Luận văn tốt nghiệp tổng hợp và nghiên cứu ứng dụng của vật liệu nano perovskite y0 8sr0 2feo3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HĨA HỌC KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HĨA HỌC Chun ngành: Hóa Vô Cơ Nguyễn Nữ Huyền Trang TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO PEROVSKITE Y0.8Sr0.2FeO3 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HĨA HỌC KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HĨA HỌC Chun ngành: Hóa Vơ Cơ TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO PEROVSKITE Y0.8Sr0.2FeO3 GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến LỜI CẢM ƠN Trong suốt bốn năm học tập nghiên cứu khoa học Khoa Hóa – Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh em trưởng thành lên nhiều Mơi trường sư phạm giúp em ngày hoàn thiện tri thức người Mỗi học kỳ trôi qua em học hỏi nhiều kiến thức quý báu từ năm đại cương năm chuyên ngành dìu dắt Thầy Cơ ngồi Khoa Để rồi, bước cuối kết thúc đời sinh viên hoàn thành Luận văn tốt nghiệp; em tự tin lên nhiều học tập trao dồi bốn năm qua Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người mà em yêu quý trân trọng giúp đỡ cho em hoàn thành tốt Luận văn Lời em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Anh Tiến – người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt Luận văn Trong q trình nghiên cứu hồn thành đề tài luận văn em xin cảm ơn toàn thể q Thầy Cơ Khoa Hóa – Trường Đại học Sư phạm nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ q trình làm đề tài Và em khơng qn gửi lời cảm ơn đến người thân gia đình, bạn bè ln quan tâm, động viên giúp đỡ em suốt trình học tập nghiên cứu! Vì thời gian khả cịn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Em kính mong nhận đóng góp chân thành Thầy Cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! TP HCM, ngày tháng năm 2012 SVTH Nguyễn Nữ Huyền Trang SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC .3 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu công nghệ nano 1.1.1 Một số khái niệm 1.1.2 Ứng dụng công nghệ nano 10 1.2 Vật liệu perovskite ABO 12 1.2.1 Cấu trúc tinh thể perovskite ABO 12 1.2.2 Sự pha tạp khuyết thiếu oxi 14 1.2.3 Cấu trúc tinh thể YFeO 15 1.2.4 Ứng dụng vật liệu oxit perovskite kích thước nanomet 15 1.3 Tổng quan tính chất yttri¸stronti, sắt 18 1.3.1 Oxit yttri, yttri cacbonat 18 1.3.2 Oxit stronti, stronti cacbonat 20 1.3.3 Oxit sắt sắt hidroxit 21 1.4 Phương pháp tổng hợp vật liệu perovskite 23 1.4.1 Phương pháp gốm truyền thống 23 1.4.2 Phương pháp đồng kết tủa 25 1.4.3 Phương pháp sol-gel 26 CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .29 2.1 Nội dung nghiên cứu 29 2.2 Phương pháp nghiên cứu 30 2.2.1 Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TGA/DTG 30 2.2.2 Phương pháp nghiên cứu nhiễu xạ tia X 32 2.2.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM 33 2.2.4 Phương pháp đo phổ hồng ngoại (FTIR) 34 2.2.5 Phương pháp hấp phụ 35 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến 2.2.6 Phương pháp đo độ từ hóa 37 2.3 Dụng cụ, thiết bị hóa chất 39 2.3.1 Dụng cụ thiết bị 39 2.3.2 Hóa chất 39 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40 3.1 Tổng hợp vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO theo phương pháp đồng kết tủa 40 3.1.1 Quy trình tổng hợp vật liệu 40 3.1.2 Kết phân tích nhiệt 41 3.1.3 Kết phổ hồng ngoại FTIR 42 3.1.4 Kết XRD vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 43 3.1.5 Kết nghiên cứu kính hiển vi điện tử quét (SEM) 44 3.2 Tổng hợp vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO theo phương pháp citrat-gel 44 