Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp thụ 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 HĨA  PHẠM THÁI NGỌC THẢO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC CHUN NGÀNH HĨA VƠ CƠ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Pb2+ CỦA VẬT LIỆU NANO Y0.9Cd0.1FeO3 TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HĨA  KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC CHUYÊN NGÀNH HÓA VÔ CƠ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Pb2+ CỦA VẬT LIỆU NANO Y0.9Cd0.1FeO3 GVHD: Thầy MAI VĂN NGỌC SVTH: PHẠM THÁI NGỌC THẢO TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc LỜI CẢM ƠN  Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Mai Văn Ngọc thầy Nguyễn Anh Tiến nhận tận tình hướng dẫn em suốt trình thực khóa luận tốt nghiệp Em xin bày tỏ lời cảm ơn đến q thầy Khoa Hóa Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh giảng dạy em suốt năm qua, kiến thức mà em nhận giảng đường đại học hành trang giúp em vững bước tương lai Cảm ơn ba mẹ, bạn bè, người thân kịp thời ủng hộ động viên giúp đỡ em vượt qua khó khăn Do trình độ thời gian nghiên cứu có hạn, luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong góp ý dẫn q thầy bạn bè để khóa luận hồn thiện Xin trân trọng cảm ơn TP HCM, tháng năm 2012 SVTH Phạm Thái Ngọc Thảo SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương CÁC ĐẶC TRƯNG CHUNG VỀ HẠT NANO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHÚNG 1.1 HẠT NANO VÀ VẬT LIỆU NANO 1.2 SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ BỘT NANO OXIT 1.3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO 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 11 1.5.1 Vật liệu ABO 11 1.5.2 Vật liệu ABO biến tính 12 1.6 VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ YFeO 12 Chương 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 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 THỰC NGHIỆM – KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 29 4.1 TỔNG HỢP BỘT NANO Y 0.9 Cd 0.1 FeO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA 4.1.1 Hóa chất 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 TỔNG HỢP THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA 30 KẾT LUẬN – ĐỀ XUẤT 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại ngày nay, cơng nghệ nano coi hướng nghiên cứu thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học nhà đầu tư công nghiệp ứng dụng to lớn mà mang lại sản xuất thiết bị dùng công nghiệp, điện tử, viễn thông, an ninh quốc phòng, y dược Các thiết bị ứng dụng cơng nghệ nano ngày nhỏ hơn, xác so với thiết bị sản xuất cơng nghệ micro trước Do ứng dụng kỳ diệu công nghệ nano, tiềm kinh tế tạo sức mạnh quân Vì lẽ giới xảy chạy đua sôi động phát triển ứng dụng công nghệ nano Không trường đại học có phịng thí nghiệm với thiết bị nghiên cứu quy mơ, mà tập đồn sản xuất tiến hành nghiên cứu phát triển lĩnh vực công nghệ Ở Việt Nam, tiếp cận với công nghệ nano năm gần có bước chuyển tạo sức hút nhà khoa học Nhà nước đầu tư khoản ngân sách lớn cho chương trình nghiên cứu cơng nghệ nano cấp quốc gia với tham gia nhà khoa học đến từ Trường Đại học, Cao đẳng, Trung học chuyên nghiệp, trung tâm Viện nghiên cứu Ngày nay, để điều chế vật liệu nano người ta thường sử dụng phương pháp như: phương pháp kết tinh cryochemical, phương pháp hoá, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp điện hố, Phương pháp hóa học điều chế vật liệu từ oxit ngày coi chiếm ưu đảm bảo tính đồng hóa học hoạt tính cao bột ferrite tạo thành Trong phương pháp chiến lược, kinh tế thân thiện môi trường coi phương pháp sol – gel (trong trường hợp riêng, đồng kết tủa cấu tử từ dung dịch lỏng chúng) Với lý trên, em chọn đề tài:“Tổng hợp khảo sát khả hấp phụ ion Pb2+ vật liệu nano Y 0.9 Cd 0.1 FeO ” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp với mong muốn đóng góp thêm số thơng