Nghiên cứu ảnh hưởng của sự pha tạp cd đến các đặc trưng của vật liệu nano perovskite y1 xcdxfeo3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Hấp Minh Cường NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ PHA TẠP Cd ĐẾN CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU NANO PEROVSKITE Y1-xCdxFeO3 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thành phố Hồ Chí Minh – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Hấp Minh Cường NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ PHA TẠP Cd ĐẾN CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU NANO PEROVSKITE Y1-xCdxFeO3 Chuyên ngành : Hóa vơ Mã số : 60 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN ANH TIẾN Thành phố Hồ Chí Minh – 2016 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan, cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn TS Nguyễn Anh Tiến Hầu hết số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Hấp Minh Cường LỜI CẢM ƠN Tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc gửi tới TS Nguyễn Anh Tiến – người Thầy trực tiếp hướng dẫn tôi, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới thầy cô Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh TS Dương Bá Vũ, TS Phan Thị Hồng Oanh, TS Đỗ Văn Huê, TS Nguyễn Thị Trúc Linh; thầy cô Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh, PGS TS Nguyễn Thị Phương Phong, TS Nguyễn Quốc Chính; thầy Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, GS TSKH Vũ Đình Huy, PGS TS Lê Văn Thăng, TS Nguyễn Trần Hà, người dạy cho nhiều kiến thức bổ ích giúp đỡ tơi nhiều suốt q trình hồn thành khóa học Tơi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Khu Cơng nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh, Trung tâm Manar, Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi nhất, giúp tơi phân tích kết thực nghiệm suốt trình thực luận văn Cuối cùng, tơi xin dành tình cảm đặc biệt gửi tới Bố, Mẹ, anh chị người bạn người mong mỏi, động viên tơi, giúp tơi thêm động lực để hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn! Tác giả Hấp Minh Cường MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục bảng MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Vật liệu nano công nghệ nano 1.1.1 Sơ lược vật liệu nano, cơng nghệ nano hóa học nano 1.1.2 Phân loại vật liệu nano 1.1.3 Một số lĩnh vực ứng dụng công nghệ nano 1.2 Cấu trúc tính chất vật liệu perovskite 1.2.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu perovskite 1.2.2 Tính chất vật liệu perovskite 12 1.3 Sơ lược vật liệu từ 13 1.3.1 Một số khái niệm 13 1.3.2 Phân loại vật liệu từ 14 1.4 Tình hình tổng hợp nghiên cứu vật liệu YFeO3 pha tạp YFeO3 16 Chương CÁC TIỀN CHẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU NANO OXIT PEROVSKITE Y1-xCdxFeO3 19 2.1 Các hợp chất sắt 19 2.1.1 Sắt (III) oxit – Fe2O3 19 2.1.2 Sắt (III) hiđroxit – Fe(OH)3 21 2.1.3 Muối sắt (III) 21 2.2 Các hợp chất ytri 22 2.2.1 Oxit ytri – Y2O3 22 2.2.2 Hiđroxit ytri – Y(OH)3 22 2.2.3 Ytri nitrat – Y(NO3)3 23 2.3 Các hợp chất cadimi 23 2.3.1 Oxit cadimi – CdO 23 2.3.2 Hiđroxit cadimi – Cd(OH)2 24 2.3.3 Muối cadimi 24 2.4 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano oxit perovskite 24 2.4.1 Phương pháp thủy nhiệt 25 2.4.2 Phương pháp sol – gel 26 2.4.3 Phương pháp đồng kết tủa 27 2.5 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu nano peroskite Y1-xCdxFeO3 29 2.