CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.4. Phương pháp tổng hợp vật liệu perovskite
1.4.3. Phương pháp sol-gel
Mặc dù đã được nghiên cứu vào những năm 30 của thế kỉ trước. Nhưng gần đây, cùng với sự ra đời và phát triển của kĩ thuật nano, phương pháp sol-gel lại được quan tâm rất nhiều vì nó rất thành cơng trong tổng hợp vật liệu cấp hạt nano. Trong phương pháp sol-gel, ta có thể dễ dàng kiểm sốt thành phần hợp chất, dung dịch đạt được tính đồng thể và kiểm sốt nồng độ mà không cần sử dụng thiết bị đắt tiền. Các phương pháp sol-gel thường được sử dụng là: sol-gel thủy phân muối, sol-gel thủy phân alkoxide và sol-gel tạo phức. Sol-gel tạo phức là phương pháp được sử dụng trong luận văn này để tổng hợp vật liệu nano perovskite Y0.8Sr0.2FeO3
A. Định nghĩa
Quá trình sol-gel là một q trình liên quan đến hóa lý của sự chuyển đổi của một hệ thống từ precursor thành pha lỏng dạng sol sau đó tạo thành pha rắn dạng gel theo mơ hình precursor sol gel như trên hình 14.
Hình 14. Kỹ thuật sol - gel và các sản phẩm của nó
“Sol” là các hạt chất rắn có tướng keo trong chất lỏng tồn tại ở trạng thái ổn định có đường kính 1-5 nm. Như Iler đã giải thích, tính chất của các hạt này phụ thuộc vào kích cỡ của chúng cũng như là nhiệt độ và độ pH của dung dịch.
“Gel” là một dạng chất rắn - nửa rắn (solid-semi rigide) trong đó vẫn cịn giữ dung mơi trong hệ chất rắn dưới dạng chất keo. Sol tồn tại đến thời điểm mà các hạt keo kết tụ lại với nhau và cấu trúc của thành phần rắn lỏng trong dung dịch liên kết chặt chẽ hơn gọi là gel.
“Precursor” là những phần tử ban đầu để tạo những hạt keo (sol). Nó được tạo thành từ các thành tố kim loại hay á kim, được bao quanh bởi những ligand khác nhau. Các precursor có thể là chất vô cơ kim loại hay hữu cơ kim loại.
B. Quá trình sol-gel
Diễn biến quá trình sol-gel
Bước 1: các hạt keo mong muốn từ các phân tử huyền phù precursor phân tán vào một chất lỏng để tạo nên một hệ sol.
Bước 2: sự lắng đọng dung dịch sol tạo ra các lớp phủ trên đế bằng cách phun, nhúng, quay.
Bước 3: các hạt trong hệ sol được polime hố thơng qua sự loại bỏ các thành phần ổn định hệ và tạo ra hệ gel ở trạng thái là một mạng lưới liên tục.
Bước 4: cuối cùng là q trình xử lí nhiệt phân các thành phần hữu cơ, vơ cơ cịn lại và tạo nên một màng tinh thể hay vơ định hình.
Quá trình sol-gel hình thành với 2 dạng phản ứng chính là phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ bao gồm phản ứng ngưng tụ rượu và phản ứng ngưng tụ nước.
Ví dụ, để tổng hợp sợi quang học SiO2 với độ tinh khiết 99,99% chúng ta không thể đi từ nguyên liệu sạch SiO2 mà phải xuất phát từ hóa chất siêu sạch như các loại alcoxyt của silic Si(OR)4 với R là CH3-, C2H5-… Các quá trình xảy ra như sau:
Phản ứng thủy phân thay thế nhóm alkoxide (–OR) trong liên kết kim loại (M, Si, Ti, Zr, Sn, In, Al, Mg…) – alkoxide bằng nhóm hidroxyl (–OH) để tạo thành liên kết kim loại – hydroxyl. Theo phương trình phản ứng sau:
-Si-OR + H2O -Si-OH + ROH
Các thông số ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình thủy phân là pH, bản chất và nồng độ của chất xúc tác, nhiệt độ, dung môi, tỉ số H2O/M.
Phản ứng ngưng tụ tạo nên liên kết kim loại - oxide - kim loại, là cơ sở cấu trúc cho các màng oxit kim loại. Hiện tượng ngưng tụ diễn ra liên tục làm cho liên kết kim loại - oxide - kim loại không ngừng tăng lên cho đến khi tạo ra một mạng lưới kim loại - oxide - kim loại trong khắp dung dịch. Trong điều kiện thích hợp, sự ngưng tụ xảy ra liên tục và phá huỷ polime, tái tạo thành những hạt keo lớn, từ đó tạo thành các polime lớn hơn.
-Si-OR +HO-Si- -Si-O-Si= + R-OH
=Si-OH + HO-Si= =Si-O-Si= + H2O Thủy phân este
Phân hủy trong ancol Trùng ngưng loại nước
Thủy phân Trùng ngưng loại ancol