CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM
2.1. Phƣơng pháp chế tạo hạt nano Y3-xGdxFe5O 12
Tính chất của các hạt nano từ tính khơng chỉ phụ thuộc vào thành phần, cấu trúc tinh thể, bản chất liên kết mà còn phụ thuộc vào phương pháp, quy trình và các thơng số kĩ thuật trong q trình chế tạo. Có hai cách tiếp cận để chế tạo các hạt nano từ:
- Giảm kích thước vật liệu khối xuống kích thước nanomet (hay cịn gọi là
top-down). Theo con đường này, các phương pháp thường được sử dụng như:
nghiền bi hành tinh, nghiền rung,…
- Tạo các hạt nano từ các nguyên tử, phân tử (hay còn gọi là bottom-up).
Các phương pháp thường sử dụng theo con đường này bao gồm các phương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay,…) và phương pháp hóa học (đồng kết tủa từ dung dịch, vi nhũ tương, đồng kết tủa từ pha hơi, thủy nhiệt, sol-gel,…)
Trong luận văn này, phương pháp chế tạo các mẫu nghiên cứu được lựa chọn là phương pháp sol-gel.
Phương pháp sol-gel là phương pháp tổng hợp hóa học, rất thích hợp để chế tạo các vật liệu dạng hạt hoặc dạng màng. So với các phương pháp vật lý hoặc phương pháp gốm thì phương pháp sol-gel chỉ cần chế tạo mẫu ở nhiệt độ thấp hơn, thiết bị đơn giản hơn.
Trước đây, nguyên liệu đầu vào trong phương pháp sol-gel là các alkoxide kim loại có thể thủy phân và ngưng tụ thành các hạt hydroxit hoặc oxit kích thước nanomet. Đến nay, các alkoxides kim loại vẫn được sử dụng làm nguyên liệu của quy trình tổng hợp sol-gel nhưng ít được ưa chuộng hơn vì chúng rất nhạy với độ ẩm của mơi trường. Đặc biệt, trong trường hợp cần chế tạo các mẫu đa thành phần, vấn đề xử lý tốc độ thủy phân của các alkoxides khác nhau này cũng gặp nhiều khó khăn. Do đó, các muối kim loại được sử dụng để thay thế các alkoxides kim loại. Các muối này có ưu điểm là rẻ hơn, dễ kiếm và dễ kiểm soát phản ứng hơn so với
trong nhiều loại dung mơi hữu cơ để hình thành các phức kim loại. Nói một cách khác, q trình sol-gel với các muối kim loại là quá trình mà các ion kim loại bị giữ lại bởi các phối tử hữu cơ.
Các muối kim loại bao gồm muối clorua, acetat, nitrat, sulfide và một số loại khác. Các muối clorua, nitrat hay sulfide thì dễ dàng tan trong nước và dung môi hữu cơ cịn muối acetat thì khả năng hịa tan thấp hơn. Tuy nhiên, các ion acetat có thể ổn định ion kim loại trong dung dịch thơng qua liên kết của nhóm C = O. Nếu muối kim loại chỉ được hòa tan trong nước hoặc dung môi hữu cơ mà khơng có phản ứng hóa học giống như một chất tạo càng thì chúng có thể tái tinh thể hóa khi bay hơi dung môi. Do vậy, vấn đề quan trọng là ổn định các ion kim loại trong dung dịch khi khơng có sự liên kết với các anion như Cl- hoặc NO3-. Nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu sự hình thành các phức kim loại dựa trên các phối tử hữu cơ, ngồi ra, chúng cịn được sử dụng để chế tạo vật liệu gốm hoặc màng oxit kim loại, gọi chung là phương pháp sol-gel.
Phương pháp sol-gel đi từ các muối kim loại được để chế tạo vật liệu pherit nói chung và vật liệu pherit ganet nói riêng [22-17] bởi những ưu điểm như đơn giản, rẻ tiền, các vật chất ban đầu được trộn lẫn ở quy mô phân tử, vật liệu thu được có kích thước nhỏ nhưng vẫn có cấu trúc pha tốt, kích thước hạt tương đối đồng đều. Phương pháp sol-gel cũng rất thích hợp để chế tạo các hạt pherit với một lớp màng mỏng để sử dụng trong công nghệ vi cơ. Với các đặc điểm nêu trên, chúng tôi chọn phương pháp sol-gel để chế tạo các hệ hạt Y3-xGdxFe5O12 kích thước nanomet
để tiến hành nghiên cứu trong bản luận văn này. Quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu được tóm tắt như hình 2.1:
Hình 2.3: Quy trình chế tạo hạt nano pherit ganet bằng phương pháp sol-gel
Dung dịch Y(NO 3) 3 Sol Dung dịch axit citric Dung dịch Fe(NO 3) 3 Gel Aerogel Hạt nano pherit ganet Khuấy, vk = 600 v/ph
Sấy trong 12 giờ
Đốt gel ở 400oC trong 2giờ
Nghiền mịn bằng cối
* Hóa chất ban đầu gồm:
- Dung dịch muối Y(NO3), Gd(NO3)3 nồng độ 0,5M - Dung dịch muối Fe(NO3)3, nồng độ 1M
- Dung dịch axit citric, nồng độ 1M - Nước khử ion
* Dụng cụ thí nghiệm được sử dụng bao gồm: - Máy khuấy từ
- Con khuấy từ - Nhiệt kế
- Các dụng cụ thí nghiệm khác: Cốc thủy tinh, giấy quỳ tím, tủ sấy, lị nung * Các bước tiến hành như sau:
- Tạo sol: Các dung dịch muối sử dụng theo đúng tỉ phần công thức được khuấy và gia nhiệt đến 80oC. Sử dụng dung dịch HNO3 để điều chỉnh pH của dung
dịch bằng 2-3.
- Tạo gel: Giữ nguyên nhiệt độ và khuấy đến khi cho dung môi bay hơi và gel dạng ướt hình thành.
- Tạo aerogel: Gel ướt được sấy siêu tới hạn ở 100oC trong 12 giờ thu được aerogel.
- Đốt aerogel ở nhiệt độ 400°C trong thời gian 2 giờ. Nghiền mịn bằng cối mã não trong khoảng 30 phút.
- Nung thiêu kết sản phẩm bột thu được ở các nhiệt độ (Ttk) và thời gian (ttk) khác nhau ta thu được các hạt nano pherit ganet.