Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu nano lafeo3 bằng phương pháp đồng kết tủa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HĨA HỌC PHẠM KHÁNH HIỀN KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO LaFeO3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA TRONG DUNG MÔI ANCOL ETHYLIC Chun ngành: Hố Vơ Cơ Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HÓA HỌC _o0o_ Tên đề tài: TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO LaFeO3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA TRONG DUNG MÔI ANCOL ETHYLIC Sinh viên thực hiện: Phạm Khánh Hiền MSSV: 42.01.106.018 Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Anh Tiến Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2020 NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU LỜI CÁM ƠN MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .11 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO 11 1.1.1 Giới thiệu hoá học nano 11 1.1.2 Công nghệ hoá học nano 13 1.1.3 Một số ứng dụng vật liệu nano công nghệ nano .15 1.2 CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU PEROVSKITE ABO3 .18 1.3 PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU NANO PEROVSKITE RFeO3 18 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP VẬT LIỆU PEROVSKITE LaFeO3 23 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU NANO LaFeO3 26 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 32 KẾT QUẢ NHIỄU XẠ TIA X (XRD) 32 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SEM, TEM 36 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VSM 37 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 PHỤ LỤC .44 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT h, k, l a, b, c d FWHM Hc Mr Ms TEM V VSM XRD : góc nhiễu xạ tia X : số Miller : số mạng tinh thể : khoảng cách hai mặt phẳng tinh thể : độ rộng bán phổ pic nhiễu xạ tia X : lực kháng từ : độ từ dư : độ từ bão hịa : kính hiển vi điện tử truyền qua : thể tích mạng tinh thể : từ kế mẫu rung : nhiễu xạ tia X ➢ DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Danh mục hình vẽ Stt Hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 2.1 2.2 10 2.3 11 2.4 12 3.1 13 3.2 14 15 ➢ Danh mục bảng biểu Stt Bảng 2.1 3.1 3.2 3.3 LỜI CÁM ƠN Trong q trình thực khố luận tốt nghiệp, em học hỏi rút nhiều kinh nghiệm cho thân, tự thực hoàn thành đề tài Để hồn thành khố luận tốt nghiệp này, em xin chân thành cảm ơn: Cảm ơn tất Q thầy Bộ mơn Hố vơ cung cấp kiến thức nền, góp ý giúp đỡ em suốt thời gian học tập khoảng thời gian làm đề tài khoá luận Đặc biệt cảm ơn Thầy Nguyễn Anh Tiến định hướng hướng dẫn em làm đề tài khố luận tốt nghiệp Em thấy vơ may mắn Thầy hướng dẫn năm học cuối Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh Cảm ơn gia đình tạo điều kiện tốt nhất, thuận lợi để em hoàn thành tốt khoá luận tốt nghiệp Cũng xin cảm ơn bạn anh chị giúp đỡ, động viên chia sẻ với em khó khăn suốt thời gian thực đề tài Với thiếu sót kiến thức kỹ thực hành thân, luận văn chắn không tránh khỏi sai sót, mong nhận góp ý Quý thầy cô bạn Xin chân thành cảm ơn!  Cuối em xin gửi lời chúc tốt đẹp đến tất người!  