trong nước nóng.
Hình 3.1.1. Sơ đồ phân tích nhiệt của mẫu kết tủa khô bằng phương pháp đồng kết tủa trong nước nóng.
Từ đường cong phân tích khối lượng (đường TGA là đường màu xanh) ta thấy sự mất khối lượng chủ yếu xảy ra theo hai vùng nhiệt độ: vùng 1 xảy ra từ nhiệt độ phòng đến khoảng 230oC (độ hụt khối lượng tương ứng là 19,592%), giảm ít hơn nhiều so với phương pháp 2, theo chúng tôi là sự giải hấp phụ và mất nước bề mặt.
Giai đoạn 2 xảy ra từ 230oC đến khoảng 750oC khối lượng của mẫu giảm chậm dần (chỉ mất 19,274%). Ở vùng nhiệt độ này chúng tôi cho rằng xảy ra sự nhiệt phân các hiđroxit sắt (III) và yttri tương ứng. Thật vậy, từ giản đồ phân tích khối lượng ta thấy sự mất nước khi nhiệt phân các hiđroxit
chiếm 18,50%, trong khi tính toán theo phương trình tỉ lượng là 21,86%. Tất cả các quá trình trên đều xảy ra với hiệu ứng thu nhiệt đặc trưng cho quá trình giải hấp phụ, bay hơi nước, phản ứng nhiệt phân hiđroxit. Như vậy, với sự thay đổi gần 40% trọng lượng mẫu. Từ 750oC trở đi lượng sản phẩm hầu như không giảm, cùng với đường DTG không tạo ra bước nhảy nào – là đường không đổi chứng tỏ ở nhiệt độ này các thành phần đã bị phân hủy và bay hơi hết.
Dựa trên giản đồ phân tích nhiệt trên, chúng tôi tiến hành khảo sát thành phần pha tạo thành ở các nhiệt độ nung khác nhau (650, 750, 850o
C) trong 1h.
(b)
(c)
Hình 3.1.2.Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu nung ở trong khoảng thời gian 1 giờ ở 6500
C(a),750oC(b),8500C (c).
Kết quả XRD của mẫu bột đươc điều chế theo phương pháp 1 đã thể hiện sự hình thành pick của ferit YFeO3 ở mẫu M3 (650,1h) và mẫu N3
(750,1h) và mẫu P3 (850, 1h) chúng tôi thấy rằng, không có lẫn tạp chất của YFeO3. Có thể thời gian phản ứng đã đủ lâu để phản ứng xảy ra hoàn toàn nhằm tạo thành YFeO3. Cho nên quá trình hình thành đơn pha đồng nhất đã trải qua các giai đoạn phản ứng hóa học theo dự đoán sau:
Giai đoạn 1: quá trình kết tủa các hiđroxit Fe(OH)3 và Y(OH)3 bằng tác nhân kết tủa là dung dịch nước amoniac:
Fe(NO3)3 + 3NH4OH → Fe(OH)3↓ R + 3NH4NO3 Y(NO3)3 + 3NH4OH → Y(OH)3↓ + 3NH4NO3
Giai đoạn 2: quá trình phân huỷ các hiđroxit Fe(OH)3 và Y(OH)3 khi nung mẫu ở nhiệt độ cao:
2Fe(OH)3 𝑡𝑜 �� Fe2O3 + 3H2O 2Y(OH)3 𝑡𝑜 → Y2O3 + 3H2O
Giai đoạn 3: quá trình kết hợp giữa hai oxit sắt (III) và yttri tạo thành ferrit:
𝐹𝑒2𝑂3 + 𝑌2𝑂3≤750�⎯⎯�0 2𝑌𝐹𝑒𝑂3
Quá trình hình thành đơn pha của ferrit trong phản ứng so với giản đồ phân tích nhiệt TGA trên đã khẳng định việc khảo sát điều kiện nhiệt độ nung ở 650oC trở đi là hoàn toàn hợp lý.
Như vậy, ở các khoảng thời gian nung khảo sát trên cho độ tinh khiết cao, đạt yêu cầu. Mặt khác kích thước của chúng cũng đạt (hình 3.1.3), không vượt quá giới hạn nano (>100 nm). Chúng tôi dự đoán có thể do thời gian lưu nhiệt đủ lâu để các hạt oxit sau khi được nhiệt phân kết hợp hết với nhau tạo liên kết chặt chẽ và hình thành hạt ferrit hoàn chỉnh đạt kích thước nano như mong muốn, do đó ta cũng thấy các hạt phân tán rất đồng đều.
Qua phân tích và so sánh phổ ghép XRD (hình 3.1.2) thì nhiệt độ nung phù hợp là 650o
C, 750oC, 850oC cho ta độ tinh khiết cao và hình thành đơn pha hoàn chỉnh, mặt khác tiết kiệm được một phần nhiệt lượng.
Yêu cầu chế tạo vật liệu còn cần phải đạt được kích thước nano, cho nên chúng tôi khảo sát tiếp về kích thước của các mẫu trên bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM).
(a)
(c)
Hình 3.1.3.Ảnh SEM của các mẫu nung ở các nhiệt độ tương ứng trong 1 giờ: 650o
C (a), 750oC (b), 850oC (c).
Từ kết quả SEM của các mẫu ở hình 3.1.3 cho thấy ở nhiệt độ 6500 C các hạt nhỏ, chưa đồng đều. Ở nhiệt độ 750oC cho các hạt hầu hết là hình cầu có kích thước nano đạt 40 – 50 nm và độ đồng đều cao nhất. Ở các nhiệt độ cao hơn cho kích thước lớn hơn (50- 80 nm) có dạng hình cầu hoặc hình bầu dục với sự phân cạnh yếu và độ đồng nhất kém hơn (các hạt phân tán không đều).
