Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các đặc trưng của vật liệu nano spinen co1 xznxfe2o4 bằng phương pháp đồng kết tủa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA HĨA HỌC - - KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP SƢ PHẠM HỐ HỌC CHUN NGÀNH: HĨA VƠ CƠ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU NANO SPINEN Co1-xZnxFe2O4 BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến SVTH: Nguyễn Thị Hợi MSSV: K39.201.038 TP Hồ Chí Minh, Tháng năm 2017 NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn tới Thầy Nguyễn Anh Tiến, ngƣời hƣớng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành luận văn Tiếp đó, em xin chân thành cảm ơn Thầy, Cơ khoa Hóa trƣờng Đại học Sƣ phạm TP Hồ Chí Minh nhiệt tình giảng dạy giúp đỡ em suốt trình học tập thực luận văn tốt nghiệp Và xin gửi lời cảm ơn tới cán PTN Hóa vơ cơ, PTN Hóa lý khoa Hóa trƣờng Đại học Sƣ phạm TP HCM, kỹ sƣ PTN khoa Công nghệ Vật liệu trƣờng Đại học Bách khoa TP HCM nhiệt tình giúp đỡ em suốt trình thực nghiệm nghiên cứu để hồn thành đề tài Xin chân thành cảm ơn! Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới tất bạn bè ngƣời thân gia đình ln quan tâm, động viên giúp đỡ em suốt trình học tập nghiên cứu Sinh viên Nguyễn Thị Hợi MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Mục lục Danh mục chữ viết tắt kí hiệu Danh mục bảng Danh mục hình đồ thị MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng, nội dung phương pháp nghiên cứu CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan công nghệ nano vật liệu nano 1.2 Cấu trúc tinh thể ferit spinen MeFe2O4 1.3 Các đặc trưng vật liệu từ 1.3.1 Một số khái niệm 1.3.2 Các đặc trưng vật liệu từ cứng 1.3.3 Các đặc trưng vật liệu từ mềm 11 1.3.4 Sự ảnh hưởng kích thước tới lực kháng từ 12 CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÁP TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU NANO SPINEN 14 2.1 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano spinen 14 2.1.1 Phương pháp gốm truyền thống 14 2.1.2 Phương pháp sol-gel 15 2.1.3 Phương pháp đồng kết tủa 16 2.2 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu nano spinen Co1-xZnxFe2O4 18 2.2.1 Phương pháp phân tích nhiệt 18 2.2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 19 2.2.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 21 2.2.4 Phương pháp phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 22 2.2.5 Phương pháp đo đường cong từ trễ (VSM) 23 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 25 3.1.1 Hóa chất 25 3.1.2 Dụng cụ thiết bị 25 3.2 Thực nghiệm tổng hợp vật liệu nano Co1-xZn xFe2O4 26 3.3 Kết thảo luận 28 3.3.1 Kết phân tích nhiệt TG- DSC 28 3.3.2 Kết nhiễu xạ tia X 29 3.3.2.1 Kết XRD mẫu Co1-xZnxFe2O4 (x= 0,2; 0,4; 0,6) 29 3.3.2.2 Kết XRD oxit kẽm, coban, sắt (III) 33 3.3 Kết phân tích EDX 36 