(to = 950oC trong 2h)
3.3. Vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3
3.3.1. Cấu trúc vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3
Thông qua kết quả nhiễu xạ tia X của mẫu vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 được tổng hợp theo hai phương pháp đồng kết tủa và citrat-gel; chúng tôi đã xác định các thông số của vật liệu về kiểu mạng tinh thể, thành phần pha, hằng số mạng, kích thước hạt. Kết quả tính tốn được được liệt kê trong bảng 2. Cả hai phương pháp tổng hợp, mẫu vật liệu thu được là đơn pha (perovskite) và cấu trúc tinh thể hệ trực thoi. Kích thước hạt trung bình được tính bằng cơng thức Scherrer cho kết quả < 30 nm.
Bảng 2. Kiểu mạng tinh thể, thành phần pha, hằng số mạng, kích thước hạt của sản phẩm thu được sau nung
Phương pháp tổng hợp Pha Kiểu mạng Hằng số mạng (o A) Kích thước hạt (nm) a b c PP1 to = 750oC Perovskite Trực thoi 5,588 7,595 5,274 11,2 PP2 pH = 2 C/M = 1,2 to = 950oC Perovskite Y2O3 Y3Fe5O12 Trực thoi Lập phương Lập phương 5,282 10,604 12,377 5,596 10,604 12,377 7,605 10,604 12,377 20,7 pH = 9 C/M = 1,2 to = 950oC Perovskite Y2O3 Trực thoi Lập phương 5,588 10,604 7,595 10,604 5,274 10,604 13,7 pH = 9 C/M = 1,2 to = 900oC Perovskite Y2O3 Sr3Fe2O7 Trực thoi Lập phương Tứ phương 5,588 10,604 3,874 7,595 10,604 3,874 5,274 10,604 40,314 18,5 pH = 9 C/M = 1,8 to = 950oC Perovskite Trực thoi 5,588 7,595 5,274 9,06
3.3.2. Thành phần hóa học của vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3
Chúng tôi đã tổng hợp vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 theo hai phương pháp đồng kết tủa và citrat-gel. Để khẳng định vật liệu mà chúng tơi tổng hợp được có đúng với tỉ lệ hợp thức Y:Sr:Fe:O = 0.8:0.2:1:3 hay khơng; vì thế chúng tơi dựa vào khoảng cách mạng của vật liệu so với khoảng cách mạng của pha YFeO3 thơng qua kết quả phân tích nhiễu xạ tia X. Bên cạnh đó, chúng tơi đã phân tích thành phần hóa học của vật liệu bằng phân tích định lượng. Đây là hai cơ sở để chúng tơi có thể kết luận được vật liệu tổng hợp đúng với tỉ lệ hợp thức.
Khoảng cách mạng của vật liệu
Không phụ thuộc vào phương pháp tổng hợp của vật liệu, kết quả được liệt kê ở bảng 3 cho thấy khoảng cách mạng thu được hơi lớn hơn so với khoảng cách mạng pha YFeO3 tổng hợp theo phương pháp sol-gel [1]. Điều này có thể giải thích là do bán kính ion Sr2+ lớn hơn bán kính ion Y3+ (Y3+ = 0,104 nm; còn Sr2+ = 0,126 nm) làm tăng khoảng cách mạng d. Ngoài ra, trên phổ XRD ở các điều kiện tối ưu không quan sát thấy các pha Y2O3, Fe2O3, SrO, Y2(CO3)3. Qua đó, chúng tơi có thể khẳng định sơ bộ là đã có sự pha tạp kim loại Sr trong mạng YFeO3 một cách hoàn thiện. Tuy nhiên, vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp 1 có khoảng cách mạng lớn hơn so với phương pháp 1 chứng tỏ sự pha tạp Sr vào trong mạng YFeO3 nhiều hơn so với phương pháp 2. Vì thế, chúng tơi chọn vật liệu được tổng hợp theo phương pháp 1 để phân tích định lượng.