tin loại vật liệu SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc Chương 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, khoa học xuất dãy từ gắn liền với hậu tố “nano” như: cấu trúc nano, công nghệ nano, vật liệu nano, hoá học nano, vật lý nano, học nano, cơng nghệ sinh học nano, hiệu ứng kích thước nano v.v Người ta công bố hàng loạt báo, cơng trình khoa học, tạp chí tổ chức nhiều hội nghị, hội thảo gắn liền với chủ đề công nghệ nano Xuất nhiều trung tâm, viện nghiên cứu, tổ môn, khoa, chuyên ngành công nghệ nano vật liệu nano Chữ “nano”, gốc Hy Lạp, gắn vào trước đơn vị đo để tạo đơn vị ước giảm tỷ lần (10-9) Ví dụ: nanogam = phần tỷ gam; nanomet = phần tỷ mét hay 1nm = 10-9 m Khoa học nghiên cứu hạt nano quan tâm chúng có tính chất vật lý, hoá học nhiều ứng dụng khác đặc biệt so với nghiên cứu hạt micro Cơng nghệ nano tổ hợp q trình chế tạo vật liệu, thiết bị máy móc hệ kỹ thuật mà chức chúng xác định cấu trúc nano, tức đơn vị cấu trúc có kích thước từ đến 100 nm Công nghệ nano xuất cầu nối số ngành khoa học (hoá học, vật lý, học, khoa học vật liệu, sinh học nhiều lĩnh vực khác khoa học), ngày sâu vào nhiều lĩnh vực đại khoa học kỹ thuật thơng qua chúng, vào đời sống Vật liệu nano vật liệu chiều có kích thước nano mét Về trạng thái vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng khí Vật liệu nano tập trung nghiên cứu nay, chủ yếu vật liệu rắn, sau đến chất lỏng khí Thơng thường vật liệu nano phân thành nhiều loại, phụ thuộc vào hình dạng, cấu trúc vật liệu kích thước chúng v.v Về mặt cấu trúc vật liệu nano phân thành loại: vật liệu nano không chiều (0D), chiều (1D), hai chiều (2D) ba chiều (3D) ( hình 2)  Vật liệu nano khơng chiều (cả ba chiều có kích thước nano, khơng cịn chiều tự cho điện tử) Ví dụ: đám nano, hạt nano v.v SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc  Vật liệu nano chiều vật liệu hai chiều có kích thước nano, điện tử tự chiều (hai chiều cầm tù) Ví dụ: dây nano, ống nano v.v  Vật liệu nano hai chiều vật liệu chiều có kích thước nano, hai chiều tự Ví dụ: màng mỏng v.v (hình 1f)  Vật liệu nano ba chiều vật liệu dạng khối cấu tạo từ hạt nano tinh thể Vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite có phần vật liệu có kích thước nm, cấu trúc có nano khơng chiều, chiều, hai chiều đan xen lẫn Hình Phân loại vật liệu nano theo số chiều Hình Cấu trúc vật liệu nano không chiều (0D), chiều (1D), chiều (2D), chiều (3D) SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc Ngồi ra, để phân biệt dạng vật liệu nano người ta dựa vào lĩnh vực ứng dụng khác chúng như:  Vật liệu nano kim loại;  Vật liệu nano bán dẫn;  Vật liệu nano có từ tính;  Vật liệu nano sinh học Hình Phân loại vật liệu nano theo hình dạng Quá trình tổng hợp cấu trúc nano khác hạt, thanh, dây, ống (hình 3) hay cấu trúc nano kì dị với đồng kích thước, hình dạng đơn pha tập trung nghiên cứu Theo đó, nhiều hệ vật liệu nano với mục đích ứng dụng khác tạo Theo quan điểm nhiều tác giả, “hạt nano” đối tượng nano khơng chiều (0D) mà kích thước tất chiều có bậc đại lượng, ngun tắc, hạt nano có dạng hình cầu Theo quan điểm lượng, giảm kích thước hạt làm tăng vai trò lượng bề mặt hạt cấu trúc Các tính chất đặc trưng vật liệu như: số điện mơi, điểm nóng chảy, chiết suất bị thay đổi giảm kích thước xuống thang nano Ngồi cịn nhiều tính chất đặc trưng khác vật liệu như: hoạt tính diện tích bề mặt; tính chất nhiệt, điện, từ, quang học, học, hóa học chí sinh học… bị thay đổi giảm kích thước đến giá trị nanomet SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc Hình Kích thước vật liệu 1.2 SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ BỘT NANO OXIT Các vật liệu nano thu bốn phương pháp phổ biến, phương pháp có ưu nhược điểm khác nhau, số phương pháp áp dụng để tổng hợp số vật liệu định mà thơi Ví dụ:  Phương pháp hóa học ướt (wet chemical): bao gồm phương pháp chế tạo vật liệu dùng hóa keo (colloidal chemistry) như: phương pháp thủy nhiệt, sol-gel kết tủa Theo phương pháp này, dung dịch chứa ion khác trộn với theo tỷ phần thích hợp, tác động nhiệt độ, áp suất, giá trị pH mơi trường làm cho tiểu phân kết dính kết tủa từ dung dịch chúng Sau trình lọc, sấy khơ nung thiêu kết ta thu vật liệu nano mong muốn Ví dụ, tài liệu [5], tác giả chế tạo thành công hạt nano Y O ZrO với kích thước 5-15 nm phương pháp hóa học ướt  Ưu điểm phương pháp hóa ướt vật liệu chế tạo đa dạng, chúng vật liệu vơ cơ, hữu cơ, kim loại Đặc điểm phương pháp rẻ tiền chế tạo khối lượng lớn vật liệu  Nhược điểm phương pháp hợp chất có liên kết bền với phân tử nước gây khó khăn việc nhiệt phân chúng  Phương pháp học (mechanical): bao gồm phương pháp tán, nghiền hợp kim học Theo phương pháp này, vật liệu dạng bột nghiền đến kích thước nhỏ Ngày nay, máy nghiền thường dùng máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay Thật vậy, tác giả Nguyễn Hoàng Hải [9] phương pháp nghiền chế tạo thành công hạt oxit sắt từ với kích thước khoảng từ 30-100 nm  Ưu điểm phương pháp học: đơn giản, dụng cụ chế tạo khơng đắt tiền chế tạo với lượng lớn vật liệu SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc λ: bước sóng xạ tia X (Fe-K α =1,7 A0, Cu-K α =1,5 A0, WR R P P R R P P K α =0,5 A0, U-K α =0,14 A0 ) R R P P R R P P k: hệ số (0.89) β: độ rộng ½ chiều cao peak sau trừ độ rộng thiết bị * Ứng dụng: Phương pháp XRD dùng để xác định cấu trúc, thành phần pha dựa số lượng, vị trí cường độ peak phổ nhiễu xạ tia X để suy đốn kiểu mạng từ xác định chất vật thể Trong đề tài phổ XRD tiến hành đo máy D8-ADVANCE-Bruker khoa Hóa – Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội 3.2 17B PHƯƠNG PHÁP KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM) Kính hiển vi điện tử quét (SEM): loại kính hiển vi điện tử tạo ảnh có độ phân giải cao bề mặt mẫu  Ưu điểm: khơng cần phá mẫu phân tích hoạt động môi trường chân không thấp  Ngun lý hoạt động: Hình 17 Kính hiển vi điện tự quét (SEM) Một chùm điện tử qua thấu kính điện tử để hội tụ thành điểm nhỏ chiếu lên bề mặt mẫu nghiên cứu Nhiều hiệu ứng xảy hạt điện tử chùm tia va chạm với bề mặt vật rắn Từ điểm chùm tia va chạm với bề mặt mẫu có nhiều loại hạt, nhiều loại tia phát (tín hiệu) Mỗi loại tín hiệu phản ánh đặc điểm mẫu điểm điện tử chiếu vào Ví dụ:  Số điện tử thứ cấp (điện tử Auger) phát phụ thuộc độ lồi lõm bề mặt mẫu  Số điện tử tán xạ ngược phát phát phụ thuộc điện tích hạt nhân Z  Bước sóng tia X phát phụ thuộc nguyên tử mẫu nguyên tố (phụ thuộc Z) Cho chùm điện tử quét mẫu, đồng thời quét tia điện tử hình đèn hình cách đồng bộ, thu khuyết đại tín hiệu mẫu phát để làm thay đổi cường độ sáng tia điện tử quét hình ta thu ảnh SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 25 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc Cho tia điện tử quét ảnh với biên độ d nhỏ (cỡ mm hay µm) cịn tia điện tử qt hình với biên độ D lớn (bằng kích thước hình) ảnh có độ phóng đại D/d Độ phóng đại kính hiển vi điện tử qt thơng thường từ vài ngàn đến vài trăm ngàn lần Năng suất phân giải phụ thuộc vào đường kính chùm tia điện tử hội tụ chiếu lên mẫu Với súng điện tử thơng thường (sợi đốt dây vonfram uốn hình chữ V), suất phân giải nm kiểu ảnh điện tử thứ cấp Như thấy chi tiết thô công nghệ nano Những kính hiển vi điện tử tốt có súng phát xạ trường, kích thước chùm điện tử chiếu vào mẫu nhỏ 0,2 nm, lắp thêm nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược để quan sát hạt cỡ nm theo dõi cách xếp nguyên tử hạt nano Trong đề tài này, ảnh SEM chụp máy FE SEM- S4800 Phịng phân tích hóa học hóa nước, Trung tâm phân tích vật liệu đánh giá hư hỏng, Viện khoa học vật liệu – Hà Nội 3.3 18B PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KHỐI LƯỢNG NHIỆT (TG) Phương pháp phân tích khối lượng nhiệt (TGA) phương pháp khảo sát thay đổi khối lượng chất theo nhiệt độ chất đặt lị nung có chương trình thay đổi nhiệt độ kiểm sốt cách chặt chẽ Nhiệt độ nung lên đến 1600°C Mẫu nối với cân nhiệt để cân mẫu liên tục trình nung Để liên tục phát thay đổi mẫu trình nung, chén đựng mẫu phải nối kết với cân nhiệt Đường cong TG giúp ta xác định độ bền nhiệt chất, phản ứng xảy trình phân hủy nhiệt chất đồng thời xác định độ tinh khiết chất Nhiều chất có phản ứng khối lượng xảy liên tục khoảng nhiệt độ đó, nên dùng đường cong TG phát có phản ứng xảy khoảng nhiệt độ Vì cần dùng thêm đường DTG, đường cong đạo hàm bậc khối lượng mất, biểu diễn tốc độ thay đổi SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 26 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc khối lượng chất Các phản ứng có tốc độ thay đổi khối lượng khác cho peak khác đường DTG Quá trình phân hủy nhiệt mẫu đề tài thực máy STA 409 PC-NETZSCH đặt khoa Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa TP HCM PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ 3.4 19B Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử dựa hấp phụ chọn lọc xạ cộng hưởng nguyên tử trạng thái tự nguyên tố cần xác định Đối với nguyên tố vạch công hưởng vạch quang phổ nhạy phổ phát xạ nguyên tử nguyên tố Như để thu phổ hấp thụ nguyên tử nguyên tố cần phải thực trình sau:  Thực trình hóa ngun tử hóa mẫu tạo đơn nguyên tử Điều thực nhiệt độ cao nhờ nguồn nhiệt lửa đèn khí: phun dung dịch chứa chất phân tích trạng thái aerosol vào lửa đèn khí Hoặc phương pháp khơng lửa: nhờ tác dụng nhiệt lị graphite Trong điều kiện nhiệt độ không cao (15000C – 30000C) đa số nguyên tử P P P P tạo thành trạng thái Đám ngun tử mơi trường hấp thụ xạ sinh phổ hấp thụ nguyên tử  Chiếu chùm tia xạ đặc trưng nguyên tố cần phân tích qua đám nguyên tử vừa điều chế Chùm tia xạ phát từ đèn cathode rỗng (đèn HCL) hay đèn phóng điện khơng phân cực (EDL) làm từ nguyên tố cần xác định Do nguyên tử tự hấp thụ xạ cộng hưởng nên cường độ chùm xạ qua mẫu giảm Sự hấp phụ tuân theo định luật Lamber- BeerBouger: Trong đó: U A: độ hấp thu I 0λ , I 1λ : cường độ xạ trước sau bị nguyên tử hấp thụ R R R R bước sóng λ ε: hệ số hấp thu nguyên tử tùy thuộc vào nguyên tố bước sóng bước sóng λ l: độ dày lớp nguyên tử SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 27 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc N: nồng độ nguyên tử chất phân tích lớp  Phương pháp ngun tử hóa lửa  Nguyên tắc: phương pháp người ta dùng lượng nhiệt lửa đèn khí để hóa ngun tử hóa mẫu phân tích Các loại đèn khí ứng dụng nhiều phép đo AAS là: lửa C H /khơng khí, N O/C H , R R R R R R R R R R hay C H /O Phương pháp nguyên tử hóa định lượng hầu hết kim loại R R R R R R (khoảng 65 nguyên tố) số kim As, Si, Se, Te Muốn đo phổ hấp thụ F-AAS, trước hết chuẩn bị mẫu phân tích dạng dung dịch Sau dẫn mẫu vào đèn khí để hóa nguyên tử hóa nguyên tố cần phân tích thành đám nguyên tử Một đèn HCL phát tia đơn sắc đặc trưng cho nguyên tố cần đo xuyên qua nguyên tử Đo độ hấp thụ vào đường chuẩn để xác định hàm lượng nguyên tố mẫu  Ứng dụng xác định Pb: nguồn nguyên tử hóa lửa sử dụng hỗn hợp khí: khơng khí/acetylene, tốc độ dịng đo bước sóng 283,3 nm phương pháp cho phép xác định trực tiếp Pb đến nồng độ 0,04 mg/l với giới hạn phát 0,01 mg/l Các chất gây nhiễu chủ yếu nồng độ cao Al, Si, Sr, Mg Ca Bước sóng 283,3 nm thường sử dụng để đo phổ hấp thụ chì Các bước sóng 217 nm 261,4 nm sử dụng Trong đề tài xác định Pb2+ tiến hành đo Trường Đại học Khoa học P P Tự nhiên TP HCM SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 28 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc Chương THỰC NGHIỆM – KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 4B TỔNG HỢP BỘT NANO Y 0.9 Cd 0.1 FeO BẰNG PHƯƠNG PHÁP 4.1 20B R R R R R R ĐỒNG KẾT TỦA 4.1.1 Hóa chất dụng cụ 30B Muối Fe(NO ) ·9H O , YCl ·6H O , CdCl H O, Na CO , nước cất, R R R R R R R R R R R Pb(NO ) R R R R R R R R R R Cốc