3.4 Kết phân tích TEM 37 3.5 Kết phân tích VSM 38 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt EDX MeFe2O4 Diễn giải Phổ tán sắc lượng tia X Công thức chung ferit spinen TEM TGA DSC VSM XRD a d dXRD Hc Mr Ms λ Kính hiển vi điện tử truyền qua Phân tích nhiệt trọng lượng Phân tích nhiệt vi sai Từ kế mẫu rung Nhiễu xạ tia X Hằng số mạng tinh thể Khoảng cách hai mặt phẳng tinh thể d Kích thước tinh thể xác định từ nhiễu xạ tia X Lực kháng từ Độ từ dư Độ từ bão hòa Bước sóng tia X  2θ Độ bán rộng phổ nhiễu xạ tia X Góc nhiễu xạ tia X i DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Tên bảng Phân bố ion kim loại ô mạng sở ferit spinen Trang MeO.Fe2O3 1.2 Tổng kết đơn vị đo từ trường hệ đơn vị SI cgs 3.1 Thành phần tiền chất tổng hợp vật liệu nano Co1-xZnxFe2O4 26 3.2 Một số thông số đặc trưng mẫu vật liệu nano spinen Co1- 31 xZn xFe2O4 3.3 Một số thông số đặc trưng mẫu vật liệu nano spinen Co1xZn xFe2O4 3.4 nung 800°C 2h nung 900°C 2h Một số thông số đặc trưng mẫu vật liệu nano spinen Co1xZn xFe2O4 33 33 nung 1000°C 2h 3.5 Một số thông số phổ XRD oxit nung 1000°C 2h 36 3.6 Thành phần nguyên tố mẫu Co0,6Zn0,4Fe2O4 nung 37 1000°C 2h 3.7 Các thông số từ tính mẫu vật liệu Co1-x ZnxFe2O4 nung nhiệt độ khác ii 38 DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tên Cấu trúc tinh thể ferit spinen Trang 1.3 1.4 Đường cong từ hóa đường cong từ trễ a) Đường từ hóa bản của vâ ̣t liê ̣u sắ t từ và đường từ trễ phu ̣ b) Đường cong từ trễ Đường cong từ trễ đặc trưng vật liệu từ cứng Đường cong từ trễ đặc trưng vật liệu từ mềm 10 11 1.5 2.1 Sự phụ thuộc lực kháng từ vào đường kính hạt Sự nhiễu xạ bề mặt tia X 12 20 2.2 Sơ đồ hệ đo từ kế mẫu rung 23 3.1 Quy trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu nano Co1-xZnxFe2O4 27 3.2 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu Co0,8Zn0,2Fe2O4 28 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Co0,8Zn0,2Fe2O4 nung 800°C vòng 2h 29 3.4 29 3.9 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Co0,6Zn0,4Fe2O4 nung 800°C vòng 2h Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Co0,4Zn0,6Fe2O4 nung 800°C vòng 2h Giản đồ chồng phổ XRD mẫu Co1-xZnxFe2O4 nung 800°C 2h Giản đồ chồng phổ XRD mẫu Co1-xZnxFe2O4 nung 900°C 2h Giản đồ chồng phổ XRD mẫu Co1-xZnxFe2O4 nung 1000°C 2h Giản đồ XRD Fe2O3 nung 1000°C 2h 3.10 Giản đồ XRD ZnO nung 1000°C 2h 34 3.11 Giản đồ XRD Co3O4 nung 1000°C 2h 35 3.12 Giản đồ chồng phổ XRD oxit với mẫu vật liệu nano spinen pha tạp Co0,6Zn0,4Fe2O4 nung 1000°C 2h Phổ EDX mẫu Co0,6Zn0,4Fe2O4 nung 1000°C 2h 35 1.2 3.5 3.6 3.7 3.8 3.13 iii 30 30 32 32 34 36 3.14 Kết đo Tem mẫu x=0,4 8000C 2h 37 3.15 Đường cong từ trễ mẫu Co0,6Zn0,4Fe2O4 nung 800°C 2h 39 3.16 Đường cong từ trễ mẫu Co0,6Zn0,4Fe2O4 nung 900°C 2h 39 3.17 Đường cong từ trễ mẫu Co0,6Zn0,4Fe2O4 nung 1000°C 2h Đường cong từ trễ mẫu Co0,8Zn0,2Fe2O4 nung 1000°C 2h Đường cong từ trễ mẫu Co0,4Zn0,6Fe2O4 nung 1000°C 2h 40 3.18 3.19 iv 40 41 Kết TEM cho thấy, vât liệu nano spinen pha tạp cấu tạo từ hạt riêng biệt có kích thước dao động khoảng 50 nm, kích thước hạt nano pha tạp xấp xỉ với hạt vật liệu nano spinen đơn giản CoFe2O4 ZnFe2O4 cơng bố cơng trình [3, 10] Nhìn chung, vật liệu nano spinen pha tạp đơn giản tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa kể có khuynh hướng kết tụ lại với tạo thành chùm hay đám hạt mà khơng phân tán rời rạc Tóm tại, phương pháp đồng kết tủa thông qua giai đoạn thủy phân từ từ cation Co2+, Zn2+ Fe3+ nước nóng trước, sau đó để nguội thêm dung dịch KOH loãng (CM=10-4 M) tổng hợp vật liệu nano spinen pha tạp Co1-xZnxFe2O4 (x=0,2; 0,4 0,6) với kích thước pha tinh thể < 30 nm, kích thước hạt ~50 nm 3.5 Kết phân tích VSM Các đặc trưng từ tính vật liệu nano spinen pha tạp Co1-xZnxFe2O4 nghiên cứu hệ đo từ mẫu rung (VSM) thực nhiệt độ phòng Kết đo đường cong từ trễ thông số từ tính thể hình từ 3.15 đến 3.19 bảng 3.7 Bảng 3.7 Các thông số từ tính mẫu vật liệu Co1-x ZnxFe2O4 nung nhiệt độ khác STT Nhiệt độ Mẫu vật liệu Hc (Oe) Mr (emu/g) Ms (emu/g) 8000C Co0,6Zn0,4Fe2O4 101,11 13,58 82,19 900oC Co0,6Zn0,4Fe2O4 66,46 12,14 90,63 Co0,6Zn0,4Fe2O4 36,00 5,15 90,76 Co0,8Zn0,2Fe2O4 179,63 16,90 99,97 Co0,4Zn0,6Fe2O4 8,67 1,33 56.00 ZnFe2O4 [10] 37,35 0,15 1,17 CoFe2O4 [3] 1526,89 19,55 41,70 1000oC 38 Hình 3.15 Đường cong từ trễ mẫu Co0,6Zn0,4Fe2O4 nung 800°C 2h Hình 3.16 Đường cong từ trễ mẫu Co0,6Zn0,4Fe2O4 nung 900°C 2h 39 Hình 3.17 Đường cong từ trễ mẫu Co0,6Zn0,4Fe2O4 nung 1000°C 2h Hình 3.18 Đường cong từ trễ mẫu Co0,8Zn0,2Fe2O4 nung 1000°C 2h 40 Hình 3.19 Đường cong từ trễ mẫu Co0,4Zn0,6Fe2O4 nung 1000°C 2h Từ bảng số liệu 3.7 cho thấy, xét nồng độ Zn pha tạp (x=0,4) nhiệt độ nung mẫu tăng lực kháng từ (Hc) độ từ dư (Mr) giảm xuống, từ độ bão hịa (Ms) lại tăng Điều giải thích nung mẫu nhiệt độ cao, tinh thể hoàn thiện, giảm dị hướng tinh thể, tăng tính đối xứng tinh thể, xu hướng giảm lượng tự do, giảm khuyết tật mạng lưới [5, 7] Còn tăng nồng độ pha tạp Zn mạng tinh thể CoFe2O4 từ x=0,2 đến 0,6 ngược lại, ba giá trị Hc, Mr Ms lại giảm Điều có lẽ bắt nguồn từ phân bố cation Zn2+, Fe3+ cấu trúc spinen đảo Trong cấu trúc spinen đảo CoFe2O4 số lượng ion Fe3+ phân bố hai phân mạng A B, đó momen từ đóng góp ion Co2+ vị trí B Cịn vật liệu spinen pha tạp Co1-xZnxFe2O4, cation Zn2+ thay vào vị trí ion Co2+ vị trí B làm cho momen từ mẫu giảm momen từ Zn2+ nhỏ momen từ Co2+ (momen từ Zn2+ không có electron độc thân đó momen từ Co2+ 35,9.10-24 J.T-1 ) [4] Như vậy, nồng độ Zn pha tạp lớn ion Zn2+ thay phân mạng B chiếm ưu Nếu so sánh với vật liệu nano spinen đơn giản CoFe2O4 ZnFe2O4 cơng trình [3, 10, 13] tổng hợp điều kiện tương tự (phương pháp đồng kết tủa) vật liệu nano spinen pha tạp