CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tổng hợp vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 theo phương pháp đồng kết tủa
tủa
3.1.1. Quy trình tổng hợp vật liệu
Nhỏ từ từ hỗn hợp dung dịch đương lượng muối YCl3, Sr(NO3)2, Fe(NO3)3 vào 600 ml nước cất ở nhiệt độ phòng. Vừa nhỏ vừa khuấy đều hỗn hợp muối trên máy khuấy từ khoảng 10 phút. Sau khi đã khuấy toàn bộ hỗn hợp muối tiếp tục thêm 10 ml dung dịch Na2CO3 bão hịa đã tính tốn số mol tương ứng với hỗn hợp muối. Tiếp tục khuấy kết tủa thu được trong 10 phút. Sau đó lọc, rửa kết tủa bằng nước cất trong vài lần rồi phơi khơ ở nhiệt độ phịng đến khối lượng khơng đổi. Quy trình tổng hợp vật liệu thể hiện trên hình 23.
Hình 23. Sơ đồ tổng hợp vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 theo phương pháp đồng kết tủa
Các quá trình hình thành hạt perovskite Y0.8Sr0.2FeO3
- Giai đoạn 1: Quá trình kết tủa các muối cacbonat Y2(CO3)3, SrCO3 và hidroxit Fe(OH)3 bằng tác nhân là dung dịch Na2CO3.
2Y3+ + 3CO32- → Y2(CO3)3
Dung dịch muối của các kim loại lấy theo tỉ lệ hợp thức YCl3, Sr(NO3)2, Fe(NO3)3 Hỗn hợp kết tủa Lọc, rửa kết tủa Mẫu bột Sản phẩm Dung dịch Na2CO3 Khuấy từ trong 10 phút
Khuấy từ trong 10 phút
Phơi khô 24h
Sr2+ + CO32- → SrCO3
2Fe3+ + 3CO32- + H2O → 2Fe(OH)3 + 3CO2
- Giai đoạn 2: Quá trình phân hủy các muối cacbonat và hidroxit khi nung mẫu ở nhiệt độ cao thành các oxit tương ứng. Đồng thời xảy ra quá trình kết hợp các oxit lại với nhau tạo thành tinh thể perovskite Y0.8Sr0.2FeO3.
0.8Y2O3 + 2.0.2SrO + Fe2O3 → 2Y0.8Sr0.2FeO3 - z (**)
3.1.2. Kết quả phân tích nhiệt
Kết tủa thu được sau khi được phơi khô và nghiền thành bột, chúng tôi đem mẫu bột phân tích nhiệt để tìm khoảng nhiệt độ nung cho sự hình thành pha perovskite Y0.8Sr0.2FeO3. Có 3 bước nhảy mất khối lượng chính (hình 24).
Sự mất khối lượng từ nhiệt độ phòng đến 275oC (tương đương khoảng 21,5%), tốc độ mất khối lượng xảy ra nhanh, được coi là sự bay hơi nước bề mặt và bắt đầu nhiệt phân các hidroxit Fe(OH)3 và cacbonat Y2(CO3)3, SrCO3. Quá trình mất khối lượng tiếp theo xảy ra khoảng nhiệt độ từ 275oC đến gần 600oC tương ứng gần 18% được coi là sự phân hủy từ từ các muối cacbonat Y2(CO3)3, SrCO3 và Fe(OH)3. Từ 600oC trở đi ta thấy đường TGA/DTG gần như nằm ngang, sự thay đổi khối lượng là khơng đáng kể (≈ 3%) có thể giải thích là do sự xâm nhập của Sr (hóa trị II) vào mạng YFeO3 kéo theo sự thiếu hụt oxi trong mạng.
Hình 24. Giản đồ TGA và DTG của mẫu bột tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa theo phương pháp đồng kết tủa
TGA DTG
Hình 25. Phổ FTIR của mẫu vật liệu Y0.8Sr0,2FeO3
Như vậy tổng độ hụt khối lượng của mẫu lên đến gần 43%. Như vậy dựa vào đường cong phân tích nhiệt, chúng tơi chọn nhiệt độ nung mẫu từ 700oC-900oC để kiểm tra sự hình thành pha Y0.8Sr0.2FeO3.