MỞ ĐẦU Trong thời đại công nghệ 4.0 nay, công nghệ nano ý thu hút nhiều quan tâm, nghiên cứu phát triển ứng dụng nhiều vào thực tiễn sống, sản xuất công nghiệp, đặc biệt thiết bị điện tử, cơng nghệ xử lý hố dầu, … Cịn Việt Nam, công nghệ nano nghiên cứu nhiều để ứng dụng vào thực tiễn sống nên phủ nhận tiến công nghệ Một loại vật liệu ứng dụng nhiều công nghệ nano vật liệu perovskite orthoferrite RFeO3 (R nguyên tố đất La, Y, Ho, Pr, Gd…) oxide phức hợp Lanthanum orthoferrite LaFeO loại vật liệu nghiên cứu có nhiều ứng dụng Theo cơng trình số [9, 15] vật liệu LaFeO ứng dụng làm chất xúc tác phản ứng, ứng dụng cảm biến nhạy khí cơng trình [10, 12, 13], hay ứng dụng hấp thụ ánh sáng [11, 16], … Nên việc tiếp tục nghiên cứu tổng hợp khảo sát tính chất đặc trưng vật liệu nano LaFeO3 cần thiết Có nhiều phương pháp để tổng hợp vật liệu perovskite LaFeO dạng nano phương pháp đồng kết tủa [1, 4, 5, 7], phương pháp sol-gel [3, 9, 16], phương pháp thuỷ nhiệt [17], phản ứng pha rắn [22], … Trong cơng trình [16], bột LaFeO tổng hợp phương pháp sol-gel dùng ascorbic acid làm chất hỗ trợ cho sản phẩm nano có kích thước khoảng 60 nm, cịn cơng trình [3] sản phẩm tạo có kích thước nhỏ (~ 30 nm) thay đổi chất hỗ trợ thành lòng trắng trứng – nguyên liệu thân thiện với môi trường Dựa vào việc thay đổi chất hỗ trợ từ hai cơng trình em định chọn phương pháp đồng kết tủa thay đổi môi trường nước thành môi trường ancol ethylic để tổng hợp khảo sát tính chất vật liệu LaFeO Methanol ethanol loại cồn cơng nghiệp phổ biến, dễ tìm thấy Ethanol thường sản xuất từ đường, tinh bột loại ngũ cốc methanol lại sản xuất từ vật liệu có chứa cenlulose, thường gây ngộ độc nguy hiểm cho người Ngoài ra, ethanol dung 1000 °C Các thông số mạng tinh thể perovskite LaFeO3 tính theo cơng thức (3) (4) trình bày bảng 3.2 Bảng 3.2: Thông số ô mạng tinh thể LaFeO3 sau nung 800, 900 1000 °C (t = h) LaFeO3 a, (Å) b, (Å) c, (Å) V, (Å3) Theo bảng 3.2, tăng nhiệt độ nung thơng số mạng tinh thể a, b, c thể tích mạng V mẫu thay đổi không đáng kể, cụ thể V 800 °C = 242,51 Å3; V900 °C = 243,05 Å3, V1000 °C = 240,17 Å3 thể tích mạng tinh thể giảm dần từ 242,51 Å3 (đối với mẫu nung 800 oC) xuống 240,17 Å3 (đối với mẫu nung 1000 oC) Hình 3.2: Giản đồ chồng phổ XRD mẫu LaFeO3 sau nung 800, 900 1000 °C h Như vậy, phương pháp đồng kết tủa dung môi ancol ethylic tổng hợp thành công tinh thể nano LaFeO3 Kích thước tinh thể trung bình mẫu sau nung 800, 900 1000 C h dao động khoảng D = 25,21 28,83 nm; thể tích mạng tinh thể V = 240,17 242,51 Å3 35 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SEM, TEM Hình 3.3: Ảnh SEM (a) TEM (b) vật liệu nano LaFeO3 sau nung 900 °C h Ảnh SEM TEM mẫu LaFeO sau nung 900 C h trình bày hình 3.3 Kết cho thấy mẫu vật liệu LaFeO tổng hợp có cấu tạo gồm hạt có phân cạnh mặt rõ ràng, hạt có dạng hình cầu hình cầu phân cạnh Kích thước hạt riêng lẻ phần lớn dao động khoảng 70 – 80 nm, số hạt lớn (180 – 200 nm) Ngoài ra, quan sát thấy hạt kết tụ với tạo thành đám với nhiều hình dạng kích thước khác Như vậy, việc thay dung mơi nước ancol ethylic cơng trình chưa thực cải thiện kết tụ hạt, nhiên dễ dàng thu hạt nano đơn pha orthoferrite LaFeO So sánh kết thu với kết cơng trình [4] sử dụng phương pháp đồng kết tủa