nghiên cứu tổng hợp và khảo sát cấu trúc, tính chất của vật liệu nano nife2o4

Nắm bắt được xu thế đó, các nhà khoa học cũng như các phòng nghiên cứu của các trường đại học trên khắp cả nước, với sự hỗ trợ của chính phủ, đã đẩy mạnh việc nghiên cứu các ứng dụng của

GVHD: TS Nguyễn Anh Tiến SVTH: Nguyễn Thị Kim Yến

T hành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2013

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC

L ỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Anh

Tiến - người đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều

kiện tốt nhất để em hoàn thành bài khóa luận này

Suốt 4 năm được học tập tại khoa Hóa- Trường Đại Học Sư Phạm thành phố

Hồ Chí Minh, em đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức và kinh nghiệm bổ ích để trang bị cho con đường tương lai phía trước của mình Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong và ngoài khoa, những người luôn ân cần, nhiệt huyết chỉ bảo và

hỗ trợ chúng em rất nhiều trong quá trình học tập

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, đặc biệt là bạn Liêu Diệp Hân và Nguyễn Thị Ngọc Trinh Nếu như gia đình là điểm tựa luôn động viên, khuyến khích mỗi khi em gặp khó khăn thì các bạn là những người luôn bên cạnh giúp đỡ, trao đổi kiến thức cùng em, đưa ra những lời khuyên hữu ích và kịp thời

Vì thời gian và khả năng có hạn nên trong bài khóa luận này không tránh được những thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp chân thành của thầy

cô và các bạn để bài khóa luận trở nên hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Thành ph ố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2013

SVTH Nguy ễn Thị Kim Yến

M ỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU 5

LỜI MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 9

1.1 Công nghệ nano và vật liệu nano 9

1.1.1 Khái niệm về công nghệ nano và vật liệu nano 9

1.1.2 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano oxit 10

1.1.3 Ứng dụng của vật liệu nano 14

1.2 Tổng quan tính chất các nguyên tố 18

1.2.1 NIKEN 18

1.2.2 SẮT 19

1.3 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất của bột nano 24

1.3.1 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) và khối lượng nhiệt (TGA) 24

1.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 25

1.3.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 27

1.3.4 Phương pháp đo độ từ hóa 28

1.4 Cấu trúc tinh thể ferrite spinel dạng AB2O4 30

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM - KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 32

2.1 Dụng cụ, thiết bị, hóa chất 32

2.1.1 Dụng cụ và thiết bị 32

2.1.2 Hóa chất 322.2 Tổng hợp vật liệu nano NiFe2O4 bằng phương pháp lòng trắng trứng 322.3 Tổng hợp vật liệu nano NiFe2O4 bằng phương pháp đồng kết tủa 332.4 Cấu trúc và tính chất của vật liệu nano NiFe2O4 tổng hợp bằng phương pháp lòng trắng trứng 35

2.5 Cấu trúc và tính chất của vật liệu nano NiFe2O4 tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa 42

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 50TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Danh m ục hình vẽ

Hình 1 Phân lo ại theo cấu trúc vật liệu nano 9

Hình 2 Thi ết bị lọc ứng dụng công nghệ nano 17

Hình 3 Kim lo ại Niken 17

Hình 4 Tinh th ể niken (II) oxit 19

Hình 5 Kim lo ại sắt 19

Hình 6 C ấu trúc của ε-Fe2 O 3 21

Hình 7 Nhi ễu xạ tia X 25

Hình 8 Kính hi ển vi điện tử quét 27

Hình 9 Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ 28

Hình 10 Thi ết bị đo từ tính MICROSENE EV11 30

Hình 11 C ấu trúc tinh thể ferrite spinel 30

Hình 12 Sơ đồ mô tả quy trình tổng hợp vật liệu nano NiFe 2 O 4 b ằng phương pháp lòng tr ắng trứng 33

Hình 13 Sơ đồ mô tả quy trình tổng hợp vật liệu nano NiFe 2 O 4 b ằng phương pháp đồng kết tủa 34

Hình 14 Gi ản đồ phân tích nhiệt TGA/DTA của mẫu bột tổng hợp bằng phương pháp lòng tr ắng trứng 36

Hình 15 Gi ản đồ XRD của mẫu bột tổng hợp bằng phương pháp lòng trắng tr ứng, sau khi nung ở 550 0 C trong 3 gi ờ 37

Hình 16 Gi ản đồ XRD của mẫu bột tổng hợp bằng phương pháp lòng trắng tr ứng, sau khi nung ở 650 0 C trong 3 gi ờ 38

Hình 17 Gi ản đồ XRD của mẫu bột tổng hợp bằng phương pháp lòng trắng tr ứng, sau khi nung ở 750 0 C trong 3 gi ờ 38