thuỷ tinh loại 1000 ml, cốc thuỷ tinh loại 50 ml, pipet loại 50 ml 10 ml, máy hút chân khơng, cuvet, phễu lọc, giấy lọc, bình định mức 100 ml, bếp điện, máy khuấy từ gia nhiệt, lò nung Wise Therm, chén nung… 4.1.2 Phương pháp thực nghiệm 31B Để tổng hợp bột Y 0.9 Cd 0.1 FeO với kích thước hạt nanomet, đơn tinh thể R R R R R R độ đồng cao, cần phân tích tìm kiếm điều kiện tối ưu để tổng hợp chúng Trên sở phân tích tài liệu tham khảo chúng tơi sử dụng phương pháp đồng kết tủa cấu tử từ dung dịch nước chúng, phương pháp đảm bảo tính đồng hố học hoạt tính cao bột ferrite tạo thành Nhỏ từ từ hỗn hợp dung dịch muối YCl , R R CdCl Fe(NO ) với tỉ lệ mol tương ứng : : 10 R R R R R R vào cốc nước sôi Sau cho hết muối vào ta đun sôi thêm – phút nữa, trường hợp dung dịch có màu nâu đỏ khơng đổi màu để nguội đến nhiệt độ phòng Dung dịch nhận để nguội đến nhiệt độ phịng, sau nhỏ từ từ dung dịch Na CO vào để kết tủa hết cation R R R R dung dịch Kết tủa thu thí nghiệm khuấy máy khuấy từ khoảng thời gian 15 – Hình 18 Mơ tả thí nghiệm 20 phút Sau lọc kết tủa máy hút chân không rửa kết tủa nước cất vài lần đem phơi khơ nhiệt độ phịng đến khối lượng khơng đổi SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 29 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc Kết tủa (dạng bột) nhận đem nung ngồi khơng khí lò nung (Wise Therm) từ nhiệt độ phòng đến khoảng nhiệt độ khác để kiểm tra hoàn thiện việc kết tinh tạo pha đồng CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT HĨA LÝ CỦA BỘT NANO 4.2 21B Y 0.9 Cd 0.1 FeO TỔNG HỢP THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA R R R R R R Hình 19 Đồ thị đường cong phân tích nhiệt khối lượng (TGA) mẫu bột điều chế theo U U phương đồng kết tủa cấu tử nước sôi Từ đồ thị đường cong phân tích nhiệt khối lượng (TGA) (hình 19), ta thấy độ hụt khối lượng mẫu chiếm khoảng 36% khối lượng chủ yếu xảy ba vùng nhiệt độ: (I) – từ nhiệt độ phòng đến 2500C; (II) – từ 2500C đến 5000C (III) – P P P P P P từ 5000C đến khoảng 6000C P P P P Sự khối lượng mẫu vùng (I) giải thích q trình bay nước bề mặt mẫu, vùng (II) (III) nước CO trình nhiệt R R phân Fe(OH) , Y (CO ) CdCO R R R R R R R R R R Sự khối lượng xảy nhiệt độ từ 6000C đến 10000C khơng đáng kể (< P P P P 1%) khuyết thiếu oxi ion Cd2+ thay nút mạng Y3+ tinh thể P P P P YFeO Từ 6000C ta thấy đường cong phân tích nhiệt khối lượng nằm ngang, R R P P chứng tỏ chuyển thành pha Y 0.9 Cd 0.1 FeO từ oxit tương ứng bắt đầu xảy R SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo R R R R R 30 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc 6000C Điều lần khẳng định phương pháp nhiễu xạ tia X P P (XRD) Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau B1 1200 1100 d=2.687 1000 900 800 Lin (Cps) 700 600 500 d=1.349 d=1.439 d=1.567 d=1.589 d=1.702 d=2.773 d=1.909 d=1.896 d=1.870 d=1.853 d=2.107 d=2.159 100 d=2.274 d=3.798 200 d=3.045 d=3.405 300 d=1.533 d=2.626 400 60 50 40 30 20 2-Theta - Scale File: Thao TpHCM mau B1.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 14 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 01-086-0171 (C) - Yttrium Iron Oxide - YFeO3 - Y: 50.45 % - d x by: - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 5.58770 - b 7.59510 - c 5.27430 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pnma (62) 00-043-1036 (C) - Yttrium Oxide - Y2O3 - Y: 6.85 % - d x by: - WL: 1.5406 - Cubic - a 10.60400 - b 10.60400 - c 10.60400 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - Ia-3 (206) - 16 - Hình 20 Phổ XRD Y0,9Cd0,1FeO3 sau nung 650oC 30 phút Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau B2 d=2.701 400 200 d=1.350 d=1.446 d=1.595 d=1.571 d=1.708 d=1.918 d=1.901 d=1.870 d=1.859 d=2.117 d=2.069 d=2.167 d=2.383 d=2.280 d=2.239 d=3.062 d=2.790 d=3.423 100 d=2.637 d=1.536 Lin (Cps) 300 20 30 50 40 60 2-Theta - Scale File: Thao TpHCM mau B2.