Hình 19. Đồ thị đường cong phân tích nhiệt khối lượng (TGA) mẫu bột điều chế theo phương đồng kết tủa các cấu tử trong nước sôi
Từ đồ thị đường cong phân tích nhiệt khối lượng (TGA) (hình 19), ta thấy độ hụt khối lượng của mẫu chiếm khoảng 36% và sự mất khối lượng chủ yếu xảy ra ở ba vùng nhiệt độ: (I) – từ nhiệt độ phòng đến 2500C; (II) – từ 2500C đến 5000C và (III) – từ 5000C đến khoảng 6000C.
Sự mất khối lượng mẫu ở vùng (I) có thể giải thích là do quá trình bay hơi nước bề mặt của mẫu, còn ở vùng (II) và (III) là do mất nước và CO2 trong quá trình nhiệt phân Fe(OH)3, Y2(CO3)3 và CdCO3.
Sự mất khối lượng xảy ra ở nhiệt độ từ 6000C đến 10000C là không đáng kể (< 1%) có thể là do sự khuyết thiếu oxi khi ion Cd2+ thay thế nút mạng Y3+ trong tinh thể YFeO3. Từ 6000C ta thấy đường cong phân tích nhiệt khối lượng hầu như nằm ngang,
6000C. Điều này một lần nữa được khẳng định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Li n (C ps ) 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau B1
d= 2. 68 7 d= 3. 79 8 d= 3. 40 5 d= 3. 04 5 20 30 40 50 60 7 2-Theta - Scale
File: Thao TpHCM mau B1.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 14 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 01-086-0171 (C) - Yttrium Iron Oxide - YFeO3 - Y: 50.45 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 5.58770 - b 7.59510 - c 5.27430 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pnma (62) - 00-043-1036 (C) - Yttrium Oxide - Y2O3 - Y: 6.85 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Cubic - a 10.60400 - b 10.60400 - c 10.60400 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - Ia-3 (206) - 16 - 1
Hình 20. Phổ XRD của Y0,9Cd0,1FeO3 sau khi nung ở 650oC trong 1 giờ 30 phút
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau B2
400 300 Li n (C ps ) 200 100 d= 3. 42 3 0
File: Thao TpHCM mau B2.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 01-086-0171 (C) - Yttrium Iron Oxide - YFeO3 - Y: 38.66 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 5.58770 - b 7.59510 - c 5.27430 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pnma (62) - 00-043-1036 (C) - Yttrium Oxide - Y2O3 - Y: 5.30 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Cubic - a 10.60400 - b 10.60400 - c 10.60400 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - Ia-3 (206) - 16 - 1
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau B3 600 500 400 (C ps ) Li n 300 200 100 d= 3. 43 2 d= 4. 33 4 d= 3. 81 7 0 20
File: Thao TpHCM mau B3.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 10 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 01-086-0171 (C) - Yttrium Iron Oxide - YFeO3 - Y: 47.89 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 5.58770 - b 7.59510 - c 5.27430 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pnma (62) - 00-043-1036 (C) - Yttrium Oxide - Y2O3 - Y: 4.49 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Cubic - a 10.60400 - b 10.60400 - c 10.60400 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - Ia-3 (206) - 16 - 1
Hình 22. Phổ XRD của Y0,9Cd0,1FeO3sau khi nung ở 750oC trong 1 giờ 30phút
Hình 23. Phổ XRD của Y0.9Cd0.1FeO3 sau khi nung ở 650oC, 700oC, 750oC trong1 giờ 30 phút
Thật vậy, kết quả phân tích mẫu bằng phương pháp XRD (hình 20, 21, 22) cho thấy sau khi nung mẫu ở 650, 700 hay 7500C với thời gian nung 1 giờ 30 phút chỉ quan sát thấy một phase tinh thể chung nhất tương ứng với thành phần phase hóa học YFeO3 tạo thành.
Tuy nhiên, các khoảng cách mạng thu được hơi lớn hơn so với khoảng cách mạng của phase orthorombic YFeO3 tổng hợp theo phương pháp sol-gel [8]. Điều này, có thể giải thích là do bán kính ion Cd2+ lớn hơn so với Y 3+ (Y3+ = 0,94 Å, Cd2+ = 0,974 Å) làm tăng khoảng cách mạng d. Ngoài ra, trên giản đồ XRD không quan sát thấy các phase tạp chất Fe2O3, YOCl, CdO, Y2O3... điều này có thể khẳng định sự pha tạp kim loại Cd trong mạng YFeO3 đã hoàn thiện.
Bảng 2. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của mẫu Y0. 9Cd0. 1FeO3
d; [Å]
Chú ý: Bảng 2 chỉ trích ra một số peak của mẫu nung ở750oCđể minh họa. Cùng với đường cong phân tích nhiệt, giản đồ XRD đã cho ta thấy khi tăng nhiệt độ từ 650 lên 700 hay 750oC thành phần hóa học của pha quan sát được vẫn không thay đổi (YFeO3) và không xuất hiện bất kì pha tạp chất nào khác. Các peak tương ứng ở các nhiệt độ khác nhau hầu như trùng khít và trùng với peak chuẩn.