Hình 18 Ph ổ XRD của bột tổng hợp bằng lòng trắng trứng sau khi nung ở các nhi ệt độ khác nhau trong 3 giờ: a - 550 0

Hình 29 Đồ thị đường cong từ trễ của mẫu bột NiFe 2 O 4 t ổng hợp bằng 2

phương pháp nung cùng 1 nhiệt độ: 650 0 C trong 3 gi ờ 48

Danh sách b ảng biểu

B ảng 1 Các đặc trưng từ tính của mẫu bột NiFe 2 O 4 t ổng hợp bằng phương pháp lòng tr ắng trứng nung ở 2 nhiệt độ: 650 0 C, 750 0 C 41

B ảng 2 Các đặc trưng từ tính của mẫu bột NiFe 2 O 4 t ổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa nung ở 3 nhiệt độ: 650 0

C, 750 0 C, 850 0 C 46

B ảng 3 Các đặc trưng từ tính của mẫu bột NiFe 2 O 4 t ổng hợp bằng 2 phương pháp nung ở nhiệt độ 650 0 C trong 3 gi ờ 48

LỜI MỞ ĐẦU

Công nghệ nano là một bước tiến bộ vượt bậc trong lịch sử khoa học của nhân loại Công nghệ tiên tiến này đã góp phần mở ra những cơ hội mới thúc đẩy

sự phát triển của nhiều lĩnh vực khác nhau trong đời sống từ y học, hóa học, bảo

vệ môi trường đến sự phát triển về kinh tế và xa hơn là nâng cao chất lượng cuộc

sống con người Tuy nhiên, chính bởi khả năng ứng dụng phong phú của mình, công nghệ nano cũng đặt ra những thách thức lớn về khả năng phát triển vũ khí

loại mới với sức tàn phá kinh hoàng Chính vì lẽ đó, việc nghiên cứu và sử dụng đúng đắn những ứng dụng của công nghệ nano để phục vụ những mục đích cao

đẹp cho cuộc sống con người là điều hết sức cần thiết

Tại Việt Nam, tuy công nghệ nano chỉ mới phát triển trong khoảng chục năm trở lại đây, nhưng cũng đã kịp thời có được những kết quả đáng khích lệ, đóng góp cho nền công nghệ nước nhà Nắm bắt được xu thế đó, các nhà khoa

học cũng như các phòng nghiên cứu của các trường đại học trên khắp cả nước,

với sự hỗ trợ của chính phủ, đã đẩy mạnh việc nghiên cứu các ứng dụng của công nghệ nano trong các lĩnh vực mang tính ứng dụng cao, như y học hay môi trường,

dựa trên chính những vật liệu nano phổ biến và dễ tổng hợp nhất

Đáp ứng những tiêu chí đã nêu, có một vật liệu nano dễ dàng được tổng

hợp từ các phương pháp đơn giản như đồng kết tủa hay dùng lòng trắng trứng, đồng thời vẫn bảo đảm được các ứng dụng thiết yếu, đó chính là ferrite NiFe2O4

Với những phân tích trên, có thể nhận thấy tính khả thi và tiềm năng ứng

dụng lớn của vật liệu nano NiFe2O4 trong việc giảm trừ các kim loại nặng trong môi trường cũng như sự cần thiết của việc nghiên cứu này đối với thực tiễn ứng

dụng ở Việt Nam, em đã lựa chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ

với mong muốn những nghiên cứu của mình sẽ là một phần đóng góp nhỏ nhưng mang lại được những lợi ích nhất định cho cuộc sống

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Công nghệ nano và vật liệu nano [11]

1.1.1 Khái niệm về công nghệ nano và vật liệu nano

Trong khoảng vài thập niên gần đây, khoa học đã xuất hiện một dãy các

từ mới gắn liền với hậu tố “nano” như: cấu trúc nano, công nghệ nano, vật liệu nano, hoá học nano, vật lý nano, cơ học nano, công nghệ sinh học nano, hiệu ứng kích thước nano Người ta đã công bố hàng loạt các bài báo, các công trình khoa

học, các tạp chí và tổ chức nhiều hội nghị, hội thảo gắn liền với chủ đề công nghệ nano; xuất hiện nhiều trung tâm, viện nghiên cứu, tổ bộ môn, khoa, chuyên ngành về công nghệ nano và vật liệu nano Chữ “nano” gốc Hy Lạp, được gắn

vào trước các đơn vị đo để tạo ra đơn vị ước giảm đi 1 tỷ lần (10-9

) Ví dụ: nanogam = 1 phần tỷ gam, nanomet = 1 phần tỷ mét hay 1nm = 10-9 m

Khoa học nghiên cứu về hạt nano đã và đang được quan tâm do chúng có tính chất vật lý, hoá học và nhiều ứng dụng khác đặc biệt hơn so với khi nghiên

cứu về hạt micro

Công ngh ệ nano là tổ hợp các quá trình chế tạo ra vật liệu, các thiết bị

máy móc và các hệ kỹ thuật mà chức năng của chúng được xác định bởi cấu trúc nano, tức là các đơn vị cấu trúc có kích thước từ 1 đến 100 nm Công nghệ nano

xuất hiện trên cầu nối của một số ngành khoa học (hoá học, vật lý, cơ học, khoa

học vật liệu, sinh học và nhiều lĩnh vực khác của khoa học), ngày càng đi sâu vào nhiều lĩnh vực hiện đại của khoa học - kỹ thuật và thông qua chúng, nó đi vào đời

sống của chúng ta

V ật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano

mét Thông thường vật liệu nano được phân ra thành nhiều loại, phụ thuộc vào

trạng thái, cấu trúc của vật liệu và kích thước của chúng v.v…

- Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái:

rắn, lỏng và khí Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật

liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí

- Về cấu trúc vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: (hình 1)

+ Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử)

Ví d ụ: các hạt nano từ tính sắt oxit (magnetite Fe3O4, maghemite α-Fe2O3)

có thể phá hủy các tế bào ung thư nhờ tác động của từ trường

+ Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù)

Ví d ụ: Silicat lớp (phyllosilicat) được kết hợp với các polime để tạo

nanocomposite có các tính chất chịu nhiệt, chống cháy, chịu mài mòn, biến đổi các tính chất điện, quang phụ thuộc vào dạng polime được sử dụng

+ Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do

Ví d ụ: Ống nano cacbon được triển khai trong các hệ thống cơ điện nano,

bao gồm các thành phần bộ nhớ cơ học, motor điện cỡ nano

+ Vật liệu nano ba chiều là vật liệu dạng khối được cấu tạo từ các hạt nano tinh thể Vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một

phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều,

một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau

Hình 1 Phân lo ại theo cấu trúc vật liệu nano

1.1.2 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano oxit

Hiện nay có rất nhiều phương pháp để tổng hợp hạt nano từ, có thể chia thành 3 phương pháp cơ bản:

- Phương pháp Vật lý: nghiền bi, bốc bay nhiệt trong lò ủ, thủy nhiệt, bốc bay nhiệt trong chân không, phản ứng pha rắn, nguội nhanh…

- Phương pháp Hóa học: đồng kết tủa, vi nhũ tương, sol-gel, hóa siêu âm…

- Phương pháp Hóa lý: ngưng tụ, điện hóa, điện hóa siêu âm, phản ứng trong ống thép ở nhiệt độ cao…

Như ta đã thấy các phương pháp tổng hợp vật liệu từ nano rất đa dạng, trong phạm vi bài khóa luận của mình, tôi chỉ trình bày một số phương pháp phổ

biến:

1.1.2.1 Phương pháp nghiền bi

Phương pháp nghiền bi là kỹ thuật dựa trên việc nghiền các vật liệu nhờ sự

va đập của các bi thép không gỉ với vật liệu khi được đặt vào buồng kín được quay li tâm với tốc độ rất cao (có thể đạt 650 vòng/ phút đến vài ngàn vòng/ phút) Buồng chứa vật liệu được bao kín Quá trình hợp kim hóa được diễn ra

nhờ sự va đập và nhào trộn khi buồng được quay với tốc độ cao Nhờ quá trình này, vật liệu khối được nghiền nhỏ tới kích thước nano

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, hạt từ có thể phân tán như mong muốn, có thể sử dụng vật liệu từ khác (magie, coban, niken, sắt) với nhiều bazơ khác và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn Việc thay đổi chất hoạt hóa bề mặt và dung môi không ảnh hưởng nhiều tới quá trình chế tạo

Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nano không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt nano Hạt chế tạo theo phương pháp này thường được dùng cho các ứng dụng vật lý

1.1.2.2 Phương pháp âm hóa học

Phương pháp này liên quan đến quá trình tạo bọt trong chất lỏng Sự tạo

bọt được mô tả như sự hình thành, phát triển và vỡ tan của các bọt dưới một áp

suất và nhiệt cao trong một khoảng thời gian rất ngắn để tạo ra các hạt nano

Nhược điểm của phương pháp này là sản phẩm tạo ra thường bị kết tụ lại gây khó khăn trong việc xác định được các đặc tính của hạt và khó kiểm soát được kích thước theo ý muốn

1.1.2.3 Phương pháp sol-gel

Từ Sol là từ đầu của danh từ “solution”, còn từ Gel là từ đầu của

“gelation” Sử dụng phương pháp Sol-gel ta có thể chế tạo ra các hợp chất ở dạng

khối, siêu mịn, màng mỏng và sợi Một cách đơn giản nhất, phương pháp này được mô tả với hai loại phản ứng cơ bản là phản ứng thủy phân và polime hóa ngưng tụ Hạt được tạo thành tồn tại ở dạng gel

Phương pháp sol-gel đã được biết đến từ rất lâu và được ứng dụng khá

rộng rãi vì phương pháp này có thể tạo ra những vật liệu có kích thước hạt rất

nhỏ, vật liệu nano

Phương pháp sol-gel được thực hiện theo quy trình sau:

Quá trình tạo sol bao gồm sự hòa tan các ion kim loại hoặc các oxit kim

loại kiềm, các muối kim loại hữu cơ trong dung môi rượu hoặc các muối kim loại

vô cơ trong dung môi nước tạo thành thể huyền phù, sol sẽ hình thành khi các huyền phù trở nên chất keo lỏng Sol sau đó chuyển đổi thành gel thông qua sự ngưng tụ Gel sấy khô sẽ chuyển thành Xerogel, nhằm tách nước và nhiệt phân các chất hữu cơ Giai đoạn tiếp theo là nung xerogel để tạo thành tinh thể bột

Ưu điểm của phương pháp này là có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, có khả năng thích ứng với nhiều điều kiện phản ứng, tạo ra các hạt có kích thước tương đối đều, đồng nhất, nhỏ, mịn… Tuy nhiên, phương pháp này còn tồn

tại nhiều hạn chế: do sự khác biệt về tốc độ thủy phân của các chất ban đầu có thể

dẫn đến tính không đồng nhất hóa học, có thể tồn tại các pha tinh thể không mong muốn

1.1.2.4 Phương pháp vi nhũ tương

Vi nhũ tương cũng là một phương pháp khá phổ biến để tạo hạt nano Vi nhũ tương là sự phân tán của chất lỏng trong một chất lỏng ổn định khác bằng màng phân cách của các hoạt tính bề mặt Vi nhũ tương là một chất lỏng không màu, đẳng hướng và ổn định về mặt động lực học Vi nhũ tương được chia làm hai loại: vi nhũ tương nước trong dầu hay dầu trong nước

Trong phương pháp này, các hạt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử

hoạt hóa bề mặt phân tán trong môi trường dầu liên tục Các hốc hoạt hóa bề mặt

tạo ra sự giới hạn về không gian, làm cho sự hình thành và phát triền các hạt nano

bị hạn chế Do đó các hạt nano được tạo thành rất đồng nhất

Tuy nhiên, nồng độ các chất hoạt tính bề mặt đòi hỏi phải cao để tạo ra dung dịch phản ứng nano

1.1.2.5 Phương pháp ngưng tụ

• Phương pháp Cacbonyl

Phương pháp cacbonyl dựa vào sự phân rã của cacbonyl kim loại Cacbonyl kim loại được đặt trong bình chứa, được pha loãng với khí trơ (Nitơ, Argon) và được đun nóng đến nhiệt độ khoảng 2500C Khi đó quá trình rã ngưng

tụ diễn ra và nguyên tử kim loại hình thành nên hạt từ Hạt từ thu được có kích thước từ 2 đến 30 nm phụ thuộc vào nhiệt độ, tỉ số dung môi và chất hoạt động

bề mặt…

• Phương pháp ngưng tụ điện phân

Hạt từ được ngưng tụ điện phân từ dung dịch có nước của muối kim loại được phân tán trong chất lỏng với sự có mặt của chất kích hoạt bề mặt Quá trình được chạy trong buồng điện phân hai tầng với catot quay ở tầng thấp chứa dung

dịch chất điện phân, tầng trên là dung dịch chất kích hoạt bề mặt trong chất lỏng

Chất điện phân sau khi ngưng tụ vào đến bề mặt catot đang quay nhanh, hạt kim

loại rơi vào môi trường phân tán và được phủ bởi một lớp tạo bề mặt Kích thước

của hạt kim loại thu được phụ thuộc vào tốc độ quay catot, nhiệt độ điện phân…

• Phương pháp ngưng tụ chân không

Để chế tạo hạt từ mịn, người ta cho ngưng tụ hơi kim loại được đun nóng

tới nhiệt độ cao trong chân không Quá trình ngưng tụ diễn ra chủ yếu tại thành

của bình chứa luôn được giữ trong chân không, sẽ hình thành nên hạt keo từ Phương pháp này có thể thu được hạt có kích thước rất nhỏ

NH4OH, … để tạo kết tủa Sản phẩm kết tủa được lọc rửa sạch bằng nước cất và được làm khô ở nhiệt độ 600

C trong chân không Các hạt được tổng hợp có kích thước từ vài nanomét đến vài chục nanomét Kích thước hạt có thể được kiểm soát thông qua nhiều yếu tố như tỉ lệ vật liệu ban đầu, trạng thái oxy hóa, độ pH dung dịch …

Mặc dù đồng kết tủa là phương pháp đơn giản nhưng khi các hạt nano hình thành chúng kết tụ rất mạnh do nhiều yếu tố như diện tích tiếp xúc trực tiếp nhau tăng, ảnh hưởng của lực trọng trường, môi trường lưu giữ hạt dễ bị oxy hóa… và gây ra sự xen lẫn nhiều pha khác nhau Các hạt kết tụ này làm hạn chế

khả ăng ứng dụng tiếp theo, do đó đòi hỏi phải có sự biến đổi bề mặt

Phương pháp này có những ưu điểm khá quan trọng: chế tạo đơn giản,

phản ứng xảy ra nhanh, có thể tạo ra hạt nano với độ đồng nhất, độ phân tán khá cao Nhưng phương pháp này có nhược điểm là độ từ hóa thấp, các hạt nano sau khi hình thành sẽ kết tụ mạnh Tuy nhiên, còn tùy thuộc vào những ứng dụng cụ

thể, những nhược điểm này thì không đáng kể so với những thuận lợi mà phương pháp mang lại Vì thế, nó được sử dụng khá phổ biến

1.1.3 Ứng dụng của vật liệu nano

- Dược học, thuốc chữa bệnh: Có khả năng chế tạo các phân tử sinh học mà

chuyển dược phẩm trong tế bào Điều này có thể giải phóng các hạt nano hoặc hóa chất chống ung thư đáp lại tín hiệu nguy hiểm từ tế bào bệnh’’

- G ắn DNA và chip DNA : Xét nghiệm kim loại xác định DNA có thể thực

hiện bằng lớp phủ hạt nano vàng với chuỗi sợi DNA Khi các hạt này được ghép vào DNA sẽ xảy ra liên kết (sự lai tạo) Quá trình này sẽ làm cho keo vàng kết tụ,

và kết quả là diễn ra sự thay đổi màu trên thân chip

- Lưu trữ thông tin: Các hạt màu siêu mịn thường tạo ra chất lượng cao hơn

về màu sắc, độ bao phủ và chất bền màu Trên thực tế, các hạt nano thường được ứng dụng trong audio, băng video và đĩa hiện đại, chúng phụ thuộc vào tính chất quang và tính chất từ của hạt mịn Với các tiến bộ kĩ thuật, càng ngày con người càng chế tạo các loại vật liệu lưu trữ thông tin có dung lượng lớn nhưng kích thước ngày càng nhỏ gọn

- Máy tính hóa h ọc/quang học: Các mạng hai hay ba chiều có trật tự của

kim loại hoặc nano bán dẫn có tính chất từ và quang riêng biệt Các vật liệu này

hứa hẹn có nhiều ứng dụng trong công nghiệp điện tử, bao gồm cả máy tính quang học

- G ốm và các chất cách điện cải tính: Việc nén các hạt gốm kích thước

nano tạo ra các vật rắn mềm dẻo, dường như là do vô số ranh giới hạt tồn tại Sau khi phát triển thêm các phương pháp nén, các vật không xốp, độ đặc cao sẽ được điều chế Những vật liệu mới này có thể được sử dụng như chất thay thế cho kim

loại trong rất nhiều ứng dụng

- Kim lo ại cứng hơn: Kim loại nano khi nén vào trong vật rắn sẽ có bề mặt

đáng chú ý, có độ cứng của kim loại vi tinh thể thông thường

- Pin m ặt trời: Hạt nano bán dẫn, có kích thước điều chỉnh được, có tiềm

năng đối với pin mặt trời với hiệu suất cao hơn

- Ch ất xúc tác: Tầm quan trọng của vật liệu cấu trúc nano là sự xúc tác

không đồng nhất phụ thuộc vào các hạt nano của kim loại và nghiên cứu về tác động của kích thước hạt Đây là lĩnh vực đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm

của các nhà khoa học

- Công ngh ệ sản xuất sơn: Người ta đã chứng minh được rằng sơn được

thêm chất phụ gia bằng các hạt nano hấp phụ ánh sáng, ví dụ như TiO2 thì sơn sẽ

tự lau sạch Cơ chế khiến điều này xảy ra liên quan đến oxy hóa quang chất gây

bẩn bằng TiO2 trong nước Vật liệu hữu cơ béo mà bám chặt vào bề mặt sơn có

thể bị oxy hóa bằng cặp lỗ điện tử tạo thành khi nano TiO2 hấp thụ ánh sáng mặt

trời Vì vậy, vật liệu hữu cơ bị loại khỏi lớp màng sơn

- Các ch ất xúc tác bảo vệ môi trường: Việc sử dụng vật liệu nano với thành

phần là các kim loại đất hiếm cho phép điều chế các lớp xúc tác hoạt tính mỏng hơn, nhờ đó tiết kiệm được kim loại quý Các vật liệu nano này cũng giúp ích trong việc điều chế các huyền phù có độ đặc cao, rất bền, nhờ đó giảm số bước

phủ và giảm mất mát nguyên liệu do sự phân tán kết bông khi sản xuất các lớp xúc tác