dung môi nước tác nhân kết tủa NH3 5% cơng trình [5] sử dụng phương pháp đồng kết tủa dung môi nước tác nhân kết tủa Na2CO3 cho thấy, kích thích hạt tổng hợp lớn so với kích thước hạt cơng trình [4] tương đương với kích thước cơng trình [5] phân cạnh, phân mặt rõ ràng Các phương pháp, tác nhân kết tủa khác 36 ảnh hưởng đến hình dạng kích thước hạt vật liệu LaFeO tổng hợp KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VSM Hình 3.4 đồ thị đường cong từ trễ mẫu vật liệu nano LaFeO điều chế phương pháp đồng kết tủa dung môi ancol ethylic sau nung 900 °C 1h Kết cho thấy, đường cong từ trễ mẫu vật liệu nano LaFeO thu hẹp (bụng từ bé), thông số độ từ dư Mr, độ từ hoá Ms lực kháng từ Hc thể bảng 3.3 cho thấy vật liệu LaFeO3 có lực kháng từ nhỏ (Hc = 61,051 Oe) từ độ Magnetization (memu) giữ lại H = thấp (Mr = 0,0209 emu/g) Field (Oe) Hình 3.4: Đường cong từ trễ vật liệu nano LaFeO3 sau nung 900 oC h 37 Các thơng số đặc trưng cho từ tính ứng với khối lượng mẫu khảo sát tính tốn trình bày bảng 3.3 Bảng 3.3: Các đặc trưng từ tính vật liệu nano LaFeO3 sau 1h nung mẫu Giá trị Hc, Oe LaFeO3 61,051 Trong cơng trình [4], hạt nano LaFeO kích thước ~ 50 ÷ 70 nm tổng hợp phương pháp đồng kết tủa dung mơi nước có giá trị đặc trưng từ tính H c = 42,53 Oe, Mr = 0,01 emu/g (nhỏ so với vật liệu nano LaFeO tổng hợp cơng trình này), giá trị độ từ hố bão hồ lại lớn M s = 0,24 emu/g Sự khác biệt phần giải thích từ trường cực đại mẫu LaFeO công trình [4] 15000 Oe, từ trường cực đại cơng trình 5000 Oe (do hạn chế kĩ thuật đo máy từ kế mẫu rung) Hay cơng trình [3], vật liệu LaFeO tổng hợp o phương pháp sol - gel, sau nung 600 C vật liệu có kích thước ~ 27 nm, H c = o 150,37 Oe, Mr = 0,171 emu/g Ms = 0,737 emu/g, nung 700 C vật liệu có kích o thước ~ 30 nm, Hc = 125,34 Oe, Mr = 0,125 emu/g Ms = 0,535 emu/g, 800 C kích thước ~ 32 nm đặc trưng từ tính giảm dần H c = 87,17 Oe, Mr = 0,07 emu/g, Ms = 0,316 emu/g Theo kết từ cơng trình [3,4] kết thực nghiệm vật liệu LaFeO3, đặc trung từ tính (M r, Ms, Hc) giảm theo chiều tăng kích thước tinh thể, ví dụ tương ứng với cơng thức sau lực kháng từ [4] Hc (Oe) = A/d + D Trong đó, A, D số phụ thuộc vào nồng độ tạp chất; d đường kính hạt với điều kiện hạt xem hình cầu 38 Như vậy, tuỳ thuộc vào điều kiện tổng hợp đặc trưng cấu trúc khác vật liệu nano perovskite LaFeO3 thuộc nhóm vật liệu từ mềm (Hc < 100 Oe) đề tài hay cơng trình [4] vật liệu từ cứng (H c > 100 Oe) cơng trình [3] ứng dụng lĩnh vực khác làm lõi biến thể, lõi nam châm điện, cảm biến đo từ trường, cuộn cảm, lõi dẫn từ (đối với vật liệu từ mềm) dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu hay sử dụng làm vật liệu ghi từ ô đĩa cứng, băng từ (đối với vật liệu từ cứng) 39 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong khoá luận này, tổng hợp vật liệu nano perovskite LaFeO phương pháp đồng kết tủa dung môi ancol ethylic thông qua giai đoạn thuỷ phân cation La3+ Fe3+ với tác nhân kết tủa dung dịch NH % dung môi ancol ethylic Kết thu tóm tắt sau: Vật liệu LaFeO3 đơn pha perovskite tạo thành sau nung kết tủa 800, 900 1000 oC 1h Các thơng số cấu trúc: kích thước tinh thể (DXRD) = 25,21 28,83 nm, thể tích ô mạng tinh thể (V) = 