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 29 2.5.2 Phương pháp phân tích nhiệt 31 2.5.3 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua TEM 32 2.5.4 Phương pháp phổ tán sắc lượng tia X (EDS) 32 2.5.5 Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) 33 Chương THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Hóa chất, thiết bị, dụng cụ 35 3.1.1 Hóa chất 35 3.1.2 Thiết bị, dụng cụ 35 3.2 Thực nghiệm 35 3.3 Kết thảo luận 38 3.3.1 Kết tổng hợp vật liệu nano Y0.8Cd0.2FeO3 38 3.3.2 Kết tổng hợp vật liệu nano pha tạp Y1-xCdxFeO3 50 3.3.3 Kết tổng hợp vật liệu nano Y0.85Cd0.15FeO, Y0.75Cd0.25FeO3 Y0.65Cd0.35FeO3 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt ABO3 : Công thức chung oxit perovskite DSC : Nhiệt lượng kế vi sai DTA : Phân tích nhiệt vi sai CCD : Cảm biến chuyển đổi hình ảnh CBED : Nhiễu xạ vùng hội tụ EDX : Phổ tán sắc lượng tia X SAD : Nhiễu xạ vùng lựa chọn SHS : Phương pháp đốt cháy SPM : Kính hiển vi quét đầu dò PVA : Poli(vinyl axetat) TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua TGA : Phân tích nhiệt vi trọng lượng VSM : Từ kế mẫu rung XRD : Nhiễu xạ tia X Các ký hiệu a, b, c Hằng số mạng tinh thể d Khoảng cách hai mặt phẳng tinh thể DXRD Kích thước hạt xác định từ nhiễu xạ tia X Hc Lực kháng từ Mr Độ từ dư Ms Độ từ bão hịa λ Bước sóng 𝛽 Độ bán rộng phổ nhiễu xạ tia X 2θ Góc nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 So sánh kích thước số vật Bảng 3.1 Thành phần tiền chất tổng hợp vật liệu nano Y1-xCdxFeO3 36 Bảng 3.2 Bảng dịch chuyển giá trị góc 2θ ba họ mặt mạng có cường độ cao mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 sau nung nhiệt độ khác 41 Bảng 3.3 Thơng số mạng pha orthorhombic kích thước pha tinh thể mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 nung 650°C 750°C 41 Bảng 3.4 Bảng giá trị góc 2θ tương ứng họ mặt mạng pha orthorhombic Y0.8Cd0.2FeO3 sau nung nhiệt độ khác nhau44 Bảng 3.5 Thông số mạng tinh thể kích thước pha tinh thể mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 45 Bảng 3.6 Hàm lượng nguyên tố mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 nung 750°C 47 Bảng 3.7 Các đặc trưng từ tính vật liệu Y0.8Cd0.2FeO3 49 Bảng 3.8 Sự thay đổi giá trị góc 2θ kích thước pha tinh thể mẫu Y1-xCdxFeO3 nung 750°C với giá trị x khác 51 Bảng 3.9 Thông số mạng tinh thể orthorhombic mẫu Y1-xCdxFeO3 sau nung 750°C (1h) 53 Bảng 3.10 Hàm lượng nguyên tố mẫu Y0.9Cd0.1FeO3 Y0.7Cd0.3FeO3 nung 750°C 55 Bảng 3.11 Các đặc trưng từ tính vật liệu nano Y1-xCdxFeO3 (x = 0,1; 0,2 0,3) nung 750°C 1h 56 Bảng 3.12 Các đặc trưng từ tính vật liệu nung 750°C 59 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Một số sản phẩm sử dụng công nghệ nano Hình 1.2 Phân loại vật liệu nano theo số chiều Hình 1.3 Cấu trúc peroskite lý tưởng Hình 1.4 Sự biến dạng cấu trúc perovskite góc liên kết B-O-B khác 180° 10 Hình 1.5 Hình dạng đường cong từ trễ 13 Hình 2.1 Kiến trúc tinh thể FeO tinh thể Fe3O4 20 Hình 2.2 Tinh thể muối Y(NO3)3.6H2O 23 Hình 2.3 Các giai đoạn trình sol – gel tổng hợp vật liệu 26 Hình 2.4 Hình ảnh nhiễu xạ chùm tia X họ mặt mạng 29 Hình 2.5 Các đường cong phân tích nhiệt khối lượng 31 Hình 2.6 Hình dạng đường đặc trung thu kỹ thuật phân tích nhiệt tiêu chuẩn 32 Hình 2.7 Đặc trưng phương pháp tán xạ lượng tia X 33 Hình 3.1 Sơ đồ mơ tả quy trình tổng hợp vật liệu nano biến tính Y1-xCdxFeO3 phương pháp đồng kết tủa 37 Hình 3.2 Giản đồ TG – DTG mẫu kết tủa với x = 0,2 38 Hình 3.3 Giản đồ XRD mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 nung 650°C 40 Hình 3.4 Giản đồ XRD mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 nung 750°C 40 Hình 3.5 Giản đồ XRD mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 nung 850°C 42 Hình 3.6 Giản đồ XRD mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 nung 950°C 43 Hình 3.7 Giản đồ XRD mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 nung nhiệt độ khác 44 Hình 3.8 Biểu đồ biến thiên thông số mạng ô sở mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 theo nhiệt độ 45 Hình 3.9 Ảnh TEM mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 nung 750°C 46 66 of Surface La – rich LaFeO3 Perovskite”, Bull Korean Chem Soc 2009, Vol 30 (6), pp.1368-1372 21 Hui – Tao Fan, Xiu – Juan Xu, Xiao – Kang Ma and Tong Zhang (2011), “Preparation of LaFeO3 nanofibers by electrospinning for gas sensors with fast response and recovery”, Nanotechnology 