- Nâng cao an ninh qu ốc phòng: Công nghệ nano đóng vai trò quan trọng

trong việc chế tạo trang thiết bị quân sự cho quốc phòng Các loại vật liệu hấp

phụ, phá hủy các tác nhân sinh học và hóa học đã được chứng minh là khá hiệu

quả và cho phép đối phó nhanh với một số vấn đề hậu cần

- Ngoài ra, các nhà khoa học đã tìm cách đưa công nghệ nano vào việc giải quyết các vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng

* Tính h ấp phụ ion kim loại nặng của vật liệu nano

Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị

hấp phụ Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ

là hấp thụ vật lý và hấp phụ hóa học

+ Hấp phụ trong môi trường nước

Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phức tạp hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất là ba thành phần gây tương tác: nước, chất

hấp phụ và chất bị hấp phụ Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất

hấp phụ Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó Tính chọn

lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong nước, tính ưa hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của các chất bị hấp

phụ trong môi trường nước

Trong nước, các ion kim loại bị bao bọc bởi một lớp vỏ các phân tử nước

tạo nên các ion bị hidrat hoá Bán kính (độ lớn) của lớp vỏ hidrat ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ do lớp vỏ hidrat là yếu tố cản trở tương tác tĩnh điện Với các ion cùng điện tích thì ion có kích thước lớn sẽ hấp phụ tốt hơn

do có độ phân cực lớn hơn và lớp vỏ hidrat nhỏ hơn Với các ion có điện tích

khác nhau, khả năng hấp phụ của các ion có điện tích cao tốt hơn nhiều so với ion

+ Nguyên lí hoạt động của thiết bị lọc ứng dụng vật liệu nano

Nhờ tồn tại với kích thước nano nên các vật liệu có độ rỗng xốp, diện tích

bề mặt, điện tích hấp phụ vô cùng lớn có khả năng tăng lực hấp phụ lôi kéo các

hạt vật chất ô nhiễm bám dính trên các lỗ mao quản của vật liệu hấp phụ

Nước được đưa vào ống dẫn nước của máy lọc, sau đó nước được đẩy vào phía trong lõi lọc nano theo chiều hướng đi từ dưới lên, phía trên của lõi lọc nano

có nhiều khe hở để dòng nước sau xử lý chảy tràn qua không gian giữa thân máy

và lõi nano Nước sạch chảy vào lỗ thu nước ra và theo vòi ra để có thể sử dụng

Hoạt động của thiết bị khá đơn giản và tiện sử dụng để có thể lắp đặt vào các vị trí khác nhau

Hình 2 Thi ết bị lọc ứng dụng công nghệ nano

1.2 Tổng quan tính chất các nguyên tố [18]

1.2.1 NIKEN

1.2.1.1 Niken

Hình 3 Kim lo ại Niken

Ký hiệu nguyên tố, số thứ tự Ni, 28

Cấu hình electron hóa trị [Ar]3d84s2Bán kính nguyên tử (A0

) 1,24 Nhiệt nóng chảy (0C) 1455 Nhiệt độ sôi (0

C) 2913 Nhiệt lượng nóng chảy(kJ.mol-1

) 17,48 Nhiệt lượng bay hơi (kJ.mol-1) 377,5

Độ cứng (thang Moxơ) 4

Trạng thái tự nhiên Hình 3

Niken là một kim loại màu trắng bạc, bề mặt bóng láng Niken nằm trong nhóm sắt từ Đặc tính cơ học: cứng, dễ dát mỏng và dễ uốn, dễ kéo sợi Trong tự nhiên, niken xuất hiện ở dạng hợp chất với lưu huỳnh trong khoáng millerit, với asen trong khoáng niccolit, và với asen cùng lưu huỳnh trong quặng niken

Niken là một trong năm nguyên tố sắt từ Khoảng 65% khối lượng niken được tiêu thụ ở phương Tây dùng làm thép không rỉ 12% còn lại được dùng làm

"siêu hợp kim", 23% còn lại được dùng trong luyện thép, pin sạc, chất xúc tác,

vật liệu từ mềm và các hóa chất khác, đúc tiền, sản phẩm đúc và bảng kim loại

Niken có rất nhiều ứng dụng quan trọng như: làm thép không gỉ và hợp kim chống ăn mòn, nam châm, vật liệu từ mềm, chất xúc tác cho quá trình hidro hóa

