của vật liệu oxit sắt với tốc độ tăng nhiệt từ 5 - 25 °C/phút và kết quả TGA với tốc độ tăng nhiệt 20 °C/phút
Các đường DSC và TGA của hạt nano oxit sắt đo trong không khí được biểu diễn ở hình 3.3. Tất cả các kết quả DSC đều cho thấy 1 đỉnh hấp thụ nhiệt mạnh trong khoảng từ 100 – 160 °C và 3 đỉnh tỏa nhiệt, tương ứng ở các nhiệt độ 260 °C, 310 °C và 500 °C (tốc độ tăng nhiệt 25 °C/phút). Đỉnh tỏa nhiệt rất mạnh so với các đỉnh hấp thụ nhiệt. Giữa các đỉnh tỏa nhiệt, đỉnh ở
260 °C là yếu nhất và đỉnh ở 500 °C là mạnh nhất. Khoảng nhiệt độ của đỉnh tỏa nhiệt từ 100 – 160 °C cũng là khoảng nhiệt độ có độ hụt khối lớn nhất trong kết quả đo TGA (20%). Điều này có thể là do sự bay hơi của nước bị hấp thụ có trong mẫu. 3% khối lượng bị mất trong khoảng 160 – 300 °C có thể là do sự phân hủy của các hợp chất hóa học còn dư trong mẫu. Ở các nhiệt độ cao hơn, không có sự hụt khối đáng kể nào được quan sát thấy trên đồ thị TGA.
Vị trí của đỉnh thứ nhất thay đổi từ 220 – 280 °C tùy thuộc vào tốc độ tăng nhiệt do quá trình kết tinh tạo thành γ-Fe2O3. Đỉnh tỏa nhiệt thứ hai trong khoảng 270 – 320 °C do quá trình chuyển pha từ γ sang α-Fe2O3. Điều này khá phù hợp với dữ liệu XRD trong hình 3.1. Đỉnh thứ 3 trong kết quả DSC, như chúng ta sẽ thấy trong phần tính chất từ, là do sự biến đổi từ sắt từ sang thuận từ.
Động lực học của quá trình kết tinh được nghiên cứu thông qua các dữ liệu DSC được quét ở các tốc độ tăng nhiệt khác nhau. Cơ sở lý thuyết để làm sáng tỏ các kết quả DSC là mô hình Kissinger. Nghiên cứu sự thay đổi vị trí của các đỉnh tỏa nhiệt với tốc độ tăng nhiệt khác nhau có thể khám phá ra nhiều vấn đề thú vị trong quá trình kết tinh [17]. Dựa vào mô hình Kissinger [18], nhiệt độ của đỉnh tỏa nhiệt Tex, phụ thuộc vào tốc độ tăng nhiệt β và năng lượng kích hoạt Ea như sau:
2 ex ex a E Ln Const Tβ = −kT + Bảng 3.1. Đỉnh kết tinh tương ứng với các tốc độ tăng nhiệt Tốc độ nâng nhiệt (°C/phút) 5 10 15 20 25 Đỉnh kết tinh (°C) 265 285 296 305 314 (3.1)
Fit sự dịch chuyển của các đỉnh tỏa nhiệt tương ứng với mối quan hệ tuyến tính của phương trình Kissinger, ta thu được năng lượng kết tinh cho quá trình chuyển pha γ-α là 0.71 eV.
Hình 3.4. Đồ thị fit sự dịch chuyển tuyến tính của các đỉnh kết tinh theo phương trình Kissinger (quá trình chuyển pha γ-α)
Làm tương tự ta thu được năng lượng kích hoạt cho quá trình kết tinh γ-Fe2O3 là 0.31 eV.
Chúng ta có thể thấy năng lượng kích hoạt cho quá trình kết tinh vật liệu nano oxit sắt vô định hình là khá bé, dẫn đến nhiệt độ kết tinh phụ thuộc mạnh vào các yếu tố bên ngoài. Do vậy các vật liệu nano Fe2O3 vô định hình được điều chế bằng các phương pháp khác nhau có thể có nhiệt độ kết tinh hoàn toàn khác nhau.