22, pp.1-7 22 Saeid Farhadi, Firouzeh Siadatnasad (2011), “Perovskite – type LaFeO3 nanoparticles prepared by thermal decomposition of the La[Fe(CN)6].5H2O complex: A new reusable catalyst for rapid and efficient microwave irradiation”, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical (339), pp.108-116 23 Aure lija Gatelyte, Darius Jasaitis, Aldona Beganskiene, Aivaras Kareiva (2011), Sol-gel synthesis and characterization of selected transition metal nano - Ferrites, Materials science (Medziagotyra), 17 (3), pp.302- 307 24 Xiutao Ge, Yafei Liu, Xingqin Liu (2001), “Preparation and gas – sensitive properties of LaFe1-yCoyO3 semiconducting materials”, Sensors and actuators B (79), pp.171-174 25 Guangsheng Guo, Fubo Gu, Zhihua Wang, Hongyou Guo (2005), “Synthesis and characterization of La2(CO3)3 nanotructures in the Triton X 100/cyclohexan/water reverse micells”, Journal of Crystal Growth (277), pp.631- 635 26 Benedict Ita, P Murugavel, V Ponnambalam and A R Raju (2003), “Magnetic properties of lanthanum orthoferrite fine powders prepared by diffirent chemical routes”, Proc Indian Acad Sci (Chem Sci), 115 (5 – 6), pp.519- 524 27 A D Jadhav, A B Gaikwad, V Raivi (2007), “A low temperature route to prepare LaFeO3 and LaCoO3”, Material Letters (61), pp.2030-2032 67 28 K T Jacob, G Rajitha (2012), Nonstoichiometry, “Defects and thermodynamic properties of YFeO3, YFe2O4 and Y3Fe5O12”, Solid State Ionics (224), pp.32-40 29 E M Kirkpatrick (2000), “Structural and magnetic properties of mechanically milled SmCo0,5”:C’’, Jounal of Applied Physics 87 (9), pp.6734- 6736 30 Mark R Levy (2005), Chapter 3: “Perovskite Perfect Lattice”, Department of materials imperial College of Science, Crystal Structure and Defect Property Prediction in Ceramic Materials”, Technology and Medicine, pp.79-114 31 Sudan Li, Liqiang Jing, Wei Fu, Libin Yang, Baifu Xin and Honggang Fu (2007), “Photoinduced charge property of nanosized perovskite – type LaFeO3 and its relationship with photocatalytic activity under visible tirradiation”, Materiali research Bulletin (42), pp.203-212 32 Santi Maensiri, Chivalrat Masingboon, Paveena Laokul, Wirat Jareoboon, Vinich Promaralk, Philip L Anderson and Supapan Seraphin (2007), “Egg White Synthesis and Photoluminescence of Platelike Clusters of CeO2 Nanoparticles”, Crystal Growth and Design, Vol 7, No 5, pp.950-955 33 Weicheng Wang (2008), Shuo Li and other authors, “Synthesis and Characterization of TiO2/YFeO3 and Its Photocactalytic Oxidation of Gaseous Benzene”, Acta Phys Chim Sin, 24 (10), 1761-1766 34 Tatsuo Fujii, Ikkoh Matsuse, Makoto Nakanishi, Jun Takada (2011), “Formation and supperparamagnetic behaviors of LaFeO3 nanoparticles”, Springer Science – Business Media, 205 (1-3), pp.97- 100 35 A Pathak and P Pramamik (2001), “Nano – particles of oxides through chemical methods”, PINSA, 67 (1), pp.47-48 68 36 Gina Pecchi, Patricio Reyes, Raúl Zamora, Luis E.Cadús, Bibiana P Barbero (2006), “Catalytic combustion of methane over LaFeO3 peroskite: the influence of coprecipitation pH and agening time”, J Chil Chem Soc, 51(4), pp.1001-1005 37 Dorendrajit Singh, L Robindro Singh (2009), “Preparartion of Eu3+ doped Y2O3 and core – shell Y2O3:Eu – Y2O3 nanoparticles: Photoluminescence study”, Indian Journal of Engineering and Material Science, 16, pp.175-177 38 Nguyen Thi Thuy, Bach Thanh Cong, Dang Le Minh (2012), “The structral and magnetic properties of nano – sized perovskite LaFeO3 prepared by different methods”, Hindawi Publishing Coporation Advances Science and Engineering, pp.1- 39 Nguyen Anh Tien, O V Almjasheva, I Ya Mittova, O V Stognei, S A Soldatenko, “Synthesis and magnetic properties of YFeO3 nanocrystals”, Inorganic Materials, 2009, Vol 45 (11), pp.1304-1308 40 Sanjay Mathur, Michael Veith, Rasa Rapalaviciute, Hao Shen, Gerardo F Goya, Waldir L Martins Filho, Thelma S