 0) lên trạng thái kích thích (n = 1), ta gọi bước chuyển (Fundamental transition) Hầu hết phân tử hấp thụ xạ điện từ vùng hồng ngoại trung 400 ÷ 4000 cm -1 để thực bước chuyển Như vậy, chiếu chùm sáng hồng ngoại đến mẫu, dải sóng xạ hồng ngoại rộng nên mẫu hấp thụ số foton với dao động nguyên tử (phân tử đó) Do đó, Detector ghi lại phổ xạ bị hấp thụ đặc trưng cho dao động phân tử So sánh phổ đồ thu với Atlat ta tìm cấu trúc vật chất mẫu • Ngun tắc FTIR - dao thoa kế Michelson Máy quang phổ hồng ngoại chuyển hoá furier (FTIR) đại gồm:một gương cố định, gương chuyển động lọc ánh sáng beam splitter(Hỡnh vẽ ).Bộ lọc vật liệu phẳng có tính chất tia sáng truyền qua tia tán xạ nhau.Một chùm tia hồng ngoại từ nguồn phát S chuyển qua phần tới gương chuyển động phần CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT tới gương cố định lọc ánh sáng Hai chùm tia hồng ngoại phản xạ lại lọc chia làm hai phần Một phần trở lại nguồn, phần qua mẫu đo tới detector Detector D nhận biết chùm sáng truyền qua chùm sáng phản xạ đồng thời từ hai gương Sự tương tác hai chùm tia cộng hưởng triệt tiêu tuỳ thuộc vào bước sóng, tần số sóng, sai khác đường quang học chúng định gương chuyển động Tia đến sau chậm qng ð(cm) (ð=2[OM-OF]) Để có phổ giao thoa, I(ð), tín hiệu detector số hoá ghi lại hàm ð • Sơ đồ chung phổ kế hồng ngoại CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT • Sơ đồ phổ kế FTIR CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT 2.2 THỰC NGHIỆM 2.2.1 Thiết bị Máy đo phổ hồng ngoại FTIR: Nicolet 6700 Spectrometer • Một số điểm Nicolet 6700 Spectrometer - Bộ đo nhanh (Smart Collector) làm cho thao tác trở nên nhanh chóng, thuận tiện với sai số cho phép Nguyên tắc: Mẫu trộn với KBr, không cần ép viên Đo phản xạ bề mặt - Cho phép đo vùng hồng ngoại gần (NIR): NIR sử dụng bước sóng ngắn (trong dải từ – 2.5 µm), tương thích với vật liệu quang thủy tinh (ứng với vùng 4000 – 10000 cm-1) Mặc dù nước bị hấp thụ vùng song yếu nhiều so với vùng hồng ngoại Tuy nhiên, phổ NIR hấp thụ bước chuyển cao bước chuyển nên peak thường yếu rộng so với phổ IR, làm thông tin thường khơng rõ ràng, tính nhạy • Buồng mơi trường (environment chamber) cho phép - Đo phổ IR chân không - Đo phổ IR hấp thụ bề mặt: Pyridin, NH3, CO… - Nghiên cứu động học phản ứng Do ảnh hưởng nước CO2 nên phổ đồ thu xuất nhiều peak chúng khiến việc đọc kết mẫu cần đo bị ảnh hưởng, gây nhầm lẫn Và để thuận tiện cho việc xử lý kết quả, người đọc kết không nghi ngờ peak lạ thu được, ta tiến hành làm cơng việc sau: - Xóa bỏ ảnh hưởng CO2 cách xóa peak thu CO2; - Làm trơn phổ đồ thu nhằm mục đích đọc kết rõ ràng tăng tính thẫm mỹ phổ đồ; - Vì thực tế khơng có chất cho hồng ngoại truyền qua 100 % nên phổ đồ thu phải đưa 100 % IR truyền qua; Đánh dấu peak kết thu để biết cường dộ hấp thụ IR chúng, peak phải peak sắc, nhọn CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT 2.2.2 Quy trình phân tích mẫu - Chuẩn bị mẫu trắng KBr tinh khiết: ép viên muối KBr tinh khiết tiến hành đo, chọn chế độ đo mẫu trắng Sở dĩ cần thiết phải đo mẫu trắng khơng khí chứa nước CO2 hấp thụ tia hồng ngoại mạnh, đo mẫu trắng loại bỏ ảnh hưởng Các điều kiện môi trường nhiệt độ, độ ẩm tiến hành đo mẫu trắng mẫu thực phải ổn định - Nếu mẫu đo hấp phụ tia hồng ngoại mạnh phải pha lỗng mẫu, mẫu dạng bột nghiền với lượng KBr so với đo mẫu trắng dùng mẫu trắng vừa đo Nghiền thật mịn mẫu đảo