Nghiên cứu chế tạo hạt nano oxit sắt từ fe3o4 bằng phương pháp vi nhũ tương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGÀNH CƠNG NGHỆ HĨA HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO OXIT SẮT TỪ FE3O4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI NHŨ TƯƠNG PHƯƠNG THỊ ÚT HÀ NỘI – 2007 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUÂN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO OXIT SẮT TỪ FE3O4 BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI NHŨ TƯƠNG NGÀNH CƠNG NGHỆ HỐ HỌC PHƯƠNG THỊ ÚT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TIẾN SỸ HUỲNH ĐĂNG CHNH H NI 2007 luận văn thạc sĩ khoa học Phương Thị út Lời cảm ơn Bằng lòng trân trọng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn Tiến sỹ Huỳnh Đăng Chính đà giúp đỡ em tận tình, chu đáo đầy tâm huyết suốt trình nghiên cứu hoàn thiện lụân văn Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo môn Hoá vô đại cương, thầy, cô giáo Khoa Công nghệ hoá học, Trung tâm sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đà tận tình giúp đỡ, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn Em xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Trung học Công nghiệp Hoá chất Lâm Thao Phú Thọ, bạn đồng nghiệp, người thân cổ vũ động viên giúp đỡ em suốt trình học tập thực luận văn Luận văn thực Phòng thí nghiệm môn Hoá vô cơ Khoa Công nghệ Hoá học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Phòng thí nghiệm hoá Trường Trung học Công nghiệp Hoá chất Hà Nội, tháng 11 năm 2007 Người thực luận văn Phương Thị út luận văn thạc sĩ khoa học Phương Thị út mục lục Nội dung Trang Mở đầu 04 chương i : vËt liƯu oxit s¾t tõ………….…… ………………….06 I.1-CÊu tróc tinh thĨ………………………….……….………….……… 06 I.2-TÝnh chÊt tõ……………………………………… ….……………….07 I.3-¶nh h­ëng cđa kÝch th­íc hạt đến tính chất 12 I.4-Các ứng dụng . 13 chương ii : phương pháp chế tạo 18 II.1-Phương pháp đồng kết tủa chế phản ứng .18 II.2-Phương pháp vi nhũ tương. 22 II.2.1-Các khái niệm 22 II.2.2-Nhiệt động học vi nhũ tương .23 II.2.3-Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành vi nhũ tương..24 II.2.4-Phương pháp vi nhũ tương chế tạo hạt nano 25 II.2.4.1-Nguyên lý phương pháp.25 II.2.4.2-Vi nhũ tương chế tạo hạt nano nói chung.26 II.2.4.3-Các công trình vi nhũ tương chế tạo hạt nano 26 chương iii: chế tạo mẫu phương pháp đo27 III.1-Chế tạo mÉu .27 III.1.1-Phương pháp đồng kêt tủa 27 III.1.2-Phương pháp vi nhũ tương 27 III.1.3-ChÕ t¹o chÊt láng tõ 28 III.2-Phương pháp UV-Vis 30 III.3-Phương pháp nhiễu xạ tia X .31 III.4-Ph­¬ng pháp phổ hồng ngoại. 32 luận văn thạc sĩ khoa học Phương Thị út III.5-Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua .32 III.6- Phương pháp kính hiển vi điện tử quét. 33 III.6-Phương pháp từ kế mẫu rung 33 chương iv: kết thảo luận.35 IV.1-Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành hệ vi nhũ tương sắt.35 IV.1.2- Thành phần .35 IV.1.2- Nhiệt độ38 IV.1.3- Môi trường .39 IV.1.4- Kết luận 1: Điều kiện tạo hệ vi nhũ tương cho Fe3O4.40 IV.2-Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc tính chất hạt Fe3O4 tổng hợp phương pháp vi nhũ tương 42 IV.2.1- Các kết phương pháp đồng kết tủa 42 IV.2.2- Các kết phương pháp vi nhũ tương …45 IV.2.3- ¶nh h­ëng cđa pH…………………………………… …….50 IV.2.4- ¶nh h­ëng cđa m«i tr­êng .51 IV.2.5-ảnh hưởng tác nhân làm đồng đều: Khuấy, sóng siêu âm 51 IV.3- Kết luận 52 IV.3-C¸c tÝnh chÊt tõ vµ øng dơng .53 IV.3.1- Sư dơng h¹t nano tõ lµm chÊt láng tõ 53 IV.3.2- KÕt luËn 56 kÕt luËn chung 57 tµi liƯu tham kh¶o .59 luận văn thạc sĩ khoa học Phương Thị út mở đầu Oxit sắt từ vật liệu từ tính quen thuộc phổ biến công nghiệp đời sống thường ngày Oxit sắt từ dạng hạt (cỡ àm ) ứng dụng nhiều công nghệ sơn, chất màu, chất độn Ngày công nghệ nano lĩnh vực nghiên cứu thu hút quan tâm nhà khoa học giới Khi giảm kích thước hạt oxit sắt từ xuống kích thước nano ( 12 thuận lợi cho trình hình thành hạt tách khỏi phức sắt IV.2.2.2- ảnh hưởng môi trường: Trong trình hình thành hệ vi nhũ tương điều kiện môi trường đóng vai trò quan trọng, không thực hệ môi trường thích hợp việc tạo vi nhũ tương khó khăn, tạo hệ môi trường ethanol thích hợp việc hình thành hệ vi nhũ tương dễ dàng nhiều Môi trường ethanol thích hợp phụ thuộc vào hƯ sè k, theo h×nh 4.5 th× hƯ sè k = 1,66 thích hợp Trong phản ứng hình thành hạt oxit sắt từ, sắt II dễ bị oxihoá thành sắt III để tránh ion sắt II tiếp xúc với oxy kh«ng khÝ chóng t«i sư dơng m«i tr­êng khí bảo vệ (khí Nitơ) trình thực phản ứng IV.2.2.3- ảnh hưởng tác nhân làm đồng đều: Khuấy, sử dụng sóng siêu âm Tác nhân quan trọng việc hình thành kích thước hạt động lực cho hai hạt vi nhũ tương kết hợp với để thực phản øng Do vËy ph¶i thùc hiƯn ph¶n øng sãng siêu âm với tần số 2Mhz cấp lượng cho hệ 51 luận văn thạc sĩ khoa học Phương Thị út IV.2.3- Kết luận 2: Điều chế hạt nano oxit sắt từ phương pháp vi nhũ tương phải thực phản ứng điều kiện pH > 12, môi trường ethanol (k=1,66), dùng sóng siêu âm tần số 2Mhz, có khí bảo vệ (khí nitơ), nhiệt độ 600C đà điều chế hạt oxit sắt từ với kích thước ữ 8nm IV.3- Các tính chất từ ứng dụng IV.3.1- Sử dụng hạt nano từ làm chất lỏng từ: Để ứng dụng nhiều lĩnh vực khác hạt oxit sắt từ phân bố chất lỏng mang (dung môi) thích hợp Các dung môi thuộc loại phân cực nước không phân cực n-hexan, toluen Khi hạt có kích th­íc nano mÐt chóng n»m l¬ lưng chÊt láng mang thể huyền phù tạo thành chất lỏng có từ tính gọi chất lỏng từ Các hạt nano có diện tích bề mặt lớn nên lượng bề mặt lớn hạt có xu hướng kết tụ lại với tạo hạt lớn để giảm lượng bề mặt hạt, hạt lớn vừa hình thành nằm lơ lửng chất lỏng mang mà bị lắng đọng tác dụng trọng lực, làm giảm tính ổn định chất lỏng từ Để giữ ổn định chất lỏng từ cần có mặt hỗn hợp chất hoạt động bề mặt (chất hoạt động bề mặt ưa nước chất hoạt động bề mặt ưa dầu), chất hoạt động bề mặt có tác dụng bao bọc hạt nano phân cách hạt nano với làm cho hạt nano không kết tụ lại với Chất lỏng từ ổn định gồm có thành phần: Thành phần hạt nano từ tính, chất lỏng mang, chất hoạt động bề mặt ưa nước, chất bề mặt ưa dầu Trong hạt nano từ tính thành phần quan trọng định đến tính chất từ khả ứng dụng chất lỏng từ 52 luận văn thạc sĩ khoa học Phương Thị út Hạt nano vừa điều chế phân bố nước có mặt hỗn hợp chất hoạt động bề mặt không ion span/polime với nồng độ 30% khối lượng chất rắn tạo thành chất lỏng từ Sau số hình ảnh chất lỏng từ vừa chế tạo Hình 4.14: ảnh chụp chất lỏng từ tác dụng từ trường Trên hình 4,14 cho thấy tác động từ trường nam châm, chất lỏng từ bị hút thành lọ có nam châm đặt gần Nếu đặt lọ chất lỏng từ vào nam châm hình xuyến quan sát thấy chất lỏng từ bị hút phía thành lọ, chất lỏng từ tạo mặt cầu lâm lä, chøng tá r»ng chÊt láng tõ cã từ tính tốt Sản phẩm chất lỏng từ mang ®èt nãng bëi tõ tr­êng xoay chiỊu 53 ln văn thạc sĩ khoa học Phương Thị út 80 kHz thể hình 4.15 Nhiệt độ hạt nano bị đốt nóng từ trường xoay chiều tăng gần tuyến tính khoảng thời gian đầu sau tăng chậm đạt tới giá trị xấp xỉ 510C 30 phút Tác động từ trường xoay chiều làm cho lượng từ trường chuyển thành nhiệt hạt nano Fe3O4 mát lượng tính trễ phục hồi Hình 4.15: Đường đốt nhiệt chất lỏng từ Giá trị độ hấp thơ riªng (SAR) tõ tr­êng xoay chiỊu cđa mÉu chÊt láng tõ cã kÝch th­íc trung b×nh 4,5 nm tính 180 mW/g từ công thức: SAR = C Trong đó: T t m Fe SAR độ hấp thụ riêng 54 luận văn thạc sĩ khoa học Phương Thị út C mFe T t IV.3.2- Kết luận Hạt nano oxít sắt từ điều chế chất lỏng từ, có từ tính tốt ổn định, đốt nâng nhiệt độ lên 500C ®èt nãng tõ tr­êng xoay chiỊu cã tÇn sè 80 kHz më h­íng øng dơng cđa chÊt láng tõ y häc lµm chÊt mang thuèc nâng nhiệt cụ để tiêu diệt tế bào ung thư phân tách tế bào 55 luận văn thạc sĩ khoa học Phương Thị út kết luận chung ã Đà chế tạo hệ vi nhũ tương dung dịch chất tham gia phản ứng với toluen sử dụng chất hoạt động bề mặt không ion (hỗn hợp hai chất Span/polime : 2/3) theo tỷ lệ thành phần Toluen:CHĐBM:hh sắt (kiềm) 7:2:5 môi trường ethanol víi hƯ sè 1,66 HƯ vi nhị t­¬ng cđa chÊt tham gia phản ứng ổn định bền theo thời gian nhiệt độ phòng ã Đà chế tạo hạt nano Fe3O4 phương pháp vi nhũ tương điều kiện pH lớn 12 nhiệt độ phản ứng 600C sử dụng sóng siêu âm môi trường khí bảo vệ (khí nitơ) ã Bằng phương pháp đo UV-VIS cho thấy hệ vi nhũ tương vi nhũ tương nghịch vi nhũ tương thuận ã Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X cho thấy hạt nano Fe3O4 chế tạo đơn pha Kích thước hạt trung bình 3.5nm nhỏ kích thước hạt chế tạo phương pháp đồng kết tủa 8nm ã Bằng phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua kính hiển vi điện tử quét cho thấy hạt nano Fe3O4 có dạng hình cầu phân bố kích thước hạt tương đối đồng từ ữ 7.5 nm ã Các hạt nano Fe3O4 có tính chất sắt từ không quan sát thấy tính trễ thể vật liệu siêu thuận từ Từ độ bÃo hoà phụ thuộc vào kích thước hạt, kích thước hạt giảm từ độ bào hoà giảm Với hạt nano Fe3O4 chế tạo phương pháp vi nhũ tương từ độ bÃo hoà giảm gần tuyến tính tăng từ trường tác dụng ã Đà chế tạo chất lỏng từ hạt nano Fe3O4 với chất hoạt 56 luận văn thạc sĩ khoa học Phương Thị út động bề mặt không ion Span/polime dung môi nước với độ phân bố 30% chất rắn, ổn định theo thời gian Khi thực trình đốt nhiệt từ trường xoay chiều với tần số 80 kHz đà nâng lên đến 500C më triĨn väng øng dơng y häc, đưa vào thể nơi có tế bào ung thư sau dùng từ trường nâng nhiệt độ cục để diệt tế bào ung thư Tuy nhiên luận văn nghiên cứu cách chế tạo chất lỏng từ, hy vọng tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng y học 57 luận văn thạc sĩ khoa học Phương Thị út tài liệu tham khảo Nguyn Phỳ Thựy, Vt lí tượng từ, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003 S.Chikazumi, “Physics of Ferromagnetism”, Clarendon Press Oxfort, 1997 Silvia Liong, “A multifunctional approach to development, fabrication and characterization of Fe3O4 composites”, PhD thesis, Georgia Institute of Technology (2005) D.L.Leslie-Pedecky, V.Labhasetwar, J.Kraus, Nanobiomagnetics in advanced magnetic nanostructures, D.J.Sellmyer and R.S.Skomski, Editors, 2005 Klwer, NewYork Shuming Nie, Yun Xing, Gloria J Kim, and Jonathan W Simons, Nanotechnology Applications in Cancer, Annu Rev Biomed Eng (2007) Nguyễn Hữu Phú, Hóa lí & Hóa keo, NXB Khoa học kĩ thuật, 2005 K.M Lee and C.M Sorensen, Synthesis and characterization of Stable Colloidal Fe3O4 Particles in Water – in – Oil Microemulsion, Physics Department Kansas State University Manhattan, 1992 Nguyễn Văn Hùng, Điện động lực học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2005 Z.L Liu, X Wang, Synthesis of Magnetite Nanoparticles in W/O Microemulsion, Department of Physics and State Key Laboratory of laser technology, Huazhong University of Science and Technology, 2004 10 Drew Myers, Surfaces interfaces and Colloids Principles and Applications, second Edition, John Wiley & Sons Inc, 1999 11 G Zou, K Xiong, Tanwei Li, Fe3O4 Nanocrystals with Novel 58 luËn văn thạc sĩ khoa học Phương Thị út Fractal, J Phys Chem B, 2005 (p.18356 – 18360) 12 J Tang, M Myers, Ken A Bosnick, Magnetite Fe3O4 Nanocrystals : Spectroscopic Observation of Aqueous Oxidation Kinetics, J Phys Chem B, 2003 ( p.7501-7506) 13 L Wang, J Luo, Q Fan, Monodispersed Core – Sell Fe3O4@Au Nanoparticles, J Phys Chem B, 2005 (p.21593 – 21601) 14 Preparation of metal Nanoparticles in W/O Microemulsions, Advances in Colloid and Interface Science, 2004 (p.49- 74) 15 R Sheparovych, Y Sahoo, Mikhail Motornov, Polyelectrolyte Stabilized Nanowires from Fe3O4 Nanoparticles via Magnetic Field Induced Self-Assembly, Chem Mater, 2006 (p 591-593) 16 Chao Liu and Z John Zhang, Size-Dependent Superparamagnetic Properties of Mn Spinel Ferrite Nanoparticles Synthesized from Reverse Micelles, Chem Mater, 2006, (p.2092-2096) 17 C Liu, B Zou, Adam J Rondinone, Chemical Control of Superparamagnetic Properties of Magnesium and Cobalt Spinel Ferrite Nanoparticles through Atomic Level Magnetic Couplings, J Am Chem Soc, 2000, (p.6263- 6267) 18 S.Sun and Hao Zeng, Size-Controlled Synthesis of Magnetite Nanoparticles, IBM T.J Watson Research Center, Yorktown Heights New York 2002 19 E Kang, J Park,Y Hwang, Direct Synthesis of Highly Crystalline and Monodisperse Manganese Ferrite Nanocrystals, J Phys Chem B, 2005 (p.13932 – 13935 59 ... đà tạo hạt có đường kính nhỏ hạt CdS có đường kính 0,5nm điều mà mong muốn chế tạo hạt oxit sắt từ K.M Lee and C.M Sorensen đà nghiên cứu chế tạo hạt nano oxit sắt từ theo phương pháp vi nhũ tương. .. học vi nhũ tương .23 II.2.3-Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành vi nhũ tương. .24 II.2.4 -Phương pháp vi nhũ tương chế tạo hạt nano 25 II.2.4.1-Nguyên lý phương pháp. 25 II.2.4.2 -Vi nhũ tương chế tạo. .. hình thành hệ vi nhũ tương thiếu chất hoạt động bề mặt II.2.4- Phương pháp vi nhũ tương chế tạo hạt nano II.2.4.1- Nguyên lý phương pháp : Nguyên lý phương pháp trộn hai hệ vi nhũ tương nghịch