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 01-086-0171 (C) - Yttrium Iron Oxide - YFeO3 - Y: 38.66 % - d x by: - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 5.58770 - b 7.59510 - c 5.27430 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pnma (62) 00-043-1036 (C) - Yttrium Oxide - Y2O3 - Y: 5.30 % - d x by: - WL: 1.5406 - Cubic - a 10.60400 - b 10.60400 - c 10.60400 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - Ia-3 (206) - 16 - Hình 21 Phổ XRD Y0,9Cd0,1FeO3 sau nung 700oC 30 phút SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 31 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau B3 d=2.705 600 500 d=1.351 d=1.443 d=1.413 d=1.594 d=1.571 d=1.642 d=1.674 d=1.711 d=1.918 d=1.901 d=1.875 d=1.861 d=2.017 d=2.174 d=2.281 d=2.118 d=2.792 d=3.070 d=3.817 d=4.334 100 d=3.432 200 d=1.538 300 d=2.640 Lin (Cps) 400 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale File: Thao TpHCM mau B3.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 10 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 01-086-0171 (C) - Yttrium Iron Oxide - YFeO3 - Y: 47.89 % - d x by: - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 5.58770 - b 7.59510 - c 5.27430 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pnma (62) 00-043-1036 (C) - Yttrium Oxide - Y2O3 - Y: 4.49 % - d x by: - WL: 1.5406 - Cubic - a 10.60400 - b 10.60400 - c 10.60400 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - Ia-3 (206) - 16 - Hình 22 Phổ XRD Y0,9Cd0,1FeO3 sau nung 750oC 30phút Hình 23 Phổ XRD Y0.9Cd0.1FeO3 sau nung 650oC, 700oC, 750oC 30 phút SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 32 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc Thật vậy, kết phân tích mẫu phương pháp XRD (hình 20, 21, 22) cho thấy sau nung mẫu 650, 700 hay 7500C với thời gian nung 30 phút P P quan sát thấy phase tinh thể chung tương ứng với thành phần phase hóa học YFeO tạo thành R R Tuy nhiên, khoảng cách mạng thu lớn so với khoảng cách mạng phase orthorombic YFeO tổng hợp theo phương pháp sol-gel [8] Điều này, R R giải thích bán kính ion Cd2+ lớn so với Y3+ (Y3+ = 0,94 Å, Cd2+ = P P P P P P P P 0,974 Å) làm tăng khoảng cách mạng d Ngoài ra, giản đồ XRD không quan sát thấy phase tạp chất Fe O , YOCl, CdO, Y O điều khẳng định pha R R R R R R R R tạp kim loại Cd mạng YFeO hồn thiện R R Bảng Kết phân tích nhiễu xạ tia X mẫu Y Cd FeO U U R № peak hình 23 YFeO [8] d; [Å] Y 0.9 Cd 0.1 FeO (750oC) R R R R R 3,4096 3,423 R R R P P 2,6915 2,705 RR R 1,7073 1,711 R RR R R 1,5345 1,538 Chú ý: Bảng trích số peak mẫu nung 750oC để minh họa P P Cùng với đường cong phân tích nhiệt, giản đồ XRD cho ta thấy tăng nhiệt độ từ 650 lên 700 hay 750oC thành phần hóa học pha quan sát P P không thay đổi (YFeO ) khơng xuất pha tạp chất khác Các peak R R tương ứng nhiệt độ khác trùng khít trùng với peak chuẩn Tóm lại, q trình hình thành đơn pha Y 0.9 Cd 0.1 FeO từ tiền chất R R R R R R miêu tả phương trình phản ứng hóa học thơng qua giai đoạn sau: Giai đoạn 1: trình kết tủa hidroxides Fe(OH) muối Y (CO ) , R R R R R R R R CdCO tác nhân kết tủa dung dịch Na CO : R R R R R R 2Fe(NO ) + 3Na CO + 3H O→ 2Fe(OH) + 3CO + 6NaNO R R R R R R R R R R R R R R R 2YCl + 3Na CO → Y (CO ) + 6NaCl R R R R R R R R R R R R CdCl + Na CO → CdCO + 2NaCl R R R R R R R R Giai đoạn 2: trình phân huỷ hidroxides Fe(OH) muối Y (CO ) , R R R R R R R R CdCO nung mẫu nhiệt độ cao, tạo thành oxit tương ứng: R R 2Fe(OH) → Fe O + 3H O R R R R R R R R Y (CO ) → Y O + 3CO R R R R R R R R R R R CdCO → CdO + CO R R R Giai đoạn 3: trình kết hợp sắt (III), yttrium cadmium oxit nhiệt độ cao tạo thành ferrite: SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 33 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc 𝑡0 𝐶 Fe O + 0,9Y O + 0,2CdO �⎯� 2Y 0,9 Cd 0,1 FeO 3±δ R R R R R R R R R R R R R Chụp mẫu kính hiển vi điện tử quét (SEM), ta thấy kích thước hạt tạo thành sau nung