3.2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu 44 3.2.2 Kết phân tích nhiệt 45 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng pH tạo gel 46 3.2.4 Khảo sát nhiệt độ nung 47 3.2.5 Khảo sát tỷ lệ mol C/M 48 3.2.6 Kết nghiên cứu kính hiển vi điện tử quét (SEM) 49 3.3 Vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 49 3.3.1 Cấu trúc vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 49 3.3.2 Thành phần hóa học vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 50 3.4 Ứng dụng vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 52 3.4.1 Khả hấp phụ Pb2+ vật liệu 52 3.4.2 Từ tính vật liệu 54 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 4.1 Kết luận 55 4.2 Kiến nghị 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO .57 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Danh mục hình vẽ Hình 01 Phân loại vật liệu nano theo số chiều Hình 02 Phân loại vật liệu nano theo hình dạng .9 Hình 03 (a) Cấu trúc lý tưởng perovskite ABO , (b) Sự xếp bát diện cấu trúc lý tưởng .13 Hình 04 Sự biến dạng cấu trúc perovskit góc liên kết B-O-B ≠ 180o 13 Hình 05 Sự di chuyển nút khuyết oxi perovskit: (a) Sự tạo thành nút khuyết oxi, (b) Vị trí nút khuyết bị dịch chuyển .14 Hình 06 Tế bào đơn vị YFeO .15 Hình 07 Mơ hình tách tế bào từ trường 16 Hình 08 Mơ hình dẫn thuốc dùng hạt nano từ tính .16 Hình 09 Biểu đồ thử nghiệm đốt nhiệt từ thỏ 17 Hình 10 Cấu trúc lập phương tâm mặt Y O 19 Hình 11 Cấu trúc tinh thể SrO .20 Hình 12 Sơ đồ khối phương pháp gốm truyền thống sản xuất vật liệu gốm 23 Hình 13 Sự phụ thuộc pH hỗn hợp lượng Ti4+, Nd3+ lại dung dịch vào giá trị pH 25 Hình 14 Kỹ thuật sol-gel sản phẩm 26 Hình 15 Mơ hình máy phân tích nhiệt STA 409 PC-NETZSCH 32 Hình 16 Thiết bị XRD D8 ADVANCE Bruker AXS 33 Hình 17 Sơ đồ hoạt động kính hiển vi điện tử quét SEM .33 Hình 18 Thiết bị SEM HITACHI S-4800 .34 Hình 19 Thiết bị FTIR 8400S-SHIMADZU 35 Hình 20 Thiết bị AAS SHIMADZU AA-6300 .36 Hình 21 Đường cong từ trễ vật liệu sắt từ 37 Hình 22 Thiết bị độ từ tính MICROSENE EV11 38 Hình 23 Sơ đồ tổng hợp vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa (phương pháp 1) 40 Hình 24 Giản đồ TGA DTG mẫu bột tổng hợp theo phương pháp Hình 25 Phổ FTIR mẫu vật liệu Y 0.8 Sr 0,2 FeO 42 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến Hình 26 Giản đồ XRD vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO tổng hợp theo phương pháp nung 750oC 2h 43 Hình 27 Ảnh SEM vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO tổng hợp theo phương pháp nung 750oC 2h .44 Hình 28 Sơ đồ tổng hợp vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO tổng hợp theo phương pháp citrate-gel 45 Hình 29 Giản đồ phân tích nhiệt TGA mẫu bột tổng hợp pH = 9-10, tỷ lệ citrat/kim loại = 1,2:1; nhiệt độ tạo gel 80oC 46 Hình 30 Giản đồ XRD ghép với peak chuẩn mẫu bột nung 950oC 2h; C/M =1,2 47 Hình 31 XRD mẫu vật liệu tổng hợp (C/M = 1,8; pH = 9) sau nung nhiệt độ 900oC, 950oC,1000oC, 1100oC 48 Hình 32 Giản đồ XRD mẫu vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO tổng hợp điều kiện pH = 9; T = 950oC 49 Hình 33 Ảnh SEM mẫu vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO to = 950oC 2h 49 Hình 34 Thời gian đạt cân hấp phụ vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 53 Hình 35 Đường từ trễ vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 54 Danh mục bảng biểu Bảng Một vài số vật lý quan trọng oxit sronti 20 Bảng Kiểu mạng tinh thể, thành phần pha, số mạng, kích thước hạt vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 50 Bảng Kết phân tích nhiễu xạ tia X mẫu Y 0.8 Sr 0.2 FeO tổng hợp