trộn tốt Ép thủy lực mẫu tiến hành đo Máy tự động trừ ảnh hưởng môi trường cách so sánh kết với mẫu trắng - So sánh phổ thu với phổ chuẩn thư viện có phần mềm xác định nhóm chức mẫu Phương pháp hấp thụ hồng ngoại dùng để xác định định tính địi hỏi điều kiện đo xác ổn định Chính nhạy cảm với mơi trường, điều kiện tiến hành thí nghiệm thao tác người tiến hành đo phương pháp ứng dụng để xác định định tính CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT PHẦN : PHÂN TÍCH NHIỆT 3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương pháp phân tích nhiệt phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật chất dựa vào tính chất hố học đặc trưng vật liệu: - Cấu trúc hoá học khối vật liệu; - Cấu trúc hoá học bề mặt; - Cấu trúc chất phụ gia bề mặt 3.1.1 Phạm vi ứng dụng Phương pháp phân tích nhiệt có phạm vi ứng dụng: - Nghiên cứu thay đổi pha; - Nghiên cứu biến đổi hoá học; - Xác định số tính chất vật liệu nhiệt chuyển pha, nhiệt dung, nhiệt cháy… Furnace le p m a S 3.1.2 Nguyên tắc hoạt động Balance Máy phân tích nhiệt tương đương với thiết bị phản ứng thu nhỏ, có đầu khí vào Khi thay đổi dịng khí vào chế độ trạng thái hệ thay đổi Khi tiến hành gia nhiệt lị theo chương trình định sẵn, mẫu nghiên cứu tác dụng nhiệt xảy thay đổi khối lượng, nhiệt hàm thu nhiệt hay tỏa nhiệt, xảy phản ứng phân hủy hay chuyển pha CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT Nếu gọi thay đổi Y, Y hàm nhiều thông số Phổ biểu diễn thay đổi khối lượng hay thay đổi nhiệt lượng mẫu theo thời gian nhiệt độ gọi phổ phân tích trọng lượng TG hay nhiệt DTA (DSC) tương ứng Khi kết hợp với phân tích hợp chất khí tạo thành, ta có thơng tin xác thêm biến đổi 3.1.3 Các phương pháp phân tích Trong phân tích nhiệt, có nhiều phương pháp khác nhau: Trong đó: - TGA: Cho biết khối lượng mẫu theo thời gian nhiệt độ DTG: Là vi phân TG, xác định xác số bước khối lượng, từ cho kết số phản ứng hoá học - DSC, DTA phương pháp đo so sánh CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT + DSC: Phương pháp đo nhiệt vi sai DSC dụng Hiện sử dụng DTA để đo quét phổ, cho biết biến thiên enthalpy mẫu tích lớn nhiệt dung riêng Điện cực DSC điện cực kiểu E K (nhạy với vật liệu) nên phương pháp có độ nhạy cao + DTA: Không nhạy DSC cân cốc chứa mẫu tiếp xúc qua tiếp điểm sử dụng điện cực kiểu S B Tuy nhiên, DTA có ưu điểm chi phí rẻ nên trước hay sử Các phương pháp kết hợp với phương pháp phân tích khí phổ hồng ngoại, Rơnghen … cho kết xác 3.2 THỰC NGHIỆM 3.2.1 Thiết bị Thiết bị phân tích nhiệt: NETZSCH – STA 409 PC STA: Thiết bị đo đồng thời TG/DSC Cấu tạo: - Cân: đặt thẳng đứng (cân có cấu hình khác treo); - Bệ: chứa cân; - Lò: trái tim máy; - Bộ điều khiển; - Bộ điều nhiệt 3.2.2 Trình tự thí nghiệm Thí nghiệm đối tượng than C - Chuẩn bị mẫu: Cân mẫu cho vào cốc chứa mẫu, đặt cốc vào vị trí đóng lị - Thiết lập thơng số cho máy: tlv = 30 ÷ 800 0C (nếu tlv ≥ 810 0C: nhiệt, hệ thống tự động tắt khẩn cấp); CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT Chọn tốc độ gia nhiệt hợp lý để tránh quán tính nhiệt peak tù tăng nhiệt nhanh Trong thí nghiệm, chọn tốc độ gia nhiệt: 10 0C/min; Cân: độ nhạy 10-6 g - Nếu sử dụng khí trơ: phải đuổi hết khơng khí thiết bị (15 ÷ 30 min) - Bắt đầu chương trình chạy mẫu (tự động) 3.2.3 Phân tích kết Ví dụ 1: Lấy ví dụ kết phân tích STA: điểm bắt cháy TG /% -1.09 % DSC /(mW/mg) ↑ exo 566.989 100 6.0 5.0 90 4.0 