mẫu nhiệt độ 650, 700 hay 750oC (t = 1h30’) không vượt 60 P P nm Các hạt tạo thành đồng hình cầu hình cầu phân cạnh yếu Khi tăng nhiệt độ (Δt = 50 hay 100oC) kích thước hạt phát triển khơng đáng kể P P Hình 24 Ảnh SEM mẫu bột sau nung 650°C (t = 1h30’) Hình 25 Ảnh SEM mẫu bột sau nung 700°C (t = 1h30’) Hình 26 Ảnh SEM mẫu bột sau nung 750°C (t = 1h30’) Chì kim loại nặng độc hại Nguyên nhân gây ô nhiễm kim loại nặng nói chung, chì nói riêng, nguồn nước nước thải từ nhà máy mạ điện, nhà máy khí, nhà máy sản xuất pin, ắc quy gốm sứ chưa xử lý xử lý chưa triệt để đổ môi trường Khi sử dụng nguồn nước có hàm lượng Pb2+ P P lớn thời gian dài ảnh hưởng đến sức khỏe, mà cịn sinh số bệnh nguy hiểm Việc nghiên cứu xử lý chì mơi trường nước thu hút ý nhiều phịng thí nghiệm nước quốc tế Trong tài liệu, có nhiều phương pháp tách loại chì, phương pháp hấp phụ, phương pháp vi sinh Tuy nhiên xử lý phương pháp giá thành cao khơng triệt để Vì vậy, việc SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 34 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc nghiên cứu, khảo sát tìm vật liệu xử lý kim loại nặng độc hại nói chung chì nói riêng nước cách có hiệu quả, thân thiện với môi trường đề tài có ý nghĩa khoa học thực cần thiết Một vật liệu xử lý nhanh hiệu sử dụng bột nano, sản phẩm công nghệ ý nghiên cứu Trong khóa luận này, chúng tơi bước đầu nghiên cứu khả hấp phụ ion Pb2+ P P nước vật liệu nano Y 0.9 Cd 0.1 FeO điều chế phương pháp đồng kết tủa R R R R R R nước sôi máy phổ hấp thụ F-AAS dựa theo phương pháp xây dựng đường chuẩn Bảng Thiết lập đường chuẩn U STT 0,1981 0,3445 0,4971 1,0642 0,0055 0,0102 0,0152 0,0356 C Pb2+ ; (mg/l) R U R Độ hấp thụ A A 1,935 0,067 3,4703 4,9302 0,1217 0,1714 ĐƯỜNG CHUẨN Pb2+ 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 y = 0.0353x - 0.0018 R² = 0.9999 C Hình 27 Đồ thị đường chuẩn xác định hàm lượng Pb2+ Ta có phương trình tương quan độ hấp thụ khối lượng Pb2+ (phương P P trình đường chuẩn): y = 0,035x – 0,001 với hệ số tương quan R2 = 0,999 > 0,95 chấp P P nhận Tiến hành khảo sát độ hấp phụ ion Pb2+ vật liệu nano Y 0.9 Cd 0.1 FeO tổng P P R R R R R R hợp ta thu kết bảng Cách chuẩn bị sau: cân 0,01 g bột nano Y 0.9 Cd 0.1 FeO lắc với dung dịch R R R R R R chuẩn Pb2+ 10mg/l với tốc độ lắc 250 vòng/s Lọc lấy dung dịch sau hấp phụ, tiến hành P P đo quang phương pháp hấp thụ F- AAS, ghi lại kết từ tính C dựa vào phương trình đường chuẩn xây dựng SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 35 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc Bảng Kết thực nghiệm đo hấp phụ Pb2+ vật liệu nano Y Cd FeO điều chế phương pháp đồng kết tủa Mẫu Thời gian hấp phụ (phút) A C Pb2+ ; (mg/l) Lượng chì bị hấp phụ (mg/l) Hiệu suất (%) 0 0,3524 9,95 0 10 0,1114 3,211 6,739 67,72 20 0,1165 3,357 6,593 66.26 30 0,0945 2,729 7,221 72,57 40 0,1311 3,774 6,176 62,07 Từ bảng 4, ta thấy nồng độ Pb2+ giảm so với dung dịch ban đầu, chứng tỏ xãy hấp phụ ion Pb2+ liệu nano Y 0.9 Cd 0.1 FeO Từ bảng ta thấy ion Pb2+ bị hấp phụ nhiều lắc 30 phút (hiệu suất H= 72,57%) SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 36 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc KẾT LUẬN – ĐỀ XUẤT Trên sở nội dung kết đề tài, em bước đầu tìm hiểu thu số kết quả: − Tổng quan vật liệu nano, phân loại vật liệu nano dựa vào dấu hiệu khác số chiều, kích thước, hình dạng, lĩnh vực ứng dụng ; − Cấu trúc, phương pháp điều chế vật liệu perovskite dạng ABO lĩnh vực ứng dụng chúng; − Tổng quan kim loại, oxit, hydroxides sắt, yttrium cadmium; − Các phương pháp nghiên cứu sử dụng đề tài (XRD, SEM, TGA F-AAS); − Đã tổng hợp vật liệu nano Y 0.9 Cd 0.1 FeO phương pháp đồng kết tủa nước sơi với kích thước hạt cấu trúc ≤ 60 nm; − Bước đầu chứng minh vật liệu Y 0.9 Cd 0.1 FeO sử dụng làm vật liệu hấp phụ nước bị nhiễm chì Vì đề tài thực gấp rút lần làm quen với việc nghiên cứu khoa học nên em