3.1.3. Kết quả phổ hồng ngoại FTIR
Để làm rõ sự hình thành pha Y0.8Sr0.2FeO3 trên hình 25 biểu diễn phổ FTIR của các mẫu nung thay đổi theo nhiệt độ.
Phổ FTIR cho thấy mẫu nung ở 700oC xuất hiện vân hấp thụ tại tần số 3425 cm-1 và 1633 cm-1 được quy cho liên kết –OH và cường độ các peak giảm dần khi tăng nhiệt độ nung từ 700oC đến 850o
C. Một Peak với cường độ mạnh, dải băng rộng xuất hiện tại 574 cm-1- là dao động của liên kết Fe-O. Tại đây, chúng ta thấy 3 peak liên tiếp nhau là 677 cm-1
, 574 cm-1 và 476 cm-1 là kết quả của sự hình thành mạng tinh thể perovskite [14]. Và cường độ của peak không thay đổi khi ta nung tại các nhiệt độ khác nhau. Ngoài ra, một peak xuất hiện cường độ yếu và không đổi ở 2340 cm-1 được quy cho dao động CO2 xuất hiện trong khơng khí [13, 16]. Bên cạnh đó, ở nhiệt độ nung 700oC đã xuất hiện một peak với cường độ khá lớn ở 1469 cm-1và chúng tơi nghĩ rằng đó là phổ nhiễu xạ của muối cacbonat [16].
Chúng tôi đã sử dụng Na2CO3 là tác nhân tạo kết tủa cho phản ứng tổng hợp perovskite và có khả năng nó đã dư sau phản ứng. Điều này càng thấy rõ hơn khi chúng tôi tăng nhiệt độ nung thì cường độ của peak đã giảm dần; chứng tỏ lượng muối cacbonat đã mất đi dần khi tăng nhiệt độ nung.
3.1.4. Kết quả XRD của vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3
Dựa vào các tài liệu đã tham khảo [1, 11] cùng với kết quả phân tích nhiệt TGA/DTG và phổ hồng ngoại FTIR, chúng tôi đã chọn nhiệt độ nung mẫu tại 750oC trong 2h kiểm tra sự hình thành pha perovkite Y0.8Sr0.2FeO3.
Kết quả cho thấy (hình 26) là tất cả các peak nhiễu xạ của vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 (hình 26a) gần như trùng khớp với peak chuẩn YFeO3 (hình 26b), vị trí các đỉnh nhiễu xạ khơng bị thay đổi nhiều so với phổ chuẩn. Quá trình hình thành pha perovskite là duy nhất. Qua đó, chúng tơi có thể kết luận được rằng sự hình thành pha perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 đã hoàn thiện khi tổng hợp vật liệu bằng phương pháp 1.
Hình 26. Giản đồ XRD của vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3 tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa sau khi nung 750oC trong 2h đã ghép với
peak chuẩn. (a): phổ XRD của Y0.8Sr0.2FeO3 (b): phổ XRD của YFeO3 1
2
3.1.5. Kết quả nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Phương pháp SEM cho phép xác định được kích thước hạt trung bình và hình dạng vật liệu có cấu trúc tinh thể. Hình 27 là ảnh SEM của mẫu vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 phóng đại 30000 lần (hình 28a) và phóng đại 100000 lần (hình 28b). Các hạt nano perovskite có dạng hình trụ và đồng nhất với đường kính các hạt trung bình từ 30-60 nm và đường cao các hạt từ 80-200 nm.
Hình 27. Ảnh SEM của vật liệu Y0.8Sr0.2FeO3 tổng hợp theo phương pháp 1 (to = 750oC trong 2h).
3.2. Tổng hợp vật liệu perovskite Y0.8Sr0.2FeO3theo phương pháp citrat-gel 3.2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu