Tổng hợp và đặc điểm tính chất của hạt nano và sợi nano NiFe2O4

Tài liệu là bài trình bày thuyết trình về vấn đề "Tổng hợp và đặc điểm tính chất của hạt nano và sợi nano NiFe2O4"

LOGO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN HÓA VÔ CƠ

TỔNG HỢP VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA HẠT NANO VÀ SỢI

NANO NiFe2O4

15/1/2014 TP.Hồ Chí Minh

GIỚI THIỆU

GIỚI THIỆU NiFe2O4 NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ NiFe2O4 –

MỤC TIÊU BÀI BÁO

GIỚI THIỆU – NiFe2O4

 Spinel sắt là vật liệu cấu trúc nano được quan tâm

hiện nay đặc biệt là NiFe2O4

 Những ưu điểm của NiFe2O4:

• Tinh thể từ tính không đẳng hướng cao

• Từ hóa bão hòa cao

• Tính chất siêu thuận từ phụ thuộc vào hình

NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ NiFe2O4 – MỤC TIÊU BÀI BÁO

 Những nghiên cứu về việc tổng hợp vật liệu cấu trúc nano NiFe2O4:

 Berthelin và cộng sự đã tổng hợp được nano NiFe2O4 với kích thước

cơ bản là 4-5nm bằng lò vi sống đèn flash, và nghiên cứu ứng dụng của nó để làm cathode cho pin lithium

 Kavas và cộng sự tổng hợp NiFe2O4 bằng chất hoạt động bề mặt với

sự hỗ trợ quá trình thủy nhiệt và nghiên cứu chi tiết về từ tính và cấu trúc của vật liệu

 Wang và cộng sự tổng hợp MFe2O4 (M=Co, Ni) với cấu trúc dải nano xốp bằng phương pháp electrospining kết hợp với kỹ thuật sol-gel

 Liu và cộng sự tổng hợp sợi và hạt nano NiFe2O4 bằng phương pháp thủy nhiệt đơn giản dung dịch Ni(DS)2, FeCl3 và NaOH

 Nhóm nghiên cứu của Shi và Zhang tổng hợp sợi nano bằng PEG với

sự hỗ trợ của định vị và nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ của vật liệu

Dựa trên các nghiên cứu trước, bài báo này đã tổng hợp

thành công sợi nano composite polymer/NiFe2O4 lần đầu tiên

bằng phương pháp đồng kết tinh và nghiên cứu cấu trúc,

hình thái, từ tính của vật liệu.

NGUYÊN LIỆU VÀ THIẾT BỊ

QUI TRÌNH TỔNG HỢP NiFe2O4

6

THỰC NGHIỆM

NGUYÊN LIỆU VÀ THIẾT BỊ

Thiết bị phân tích và điều kiện đo:

 PANalytical X’Pert pro đo XRD (tia Kα của Cu( λ = 1,5406 Å), góc tán xạ 10o – 80o)

 2000 FTIR của hãng Perkin-Elmer để đo phổ hồng ngoại của mẫu (400-4000 cm-1)

 STA 6000 của hãng Perkin-Elmer để đo đường cong TGA và DSC (Tốc độ nhiệt

được giữ ở 10oC/phút và khối lượng của mẫu là 40 mg, môi trường N2)

 Kính hiển vi điện tử (JEOL) JEM-3010 để đo TEM và SAED (điện thế 200 kV)

 HRSEM FEI Quanta FEG200 để đo HRSEM và EDX (điện thế 15 kV)

 Kính hiển vi Raman HR 800 (Jobin-Yvon) để đo quang phổ microRaman (Tia laser

He-Ne λ = 633 nm được sử dụng là nguồn kích thích)

 Từ kế (VSM, JDM-13) để đo đường cong kín từ trễ

PANalytical X’Pert pro STA 6000 (JEOL) JEM-3010

 0,2 g PEO (hạt nano)

 0,4 g PEO (sợi nano)

1 3 2 4

KẾT QUẢ - BÀN LUẬN

5

CẤU TRÚC VÀ HÌNH THÁI

Phổ XRD của NiFe2O4 (a) hạt nano và (b) sợi nano

 Không có mũi nhiễu xạ của tạp chất như α-Fe2O3 hay NiO trên phổ

 Phổ rõ với những mũi đối xứng nhọn, hẹp chứng tỏ được độ tinh khiết cao của

 Thông số mạng được tính là 0,83379 và 0,83352 tương ứng với mẫu A (hạt nano) và mẫu B (sợi nano)

