ĐỀ tài tổng hợp vật liệu sio2 eu3+ bằng phương pháp sol gel

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC - o0o BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MƠN CƠ SỞ HĨA HỌC VẬT LIỆU Bộ mơn: Hóa vơ đại cương ĐỀ TÀI: Tổng hợp vật liệu SiO2: Eu3+ bằng phương pháp sol-gel GVHD : Trịnh Xuân Anh SVTH : Đặng Thị Hằng MSSV : 20174636 LỚP : Hóa Học 02– K62 HÀ NỘI 4/2021 Mục lục Giới thiệu a.Các khái niệm bản: b.Các q trình xảy Sol-Gel: c Ưu điểm nhược điểm trình Sol-Gel: .6 d Một số ứng dụng phương pháp sol-gel: .7 e.Các phương pháp tạo màng : .7 2.Thực nghiệm a Dụng cụ, hóa chất: b.Tính tốn số liệu: .8 c Quy trình tổng hợp: 3.Kết quả: 10 1 Giới thiệu Trong khoa học vật liệu, phương pháp sol-gel là phương pháp để sản xuất vật liệu rắn từ phân tử nhỏ Phương pháp sử dụng để chế tạo các oxit kim loại, đặc biệt ơxít của silic và titan Q trình liên quan đến việc chuyển đổi monome vào dung dịch keo (sol) đóng vai trị tiền thân cho mạng tích hợp (hoặc gel) hạt rời rạc polyme mạng tiền chất điển hình alkoxides kim loại a.Các khái niệm bản: Một hệ Sol: phân tán hạt rắn có kích thước khoảng 0.1 đến 1µm chất lỏng, có chuyển động Brown làm lơ lửng hạt a) Kích thước hạt nhỏ nên lực hút không đáng kể b) Lực tương tác hạt lực Val der Waals c) Các hạt có chuyển động ngẫu nhiên Brown dung dịch hạt va chạm lẫn Sol có thời gian bảo quản giới hạn hạt Sol hút dẫn đến đông tụ hạt keo Một hệ Gel: trạng thái mà chất lỏng rắn phân tán vào nhau, mạng lưới chất rắn chứa thành phần chất lỏng Precursor phần tử ban đầu để tạo hạt keo (sol) Nó tạo thành từ thành tố kim loại hay kim, bao quanh ligand khác Các precursor chất vơ kim loại hay hữu kim loại Công thức chung precursor : M(OR)X M kim loại R nhóm alkyl có cơng thức: CnH2n+1 Những chất hửu kim loại sử dụng phổ biến alkoxysilans, Tetramethoxysilan (TMOS),Tetraethoxysilan(TEOS) Dĩ nhiên alkoxy khác Aluminate, Titanate, Borat sử dụng phổ biến q trình Sol-gel b.Các q trình xảy Sol-Gel: Quá trình sol-gel phương pháp hóa học ướt tổng hợp phần tử huyền phù dạng keo rắn chất lỏng sau tạo thành nguyên liệu lưỡng pha khung chất rắn, chứa đầy dung môi xảy trình chuyển tiếp sol-gel Trong trình sol-gel phần tử trung tâm trải qua phản ứng hóa học bản: phản ứng thủy phân phản ứng ngưng tụ (dưới xúc tác axit bazơ) để hình thành mạng lưới tồn dung dịch Phản ứng thủy phân: Phản ứng thủy phân thay nhóm alkoxide (-OR) liên kết kim loạialkoxide nhóm hydroxyl (-OH) để tạo thành liên kết kim loại-hydroxyl M(OR)n + xHOH → M(OR)n-x (OH)x + xROH (1.1) Phản ứng ngưng tụ : Phản ứng ngưng tụ tạo nên liên kết kim loại-oxide-kim loại, sở cấu trúc cho màng oxide kim loại Hiện tượng ngưng tụ diễn liên tục làm cho liên kết kim loại-oxide-kim loại không ngừng tăng lên tạo mạng lưới kim loại-oxide-kim loại toàn dung dịch Phản ứng ngưng tụ diễn theo kiểu: Ngưng tụ rượu: M(OH)(OR)n-1 + M(OR)n → (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 + ROH (1.2) Ngưng tụ nước: M(OH)(OR)n-1 + M(OH)(OR)n-1 → (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 + H2O (1.3) Các giai đoạn chính:  Tạo dung dịch sol: alkoxide kim loại bị thủy phân ngưng tụ, tạo thành dung dịch sol gồm hạt oxide kim loại nhỏ (hạt sol) phân tán dung dịch sol Dung dịch dùng phủ màng phương pháp phủ quay (spin coating) hay phủ nhúng (dip coating)  Gel hóa (gelation): hạt sol hình thành liên kết Độ nhớt dung dịch tiến vô hạn có hình thành mạng lưới oxide kim loại (M-O-M) ba chiều dung dịch  Thiêu kết (sintering): trình kết chặt khối mạng, điều khiển lượng phân giới Thơng qua q trình gel s ẽ chuyển từ pha vơ định hình sang pha tinh thể tác dụng nhiệt độ cao Trong tồn q trình, hai phản ứng thuỷ phân–ngưng tụ hai phản ứng định cấu trúc tính chất sản phẩm sau Do đó, phương pháp sol-gel, việc kiểm soát tốc độ phản ứng thuỷ phân-ngưng tụ quan trọng Sự phát triển cấu trúc tinh thể q trình Gel hóa: Sol tồn khoảng thời gian Đến thời điểm định hạt hút lẫn để trở thành phần tử lớn Các phần tử tiếp tục phát triển đến kích thước cỡ 1nm tùy theo xúc tác có mặt dung dịch mà phát triển theo hướng khác Hình 1.4 Sự phát triển cấu trúc tinh thể điều kiện xúc tác acid Dưới điều kiện xúc tác acid hạt phát triển thành polymer mạch nhánh ngẫu nhiên mạch thẳng bản, đan xen vào Hình 1.5 Sự phát triển cấu trúc tinh thể điều kiện xúc tác base Dưới điều kiện xúc tác baz hạt phát triển th ành cluster phân nhánh mức độ cao nhiều hơn, không xen vào trước tạo thành Gel, chúng thể cluster riêng biệt Như vậy, với loại xúc tác khác nhau, chiều hướng phát triển hạt Sol có phần khác biệt Sự phát triển hạt dung dịch ngưng tụ, làm tăng số liên kết Kim loại- Oxide- Kim loại tạo thành mạng lưới khắp dung dịch Hình 1.6 Sự phát triển cấu trúc màng trình sol-gel c Ưu điểm nhược điểm trình Sol-Gel: Ưu điểm:  Có thể tạo màng phủ liên kết mỏng để mang đến dính chặt tốt  vật liệu kim loại màng  Có thể tạo màng dày cung cấp cho trình chống ăn mịn  Có thể dễ dàng tạo hình vật liệu có hình dạng phức tạp  Có thể sản suất sản phẩm có độ tinh khiết cao  Khả thiêu kết nhiệt độ thấp, thường 200 – 600 độ  Có thể điều khiển cấu trúc vật liệu  Tạo hợp chất với độ pha tạp lớn  Độ khuyếch tán đồng cao  Chế tạo nano thay đổi thành phần dễ  Làm việc nhiệt độ thấp hiệu quả, kinh tế, đ ơn giản để sản xuất màng có chất lượng cao  Ưu điểm trội phương pháp sol-gel khả chế tạo vật liệu có cấu trúc đồng đều: vật liệu xốp, vật liệu microballoon Nhược điểm:  Sự liên kết màng yếu  Có độ thẩm thấu cao  Rất khó để điều khiển độ xốp  Dễ bị rạn nứt trình nung sấy d Một số ứng dụng phương pháp sol-gel: Phương pháp sol-gel sử dụng rộng rãi chế tạo nghiên cứu vật liệu oxide kim loại tinh khiết Những nghiên cứu phương pháp sol-gel chủ yếu chế tạo gel khối SiO2 (silica) sau mở rộng chế tạo oxide kim loại chuyển tiếp khác TiO2 (titania), ZrO2 (zirconia),… Hiện nay, phương pháp sol-gel thành công việc chế tạo vật liệu oxide đa thành phần (multicomponent oxide: SiO2-TiO2, TiO2:SnO2…) chế tạo vật liệu lai hữu cơ-vô (hybrid materials) e.Các phương pháp tạo màng :  Phủ quay (spin coating):  Phủ nhúng (dip coating):  Phủ phun (spray coating):  Phủ chảy dòng (flow coating):  Tính chất quang ion Eu3+ Với ion Eu3+ tự do, dịch