Bảng 3. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của mẫu Y0.8Sr0.2FeO3
Chú ý: Bảng 3 chỉ trích ra một số peak của mẫu điều chế theo hai phương pháp để minh
hoạ.
Phân tích định lượng
Mẫu Y0.8Sr0.2FeO3 được cho qua nước cường thủy thu được hỗn hợp chứa các ion Y3+, Sr2+, Fe3+. Nồng độ các ion kim loại được xác định bằng phương pháp phân tích phổ hấp phụ nguyên tử ngọn lửa AAS. Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu được xác định trong bảng 4.
Hàm lượng phần trăm (%) của các nguyên tố tương ứng với tỷ lệ hợp thức Y:Sr:Fe:O = 0.96:0.17:1:2.21, kết quả cho thấy sự pha tạp Sr chiếm đến 85% so với lý thuyết (%Srthực tế = 7,98, %Srlý thuyết = 9,10).
№ peak trên hình 26 và 32 1 2 3 4 d (Å) YFeO3 [1] 3.4096 2.6915 1.7073 1.5345 Phương pháp1 Y0.8Sr0.2FeO3 3.4191 2.6952 1.7083 1.5354 Phương pháp 2 Y0.8Sr0.2FeO3 3.4099 2.6918 1.7077 1.5346
Bảng 4. Phần trăm về khối lượng của các nguyên tố trong mẫu Y0.8Sr0.2FeO3
3.4. Ứng dụng vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3
Dựa vào kết quả ảnh SEM của vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 để chúng tôi đã lựa chọn phạm vi ứng dụng của vật liệu trong hai lĩnh vực hấp phụ và từ tính. Từ tính vật liệu phụ thuộc vào độ đồng nhất, kích thước, tính đối xứng... của hạt [9]. Vì thế, chúng tơi chọn vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa để đo từ tính. Vì rằng, ảnh SEM cho thấy độ đồng nhất và tính đối xứng các hạt nano hai chiều Y0.8Sr0.2FeO3 cao hơn so với khi tổng hợp theo phương pháp citrat- gel. Tuy nhiên, đối với phương pháp citrat-gel cho các hạt có kích thước đồng đều hơn, dạng hình cầu sẽ có diện tích bề mặt cao hơn so với phương pháp đồng kết tủa. Vì thế, chúng tơi đã lựa chọn sản phẩm của phương pháp citrat-gel để khảo sát khả năng hấp phụ Pb2+ trên vật liệu liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3.
3.4.1. Khả năng hấp phụ Pb2+trên vật liệu
Xác định thời gian đạt cân bằng hấp thụ Pb2+ .
Để xác định thời gian đạt cân bằng của vật liệu, chúng tôi tiến hành lấy 100 ml dung dịch Pb2+
có nồng độ 50 ppm khuấy trộn liên tục với 0,05g Y0.8Sr0.2FeO3 trên máy khuấy từ ở các khoảng thời gian khác nhau (0-75 phút), thu lấy dung dịch và phân tích nồng độ Pb2+ cịn lại trong dung dịch. Để phân tích nồng độ Pb2+ chúng tôi đã dùng phương pháp phổ hấp phụ nguyên tử ngọn lửa AAS. Kết quả phân tích nồng độ Pb2+
cịn lại trong dung dịch được chỉ ra trong bảng 5 và hình 34. % Y % Sr % Fe % O (tính từ Y, Sr và Fe) Tỉ lệ hợp thức Lí thuyết 37,00 9,10 29,01 24,89 0.8:0.2:1:3 Thực tế 44,36 7,98 29,28 18,38 0.96:0.17:1:2.21
Bảng 5. Nồng độ Pb2+
còn lại theo thời gian hấp phụ trên vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 Thời gian (phút) Nồng độ còn lại (mg/l) Hiệu suất hấp phụ (%) 0 49,25 0 15 25,68 48 30 15,45 68 45 10,05 79 60 7,15 85 75 7,09 85
Kết quả biểu diễn trên hình 34 cho thấy quá trình hấp phụ xảy ra rất nhanh, chỉ trong 15 phút đầu hiệu suất loại chì đã đạt gần 50%, quá trình hấp phụ tăng dần và đạt cân bằng ở thời gian 60 phút và hiệu suất hấp phụ đạt 85%.