CẤU TRÚC VÀ HÌNH THÁI

Phổ microRaman của NiFe2O4 (a) hạt nano và (b) sợi nano

CẤU TRÚC VÀ HÌNH THÁI

(a) HRSEM ; (b) TEM và (c) HRTEM của hạt nano NiFe2O4

(a) HRSEM ; (b) TEM và (c) HRTEM của sợi nano NiFe2O4

 Đường kính không gian gần mặt tinh thể (hình f) được xác định là 0,294

nm phù hợp với giá trị của mặt phẳng <220> của NiFe2O4 và khớp với giá trị d220 được tính từ kết quả XRD (0,2939 nm)

CẤU TRÚC VÀ HÌNH THÁI

Phổ SAED của NiFe2O4 (b) hạt nano ; (d) sợi nano

 Phổ SAED xác định đúng các chỉ số (220), (311), (222),(400), (422), (511), và (440)của cấu trúc spinel lập phương tâm mặt hoàn toàn phù hợp với kết quả của XRD.

CẤU TRÚC VÀ HÌNH THÁI

Phổ EDX của NiFe2O4 (b) hạt nano ; (d) sợi nano

 Phổ EDX giúp nghiên cứu thành phần nguyên tố của NiFe2O4.

 Kết quả cho thấy chỉ 3 nguyên tố Ni, Fe, O xuất hiện trong mẫu NiFe2O4.

 Mẫu không chứa tạp chất.

PHÂN TÍCH CÁC NHÓM CHỨC

Phổ FTIR của (a) PEO tinh khiết và (b) composite

PEO/NiFe2O4

 Mũi tại 3411 cm-1 và 1642

cm-1 là mũi trải dài và chỗ

cong liên kết H-O-H là mũi

dao động của phân tử nước

tự do hay bị hấp phụ

 Mũi tại 590 cm-1 là những

dao động kéo dài bên trong

của kim loại tại vùng tứ diện

(Fe ↔ O), trong khi đó mũi

462 cm-1 là của kim loại ở

vùng bát diện (Ni ↔ O)

PHÂN TÍCH CÁC NHÓM CHỨC

 Mũi xung quanh 1383 cm-1 là bởi những dao động kéo dài của nhóm NO3- không đối xứng

 Nhóm C-H bất đối xứng và đối xứng cho mũi ở 2922 cm-1 và 2859 cm-1 đối với

sợi nano PEO/NiFe2O4 Nó xác định sự hấp phụ của polymer trên bề mặt của chúng

 Dao động của liên kết C=O của nhóm carboxylic được quan sát ở mũi 1105 cm-1

và 1747 cm-1 tương ứng với vết ion nitrate

 Sự hấp thu tại 1433 cm-1 ứng với nhóm –CH2

 Nhóm ứng với mũi tại 819 cm-1 là dao động biến dạng của nhóm Fe-OH Mũi tại

1177 là dao động kéo dài của nhóm C-O-C

Phổ FTIR của (a) PEO tinh khiết và (b) composite

PEO/NiFe2O4

 Khối lượng giảm ở giai đoạn đầu tiên xảy ra từ 35oC đến 170oC

 1 mũi tỏa nhiệt ở 125oC trong DSC là do mất những phân tử nước tự do và ở biên từ composite ban đầu và quá trình tách nước của nhóm OH trong khi hình thành spinel

TÍNH CHẤT NHIỆT

Đường cong TG/DSC của nanocomposite PEO/NiFe2O4 (dạng

sợi)

 Trong giai đoạn thứ hai của

sự phân hủy, khối lượng giảm

kéo dài từ 170oC đến 560oC

 Một mũi tỏa nhiệt và 3 mũi thu

nhiệt được quan sát trong

vùng này tại 356oC và 240oC,

390oC, 542oC

 Đó là sự phân hủy của nhóm

nitrate và PEO từ vật liệu ban

đầu mà có hai cơ chế phân

hủy liên quan đến phản ứng

dây chuyền nội và ngoại phân

tử

 Sự chuyển thủy tinh của PEO góp phần làm giảm khối lượng bởi vì sự phân hủy của PEO xảy ra cùng với sự loại bỏ của nhóm OH bề mặt vả xảy ra đồng thời với

sự phát triển của oxy ở mạng

 Quá trình oxi hóa composite và hình thành những hợp chất cơ kim trung gian xảy

ra trong vùng này

TÍNH CHẤT NHIỆT

Đường cong TG/DSC của nanocomposite PEO/NiFe2O4 (dạng

sợi)

 Sau 542oC quá trình kết tinh hoàn tất được thấy ở hình DSC

 Trên vùng nhiệt độ 560oC – 950oC, đường cong TGA hầu như là thẳng , không có

sự tổn thất khối lượng của mẫu xảy ra Không có mũi tỏa nhiệt hay thu nhiệt được quan sát ở DSC sau 560oC

 Điều này nói lên mẫu đã bị phân hủy hoàn toàn tại nhiệt độ 560oC Nó cho thấy NiFe2O4 tinh khiết

TỪ TÍNH

Đường cong kín trễ từ của NiFe2O4 (A) hạt nano ; (B) sợi nano

Bảng giá trị độ từ hóa bão hòa (Ms), độ từ hóa dư (Mr), độ từ

kháng (Hc) của NiFe2O4 (A) hạt nano ; (B) sợi nano

 Giá trị Ms của sản phẩm được tổng

hợp thì nhỏ hơn NiFe2O4 thô (55 emu g-1) nhưng cao hơn những hạt nano khác

 Độ từ hóa bão hòa của cấu trúc nao

NiFe2O4 thì nhỏ hơn so với NiFe2O4 thô Đó là bởi vì sự tăng hiệu ứng bề mặt (hiệu ứng xoay nghiêng) và giảm kích thước hạt.

 Hiệu ứng bề mặt ảnh hưởng đến từ tính của hạt bởi vì sự biến đổi trong cân bằng tương tác trao đổi và sự hiện diện của từ tính ở khuyết tật bề mặt của hạt nano

 Sự khác nhau về độ từ kháng của mẫu là do sự khác nhau về hình thái của hạt và cũng do hình dạng có tính không đẵng hưởng có thể làm tăng đáng kể từ tính, một tỉ số hướng cao

có thể làm tăng độ từ kháng

TÁC NHÂN ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN CỦA

TINH THỂ

Quá trình hình thành cấu trúc nano NiFe2O4 dạng hạt và

dạng sợi với lượng PEO khác nhau

 Cấu trúc dạng hạt và dạng sợi được

quyết định bởi lượng PEO cho vào

 Tính chất độc đáo của cấu trúc PEO

có thể dễ dàng được hấp phụ tại bề

mặt của oxit kim loại do đó giúp giảm

năng lượng bề mặt chung của toàn

hệ

 Sự định hướng kết tụ của những hạt

nano dạng cầu đầu tiên chủ yếu do sự

tự liên kết với các phân tử gần bên tại

mặt phẳng phân cách giữa các hạt

nano

 Trong nghiên cứu hiện tại, sợi

NiFe2O4 được hình thành do sự hấp

phụ mạnh của PEO tại mặt chính diện

tinh thể thúc đẩy sự kết tụ định hướng

của các hạt nano

 Sợi nano NiFe2O4 tiếp tục phát triển

tạo nên những tinh thể xếp chồng khít

lên các phân tử bên cạnh

KẾT LUẬN

KẾT LUẬN

 Cấu trúc nano NiFe2O4 được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa sử dụng tác nhân kết dính PEO ở nồng độ khác nhau

 Nồng độ của composite PEO/NiFe2O4 là một yếu tố quan trọng để

điều khiển cấu trúc nano

 Sợi nano được hình thành ở nồng độ PEO cao hơn

 Kết quả nghiên cứu cho thấy sợi nano có cấu trúc lập phương tâm mặt với đường kính là 60-65 nm và chiều dài là 142-147 nm

 Sợi nano đơn tinh thể được hình thành thông qua sự kết tụ định hướng của mỗi hạt nano đơn tinh thể

 Cấu trúc nano 0D và 1D được tổng hợp cho thấy tính chất của sắt từ ở nhiệt độ phòng 300K

26