chưa thể nghiên cứu sâu Trong thời gian tiếp theo, có điều kiện nghiên cứu, em xin đề xuất số vấn đề sau: − Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ thời gian nung đến hình thái kích thước hạt Y 0.9 Cd 0.1 FeO − Nghiên cứu khả hấp phụ cation kim loại nặng nước vật liệu nano − Nghiên cứu từ tính hạt nano Y 0.9 Cd 0.1 FeO để từ ứng dụng chúng vào thiết bị truyền động cảm biến SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 37 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc TÀI LIỆU THAM KHẢO Đặng Lê Minh, “Chế tạo nghiên cứu vật liệu Perovskite nhiệt điện”, đề tài nghiên cứu khoa học, Đại học Khoa học Tự nhiên, 2008, 29tr Hồng Nhâm, “Hóa học vơ tập 3”, NXB Giáo dục Hoàng Triệu Ngọc “Khảo sát điều kiện tổng hợp bột nano YFeO ”, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Sư Phạm TPHCM 2010 PGS.TS Hà Lương Thuần, KS Đỗ Thị Thu Huyền, “Sử dụng vật liệu nano để sản xuất thiết bị lọc nước sinh hoạt nhiễm asen”, Khoa học công nghệ, Viện nước tước tiêu môi trường Lâm Thị Kiều Giang, “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano thấp chiều yttrium, ziriconi tính chất quang chúng”, luận án Tiến sĩ Viện khoa học cơng nghệ Việt Nam, 2011 Lê Hữu Thiềng, Hồng Ngọc Hiền, “Nghiên cứu khả hấp phụ Cu2+ Pb2+ vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía”, tạp chí phân tích hóa, lí sinh học, tập 13, số 3, 2008, trang 77-82 Lương Hồ Vũ, “Chế tạo màng nitric coban theo phương pháp bốc bay xung laser”, Đại học Khoa học Tự nhiên TP HCM Nguyễn Anh Tiến, “Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc tính chất vật liệu nano La(Y)FeO ” Luận án Tiến sĩ Hóa học, Trường ĐHTH Voronezh, Liên bang Nga, 2009, 153 tr Nguyễn Hoàng Hải (2007), “Các hạt nano kim loại”, Trung tâm Khoa học Vật liệu, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội 10 PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải, “Chế tạo hạt nano oxit sắt từ tính”, Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội 11 Nguyễn Hữu Đức, Trần Mậu Danh, Trần Thị Dung, “Chế tạo nghiên cứu tính chất từ hạt nano Fe O ứng dụng y sinh học”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 23, trang 231-237, 2007 12 PGS.TS Nguyễn Thị Hà, “Ứng dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) phân tích đất đối tượng khác”, Hà Nội, 2008 13 TS Phan Thị Hồng Oanh, “Chun đề Phân tích cấu trúc vật liệu vô cơ”, Trường Đại học Sư phạm TPHCM 2010-2011 SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 38 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD: Thầy Mai Văn Ngọc 14 Trần Châu Cẩm Hoàng, “Tổng hợp, biến tính bề mặt định hình vật liệu nano carbon thu phương pháp phân hủy xúc tác hợp chất chứa carbon điều kiện Việt Nam”, báo cáo Hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học lần thứ 7, Đại học Đà Nẵng, 2010 15 Dinh Van Taca, V O Mittova, and I Ya Mittova, “Synthesis and Magnetic Properties of Nanocrystylline Y 1-x Cd x FeO 3-δ (0 ≤ x ≤ 0,2)”, Neorganicheskie Materialy, 2011, Vol 47, No 10, pp 1251-1256 16 Hui Shena, Jiayue Xua, AnhuaWua, Jingtai Zhaoa, Minli Shia (2009), “Magnetic and thermal properties of perovskite YFeO single crystals”, Vol 157, pp 77-80 17 http://www.wiredchemist.com/chemistry/data/metallic-radii 18 http://vi.wikipedia.org/wiki/Cadmium SVTH: Phạm Thái Ngọc Thảo 39 ... người ta dựa vào lĩnh vực ứng dụng khác chúng như:  Vật liệu nano kim loại;  Vật liệu nano bán dẫn;  Vật liệu nano có từ tính;  Vật liệu nano sinh học Hình Phân loại vật liệu nano theo hình... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HĨA  KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC CHUYÊN NGÀNH HÓA VÔ CƠ TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Pb2+ CỦA VẬT LIỆU... dây nano, ống nano v.v  Vật liệu nano hai chiều vật liệu chiều có kích thước nano, hai chiều tự Ví dụ: màng mỏng v.v (hình 1f)  Vật liệu nano ba chiều vật liệu dạng khối cấu tạo từ hạt nano