Khi bazơ đƣợc thêm vào dung dịch một phức đa nhân màu đỏ đậm đƣợc tạo ra có cơng thức [Fe(II)Fe(III)2Ox(OH)2(3-x)]m2m+ và đƣợc mô tả bằng phản ứng sau:
mFe2+ + 2mFe3+ + 6mOH- [Fe(II)Fe(III)2Ox(OH)2(3-x)]m2m+ + mxH2O (22) Phức này có tỷ lệ Fe(III)/Fe(II) giống với tỷ lệ của oxit sắt từ. Sau đó phức có đỏ đậm sẽ bắt đầu kết tủa tạo ra những hạt màu đen Fe3O4 khi ion OH- đƣợc thêm vào và pH của dung dịch đạt đƣợc ít nhất là 12.
Ƣu điểm: Phƣơng pháp đồng kết tủa là một phƣơng pháp đơn giản cho kết
quả nhanh chóng, chế tạo đƣợc khối lƣợng mẫu lớn trong khoảng thời gian ngắn và chi phí thấp.
Nhƣợc điểm: Khó kiểm sốt đƣợc kích thƣớc hạt, hạt tạo ra có kích thƣớc
lớn.
2.2. Quy trình chế tạo mẫu :
Việc chế tạo các hạt nano từ tính Fe3O4 bằng phƣơng pháp đồng kết tủa dựa vào phản ứng hoá học:
2FeCl3 + FeCl2 + 8NaOH Fe3O4 + 8NaCl + 4H2O (23)
Các hạt Fe3O4 đƣợc tạo thành khi cho dung dịch hỗn hợp hai muối sắt là FeCl2 và FeCl3 với tỷ lệ mol FeCl2 : FeCl3 = 1:2, có độ pH = 3,0 - 3,5; phản ứng với dung dịch kiềm mạnh NaOH ở nhiệt độ phòng. Máy khuấy từ gia nhiệt cũng đƣợc sử dụng trong quá trình này để phản ứng xảy ra triệt để hơn. Mơi trƣờng phản ứng có thể ở ngồi khơng khí hoặc trong khí quyển N2. Hạt oxit sắt tạo thành ở dạng kết tủa màu đen và sau phản ứng đƣợc rửa bằng nƣớc cất vài lần để đảm bảo loại hết các chất không mong muốn nhƣ: muối NaCl mới tạo thành, các muối sắt hoặc dung dịch NaOH dƣ. Sau bƣớc này ta thu đƣợc các hạt oxit sắt trong môi trƣờng nƣớc.
2.2.1 Chế tạo mẫu Fe3-xNixO4:
Hóa chất:
Để tổng hợp hạt nano từ tính Fe3-xNixO4 bằng phƣơng pháp đồng kết tủa, cần chuẩn bị:
- Hóa chất: + Muối FeCl2.4H2O – độ tinh khiết: 98%.
+ Muối FeCl3.7H2O – độ tinh khiết: 99%.
+ Muối Ni(NO3)2.6H2O – độ tinh khiết: 98%.
+ NaOH – độ tinh khiết 99%. - Dụng cụ: + Máy khuấy từ có gia nhiệt.
+ Máy rung siêu âm.
+ Lò nung.
+ Cốc thủy tinh, giấy lọc, nhiệt kế. Thực nghiệm:
Đầu tiên, ta cân khối lƣợng các loại hóa chất. Khối lƣợng các chất đƣợc trình bày trong bảng 2.1:
Bảng 2.1: Khối lượng các chất dùng để chế tạo 1g mẫu Fe3-xNixO4. x FeCl2.4H2O (g) FeCl3.7H2O (g) Ni(NO3)2.6H2O (g) NaOH (g) x = 0 1,745 4,6970 0 2,7791 x = 0,02 1,7388 4,6697 0,0494 2,7670 x = 0,04 1,7267 4,6152 0,0988 2,7468 x = 0,06 1,7145 4,6151 0,1482 2,7307 x = 0,08 1,7022 1,5605 0,2006 2,7105
Qui trình chế tạo các mẫu Fe3-xNixO4 là hồn tồn tƣơng tự nhƣ nhau. Dƣới đây là qui trình chế tạo và các hình ảnh cụ thể của mẫu với thành phần Ni pha tạp là 6%, đƣợc chỉ ra trong các hình từ2.5– 2.11.
Muối FeCl2.4H2O đem hịa tan trong 90ml H2O.Khuấy từ khơng gia nhiệt để FeCl2 tan hồn tồn. Sau đó lọc bằng giấy lọc cho sạch, ta đƣợc dung dịch 1 có màu vàng xanh. Hình 2.5 là sản phẩm thu đƣợc của dung dịch 1.
Làm tƣơng tự với muối FeCl3.7H2O, hòa tan trong 90 ml H2O, khuấy từ không gia nhiệt. Lọc bằng giấy lọc, đƣợc dung dịch 2. Sản phẩm thu đƣợc có màu nâu đỏ, đƣợc thể hiện trong hình 2.6.
Hình 2.5: Dung dịch 1. Hình 2.6: Dung dịch 2.
MuốiNi(NO3)2.6H2O đem hịa tan trong 20 ml H2O, khuấy từ không gia nhiệt đƣợc dung dịch 3 (hình 2.7).
Đem 3 dung dịch đó đổ vào 1 cốc lớn. Khuấy từ khoảng 30 phút để chúng tan hồn tồn trong nhau. Sau đó, tăng dần nhiệt độ lên 70oC. Hồn hợp của ba dung dịch trên ta gọi là dung dịch A (hình 2.8).
Hịa tan lƣợng NaOH trong 100 ml H2O, khuấy từ, gia nhiệt đến 70oC(dung dịch B khơng màu) (hình 2.9).
Khi 2 dung dịch A, B đã đồng nhất về nhiệt độ, đổ từ từ dung dịch B vào dung dịch A, khuấy từ trong 30 phút, nhiệt ổn định ở 70oC. Kết quả ta thu đƣợc dung dịch C là một hỗn hợp màu đen gồm chất kết tủa và các chất hòa tan. Lọc và rửa kết tủa bằng nƣớc cất, để lắng ta đƣợc sản phẩm nhƣ hình 2.10. Lọc rửa nhƣ vậy 7- 8 lần, sản phẩm ta thu đƣợc là chất rắn đặc sệt màu đen.
Tiến hành lọc rửa nhƣ sau: bằng việc khuấy từ, hỗn hợp sau phản ứng đã đƣợc khuấy đều. Ta đặt một thanh nam châm mạnh ở dƣới đáy cốc. Khi đó các hạt Fe3O4 có từ tính sẽ nhanh chóng bị từ trƣờng của nam châm hút xuống và giữ chặt ở đáy cốc. Các chất khác phi từ tính nhƣ: NaOH dƣ, muối NaCl mới tạo thành vẫn phân tán trong phần dung dịch phía trên, sẽ bị loại đi khi ta chắt bỏ phần dung dịch này. Thời gian lắng: 20- 30 phút.