Berquo, “Molecule Derived Synthesis of Nanocrystalline YFeO3 and Investigations on Its Weak Ferromagnetic Behavior”, Chem Mater 2004, 16, 1906-1913 41 Mingyu Shang, Chenyang Zhang, Tingsong Zhang, Lin Yuan, Lei Ge1, Hongming Yuan, Shouhua Feng, “The multiferroic perovskite YFeO3”, American Institute of Physics 2013 42 Marc De Graef, Michael E Mc Henry (2012), “Tructure and materials”, Cambridge University Trang web 43 Http://old.over.edu.vn/moduel/khoahoc-va-congnghe/tu-ke-mau-rung.thml 44 Http://link.springer.com 45 Http://sci-hub.cc/ P1 PHỤ LỤC PHỤ LỤC GIẢN ĐỒ NHIỄU XẠ TIA X CỦA MẪU VẬT LIỆU (a) Mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 nung 650°C (b) Mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 nung 750°C P2 (c) Mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 nung 850°C (d) Mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 nung 950°C P3 (e) Mẫu Y0.9Cd0.1FeO3 nung 750°C (f) Mẫu Y0.7Cd0.3FeO3 nung 750°C P4 (g) Mẫu Y0.85Cd0.15FeO3 nung 750°C Y065Pd035FeO3 320 310 300 290 280 270 d=2.70449 260 250 240 230 220 210 190 180 170 160 150 140 130 120 110 d=1.34914 d=1.91829 d=1.87260 d=1.44246 30 d=1.90279 d=1.59296 d=1.56866 40 d=1.71155 50 d=2.64101 d=2.28486 60 d=3.42828 70 d=2.17247 d=2.11671 d=2.79891 90 80 d=1.53566 100 d=3.82015 Lin (Counts) 200 20 10 10 20 30 40 50 60 70 80 2-Theta - Scale Y065Pd035FeO3 - File: Y065Pd035FeO3.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 90.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 0.8 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5.000 ° - C 00-039-1489 (*) - Iron Yttrium Oxide - FeYO3 - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 5.59460 - b 7.60530 - c 5.28170 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pnma (62) - - 224.729 - I/Ic PDF - F30=11 (h) Mẫu Y0.75Cd0.25FeO3 nung 750°C 90 P5 Y075Pd025FeO3 320 310 300 290 280 270 260 250 240 230 220 210 190 d=2.70559 180 170 160 150 140 130 120 110 d=1.54005 100 90 40 d=2.78614 50 d=3.07774 60 d=1.91905 d=2.64209 70 d=1.90047 30 d=1.70737 d=1.67432 80 d=3.42969 Lin (Counts) 200 20 10 10 20 30 40 50 60 70 80 2-Theta - Scale Y075Pd025FeO3 - File: Y075Pd025FeO3.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 90.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 0.8 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5.000 ° - C 00-039-1489 (*) - Iron Yttrium Oxide - FeYO3 - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 5.59460 - b 7.60530 - c 5.28170 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pnma (62) - - 224.729 - I/Ic PDF - S-Q 97 00-041-1105 (*) - Yttrium Oxide - Y2O3 - WL: 1.5406 - Cubic - a 10.60410 - b 10.60410 - c 10.60410 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - Ia3 (206) - 16 - 1192.40 - I/Ic PDF 9.1 - S-Q 2.2 % (i) Mẫu Y0.65Cd0.35FeO3 nung 750°C 90 P6 PHỤ LỤC ĐƯỜNG CONG TỪ TRỄ CỦA MẪU VẬT LIỆU (a) Mẫu Y0.9Cd0.1FeO3 nung 750°C P7 (b) Mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 nung 650°C P8 (c) Mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 nung 750°C P9 (d) Mẫu Y0.8Cd0.2FeO3 nung 850°C P10 (e) Mẫu Y0.7Cd0.3FeO3 nung 750°C P11 (f) Mẫu Y0.75Cd0.25FeO3 nung 750°C P12 (g) Mẫu Y0.65Cd0.35FeO3 nung 750°C ... Hấp Minh Cường NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ PHA TẠP Cd ĐẾN CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU NANO PEROVSKITE Y1- xCdxFeO3 Chuyên ngành : Hóa vơ Mã số : 60 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI... tiêu nghiên cứu Tổng hợp vật liệu nano perovskite Y1- xCdxFeO3 thay đổi tính chất vật liệu có pha tạp Cd YFeO3 Đối tượng, nội dung phương pháp nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Vật liệu nano perovskite. .. hạt để tổng hợp vật liệu nano pha tạp thuộc hệ Y 1xCdxFeO3 phương pháp đơn giản mà chưa có tài liệu công bố 2.5 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu nano peroskite Y1- xCdxFeO3 2.5.1 Phương