Co1-xZnxFe2O4 có Mr (1,33 – 16,9 emu/g) lực 41 kháng từ (Hc = 8,69 – 179,63 Oe) nhỏ so với spinen CoFe2O4 spinen ZnFe2O4, độ từ hóa bão hịa (Ms = 56 - 99,97 emu/g) lại lớn Khi nồng độ pha tạp Zn lớn vật liệu nano pha tạp thu mềm hóa Có thể ứng dụng vật liệu để làm lõi biến thế, lõi dẫn từ, nam châm điện, hoạt động từ trường cao 42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Trên sở kết thu được, thấy luận văn đáp ứng mục tiêu nội dung nghiên cứu ban đầu đề với số kết luận kết sau: - Đã tổng hợp thành công vật liệu nano spinen lập phương Co1-xZnxFe2O4 (x = 0,2; 0,4; 0,6) phương pháp đồng kết tủa thông qua giai đoạn thủy phân cation kim loại nước nóng trước (t° > 90°C), sau đó để nguội thêm tác nhân kết tủa dung dịch KOH 10-4M - Vật liệu nano đơn pha Co1-xZnxFe2O4 hình thành sau nung kết tủa môi trường áp suất khơng khí từ nhiệt độ phịng đến 800, 900 1000°C 2h với kích thước pha tinh thể < 30 nm, kích thước hạt ~50 nm - Khi nhiệt độ nung mẫu tăng, giá trị Hc Mr giảm, Ms tăng tăng tính đối xứng tinh thể Còn hàm lượng Zn mạng tinh thể CoFe2O4 tăng đặc trưng từ tính lại giảm momen từ ion Zn2+ bé momen từ ion Co2+ [4] - Các đặc trưng từ tính vật liệu nano spinen pha tạp Co1-xZnxFe2O4 có nhiều ưu điểm so với vật liệu nano spinen đơn giản CoFe2O4 ZnFe2O4 KIẾN NGHỊ Vì thời gian nghiên cứu đề tài hạn chế bỡ ngỡ việc nghiên cứu khoa học, nên chưa thể nghiên cứu sâu đề tài Nếu có hội học tập nghiên cứu tiếp, phát triển đề tài theo hướng sau: - Nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện đồng kết tủa như: thứ tự kết tủa cation, kết tủa riêng biệt hidroxit kim loại, sau đó trộn lẫn với để so sánh với kết thu đề tài - Khảo sát thay đổi nồng độ kẽm pha tạp với tỉ lệ nhỏ (2,5%; 5%; 7,5%, …) để nghiên cứu quy luật thay đổi đặc trưng từ tính vật liệu nano spinen pha tạp - Tìm hiểu số hướng ứng dụng vật liệu nano spinen pha tạp tổng hợp 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Hoàng Nhâm (2001) Hố học vơ (tập2, tập 3), Nhà xuất Giáo dục, 294 tr Ngụy Hữu Tâm (2004) Công nghệ nano trạng, thách thức siêu ý tưởng, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Anh Tiến, Hoàng Thị Tuyết (2015) Tổng hợp cấu trúc từ tính vật liệu nano CoFe2O4 phương pháp đồng kết tủa, Tạp chí Hóa học Việt Nam, 10(3), 440 – 444 Nguyễn Quang Dũng (2015) Tính chất từ vật liệu, , xem 22/4/2017 Nguyễn Tiến Đạt (2016) Nghiên cứu tổng hợp khảo sát đặc trưng vật liệu nano spinel Ni1-xCoxFe2O4 phương pháp đồng kết tủa, Luận án Thạc sĩ Hoá học, Trường Đại học sư phạm TPHCM, 132 tr Nguyễn Thị Kim Yến (2013) Nghiên cứu tổng hợpvà khảo sát cấu trúc, tính chất vật liệu nano NiFe2O4, luận văn tốt nghiệp, Trường Đại học sư phạm TPHCM, 53 tr Phan Văn Tường (1998) Vật liệu vô cơ, Nhà xuất ĐHKHTN-ĐHQGHN, Hà Nội Vũ Đình Ngọ (2009) Tổng hợp ferit MFe2O4 (M=Ni, Co) phương pháp hóa ướt, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc từ tính, Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp Bộ, MS 101-09-RD Vũ Đình Ngọ, Ngơ Sỹ Lương, Phan Văn Tường (2009) Tổng hợp CoFe2O4 cấp hạt nano SiO2 phương pháp sol-gel, nghiên cứu cấu trúc từ tính chúng, Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh, (1), 8-11 Tiếng Anh 10 A T Nguyen, Ph H Nh Phan, I Ya Mittova, M V Knurova, V O Mittova (2016) The characterization of nanosized ZnFe2O4 material prepared by coprecipitation Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics,7 (3), P 459 – 463 11 Bragg (1915),”The structure of the spinel group of crystals”, Philos Mag 30(176), p 305–315 44 12 G.B.Sergeev (2001) Utxpekhi khimii, 70(10), p 915-933 13 Chandrashekhar A Ladole (2012) Preparation and characterization of spinel zinc ferritte ZnFe2O4, Int J Chem, 10(3), p 1230-1234 14 K.J Klabunde (1994) Free Atoms, Clusters and Nanoparticles, Academic Press, San Diego 15 Lee, Seung Wha, et al (2002) "Magnetic properties of Zn'" subtitued ultrafine Co- ferit grown by a sol-gel method", Smithsonian/NASA ADS Physics Abstract Service 16 P.Sivagurunathan,K.Sathiyamurth Structural, Morphological and (2016).“Effect Magnetic Temperatures Properties of Zinc Nanoparticles”, (2),p 244- 254 17 Smit, J.Wijn (1959) Ferrites, Philips Technical Library 45 of on Ferrite Phụ lục Phụ lục 1: Các thông số phỏ chuẩn CoFe2O4 Phụ lục 2: Kết xử lí file raw mẫu vật liệu Co1-xZnxFe2O4 (x=0,2; 0,4; 0,6) nung nhiệt độ 800oC, 900oC, 1000oC 2h: Kết xử lí file raw mẫu vật liệu Co0,8Zn0,2Fe2O4 nung 8000C 2h Kết xử lí file raw mẫu vật liệu Co0,8Zn0,2Fe2O4 nung 900oC 2h Kết xử lí file raw mẫu vật liệu Co0,8Zn0,2Fe2O4 nung 1000oC 2h Kết xử lí file raw mẫu vật liệu Co0,6Zn0,4Fe2O4 nung 800oC 2h Kết xử lí file raw mẫu vật liệu Co0,6Zn0,4Fe2O4 nung 900oC 2h Kết xử lí file raw mẫu vật liệu Co0,6Zn0,4Fe2O4 nung 1000oC 2h Kết xử lí file raw mẫu vật liệu Co0,4Zn0,6Fe2O4 nung 800oC 2h Kết xử lí file raw mẫu vật liệu Co0,4Zn0,6Fe2O4 nung 900oC 2h Kết xử lí file raw mẫu vật liệu Co0,4Zn0,6Fe2O4 nung 1000oC 2h Phụ lục 3: Kết xử lí file raw mẫu oxit Kết xử lí file raw ZnO Kết xử lí file raw Fe2O3 Kết xử lí file raw Co3O4 ... CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU NANO SPINEN 2.1 Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano spinen Hiện nay, có nhiều phương pháp sử dụng để tổng hợp hạt nano spinen, ... CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU NANO SPINEN Co 1xZnxFe2O4 BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA” để làm đề tài luận văn tốt nghiệp Mục tiêu nghiên cứu Tổng hợp hệ vật liệu nano spinen. .. 12 CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÁP TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU NANO SPINEN 14 2.1 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano spinen 14 2.1.1 Phương pháp gốm truyền