Hệ thí nghiệm bao gồm: Còi siêu âm; khí Ar, bình cầu 3 cổ và các tiền chất:
kẽm acetate (Zn(Ac)2), Natri sulfide (Na2S), trisodium citrate (TSC), NaOH và 4- Aminothiophenol (4-ATP).
Các hóa chất sử dụng trong quá trình thí nghiệm pha với nồng độ đƣợc thể hiện trong Bảng 2.1.
STT Dung dịch hóa chất Nồng độ
1 Zn(Ac)2 0,25 M
2 TSC 2,50 M
3 4-ATP 2×10-3 M
4 Na2S 0,25 M
5 NaOH – 1 0,50 M
6 NaOH – 2 0,10 M
Bảng 2.1. Bảng các nồng độ gốc của các hóa chất sử dụng trong quá trình thí nghiệm chế tạo các hạt nano ZnS bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm.
2.1.2. Quy trình chế tạo
Các hạt nano ZnS được chế tạo bằng phương pháp hóa ướt. Trong dung dịch, các tinh thể ZnS được hình thành nhờ sự kết hợp của các ion dương Zn2+ và ion âm S2-. Phương trình phản ứng tạo các hạt ZnS trong dung dịch được mô tả như sau:
Zn(CH3COO)2 + Na2S ZnS↓ + 2 CH3COONa
22
Hình 2.1. Sơ đồ và hình mô phỏng thí nghiệm chế tạo các hạt nano ZnS bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm.
Sơ đồ thí nghiệm đƣợc mô tả nhƣ trong Hình 2.1 và đƣợc tiến hành cụ thể theo 2 bước là pha dung dịch chứa các ion Zn2+ trong môi trường có chất hoạt hóa bề mặt và dùng Na2S để cung cấp ion S2-, đồng thời tiến hành siêu âm.
Trong đó, dung dịch chứa ion Zn2+ và chất hoạt hóa bề mặt chứa trong bình cầu 3 cổ, cổ (1) được sử dụng để nhỏ giọt ion S2- và đường dẫn vào khí Ar, cổ (2) dùng để đƣa còi siêu âm vào dung dịch chứa ion Zn2+ và chất hoạt hóa bề mặt, cổ (3) là đường khí ra.
Quy trình chế tạo được mô tả chi tiết khi khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt hóa bề mặt TSC.
a. Chế tạo hạt nano ZnS bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm và khảo sát ảnh hưởng chất hoạt hóa bề mặt.
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ TSC
Sơ đồ 2.1 mô tả quy trình chế tạo hạt nano ZnS bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm với các nồng độ TSC khác nhau.
Nhỏ từ từ
Còi siêu âm DD chứa
ion S2-
DD chứa ion Zn2+
và chất hoạt hóa bề mặt Bước 1
Bước 2
(2)
(1) (3)
(2)
Dung dịch chứa ion Zn2+
và chất hoạt hóa bề mặt
23
Sơ đồ 2.1. Sơ đồ chế tạo hạt nano ZnS bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm với các nồng độ TSC khác nhau
Các bước chế tạo hạt nano được thực hiện chi tiết như sau:
Cho 4 ml dd ZnCl2 0,25 M và dd TSC 2,5 M vào bình cầu 3 cổ, bổ sung thêm 96 ml nước cất để được 100 ml dung dịch A và độ pH đạt tới 9 (± 0,2). Ở đây, các dung dịch NaOH nồng độ 0,50 M và 0,10 M đƣợc sử dụng để điều chỉnh pH dung dịch.
50 ml dd Na2S (dd B) 0,02 M đƣợc cho vào buret (250 ml) và nhỏ từ từ vào 100 ml dung dịch A. Trong suốt quá trình này, còi siêu công suất ~190W đƣợc áp dụng liên tục. Sau khi dung dịch Na2S đƣợc nhỏ hết, hệ siêu âm vẫn tiếp tục đƣợc bật trong vòng 10 phút. Mẫu vật liệu thu đƣợc có màu trắng nhờ.
Để bảm bảo độ lặp lại của mẫu, trước khi nhỏ dd B vào dd A, buret được điều chỉnh sao cho tốc độ nhỏ giọt là 0,03 ml/s. Nước cất trước khi sử dụng được thổi bằng khí Ar để đảm bảo không còn khí oxy. Bên cạnh đó, trong suốt quá trình phản ứng, dung dịch đƣợc dùy trì tại 0oC và thổi khí Ar liên tục.
Các mẫu ZnS chế tạo với nồng độ chất hoạt hóa bề mặt TSC lần lƣợt nhƣ trong Bảng 2.2.
24 Dung dịch hóa chất
Thể tích (ml)
Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 Mẫu 6
TSC 2,5M 1 2 4 6 10 20
Bảng 2.2. Thể tích dd TSC thêm vào trong quá trình chế tạo hạt nano ZnS Các mẫu chứa hạt nano ZnS sau khi chế tạo đƣợc lọc rửa 9 lần bằng cồn 50%
và khảo sát các phép đo: khảo sát hình thái, cấu trúc và kích thước hạt bằng phổ nhiễu xạ tia X và chụp ảnh TEM, đồng thời khảo sát các tính chất quang bằng phổ hấp thụ UV-Vis và phổ huỳnh quang.
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ 4-ATP
Các bước chế tạo mẫu ZnS khảo sát với chất hoạt hóa bề mặt 4-ATP được thực hiện tương tự như chất hoạt hóa bề mặt TSC. Các mẫu ZnS chế tạo với nồng độ 4-ATP thêm vào mô tả nhƣ trong Bảng 2.3.
Dung dịch hóa chất
Thể tích (ml)
Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 Mẫu 6
4-ATP 2.10-3M 1 2 4 6 10 20
Bảng 2.3. Thể tích dd 4-ATP thêm vào trong quá trình chế tạo hạt nano ZnS Các mẫu chứa hạt nano ZnS sau khi chế tạo đƣợc lọc rửa 9 lần bằng cồn 50%
và khảo sát các phép đo: khảo sát các tính chất quang bằng phổ hấp thụ UV-Vis và khảo sát khả năng chức năng hóa của vật liệu với nhóm amin (-NH2) bằng phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR.
b. Chế tạo hạt nano ZnS bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp siêu âm và khảo sát ảnh hưởng của công suất còi siêu âm.
Chúng tôi đã tiến hành thay đổi công suất còi siêu âm đối với loạt mẫu sử dụng 10 mL TSC để nghiên cứu sự ảnh hưởng của tác nhân vật lý này đến tính chất của vật liệu. Bảng 2.4 mô tả chi tiết công suất siêu âm đƣợc áp dụng trong quá trình khảo sát.
25 STT Dung dịch hóa chất
Công suất còi siêu âm
Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5
1 TSC 2.5M 10ml 150W 190W 225W 270W 300W
Bảng 2.4. Các công suất siêu âm sử dụng để chế tạo ZnS với các mẫu pha tạp 10 mL chất hoạt hóa bề mặt TSC.
Các mẫu chứa hạt nano ZnS sau khi chế tạo đƣợc lọc rửa 9 lần bằng cồn 50% và khảo sát các phép đo: Khảo sát các tính chất quang bằng phổ hấp thụ UV- Vis; Khảo sát cấu trúc và kích thước hạt bằng phổ nhiễu xạ tia X.