Tóm lại, quá trình hình thành đơn pha Y0.9Cd0.1FeO3 từ các tiền chất có thể được miêu tả bằng các phương trình phản ứng hóa học thông qua các giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: là quá trình kết tủahidroxides Fe(OH)3 và các muối Y2(CO3)3, CdCO3 bằng tác nhân kết tủa là dung dịch Na2CO3:
2Fe(NO3)3 + 3Na2CO3 + 3H2O→ 2Fe(OH)3 + 3CO2 + 6NaNO3 2YCl3 + 3Na2CO3 → Y2(CO3)3 + 6NaCl CdCl2 +
Na2CO3→ CdCO3+ 2NaCl
Giai đoạn 2: làquá trình phân huỷ các hidroxidesFe(OH)3và các muối Y2(CO3)3, CdCO3 khi nung mẫu ở nhiệt độ cao, tạo thành các oxit tương ứng:
2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O Y2(CO3)3 → Y2O3 + 3CO2
CdCO3→ CdO + CO2
Giai đoạn 3: là quá trình kết hợp giữa các sắt (III), yttrium và cadmium oxit ở nhiệt độ cao tạo thành ferrite:
Fe2O3 + 0,9Y2O3 + 0,2CdO
Chụp mẫu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), ta thấy kích thước hạt tạo thành sau khi nung mẫu ở nhiệt độ 650, 700 hay 750oC (t = 1h30’) không vượt quá 60 nm. Các hạt tạo thành hầu như đồng nhất hình cầu hoặc hình cầu phân cạnh yếu. Khi tăng nhiệt độ (Δt = 50 hay 100oC) kích thước hạt phát triển không đáng kể.
Hình 24. Ảnh SEM của các mẫu bột sau khi nung ở 650°C (t = 1h30’)
Hình 25. Ảnh SEM của các mẫu bột sau khi nung ở 700°C (t = 1h30’)
Hình 26. Ảnh SEM của các mẫu bột sau khi nung ở 750°C (t = 1h30’)
Chì là một trong những kim loại nặng độc hại. Nguyên nhân gây ô nhiễm kim loại nặng nói chung, chì nói riêng, trong các nguồn nước là do nước thải từ các nhà máy mạ điện, nhà máy cơ khí, nhà máy sản xuất pin, ắc quy và gốm sứ... chưa xử lý hoặc xử lý chưa triệt để đổ ra môi trường. Khi sử dụng nguồn nước có hàm lượng Pb2+ lớn trong một thời gian dài không những ảnh hưởng đến sức khỏe, mà còn có thể sinh ra một số bệnh nguy hiểm. Việc nghiên cứu xử lý chì trong môi trường nước thu hút sự chú ý của rất nhiều phòng thí nghiệm trong nước và quốc tế. Trong tài liệu, có nhiều phương pháp tách loại chì, như phương pháp hấp phụ, phương pháp vi sinh. Tuy nhiên
nghiên cứu, khảo sát tìm vật liệu xử lý các kim loại nặng độc hại nói chung và chì nói riêng trong nước một cách có hiệu quả, thân thiện hơn với môi trường là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực hiện cần thiết. Một trong những vật liệu mới xử lý nhanh và hiệu quả là sử dụng bột nano, một sản phẩm công nghệ đang được chú ý nghiên cứu hiện nay.
Trong khóa luận này, chúng tôi bước đầu nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Pb2+ trong nước của vật liệu nano Y0.9Cd0.1FeO3 điều chế bằng phương pháp đồng kết tủa trong nước sôi bằng máy phổ hấp thụ F-AAS dựa theo phương pháp xây dựng đường chuẩn.
Bảng 3. Thiết lập đường chuẩn
STT
CPb2+; (mg/l) Độ hấp thụ A
A
Hình 27. Đồ thị đường chuẩn xác định hàm lượng Pb2+
Ta có phương trình tương quan giữa độ hấp thụ và khối lượng Pb2+ (phương trình đường chuẩn): y = 0,035x – 0,001 với hệ số tương quan R2 = 0,999 > 0,95 chấp nhận.
Tiến hành khảo sát độ hấp phụ ion Pb2+ của vật liệu nano Y0.9Cd0.1FeO3 tổng hợp được ta thu được kết quả bảng 4.
Cách chuẩn bị như sau: cân 0,01 g bột nano Y0.9Cd0.1FeO3 lắc với dung dịch chuẩn Pb2+ 10mg/l với tốc độ lắc 250 vòng/s. Lọc lấy dung dịch sau hấp phụ, tiến hành đo quang bằng phương pháp hấp thụ F- AAS, ghi lại kết quả rồi từ đó tính C dựa vào phương trình đường chuẩn đã xây dựng.
Bảng 4. Mẫu 0 1 2 3 4
Từ bảng 4, ta thấy nồng độ Pb2+ đã giảm so với dung dịch ban đầu, chứng tỏ đã xãy ra sự hấp phụ ion Pb2+ bởi vậy liệu nano Y0.9Cd0.1FeO3. Từ bảng trên ta thấy ion Pb2+ bị hấp phụ nhiều nhất khi lắc trong 30 phút (hiệu suất H= 72,57%).
KẾT LUẬN – ĐỀ XUẤT
Trên cơ sở nội dung và kết quả của đề tài, em đã bước đầu tìm hiểu và thu được một số kết quả:
− Tổng quan về vật liệu nano, phân loại vật liệu nano dựa vào các dấu hiệu khác nhau như số chiều, kích thước, hình dạng, lĩnh vực ứng dụng...;
− Cấu trúc, phương pháp điều chế vật liệu perovskite dạng ABO3 và các lĩnh vực ứng dụng chúng;
− Tổng quan về kim loại, oxit, hydroxides của sắt, yttrium và cadmium;
− Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài (XRD, SEM, TGA và F-AAS);
− Đã tổng hợp được vật liệu nano Y0.9Cd0.1FeO3 bằng phương pháp đồng kết tủa trong nước sôi với kích thước hạt cấu trúc ≤ 60 nm;
− Bước đầu đã chứng minh được vật liệu Y0.9Cd0.1FeO3 có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ nước bị nhiễm chì.
Vì đề tài được thực hiện gấp rút và do lần đầu tiên làm quen với việc nghiên cứu khoa học nên em chưa thể nghiên cứu sâu hơn. Trong thời gian tiếp theo, nếu có điều kiện nghiên cứu, em xin đề xuất một số vấn đề sau:
− Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung đến hình thái và kích thước hạt Y0.9Cd0.1 FeO3.
− Nghiên cứu khả năng hấp phụ các cation kim loại nặng trong nước của vật liệu nano.
− Nghiên cứu từ tính của hạt nano Y0.9Cd0.1FeO3 để từ đó ứng dụng chúng vào trong các thiết bị truyền động và bộ cảm biến ...
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Đặng Lê Minh, “Chếtạo và nghiên cứu vật liệu Perovskite nhiệt điện”, đề tài nghiên cứu khoa học, Đại học Khoa học Tự nhiên, 2008, 29tr.
2. Hoàng Nhâm, “Hóa học vôcơ tập 3”, NXB Giáo dục.
3. Hoàng Triệu Ngọc “Khảosát các điều kiện tổng hợp bột nano YFeO3”, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Sư Phạm TPHCM 2010.
4. PGS.TS. Hà Lương Thuần, KS. Đỗ Thị Thu Huyền, “Sử dụng vật liệu nano để sản xuất thiết bị lọc nước sinh hoạt nhiễm asen”, Khoa học công nghệ, Viện nước tước tiêu và môi trường.
5. Lâm Thị Kiều Giang, “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano thấp chiều trên nền yttrium, ziriconi và tính chất quang của chúng”, luận án Tiến sĩ Viện khoa học và công nghệ Việt Nam, 2011.
6. Lê Hữu Thiềng, Hoàng Ngọc Hiền, “Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu2+ và Pb2+ trên vật liệu hấp phụ chế tạo từ bã mía”, tạp chí phân tích hóa, lí và sinh học, tập 13, số 3, 2008, trang 77-82.
7. Lương Hồ Vũ, “Chếtạo màng nitric coban theo phương pháp bốc bay bằng xung laser”, Đại học Khoa học Tựnhiên TP. HCM.
8. Nguyễn Anh Tiến, “Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu nano La(Y)FeO3”. Luận án Tiến sĩ Hóa học, Trường ĐHTH Voronezh, Liên bang Nga, 2009, 153 tr.
9. 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.
10. PGS.TS. Nguyễn Hoàng Hải, “Chếtạo hạt nano oxit sắt từ tính”, Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội.
11. Nguyễn Hữu Đức, Trần Mậu Danh, Trần Thị Dung, “Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của các hạt nano Fe3O4 ứng dụng trong y sinh học”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 23, trang 231-237, 2007.
12. PGS.TS. Nguyễn Thị Hà, “Ứng dụng phương pháp quang phổhấp thụnguyên tử (AAS) trong phân tích đất và các đối tượng khác”, Hà Nội, 2008.
13. TS. Phan Thị Hoàng Oanh, “Chuyên đềPhân tích cấu trúc vật liệu vô cơ”, Trường Đại học Sư phạm TPHCM 2010-2011.
14. Trần Châu Cẩm Hoàng, “Tổng hợp, biến tính bềmặt và định hình vật liệu nano carbon thu được bằng phương pháp phân hủy xúc tác các hợp chất chứa carbon trong điều kiện Việt Nam”, báo cáo Hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học lần thứ 7, Đại học Đà Nẵng, 2010.
15. Dinh Van Taca, V. O. Mittova, and I. Ya. Mittova, “Synthesis and Magnetic Properties of Nanocrystylline Y1-xCdx FeO3-δ (0 ≤ x ≤ 0,2)”, Neorganicheskie Materialy, 2011, Vol. 47, No. 10, pp. 1251-1256.
16. Hui Shena, Jiayue Xua, AnhuaWua, Jingtai Zhaoa, Minli Shia (2009), “Magnetic and thermal properties of perovskite YFeO3 single crystals”, Vol 157, pp. 77-80.
17. http://www.wiredchemist.com/chemistry/data/metallic-radii