8. Bố cục của luận án
2.1.2. Tổng hợp các hạt nano (NPs) ô-xít sắt
a. Tổng hợp hạt nano Fe3O4, γ-Fe2O3 và α-Fe2O3
Các hạt nano Fe3O4 được chế tạo theo quy trình như mô tả trong Hình 2.1. Đầu tiên, cân 4,975 g FeCl2.4H2O và 13,525 g FeCl3.6H2O hòa tan trong 100 ml nước khử ion (DI) trong bình bọc kín bằng máy khuấy từ, sau khi hòa tan dung dịch có màu cam. Đốt nóng đế gia nhiệt để tăng nhiệt độ trong dung dịch từ nhiệt độ phòng đến 80 oC, đồng thời đẩy khí N2 vào khuếch tán toàn bộ bình làm thí nghiệm. Sau đó, 100 ml dung dịch NaOH 2M đã chuẩn bị sẵn được nhỏ chậm và đều vào dung dịch hỗn hợp muối sắt, với tốc độ 1,5 ml/phút. Phản ứng hóa học của các chất trong dung dịch thực hiện theo phương trình phản ứng (2.1). Dung dịch chuyển dần từ màu cam sang màu đen. Quá trình nhỏ NaOH 2M dừng lại khi pH dung dịch bằng 10. Sau khi dừng nhỏ NaOH, tiếp tục khuấy hỗn hợp lỏng 60 phút ở 80 oC trong môi trường N2. Tiếp theo, hỗn hợp được chứa kết tủa vẫn tiếp tục được khuấy và để nguội tự nhiên. Sử dụng nam châm để gạn và rửa kết tủa nhiều lần bằng nước khử ion cho đến khi môi trường trung tính (pH 7), cho kết tủa thu được vào lò sấy ở 60 oC trong 24 giờ. Kết
40
quả thu được các hạt nano ô-xít sắt từ với thành phần chính là Fe3O4. Tỷ lệ mol của Fe2+:Fe3+:OH- trong phản ứng (2.1) là 1:2:8:
Fe2+ + 2Fe3++ 8OH- Fe3O4 + 4H2O (2.1)
Hình 2.1: Quy trình tổng hợp hạt nano Fe3O4
Hình 2.2: Mô hình thí nghiệm chế tạo vật liệu γ-Fe2O3 và α-Fe2O3
Sau khi thu được Fe3O4 theo quy trình được trình bày trong Hình 2.1. Sản phẩm được chia thành nhiều phần, một phần được giữ lại để khảo sát mẫu gốc. Các phần còn lại được cho vào thuyền sứ và nung trong 6 giờ ở các nhiệt độ 200 và 600
oC trong môi trường không khí như mô tả trong Hình 2.2. Kết quả là nhiệt lượng thu được trong quá trình nung sẽ thúc đẩy quá trình ô-xi hóa Fe3O4 thành các ô-xít Fe2O3. Cụ thể, khi nung Fe3O4 ở 200 oC sẽ thu được vật liệu γ-Fe2O3 có màu đỏ cam trong khi nung ở 600 oC thu được α-Fe2O3 có màu đỏ tươi.
41
b. Chế tạo hạt nano γ-Fe2O3 bằng các tiền chất khác nhau
Trong phần này chúng tôi tổng hợp các hạt nano γ-Fe2O3 từ 2 muối chứa ion Fe2+ hoặc Fe3+ kết hợp với xử lý nhiệt ở 200 oC trong không khí. Đầu tiên chúng tôi tổng hợp hạt nano γ-Fe2O3 từ 4,975 g muối FeCl2.4H2O theo mô tả thí nghiệm trong Hình 2.3a. Đồng thời, các hạt nano γ-Fe2O3 cũng có thể được tổng hợp theo mô tả thí nghiệm trong Hình 2.3b từ 13,525 g FeCl3.6H2O. Các phản ứng được thực hiện theo phương trình (2.2) và (2.3), các kết tủa là chất trung gian được gạn, lắng tự nhiên hoặc bằng nam châm, sử dụng DI rửa nhiều lần đến pH = 7. Sau đó sấy các kết tủa này ở 60 oC, 24 h trong không khí. Các bột thu sau khi sấy khô được nung ở 200 oC, 6 giờ trong không khí sẽ chuyển sang màu đỏ cam.
Fe2+ + 2OH- FeO + H2O FeO 6024o
h C Fe3O4 6 200o h C γ-Fe2O3 (2.2) Fe3+ + 3OH- FeOOH + H2O 6024o h C FeOOH 2006o h C γ-Fe2O3 (2.3)
42
Bảng 2.1: Tổng hợp mẫu dạng hạt nano ô-xít sắt và các thông số chế tạo
TT Mẫu Tỷ lệ mol Fe2+:Fe3+:OH-
NaOH 2M Thông số xử lý nhiệt
Cách nhỏ pH Nhiệt độ (oC) Thời gian (giờ) Tốc độ (oC/phút) 1 H12 1:2:8 Chậm, đều 10 2 H12-200 1:2:8 Chậm, đều 10 200 6 7 3 H12-600 1:2:8 Chậm, đều 10 600 6 20 4 H10-200 1:0:2 Chậm, đều 10 200 6 7 5 T01-200 0:1:3 Chậm, đều 10 200 6 7