CHƯƠNG 2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO
2.1. Một số phương pháp chế tạo ZnS, ZnS:Mn
2.1.5 Phương pháp thủy nhiệt
Phương pháp thủy nhiệt là phương pháp trong ngành hóa vật liệu dùng để thu các vật liệu vô cơ có cấu trúc nano tinh thể. Tổng hợp thủy nhiệt là quá trình
Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường 22 tổng hợp có nước tham gia với vai trò của chất xúc tác, xảy ra ở nhiệt độ cao (lớn hơn 1000C) và áp suất lớn (lớn hơn vài atm). Trong phương pháp này người ta sử dụng khả năng hòa tan trong nước của hầu hết các chất vô cơ ở nhiệt độ cao, áp suất lớn và sự tinh thể hóa của chất lỏng vật liệu hòa tan.
Dựa vào các kết quả thực nghiệm, ta thấy khoảng nhiệt độ được dùng trong quá trình thủy nhiệt từ 1000C đến 18000C, áp suất khoảng 15 atm đến 104 atm.
Các thí nghiệm dùng phương pháp thủy nhiệt được giữ ổn định, tránh rung động ở nhiệt độ và áp suất không đổi.Nhiệt độ, áp suất nước và thời gian phản ứng là ba thông số chính trong phương pháp thủy nhiệt. Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng cho sự hình thành sản phẩm cũng như ổn định nhiệt động học của các pha sản phẩm. Áp suất cần thiết cho sự hòa tan, khoảng quá bão hòa tạo ra sự tinh thể hóa cũng như góp phần tạo ra sự ổn định nhiệt động học của pha sản phẩm. Thời gian cũng là một thông số quan trọng bởi vì các pha ổn định diễn ra trong thời gian ngắn, còn các pha cân bằng nhiệt động học lại có xu hướng hình thành sau một khoảng thời gian dài.
Khi chế tạo mẫu bằng phương pháp thủy nhiệt thì áp suất hơi bão hòa trong bình thủy nhiệt là thông số vô cùng quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự tạo thành kết tủa của phản ứng hóa học, áp suất lại hơi bão hòa lại chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
Khi bình thủy nhiệt được đưa vào nung ở nhiệt độ cao, nước sẽ bay hơi. Do bình kín nên hơi nước sẽ đạt trạng thái bão hòa. Áp suất trong bình thủy nhiệt là do hơi nước bão hòa gây nên. Khi thay đổi nhiệt độ thủy nhiệt thì áp suất trong bình cũng thay đổi theo do áp suất hơi bão hòa của nước phụ thuộc vào nhiệt độ.
Để tính được áp suất hơi nước bão hòa trong bình cũng chính là áp suất của bình chúng tôi dùng công thức Antonie như sau [26].
- 10
A B
P C T ( 2.2 ) trong đó: A, B, C là các hằng số xác định bằng thực nghiệm.
Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường 23 Khi chế tạo các hạt nano ZnS chúng tôi sử dụng với nhiệt độ trên 100oC, theo các tài liệu tham khảo ở khoảng nhiệt độ này các hằng số A, B, C có giá trị như sau.
A = 8.14019 ; B = 1810.94 ; C = 244.485
Thay các giá trị nhiệt độ vào công thức Antonie chúng tôi đã xác định được áp suất hơi bão hòa trong bình thủy nhiệt, kết quả được dẫn ra ở bảng 2.1
Bảng 2.1: Áp suất hơi nước bão hòa trong bình thủy nhiệt với các nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau:
Nhiệt độ( oC) 110 130 150 180 200 220 240
Áp suất(PSI) 20.79 38.97 69 144.6
7
225 337.1 0
488.3 2 Áp suất( atm ) 1.42 2.65 4.66 9.84 13.3
2
22.94 33.23
Hình 2.3 : Đồ thị sự phụ thuộc áp suất hơi bão hòa vào nhiệt độ
Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả thu được từ tài liệu tham khảo dẫn ra ở bảng 2.2.
Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường 24 Trộn
dung
dịch Thủy
nhiệt
Lọc, rửa
kết tủa
Bột phát quang Sấy,
nghiền và rửa kết tủa
Hình 2.6:. Sơ đồ khối của quy trình tạo bột phát quang bằng phương pháp thủy nhiệt
Bảng 2.2: Áp suất hơi nước bão hòa trong bình thủy nhiệt theo tài liệu tham khảo [ 26].
Quy trình chế tạo ZnS và ZnS pha tạp các nguyên tố bằng phương pháp thủy nhiệt được dẫn ra ở hình 2.4:
Phương pháp thuỷ nhiệt có các ưu điểm như: có khả năng điều chỉnh kích thước hạt bằng nhiệt độ thủy nhiệt, có khả năng điều chỉnh hình dạng các hạt bằng các vật liệu ban đầu, thu được sản phẩm chất lượng cao từ các vật liệu không tinh khiết ban đầu, có thể sử dụng nhiều nguyên liệu vào khác nhau., là phương pháp đơn giản chế tạo tinh thể dưới nhiệt độ và áp suất cao.