theo hai phương pháp 51 Bảng Phần trăm khối lượng nguyên tố mẫu Y 0.8 Sr 0.2 FeO .52 Bảng Nồng độ Pb2+ lại theo thời gian hấp phụ vật liệu 52 Bảng Thơng số từ tính vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 54 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến MỞ ĐẦU Khoa học nano công nghệ nano bắt đầu phát triển từ năm 60 kỷ trước Vật liệu nano sâu vào đời sống đại ngày chiếm ý nghĩa lớn người nhờ vào tính chất đặc biệt chúng mà vật liệu truyền thống trước khơng có Oxit phức hợp kiểu perovskite ABO ( với A nguyên tố đất La, Y; B nguyên tố chuyển tiếp họ d Mn, Fe…) thu hút nhiều quan tâm lĩnh vực từ tính hấp phụ Bên cạnh hoạt tính xác tác perovskite nghiên cứu ứng dụng phụ thuộc nhiều vào diện tích bề mặt chúng Thực nghiệm chứng minh rằng, thay phần kim loại La hay Y ABO kim loại hoá trị II Ca, Sr làm thay đổi cấu trúc mạng tinh thể perovskite, dẫn đến thay đổi tính chất hoá lý vật liệu điều chế từ chúng Có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu perovskite phương pháp gốm truyền thống thường dùng để điều chế perovskite; kết thu hạt perovskite có diện tích bề mặt thấp (< 2m2/g) kết tụ [9] Phương pháp sol-gel đồng kết tủa sử dụng rộng rãi sản phẩm thu có độ đồng thể tốt, kích thước hạt nhỏ (cỡ nano mét), diện tích bề mặt lớn (vài chục m2/g); ứng dụng lĩnh vực từ tính, hấp phụ, xúc tác Với lý trên, chọn đề tài: “ Tổng hợp nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO ” SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu công nghệ nano 1.1.1 Một số khái niệm [2, 3, 11] Công nghệ nano Nanomet điểm kỳ diệu kích thước chiều dài, điểm mà vật sáng chế nhỏ người tạo cấp độ nguyên tử phân tử giới tự nhiên Hội chứng “công nghệ nano” tràn qua tất lĩnh vực khoa học công nghệ, thay đổi chất hầu hết đối tượng người tạo kỷ Trong công nghệ nano, giới nghiên cứu sử dụng hệ bao gồm cấu tử có kích thước nanomet (10-9 m) với cấu trúc phân tử hoàn chỉnh việc chuyển hoá vật chất, lượng thơng tin Như vậy, theo định nghĩa cơng nghệ nano công nghệ bao hàm nghiên cứu cấu tử có độ lớn nằm nm 100 nm Để hiểu rõ định nghĩa, ta nêu số ví dụ giới nano Chẳng hạn hạt muội than từ kỷ phụ gia thiếu cho vật liệu cao su làm lốp xe tạo độ bền cần thiết cho vật liệu Vậy từ lâu vật liệu nano vào sống thường nhật Một số chất dùng tiêm chủng thuộc “nano” chúng chứa một vài chủng protein, nghĩa phần tử vĩ mơ kích thước nanomet Nhưng ta khơng thể xếp chúng vào công nghệ nano Vật liệu nano (nano materials) Công nghệ nano xuất khơng có vật liệu nano Khó xác định xác thời điểm xuất khoa học vật liệu nano, song người ta nhận thấy vài thập niên cuối kỷ XX thời điểm mà nhà vật lý, hoá học vật liệu quan tâm mạnh mẽ đến việc điều chế, nghiên cứu tính chất chuyển hoá phần tử có kích thước nano Đó phần tử nano biểu tích chất điện, hố, cơ, quang, từ khác biệt so với vật liệu khối thơng thường SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến 3.1.5 Kết nghiên cứu kính hiển vi điện tử quét (SEM) Phương pháp SEM cho phép xác định kích thước hạt trung bình hình dạng vật liệu có cấu trúc tinh thể Hình 27 ảnh SEM mẫu vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO phóng đại 30000 lần (hình 28a) phóng đại 100000 lần (hình 28b) Các hạt nano perovskite có dạng hình trụ đồng với đường kính hạt trung bình từ 30-60 nm đường cao hạt từ 80-200 nm a b Hình 27 Ảnh SEM vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO tổng hợp theo phương pháp (to = 750oC 2h) 3.2 Tổng hợp vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 theo phương pháp citrat-gel 3.2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu Nguyên liệu ban đầu sử dụng YCl 6H O, Sr(NO ) , Fe(NO ) 9H O axit citric Lượng axit citric tinh thể lượng muối lấy theo tỷ lệ hợp thức axit citric tổng ion kim loại hịa tan hồn tồn 500 ml nước cất nhiệt độ phịng Thêm từ từ dung dịch amoniac 5% để điều chỉnh pH Quá trình nước thực 80oC tạo thành hệ sol Sau gia nhiệt lên 150oC để tạo gel, gel thu nghiền thành bột mịn Sơ đồ tổng hợp vật liệu hình 28 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 44 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến Dung dịch muối kim loại lấy theo tỷ lệ hợp thức Dung dịch axit citric Hỗn hợp dung dịch citrat-ion kim loại Điều chỉnh pH Khuấy từ, gia nhiệt Gel nhớt Sấy Gel khơ Nung Sản phẩm Hình 28 Sơ đồ tổng hợp vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO theo phương pháp citrat-gel Phương trình tổng hợp hạt perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO giống phương trình (**) 3.2.2 Kết phân tích nhiệt Hình 29 Giản đồ phân tích nhiệt TGA mẫu bột tổng hợp pH = 9-10; tỷ lệ citrat/kim loại = 1,2:1; nhiệt độ tạo gel 80oC SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 45 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến Gel khô sau tổng hợp đem nghiền thành bột Sau đó, mẫu bột phân tích nhiệt để tìm nhiệt độ nung cho hình thành perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO Thực nghiệm thực với mẫu điều kiện thí nghiệm pH = 9-10, tỷ lệ citrat/kim loại = 1,2:1 (C/M = 1,2); nhiệt độ tạo gel 80oC kết thể giản đồ phân tích nhiệt TGA (hình 29) Có bước nhảy khối lượng Quá trình khối lượng mẫu bột bắt đầu xảy 100oC Từ 100oC210oC tốc độ khối lượng mẫu bột xảy nhanh, khối lượng 80,65/164,4 mg khoảng 49,06% Ngay sau từ 210oC-250oC khối lượng mẫu bột lại thêm 11,42% tương ứng với 5,6/164,4 mg Chúng nghĩ hai bước nhảy khối lượng xảy liên tiếp từ 100oC-250oC trình bay nước bề mặt, nước hóa học bắt đầu phân hủy phức chất hữu có mẫu nhiệt phân gốc NH + Tiếp theo từ 250oC-587,5oC tốc độ khối lượng chậm kéo dài, khối lượng mẫu bột thêm 12,44% tương ứng với 6,1/164,4 mg Tại khoảng nhiệt độ phân hủy phức chất hữu tiếp tục xảy kéo dài đến 900oC Từ 600oC-1000oC khối lượng mẫu bột giảm thêm 11,38% Nếu phương pháp đồng kết tủa tổng khối lượng mẫu giảm gần 50% phương pháp sol-gel khối lượng mẫu lại gần 16% Từ 900oC trở đường phân tích nhiệt bắt đầu có xu hướng nằm ngang, khối lượng mẫu giảm không đáng kể Chúng cho nhiệt độ bắt đầu xảy hình thành pha perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO Chúng chọn khoảng nhiệt độ từ 900oC-1100oC để khảo sát hình thành pha perovskite phương pháp nhiễu xạ tia X phương pháp 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng pH tạo gel Chúng khảo sát trình tổng hợp vật liệu perovskite pH = pH = 9; để lựa chọn pH tạo gel thích hợp cho hình thành hạt perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO Dựa vào giản đồ XRD (hình 30), ta thấy nhiệt độ nung 900oC 2h; C/M = 1,2 ; pH = có hình thành cấu trúc perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO , với xuất lượng nhỏ pha Y O Y Fe O 12 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 46 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến Hình 30 Giản đồ XRD ghép với peak chuẩn mẫu bột (to = 950oC 2h; C/M =1,2) Chúng tơi lặp lại thí nghiệm pH = 9, giản đồ XRD pH không xuất peak pha Y Fe O 12 Điều cho thấy điều kiện pH =9 thích hợp cho hình thành cấu trúc perovskite bên cạnh cịn xuất pha Y O lượng nhỏ Vì vậy, thí nghiệm chúng tơi khảo sát nhiệt độ nung để tạo thành pha tinh thể tương ứng perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3.2.4 Khảo sát nhiệt độ nung Để lựa chọn nhiệt độ nung tối ưu, tiến hành nung mẫu bột tổng hợp điều kiện pH = C/M = 1,2 nhiệt độ khác 900oC, 950oC, 1000oC, 1100oC Nhìn vào giản đồ XRD (hình 31), ta thấy nhiệt độ 900oC có hình thành pha perovskite, tất trùng với peak chuẩn Nhiệt độ cao hình thành tinh thể rõ nét Tuy nhiên, xuất pha Y O Nhưng nhiệt độ nung 950oC nhiệt độ nung tốt cho hình thành tinh thể pha perovskite Bởi vì, nhiệt độ chúng tơi thấy khơng xuất pha Sr Fe O SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 47 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến Hình 31 XRD mẫu vật liệu tổng hợp (C/M = 1,2; pH = 9) sau nung nhiệt độ 900oC, 950oC, 1000oC, 1100oC 2h Ở thí nghiệm lựa chọn 950oC nhiệt độ nung tối ưu cho hình thành tinh thể perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO Để tạo thành pha perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO nhất, tiếp tục khảo sát tỷ lệ mol phản ứng axit citric tổng ion kim loại 3.2.5 Khảo sát tỷ lệ mol C/M C/M = 1.8 Perovskite o Y2O3 C/M = 1.2  Hình 32 Giản đồ XRD mẫu vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 tổng hợp điều kiện pH = 9; to = 950oC Nhìn vào giản đồ XRD (hình 32) ta thấy với tỷ lệ mol C/M = 1,8 mẫu SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 48 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến vật liệu tổng hợp hoàn tồn tinh khiết, có pha perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO Peak Y O khơng cịn xuất tỷ lệ mol C/M = 1,2 Vì thế, chúng tơi lựa chọn tỷ lệ C/M = 1,8 để xác định kích thước hạt ứng dụng vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3.2.6 Kết nghiên cứu kính hiển vi điện tử qt (SEM) Hình 33 ảnh SEM mẫu với độ phóng đại 30000 lần (hình 33a) 50000 lần (hình 33b) Khác với vật liệu tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa, hạt với cấu trúc hình cầu đồng với đường kính trung bình < 50 nm a b Hình 33 Ảnh SEM mẫu vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO (to = 950oC 2h) 3.3 Vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 3.3.1 Cấu trúc vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 Thông qua kết nhiễu xạ tia X mẫu vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO tổng hợp theo hai phương pháp đồng kết tủa citrat-gel; xác định thông số vật liệu kiểu mạng tinh thể, thành phần pha, số mạng, kích thước hạt Kết tính toán được liệt kê bảng Cả hai phương pháp tổng hợp, mẫu vật liệu thu đơn pha (perovskite) cấu trúc tinh thể hệ trực thoi Kích thước hạt trung bình tính cơng thức Scherrer cho kết < 30 nm SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 49 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến Bảng Kiểu mạng tinh thể, thành phần pha, số mạng, kích thước hạt sản phẩm thu sau nung Phương pháp Pha Kiểu mạng tổng hợp PP1 Hằng số mạng (oA) Kích thước a b c hạt (nm) to = 750oC Perovskite Trực thoi 5,588 7,595 5,274 11,2 pH = Perovskite Trực thoi 5,282 5,596 7,605 20,7 C/M = 1,2 Y2O3 Lập phương 10,604 10,604 10,604 to = 950oC Y Fe O 12 Lập phương 12,377 12,377 12,377 pH = Perovskite Trực thoi C/M = 1,2 Y2O3 Lập phương pH = Perovskite Trực thoi C/M = 1,2 Y2O3 Lập phương 10,604 10,604 10,604 to = 900oC Sr Fe O Tứ phương 3,874 3,874 40,314 pH = Perovskite Trực thoi 5,588 7,595 5,588 7,595 5,274 13,7 10,604 10,604 10,604 to = 950oC PP2 5,588 7,595 5,274 18,5 5,274 9,06 C/M = 1,8 to = 950oC 3.3.2 Thành phần hóa học vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 Chúng tổng hợp vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO theo hai phương pháp đồng kết tủa citrat-gel Để khẳng định vật liệu mà chúng tơi tổng hợp có với tỉ lệ hợp thức Y:Sr:Fe:O = 0.8:0.2:1:3 hay khơng; chúng tơi dựa vào khoảng cách mạng vật liệu so với khoảng cách mạng pha YFeO thông qua kết phân tích nhiễu xạ tia X Bên cạnh đó, chúng tơi phân tích thành phần hóa học vật liệu phân tích định lượng Đây hai sở để chúng tơi kết luận vật liệu tổng hợp với tỉ lệ hợp thức SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 50 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến  Khoảng cách mạng vật liệu Không phụ thuộc vào phương pháp tổng hợp vật liệu, kết liệt kê bảng cho thấy khoảng cách mạng thu lớn so với khoảng cách mạng pha YFeO tổng hợp theo phương pháp sol-gel [1] Điều giải thích bán kính ion Sr2+ lớn bán kính ion Y3+ (Y3+ = 0,104 nm; cịn Sr2+ = 0,126 nm) làm tăng khoảng cách mạng d Ngoài ra, phổ XRD điều kiện tối ưu không quan sát thấy pha Y O , Fe O , SrO, Y (CO ) Qua đó, chúng tơi khẳng định sơ có pha tạp kim loại Sr mạng YFeO cách hoàn thiện Tuy nhiên, vật liệu tổng hợp phương pháp có khoảng cách mạng lớn so với phương pháp chứng tỏ pha tạp Sr vào mạng YFeO nhiều so với phương pháp Vì thế, chúng tơi chọn vật liệu tổng hợp theo phương pháp để phân tích định lượng Bảng Kết phân tích nhiễu xạ tia X mẫu Y 0.8 Sr 0.2 FeO № peak hình 26 32 d (Å) YFeO [1] 3.4096 2.6915 1.7073 1.5345 Phương pháp1 3.4191 2.6952 1.7083 1.5354 3.4099 2.6918 1.7077 1.5346 Y 0.8 Sr 0.2 FeO Phương pháp Y 0.8 Sr 0.2 FeO Chú ý: Bảng trích số peak mẫu điều chế theo hai phương pháp để minh hoạ  Phân tích định lượng Mẫu Y 0.8 Sr 0.2 FeO cho qua nước cường thủy thu hỗn hợp chứa ion Y3+, Sr2+, Fe3+ Nồng độ ion kim loại xác định phương pháp phân tích phổ hấp phụ nguyên tử lửa AAS Hàm lượng nguyên tố mẫu xác định bảng Hàm lượng phần trăm (%) nguyên tố tương ứng với tỷ lệ hợp thức Y:Sr:Fe:O = 0.96:0.17:1:2.21, kết cho thấy pha tạp Sr chiếm đến 85% so với lý thuyết (%Sr thực tế = 7,98, %Sr lý thuyết = 9,10) SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 51 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến Bảng Phần trăm khối lượng nguyên tố mẫu Y 0.8 Sr 0.2 FeO %Y % Sr % Fe % O (tính từ Tỉ lệ Y, Sr Fe) Lí thuyết 37,00 9,10 29,01 Thực tế 44,36 7,98 29,28 hợp thức 24,89 18,38 0.8:0.2:1:3 0.96:0.17:1:2.21 3.4 Ứng dụng vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 Dựa vào kết ảnh SEM vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO để lựa chọn phạm vi ứng dụng vật liệu hai lĩnh vực hấp phụ từ tính Từ tính vật liệu phụ thuộc vào độ đồng nhất, kích thước, tính đối xứng hạt [9] Vì thế, chúng tơi chọn vật liệu tổng hợp phương pháp đồng kết tủa để đo từ tính Vì rằng, ảnh SEM cho thấy độ đồng tính đối xứng hạt nano hai chiều Y 0.8 Sr 0.2 FeO cao so với tổng hợp theo phương pháp citratgel Tuy nhiên, phương pháp citrat-gel cho hạt có kích thước đồng hơn, dạng hình cầu có diện tích bề mặt cao so với phương pháp đồng kết tủa Vì thế, chúng tơi lựa chọn sản phẩm phương pháp citrat-gel để khảo sát khả hấp phụ Pb2+ vật liệu liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3.4.1 Khả hấp phụ Pb2+ vật liệu  Xác định thời gian đạt cân hấp thụ Pb2+ Để xác định thời gian đạt cân vật liệu, tiến hành lấy 100 ml dung dịch Pb2+ có nồng độ 50 ppm khuấy trộn liên tục với 0,05g Y 0.8 Sr 0.2 FeO máy khuấy từ khoảng thời gian khác (0-75 phút), thu lấy dung dịch phân tích nồng độ Pb2+ cịn lại dung dịch Để phân tích nồng độ Pb2+ chúng tơi dùng phương pháp phổ hấp phụ nguyên tử lửa AAS Kết phân tích nồng độ Pb2+ cịn lại dung dịch bảng hình 34 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 52 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến Bảng Nồng độ Pb2+ lại theo thời gian hấp phụ vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO Thời gian Nồng độ lại Hiệu suất hấp phụ (phút) (mg/l) (%) 49,25 15 25,68 48 30 15,45 68 45 10,05 79 60 7,15 85 75 7,09 85 Kết biểu diễn hình 34 cho thấy trình hấp phụ xảy nhanh, 15 phút đầu hiệu suất loại chì đạt gần 50%, trình hấp phụ tăng dần đạt cân thời gian 60 phút hiệu suất hấp phụ đạt 85% Thời gian phản ứng (phút) Nồng độ lại (mg/l) 60 50 40 30 20 10 0 15 30 45 60 75 Hình 34 Đồ thị khảo sát thời gian đạt cân hấp phụ vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO tổng hợp theo phương pháp citrate-gel SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 53 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến 3.4.2 Từ tính vật liệu Bảng Thơng số từ tính vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa M r (emu/g) M s (emu/g) H c (Oe) (BH) max (MGsOe) 0,076 0,461 1591,22 0,335 Độ từ tính vật liệu thông qua bảng cho ta thấy lực kháng từ H c vật liệu lớn > 1000 Oe (H c = 1591,22 Oe), độ từ dư bé gần với giá trị (M r = 0,076 emu/g) Điều chứng tỏ vật liệu tổng hợp thuộc loại vật liệu từ cứng để sản xuất nam châm vĩnh cửu, môi trường ghi từ cho đĩa cứng Tuy nhiên, kết từ tính vật liệu có độ bão hịa từ M s bé (M s = 0,461 emu/g) cho thấy khả từ vật liệu chưa cao Hình 34 Đường cong từ trễ vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 54 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Từ kết nghiên cứu trên, rút kết luận luận văn sau: Tổng hợp thành công vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO phương pháp Vi cấu trúc, hình thái học hai mẫu vật liệu cho thấy hạt kích thước nanomet, đường kính trung bình < 50 nm Đáp ứng tốt yêu cầu nghiên cứu luận văn đề lúc đầu Quá trình tổng hợp vật liệu phương pháp (đồng kết tủa nhiệt độ phòng) đơn giản, tiết kiệm thời gian, điều kiện nhiệt độ nung thấp to = 750oC cho độ tinh khiết cao Đối với phương pháp (Citrat-gel) trình tổng hợp vật liệu phức tạp phải khảo sát điều kiện tối ưu pH (pH = 9), tỷ lệ mol kim loại axit citric (C/M = 1,8), nhiệt độ nung cao (to = 950oC) để hình thành hạt perovskite Kết cho hạt perovskite hình cầu đồng Khả hấp phụ Pb2+ vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO tổng hợp theo phương pháp đạt hiệu suất hấp phụ cao 85% 60 phút Độ từ tính vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO tổng hợp theo phương pháp cho kết ban đầu chưa thật tốt độ bão hịa từ M s vật liệu không cao (M s = 0,461 emu/g) 4.2 Kiến nghị Vì thời gian điều kiện không cho phép nên kết mà nghiên cứu pham vi đề tài cịn hạn chế Vì thế, sở tơi nghiên cứu được; có hội học tập nghiên cứu tiếp phát triển đề tài theo hướng sau: Khảo sát dung lượng hấp phụ Pb2+ trình giải hấp vật liệu perovskite Y 0.8 Sr 0.2 FeO Tổng hợp vật liệu perovskite Y 1-x Sr x FeO với tỉ lệ hợp thức khác (x = 0.1, 0.3, 0.4 ) để khảo sát độ từ tính vật liệu Mong muốn vật liệu có từ tính cao giá trị độ bão hịa từ M s phải đạt cỡ vài chục emu/g Để có SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 55 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến kết phải phụ thuộc vào độ đồng hạt, kích cỡ hạt, tính đối xứng hạt Nghiên cứu hoạt tính xúc tác vật liệu perovskite Y 1-x Sr x FeO SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 56 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Anh Tiến (2009), Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc tính chất vật liệu nano La(Y)FeO , Luận án Tiến sĩ Hoá học, Trường ĐHTH Voronezh, Liên bang Nga, 153 tr Hoàng Triệu Ngọc (2011), Khảo sát điều kiện tổng hợp bột nano Perovskit YFeO , Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Sư phạm TP HCM Đỗ Thị Anh Thư (2011), Chế tạo nghiên cứu tính chất cảm biến nhạy cồn sở vật liệu oxit Perovskit, Luận văn Tiến Sĩ, Viện Khoa học Công nghệ Vật liệu Hà Nội, 221 tr TS Phan Thị Hoàng Oanh (2012), Chuyên đề Phân tích cấu trúc vật liệu vơ cơ, Khoa Hóa - Trường Đại học Sư phạm TP HCM TS Lê Trần (2006), Tạo màng phương pháp sol-gel, Bộ môn Vật lý ứng dụng – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, TP HCM Phan Văn Tường (2004), Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Phan Văn Tường (1997), Vật liệu vô cơ, Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội PGS TS 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 PGS TS Nguyễn Hoàng Hải (2007), Ứng dụng hạt nano từ tính oxit sắt, Khoa Vật Lý – Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội 10 Hồng Nhâm (2001), Hố học vô (tập2, tập 3), NXB Giáo dục 11 Nguyen Anh Tien, O V Almjasheva, I Ya Mittova, O V Stognei and S A Soldatenko (2009), Synthesis and Magnetic Properties of YFeO Nanocrystals, Inorganic Materials 41, pp 1304–1308 12 Nguyen Anh Tien, I Ya Mittova, and O V Al’myasheva (2009), Influence of the Synthesis Conditions on the Particle Size and Morphology of Yttrium Orthoferrite Obtained from Aqueous Solutions, Russian Journal of Applied Chemistry 82, pp 1915−1918 SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 57 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến 13 P Vaqueiro and M A Lo´pez-Quintela (1997), Influence of Complexing Agents and pH on Yttrium-Iron Garnet Synthesized by the Sol-Gel Method, Chem Mater 9, pp 2836-2841 14 SHEN Hui, XU Jiayue, WU Anhua (2010), Preparation and characterization of perovskite REFeO nanocrystalline powders, Journal of Rare Earths 28, pp 416 15 Quing Xu (2008), Citrate method synthesis, characterization and mixed electronic-ionic conducion properties of La 0.6 Sr 0.8 CoFeO perovskite-type complex oxides, University of Technology, China 16 Aurelija Gatelyte , Darius Jasaitis, Aldona Beganskiene, Aivaras Kareiva (2011), Sol-Gel Synthesis and Characterization of Selected Transition Metal Nano-Ferrites, Materials science 17, pp.1392-1320 17 Sanjay Mathur (2004), Molecule Derived Synthesis of Nanocrystalline YFeO3 and Investigations on Its Weak Ferromagnetic Behavior, Chem Mater 16, pp.1906-1913 18 Jun Li (2008), Hexagonal YFe 1-x Pd x O 3-z : Nonperovskite Host Compounds for Pd2+ and Their Catalytic Activity for CO Oxidation, Chem.Mater 20, pp 65676576 19 Weicheng Wang, Shuo Li, Yiyun Wen, Maochu Gong, Lei Zhang, Yanling Yao, Yaoqiang Chen (2008), Synthesis and Characterization of TiO /YFeO and Its Photocatalytic Oxidation of Gaseous Benzene, Acta Physico-Chimica Sinica 24, pp 1761-1766 20 E.Lima Jr, T.B.Martins, H.R.Rechenberg, G.F.Goya, C.Cavelius, R Rapalaviciute, S.Hao, S.Mathur (2008), Numerical simulation of magnetic interactions in polycrystalline YFeO3, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 320, pp 622–629 21 http://vi.wikipedia.org/wiki/Stronti SVTH: Nguyễn Nữ Huyền Trang Trang 58 ... kích thước chúng như: - Vật liệu nano kim loại - Vật liệu nano bán dẫn - Vật liệu nano từ tính - Vật liệu nano sinh học Hình Phân loại vật liệu nano Hình Phân loại vật liệu nano theo hình dạng theo... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HĨA HỌC KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HĨA HỌC Chun ngành: Hóa Vô Cơ TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO PEROVSKITE Y0. 8Sr0. 2FeO3. .. Trang Trang Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến Hoá học nano Hoá học nano khoa học nghiên cứu phương pháp tổng hợp xác định tính chất vật liệu nano Để tổng hợp vật liệu nano người ta dùng