chuyển phát xạ hầu hết bị cấm quy tắc lựa chọn Nhưng nằm mạng rắn, có nhiễu loạn hàm sóng 4f làm cho mạng đưa trạng thái lẻ vào hàm sóng 4f ion Eu3+, tạo nên dịch chuyển phát xạ yếu Hơn nữa, mạng gây nên tách Stark mức lượng Kết dẫn đến mở rộng dịch chuyển quang 2.Thực nghiệm Tổng hợp vật liệu SiO2: Eu3+ bằng phương pháp sol-gel  a Dụng cụ, hóa chất:  - Si(OC2H5)4 1ml  - Ethanol 8ml   - Nước cất  - Xúc tác HCl (0,1M)   - Eu(NO3)3 (5,682 x 10-3M)  - Cốc phản ứng 30ml  - Pipet 1ml, 10ml  - Máy khuấy từ gia nhiệt  - Con khuấy từ  b.Tính tốn số liệu: Si(OC2H5)4 - 1ml , d= 0.933 g/mol, C%= 98%, M= 208,33 g/mol Ethanol: 8ml  Nước lấy theo tỉ lệ mol: Si(OC2H5)4:H2O = 2:1  Xúc tác HCl (0,1M) cho lượng vừa đủ 1-2 giọt để pH=5.  Eu(NO3)3  CM= 5.682*10-3  *) Tính tốn Ta có: m Si(OC2H5)4 = V*d*C%=1*0.933*98%=0.91434 (g) m 0.91434  n Si(OC2H5)4 = M = 208.33 = 0.004389 (mol) Bảo toàn Si, ta có : n Si(OC2H5)4 = n SiO2 = 0.004389 (mol)  m SiO2 = 0.004389* 60= 0.263334 (g) Theo đề có m Eu(NO3)3  có tỉ lệ khoảng 0.1% m SiO2 0.1  m Eu(NO3)3  = 0.263334 * 100 = 0.000263 (g) 0.000263  n Eu(NO3)3  = 337.98 = 7.8 *10-7 (mol) 7.8∗10−7  V Eu(NO3)3  = 5.682∗10−3 = 0.14* 10 -3 (L) = 0.14 (ml)   c Quy trình tổng hợp:  Bước 1: Cho 8ml ethanol vào cốc phản ứng  Bước 2: Cho 1ml Si(OC2H5)4 vào cốc phản ứng  Khuấy máy khuấy từ;  Bước 3: Cho H2O (có sẵn HCl) vào từ từ  Tiến hành khuấy và gia nhiệt 70oC trong thời gian 30 phút  Bước 4: Bổ sung Eu(NO3)3 vào tỉ lệ khoảng 0,1% SiO2.  (V Eu(NO3)3 = 0.14 (ml)) Tiếp tục khuấy gia nhiệt 70oC thời gian 60 phút.  Kết thúc phản ứng.  Dung dịch sau phản ứng lấy phủ màng kính nhỏ (bằng cách nhúng tay tráng lên mặt kính tay)  Phần dung dịch dư để thành mẫu lưu lọ nhựa (hộp làm sữa chua) lưu sau thời gian 1-2 tuần để thành gel khơ tự nhiên.   Kết có : mẫu màng mẫu khối Xử lí nhiệt: Các mẫu màng bột xử lý nhiệt lò nung đặt tại: PTN Vô – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đối với màng: Tiến hành nung mẫu nhiệt độ 32- 450°C thời gian 105’ với tốc độ gia nhiệt 4°C/ phút 3.Kết quả: 10 Chart Title 1.5 Absorbance (AU) 0.5 0 200 400 600 800 1000 1200 -0.5 -1 -1.5 Wavelength (nm) Lần Lần Lần Khảo sát tính chất : Khảo sát UV- Vis Nhận xét: Mẫu thu được có màu trắng, mẫu khối vón cục, mẫu màng khơng bám dính lên tấm kính do tráng phủ khơng đều (tráng phủ thủ cơng) Khi đem đi đo độ hấp thụ, thu ba dải phổ: kính phủ vị trí khác Ở đây, phổ UV- Vis lần đo khác đặt kính vị trí khác nhau, độ dày lớp màng khác Đây nhược điểm phương pháp phủ màng 11 ... số liệu: .8 c Quy trình tổng hợp: 3.Kết quả: 10 1 Giới thiệu Trong khoa học vật liệu, ? ?phương pháp sol-gel? ?là phương pháp để sản xuất vật liệu rắn từ phân tử nhỏ Phương. .. ứng dụng phương pháp sol-gel: Phương pháp sol-gel sử dụng rộng rãi chế tạo nghiên cứu vật liệu oxide kim loại tinh khiết Những nghiên cứu phương pháp sol-gel chủ yếu chế tạo gel khối SiO2 (silica)... giản để sản xuất màng có chất lượng cao  Ưu điểm trội phương pháp sol-gel khả chế tạo vật liệu có cấu trúc đồng đều: vật liệu xốp, vật liệu microballoon Nhược điểm:  Sự liên kết màng yếu 