0 10 20 30 40 50 60 0 15 30 45 60 75 Nồng đ ộ cịn lại (m g/l) Thời gian phản ứng (phút)
Hình 34. Đồ thị khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ trên vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 được tổng hợp theo phương pháp citrate-gel
Hình 34. Đường cong từ trễ của vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3
3.4.2. Từ tính của vật liệu
Bảng 6. Thơng số từ tính của vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 được tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa
Độ từ tính của vật liệu thơng qua bảng 6 cho ta thấy lực kháng từ Hc của vật liệu khá lớn > 1000 Oe (Hc = 1591,22 Oe), độ từ dư rất bé gần với giá trị 0 (Mr = 0,076 emu/g). Điều này chứng tỏ rằng vật liệu chúng tôi tổng hợp được thuộc loại vật liệu từ cứng để sản xuất nam châm vĩnh cửu, môi trường ghi từ cho các đĩa cứng. Tuy nhiên, kết quả từ tính của vật liệu có độ bão hịa từ Ms rất bé (Ms = 0,461 emu/g) cho thấy khả năng từ của vật liệu vẫn chưa cao.
Mr (emu/g) Ms (emu/g) Hc (Oe) (BH)max (MGsOe)
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1. Kết luận 4.1. Kết luận
Từ các kết quả nghiên cứu trên, có thể rút ra các kết luận chính của bài luận văn như sau:
1. Tổng hợp thành công vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 bằng 2 phương pháp. Vi cấu trúc, hình thái học của hai mẫu vật liệu đều cho thấy các hạt kích thước nanomet, đường kính trung bình < 50 nm. Đáp ứng tốt các yêu cầu nghiên cứu của bài luận văn đề ra lúc đầu.
2. Quá trình tổng hợp vật liệu bằng phương pháp 1 (đồng kết tủa ở nhiệt độ phòng) đơn giản, tiết kiệm thời gian, điều kiện nhiệt độ nung thấp to = 750oC cho độ tinh khiết cao.
3. Đối với phương pháp 2 (Citrat-gel) quá trình tổng hợp vật liệu phức tạp hơn vì phải khảo sát các điều kiện tối ưu về pH (pH = 9), tỷ lệ mol giữa kim loại và axit citric (C/M = 1,8), nhiệt độ nung khá cao (to
= 950oC) để hình thành các hạt perovskite. Kết quả là cho các hạt perovskite hình cầu khá đồng đều.
4. Khả năng hấp phụ Pb2+ trên vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 được tổng hợp theo phương pháp 2 đạt hiệu suất hấp phụ cao nhất là 85% trong 60 phút. 5. Độ từ tính của vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 được tổng hợp theo phương pháp 1 cho kết quả ban đầu chưa thật sự tốt vì độ bão hịa từ Ms của vật liệu không cao (Ms = 0,461 emu/g).
4.2. Kiến nghị
Vì thời gian và điều kiện khơng cho phép nên kết quả mà tôi đã nghiên cứu trong pham vi của đề tài vẫn cịn hạn chế. Vì thế, trên cơ sở những gì tơi đã nghiên cứu được; nếu có cơ hội được học tập và nghiên cứu tiếp tôi sẽ phát triển đề tài theo các hướng sau:
1. Khảo sát dung lượng hấp phụ Pb2+ và quá trình giải hấp trên vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3.
2. Tổng hợp vật liệu perovskite Y1-xSrxFeO3 với các tỉ lệ hợp thức khác nhau (x = 0.1, 0.3, 0.4...) để khảo sát độ từ tính trên vật liệu. Mong muốn vật liệu có từ tính cao thì giá trị độ bão hịa từ Ms phải đạt cỡ vài chục emu/g. Để có được
kết quả này phải phụ thuộc vào độ đồng nhất hạt, kích cỡ hạt, tính đối xứng của hạt...