240,17 242,51 Å3 Các hạt LaFeO3 tổng hợp có dạng hình cầu hình cầu phân cạnh, phân mặt với phần lớn hạt có kích thước khoảng 70 – 80 nm Mẫu vật liệu nano LaFeO3 sau nung 900 °C có đặc trưng từ tính Hc = 61,051 Oe, Mr = 0,0209 emu/g Ms = 0,1352 emu/g, thể tính chất vật liệu từ mềm Do điều kiện thực nghiệm thời gian gấp rút nên đề tài chưa thực hoàn thiện Nếu tiếp tục nghiên cứu, sẽ: Khảo sát khả hấp phụ, xúc tác vật liệu LaFeO3 Khảo sát ảnh hưởng pH, nhiệt độ, nồng độ chất hấp phụ chất bị hấp phụ đến khả hấp phụ vật liệu Khảo sát tính ứng dụng thực tiễn vật liệu LaFeO3 chế tạo vào việc xử lý phosphat nước 40 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Xuân Lập, Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Y0.8La0.2FeO3 phương pháp đồng kết tủa, Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, 2012 Đỗ Thị Anh Thư (2011), Chế tạo nghiên cứu tính chất cảm biến nhạy cồn sở vật liệu oxit perovskite, Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu, Viện Khoa học vật liệu Nguyễn Anh Tiến, Nguyễn Thị Minh Thúy, Tổng hợp vật liệu nano từ tính LaFeO3 phương pháp sol-gel sử dụng lịng trắng trứng, Tạp chí hóa học T.53 (3) 327 - 331, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, 2015 Nguyễn Anh Tiến, Phan Phước Hoài Nhân, Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano từ tính LaFeO3 phương pháp đồng kết tủa, Tạp chí Khoa học Trường Đại Học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh số (81), 2016 Trần Minh Hảo, Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano La1-x SrxFeO3 phương pháp đồng kết tủa, Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại Học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh, 2013 Lưu Thị Hồng Duyên, Tổng hợp vật liệu nano từ tính Y1- xCaxFeO3 khảo sát khả hấp phụ ion Pb2+ chúng, Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại Học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh, 2013 Trần Thị Mai Xuân, Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano từ tính Y1-xSrxFeO3 (x = 0.1 0.2) phương pháp kết tủa hoá học, Khoá luận tốt nghiệp Trường Đại Học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh, 2013 TS Phan Thị Hồng Oanh (2010 -2011), Chun đề Phân tích cấu trúc vật liệu vơ cơ, Trường Đại Học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh Reza Abazari, Soheila Sanati, Perovskite LaFeO3 nanoparticles synthesized by the reverse microemulsion nanoreactors in the presence of aerosol-OT: Morphology, 41 crystal structure, and their optical properties, Superlattices and Microstructures, Volume 64, 148 – 157 (2013) 10 Huihui Zhang, Peng Song, Dan Han, Qi Wang, Synthesis and formaldehyde sensing performance of LaFeO3 hollow nanospheres, Physica E: Lowdimensional Systems and Nanostructures, Volume 63, 21-26 (2014) 11.Fa-tang Li, Yinh Liu, Zhi-min Sun, Rui-hong Liu, Cheng-guang Kou, Ye Zhao, Di-shun Zhao, Facile preparation of porous LaFeO3 nanomaterial by selfcombustion of ionic liquids, Materials Letters, Volume 65, 406 - 408 (2011) 12 Anna Cyza, Agniesz Kopia, Łukasz Cieniek, Jan Kusiński, Structural Characterization of Sr Doped LaFeO3 Thin Films Prepared By Pulsed Electron Deposition Method, materialstoday: Proceedings, Volume 3, 2707 – 2712 (2016) 13.L Ma, S Y Ma, Z Qiang, X.L.Xu, Q.Chen, H.M Yang, H Chen, Q Ge, Q.Z Zeng, B.Q Wang, Preparation of Co-doped LaFeO3 nanofibers with enhanced acetic acid sensing properties, Materials Letters, Volume 200, 47 – 50 (2017) 14 https://dantri.com.vn/khoa-hoc-cong-nghe/cong-nghe-hoi-nano-co-the-khu- virus-corona-tren-cac-be-mat-trong-70-ngay-20200327172107600.htm 15 Mudi Wu, Shiyi Chen, Wenguo Xiang, Oxygen vacancy induced performance enhancement of toluene catalytic oxidation using LaFeO3 perovskite oxides, Chemical Engineering Journal, Volume 387, 2020 16.W Azouzi, W Sigle, H Labrim, M Benaissa, Sol-gel synthesis of nanoporous LaFeO3 powders for solar applications, Materials Science in Semiconductor Processing, Volume 104, 2019 17 Mohammad Mesbah, Soudabeh Hamedshahraki, Shahin Ahmadi, Mostafa Sharifi, Chinenye Adaobi Igwegbe, Hydrothermal synthesis of LaFeO3 nanoparticles adsorbent: Characterization and application of error functions for adsorption of fluoride, MethodsX, Volume 7, 2020 42 18 Thi To Nga Phan, Aleksandar N Nikoloski, Parisa Arabzadeh Bahri, Dan Li, Optimizing photocatalytic performance of hydrothermally synthesized LaFeO3 by tuning material properties and operating conditions, Journal of Environmental Chemical Engineering, Volume 6, 1209 – 1218 (2018) 19 https://www.thiennhien.net/2017/04/19/cong-nghe-nano-se-giup-hang-ty- nguoi-co-nuoc-sach/ 20 http://vnckd.dlu.edu.vn/vi/gioi-thieu-9dd49/nghien-cuu-che-tao-va-ung-dung- vat-lieu-nano-1fab6 21 http://sieuthidungmoi.com.vn/Tin-tuc/Dung-moi-la-gi.aspx 22 Jung, Yujin Sim, Inchan Yang, Dahye Kwon, Jeong-Myeong Ha, Ji Chul Preparation of LaAlO3 perovskite catalysts by simple solid-state method for oxidative coupling of methane, Catalysis Today, 2019 43 PHỤ LỤC 1.1 Measurement Conditions: (Bookmark 1) LaFeO3_800C Dataset Name File name F:\LVTN\2020\Luan van sinh vien\Pham Khanh Hien_LaFeO3_C2H5OH\LaFeO3_XRD\LaFeO3_800C.raw Counts LaFeO3_800C 200 100 10 Position [°2Theta] (Copper (Cu)) 1.2 Peak List: (Bookmark 3) 44 This is the simple example template containing only headers for each report item and the bookmarks The invisible bookmarks are indicated by text between brackets Modify it according to your own needs and standards Counts 200 100 10 1.1 Peak List: (Bookmark 3) 45 1.1 Measurement Conditions: (Bookmark 1) Dataset Name LaFeO3_1000C File name F:\LVTN\2020\Luan van sinh vien\Pham Khanh Hien_LaFeO3_C2H5OH\LaFeO3_XRD\LaFeO3_1000C.raw Counts LaFeO3 _1000C 300 200 100 10 1.2 Peak List: (Bookmark 3) 46 47 ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HĨA HỌC _o0o_ Tên đề tài: TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO LaFeO3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA TRONG... tục nghiên cứu tổng hợp khảo sát tính chất đặc trưng vật liệu nano LaFeO3 cần thiết Có nhiều phương pháp để tổng hợp vật liệu perovskite LaFeO dạng nano phương pháp đồng kết tủa [1, 4, 5, 7], phương. .. VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP VẬT LIỆU PEROVSKITE LaFeO3 23 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU NANO LaFeO3 26 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 32 KẾT