80 -56.53 % 3.0 70 2.0 60 [1] 499.661 1.0 50 điểm tắt cháy 100 200 300 400 500 [1] 600 700 Administrator 23-12-2009 16:37 Instrument: File: Project: Identity: Date/Time: Laboratory: Operator: NETZSCH STA 409 PC/PG TB12.ssv HUT TB12 12/23/2009 2:07:47 PM PCM N.H.Hanh Sample: Reference: Material: Correction File: Temp.Cal./Sens Files: Range: Sample Car./TC: Cty KDT, 15.300 mg Al2O3,0.000 mg Al2O3 Calib new 27 01 07.tsv / Calib nhay 27107.esv 30/5.00(K/min)/700 DSC(/TG) HIGH RG / S Mode/Type of Meas.: Segments: Crucible: Atmosphere: TG Corr./M.Range: DSC Corr./M.Range: Remark: Hình 1: Ví dụ kết phân tích STA Phổ đồ STA cho biết thông số sau: - Trục hoành: nhiệt độ T, 0C; - Trục tung 1: khối lượng mẫu TG, %; DSC-TG / Sample 1/1 DSC/TG pan Al2O3 O2/30 / N2/0 000/30000 mg 000/5000 µV CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT - Trục tung 2: thay đổi nhiệt lượng DSC, mW/mg Ở đây, DSC chênh lệch nhiệt độ mẫu nghiên cứu so với mẫu chuẩn (ví dụ: Al2O3) Đánh giá: • TG - Ở khoảng 100 0C, lượng mẫu 1.09% Điều nước vật lý than (than ẩm) - Lượng mẫu rắn trình phân tích: 56.53% - Như vậy, độ tro tính: - Nhiệt độ bắt cháy: 520 ÷ 540 0C; - Nhiệt độ hết cháy: 600 – 620 0C • DSC - Khoảng 100 0C có tượng thu nhiệt trình bốc nước vật lý - Trên 100 0C xuất toả nhiệt, bắt đầu tăng mạnh 499.661 0C đạt cực đại 566.989 0C CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT Ví dụ 2: Xác định cơng thức phân tử canxi oxalat từ giản đồ phân tích nhiệt TG/DSC đây: Giản đồ TG/DSC Quan sát Giản đồ TG/DSC ta nhận thấy có q trình phân hủy mẫu canxi oxalate trình trình thu nhiệt + Quá trình thứ khoảng nhiệt độ từ 105 – 200 oC có pick đặc trưng 182,33 oC trình tách nước mẫu canxi oxalate + Quá trình thứ hai khoảng nhiệt độ từ 440 – 530 oC có pick đặc trưng 510,2 oC trình phân hủy canxi oxalate thành canxi cacbonat khí CO + Quá trình thứ ba khoảng nhiệt độ từ 645 – 770 oC có pick đặc trưng 746,0 oC trình phân hủy canxi cacbonat thành canxi oxit khí CO2 Giả sử cơng thức phân tử canxi oxalate có dạng: CaC2O4.nH2O Theo giản đồ TG/DSC khối lượng mẫu đo sau giai đoạn thứ giảm 12,38 % Có nghĩa là: m H 2O mCaC2O4 nH 2O = 12,38% ⇔ 18n = 12,38% ⇔ n = 1,0047 ≈ 128 + 18n CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT Do cơng thức phân tử canxi oxalate là: CaC2O4.H2O Ta tóm tắt phản ứng xảy theo bảng đây: Khối lượng Quá Khối lượng mẫu Phản ứng mẫu giảm CaC2O4.H2O → CaC2O4 + H2O theo lý thuyết 12,38 % CaC2O4 → CaCO3 + CO 18,98 % 19,17 % CaCO3 → CaO + CO2 30,14 % 30,12 % trình giảm thực tế 12,33 % Như công thức phân tử canxi oxalat CaC2O4.H2O hoàn toàn phù hợp với TG/DSC cho CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT ... 1: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỄU X? ?? TIA X 1.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương pháp phân tích XRD phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật chất dùng để phân tích nguyên tố, dựa đặc trưng thành phần hoá học vật. .. em xin trình bày sơ lược phương pháp thực nghiệm: - Phân tích nhiễu x? ?? tia X - Đo hồng ngoại FTIR - Phân tích nhiệt Lê Hữu Ninh – 13BKTHH1 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT... hành đo phương pháp ứng dụng để x? ?c định định tính CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT CHẤT PHẦN : PHÂN TÍCH NHIỆT 3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương pháp phân tích nhiệt phương pháp nghiên