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Anh Tiến (2009), Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu nano La(Y)FeO3, Luận án Tiến sĩ Hoá học, Trường ĐHTH Voronezh, Liên bang Nga, 153 tr.
2. Hoàng Triệu Ngọc (2011), Khảo sát các điều kiện tổng hợp bột nano Perovskit YFeO3, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Sư phạm TP. HCM.
3. Đỗ Thị Anh Thư (2011), Chế tạo và nghiên cứu các tính chất của cảm biến nhạy hơi cồn trên cơ sở vật liệu oxit Perovskit, Luận văn Tiến Sĩ, Viện Khoa học và Công nghệ Vật liệu Hà Nội, 221 tr.
4. TS. Phan Thị Hoàng Oanh (2012), Chuyên đề Phân tích cấu trúc vật liệu vơ cơ, Khoa Hóa - Trường Đại học Sư phạm TP. HCM.
5. TS. Lê Trần (2006), Tạo màng bằng phương pháp sol-gel, Bộ môn Vật lý ứng dụng – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, TP. HCM.
6. Phan Văn Tường (2004), Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội.
7. Phan Văn Tường (1997), Vật liệu vô cơ, Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học
Quốc gia Hà Nội.
8. PGS. TS 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.
9. PGS. TS Nguyễn Hoàng Hải (2007), Ứng dụng hạt nano từ tính oxit sắt, Khoa Vật Lý – Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
10. Hồng Nhâm (2001), Hố học vơ cơ (tập2, tập 3), NXB Giáo dục.
11. Nguyen Anh Tien, O. V. Almjasheva, I. Ya. Mittova, O. V. Stognei and S. A. Soldatenko (2009), Synthesis and Magnetic Properties of YFeO3 Nanocrystals,
Inorganic Materials 41, pp. 1304–1308.
12. Nguyen Anh Tien, I. Ya. Mittova, and O. V. Al’myasheva (2009), Influence
of the Synthesis Conditions on the Particle Size and Morphology of Yttrium Orthoferrite Obtained from Aqueous Solutions, Russian Journal of Applied
13. P. Vaqueiro and M. A. Lo´pez-Quintela (1997), Influence of Complexing
Agents and pH on Yttrium-Iron Garnet Synthesized by the Sol-Gel Method, Chem.
Mater 9, pp. 2836-2841.
14. SHEN Hui, XU Jiayue, WU Anhua (2010), Preparation and characterization
of perovskite REFeO3 nanocrystalline powders, Journal of Rare Earths 28, pp.
416.
15. Quing Xu (2008), Citrate method synthesis, characterization and mixed
electronic-ionic conducion properties of La0.6Sr0.8CoFeO3 perovskite-type complex oxides, University of Technology, China.
16. Aurelija Gatelyte , Darius Jasaitis, Aldona Beganskiene, Aivaras Kareiva (2011), Sol-Gel Synthesis and Characterization of Selected Transition Metal Nano-Ferrites, Materials science 17, pp.1392-1320.
17. Sanjay Mathur (2004), Molecule Derived Synthesis of Nanocrystalline YFeO3
and Investigations on Its Weak Ferromagnetic Behavior, Chem. Mater 16,
pp.1906-1913.
18. Jun Li (2008), Hexagonal YFe1-x Pdx O3-z : Nonperovskite Host Compounds for Pd2+ and Their Catalytic Activity for CO Oxidation, Chem.Mater 20, pp. 6567-
6576.
19. Weicheng Wang, Shuo Li, Yiyun Wen, Maochu Gong, Lei Zhang, Yanling Yao, Yaoqiang Chen (2008), Synthesis and Characterization of TiO2/YFeO3 and Its Photocatalytic Oxidation of Gaseous Benzene, Acta Physico-Chimica Sinica
24, pp. 1761-1766.
20. E.Lima Jr, T.B.Martins, H.R.Rechenberg, G.F.Goya, C.Cavelius, R. Rapalaviciute, S.Hao, S.Mathur (2008), Numerical simulation of magnetic
interactions in polycrystalline YFeO3, Journal of Magnetism and Magnetic
Materials 320, pp. 622–629.