Như vậy nhiệt độ nung tối ưu để điều chế bột ferit có kích thước nano là ở 750o
(b)
Hình 3.1.4. Đường cong từ trễ của mẫuYFeO3nung ở 7500
Hình 3.1.5.Đường cong từ trễ của mẫuYFeO3điều chế theo phương pháp 1 nung ở 7500
C(N3), 8500C(P3).
Từ giản đồ phân tích độ từ tính và kết quả trên cho thấy, mẫu N3 (7500C) độ từ hóa (Mr =1.062 emu/g ) của vật liệu tổng hợp được không cao và giá trị độ kháng từ (Hc = 16,07 Oe). Còn mẫu P3 (8500
C) độ từ hóa (Mr =7,638 emu/g ) của vật liệu tổng hợp thấp và giá trị độ kháng từ (Hc = 28,78 Oe). Với yếu tố trên chúng tôi rằng kết luận vật liệu tổng hợp thuộc loại vật liệu sắt từ mềm, có thể được sử dụng dùng trong các vật liệu cảm biến theo như dự đoán ban đầu. Qua đây, chúng tôi thấy rằng ở nhiệt độ khác nhau thu được độ từ hoá và giá trị độ kháng từ khác nhau.Ở nhiệt độ càng cao độ từ hoá và giá trị độ kháng từ càng cao. Tuy nhiên,các bộ phận cảm biến từ hiện nay đòi hỏi vật liệu tạo thành phải có độ từ tính rất cao, cho nên theo chúng tôi để độ từ tính (Mr) của vật liệu tăng lên, thì phải tăng nhiệt độ nung mẫu
YFeO3. Từ đó, có thể tạo ra vật liệu có nhiều ứng dụng hơn, đặc biệt là ngành kĩ thuật mới - thu hút nhiều đầu tư nhất của con người hiện nay.
3.2. Kết quả và thảo luận YFeO3 bằng phương pháp đồng kết tủa trong nước lạnh. trong nước lạnh.
Hình 3.2.1. Sơ đồ phân tích nhiệt của mẫu kết tủa khô bằng phương pháp đồng kết tủa trong nước lạnh.
Từ đường cong phân tích khối lượng (đường TGA là đường màu xanh) ta thấy sự mất khối lượng chủ yếu xảy ra theo hai vùng nhiệt độ: vùng 1 xảy ra từ nhiệt độ phòng đến khoảng 2500
C (độ hụt khối lượng tương ứng là 32,912%), theo chúng tôi là sự giải hấp phụ và mất nước bề mặt.
Giai đoạn 2 xảy ra từ 2500C đến khoảng 6700C khối lượng của mẫu giảm chậm dần(chỉ mất 14,671%). Ở vùng nhiệt độ này chúng tôi cho rằng xảy ra sự nhiệt phân các hiđroxit sắt (III) và yttri tương ứng. Thật vậy, từ giản đồ phân tích khối lượng ta thấy sự mất nước khi nhiệt phân các hiđroxit
chiếm 14,25%, trong khi tính toán theo phương trình tỉ lượng là 21,86%. Tất cả các quá trình trên đều xảy ra với hiệu ứng thu nhiệt đặc trưng cho quá trình giải hấp phụ, bay hơi nước, phản ứng nhiệt phân hiđroxit. Từ 7500C trở đi ta thấy đường phân tích khối lượng hầu như nằm ngang (không thay đổi theo nhiệt độ).
Từ kết quả phân tích nhiệt cùng với các công trình nghiên cứu của các tác giả đi trước, chúng tôi chọn nhiệt độ nung mẫu để khảo sát các phương pháp XRD và SEM ở 6500
C, 750oC, 850oC.
Hình 3.2.2.Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu nung ở trong khoảng thời gian 1 giờ ở 6500
C(a),750oC(b), 850oC(c).
Từ kết quả XRD của mẫu bột được điều chế theo phương pháp này chúng tôi thấy rằng ở 6500
C đã xuất hiện các pick của Y3Fe5O12 ở dạng lục phương và hệ trực thoi, không thấy xuất hiện các pick của YFeO3. Ta thấy xuất hiện pha tạp của các chất khác.Ở 7500
C và 8500C chỉ thấy xuất hiện các pick của Y3Fe5O12 ở dạng lục phương, xuất hiện các pick của YFeO3.
Hình 3.2.3.Ảnh SEM của mẫu nung ở các nhiệt độ tương ứng trong 1 giờ, 750oC.
Từ kết quả SEM của các mẫu ở hình 3.2.3 cho thấy ở nhiệt độ 750o C sự hình thành các hạt càng nhiều cùng với sự kết dính giữa chúng tạo hạt có kích thước càng lớn đồng thời tạo chùm hạt làm giảm độ đồng nhất của mẫu vật liệu tổng hợp.
(b)
Hình 3.2.4. Đường cong trễ YFeO3ở 7500
Hình 3.2.5. Đường cong từ trễ của mẫuYFeO3điều chế theo phương pháp 2 nung ở 7500
C(N1) và 8500C(P1).
Từ giản đồ phân tích độ từ tính và kết quả trên cho thấy, mẫu N1(7500C) độ từ hóa (Mr =813.910 emu/g ) và giá trị độ kháng từ (Hc = 20,35 Oe). Còn mẫu P1(8500
C) độ từ hóa (Mr =738,07 emu/g) và giá trị độ kháng từ (Hc = 17,68 Oe). Qua đó, ta thấy ở nhiệt độ khác nhau ta thu được độ từ hoá và giá trị độ kháng từ khác nhau. Ở nhiệt độ càng cao độ từ hoá và giá trị độ kháng từ càng thấp.