1.2.1.2 Niken (II) oxit

Hình 4 Tinh th ể niken (II) oxit

- Màu sắc: xanh lá cây

- Dạng tinh thể rắn (hình 4)

- Điểm nóng chảy: 1960 ° C

Niken (II) oxit có nhiều ứng dụng trong thực tiễn: sử dụng trong ngành công nghiệp gốm sứ, sản xuất hợp kim thép niken, sản xuất pin sạc, làm xúc tác linh hoạt

1.2.2 SẮT

1.2.2.1 S ắt

chất

Sắt có 4 dạng thù hình bền ở những khoảng nhiệt độ xác định:

α - Fe β - Fe γ - Fe δ -Fe Fe lỏng

Những dạng α và β có cấu trúc tinh thể kiểu lập phương tâm khối nhưng

cấu trúc electron khác nhau nên α-Fe có tính sắt từ và β-Fe có tính thuận từ, α-Fe khác với β-Fe là không hòa tan cacbon, γ-Fe có cấu trúc lập phương tâm diện và

có tính thuận từ, δ- Fe có cấu trúc lập phương tâm khối như α-Fe nhưng tồn tại đến nhiệt độ nóng chảy

Sắt là kim loại được tách ra từ các mỏ quặng sắt và rất khó tìm thấy nó ở

dạng tự do Để thu được sắt tự do, các tạp chất phải được loại bỏ bằng phương pháp khử hóa học Ứng dụng của sắt là dùng để sản xuất gang và thép

C) 1538 Nhiệt độ sôi (0

C) 2862 Nhiệt lượng nóng chảy (kJ.mol-1

) 13.81 Nhiệt lượng bay hơi (kJ.mol-1

) 340

Độ cứng (thang Moxơ) 4

Trạng thái tự nhiên Hình 5

Hình 6 C ấu trúc của

ε-Fe 2 O 3

Chất bột không tan trong nước, có màu nâu đỏ, có các dạng đa hình

giống nhôm oxit: α- Fe2O3 là tinh thể lục phương giống với corudum và tồn tại trong thiên nhiên dưới dạng khoáng vật hematite, γ- Fe2O3 là tinh thể lập phương

giống với γ-Al2O3, ngoài ra còn có β-Fe2O3, ε -Fe2O3 Dạng α có tính thuận từ còn dạng γ có tính sắt từ

α-Fe2O3 được nghiên cứu và tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng quặng hematite Hematite có dạng hình thoi ở trung tâm và có cấu trúc lục giác giống như hình dạng của những viên corodum (α-Al2O3) trong mạng lưới oxi trong đó ion sắt (III) chiếm 2/3 thể tích bát diện

Hematite là một trong những sản

phẩm cuối cùng của sự biến đổi nhiệt của các

hợp chất sắt (II) và sắt (III) Ngoài phương pháp xử lý nhiệt thì một loạt các phương pháp khác để tổng hợp hematite đã được biết đến

chẳng hạn như phương pháp ướt Hematite được điều chế bằng cách thuỷ phân muối sắt trong môi trường axít mạnh (pH=1÷2), ở nhiệt

độ (100°C)

β-Fe2O3 có từ tính không ổn định là

một điểm riêng để phân biệt nó với các dạng α,

γ, ε, β-Fe2O3 siêu bền với nhiệt và được chuyển đổi thành hematite ở nhiệt độ khoảng 500°C

γ-Fe2O3 tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng maghemite γ-Fe2O3không bền với nhiệt và được chuyển thành hematite ở nhiệt độ cao hơn Nhiệt độ

và cơ chế của sự thay đổi cấu trúc phụ thuộc vào điều kiện thí nghiệm và đặc biệt

là kích thước của các hạt maghemite Trong trường hợp cấu trúc hạt bé thì ε

-Fe2O3 là chất trung gian trong sự chuyển đổi cấu trúc từ γ-Fe2O3  →α-Fe2O3,

cơ chế chuyển đổi thành hematite phụ thuộc nhiều vào mức độ các hạt tích tụ

γ-Fe2O3 (maghemite) đã thu hút được nhiều sự nghiên cứu do nó có tính từ và được

sử dụng làm chất xúc tác

ε -Fe2O3 có thể được xem là chất mới nhất trong hợp chất sắt (III) oxit,

cấu trúc của nó được biết đến vào năm 1988 bởi Tronc et al.ε-Fe2O3 có hình dạng

trực thoi với 8 tế bào đơn vị ( Hình 6)

ε-Fe2O3 được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel hoặc đun nóng dung

dịch kali ferricyanide với hypochlorite natri và kali hydroxit, sau đó nung kết tủa

ở 400°C Nhiệt độ chuyển dạng thù hình từ ε-Fe2O3→α-Fe2O3 nằm trong khoảng từ 500°C ÷ 750°C Kích thước của các hạt ε -Fe2O3 điều chế theo những phương pháp khác nhau là khoảng 30÷80nm

Fe2O3 được hình thành trong quá trình nhiệt phân của FeO(OH) ở 170°C trong chân không Năm 1975 Howe và Gallagher đã biết được cơ chế mất nước

và cấu trúc của oxit sắt Họ thấy rằng các oxit có cấu trúc khuyết tật đều có tất cả các đặc tính của các hợp chất ban đầu Bốn mô hình phân phối các anion chỗ

trống trong mạng tinh thể oxit đã được đưa ra Sắt oxit có cấu trúc dạng ống thì được giữ lại trong quá trình mất nước, ion sắt (III) có số phối trí là 4

* Ứng dụng

- Sắt (III) oxit không chỉ là một vật liệu dùng trong chiến lược công nghiệp

mà nó còn là một hợp chất được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu tính đa hình và sự thay đổi hình dạng trong các hạt nano Bốn loại thù hình của Fe2O3 có kích thước nano đã được tổng hợp và nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây

- Các màu sắc tự nhiên cũng như tổng hợp được của Fe2O3 như màu đỏ, nâu và đen thì được sử dụng trong ngành sản xuất sơn, phụ gia và trong sản xuất kính màu Sắt (III) oxit còn được sử dụng làm chất xúc tác của nhiều phản ứng quan trọng của ngành công nghiệp sản xuất hoá chất, nó là chất xúc tác của phản ứng khử ethylbenzen để sản xuất styren Chúng được chứng minh là chất xúc tác

có hiệu quả trong quá trình ôxi hoá các hydrocacbon polyaromatic, xúc tác đốt nhiên liệu, than hoá lỏng và pha hơi trong quá trình oxi hoá của axit benzoic

- Fe2O3 cũng là nguyên liệu đầu vào để sản xuất ferrite Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong công nghệ sản xuất gốm sứ, nam châm vĩnh cửu, trong kỹ thuật lưu trữ phương tiện truyền thông

- Oxit sắt là thành phần quan trọng nhất của một số quặng dùng để sản xuất

sắt và thép Mặt khác khi nhiệt độ cao, sự ăn mòn sắt thép cũng liên quan đến

một số giai đoạn trong việc hình thành oxit sắt Chúng luôn được hình thành trên

bề mặt của sắt thép và đôi khi nó cũng là nguyên nhân gây ra những vấn đề nghiêm trọng trong quy trình chế tạo Các oxit sắt cũng có thể được kết hợp xen vào hợp chất như là một chất bán dẫn để từ đó ta sẽ thấy được khả năng xúc tác

hiệu quả của oxit sắt

- Do các oxit sắt cứng nên chúng được sử dụng để làm tác nhân mài mòn và đánh bóng Hematite khi được nung nóng nhẹ được dùng làm để đánh bóng vàng

và bạc, trong khi đó hematite nung ở nhiệt độ cao hơn thì lại được dùng để đánh bóng những vật bằng đồng và thép Fe2O3 đã được sử dụng như lớp phủ mật độ cao cho đường ống dẫn dầu bằng bê tông dưới đáy biển để mang dầu và khí đốt vào bờ Lớp sơn phủ này nhằm ổn định các đường ống dẫn dầu dưới đáy biển và

bảo vệ đường ống chống lại những tác hại vật lý ở những vùng nước nông

- Tính điện từ và khả năng quang học của các hạt nano siêu thuận từ có tầm quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp ứng dụng bao gồm cả việc phát triển

mới các thiết bị điện và thiết bị quang học Lợi thế của việc sử dụng các hạt

Fe2O3 kích thước nano là do chúng có tính ổn định hoá học

1.2.2.3 S ắt (III) hidroxit

Được tạo ra do tác dụng của bazơ với muối sắt (III) Sản phẩm có màu đỏ

gỉ, màu nâu đỏ hay màu ánh tím, được sử dụng làm bột màu Ngoài ra nó được sử

dụng ở trạng thái tinh khiết để làm thuốc giải độc asen

Fe(OH)3 không tan trong nước và có tính lưỡng tính: tan dễ trong dung

dịch axit và tan được trong dung dịch kiềm đặc nóng hoặc Na2CO3 hay K2CO3nóng chảy

Các kết tủa hydroxit được biết là có hệ số lọc thấp và do đó khó rửa các ion tự do của tạp chất Các đặc điểm của kết tủa hydroxit phụ thuộc chủ yếu vào

pH và nhiệt độ tạo thành kết tủa

1.3 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất của bột nano [3]

1.3.1 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) và khối lượng nhiệt (TGA)

Phân tích nhiệt vi sai (DTA) là phương pháp phân tích nhiệt trong đó mẫu

và chất tham khảo được nung đồng thời trong lò Chất tham khảo không bị biến đổi trong khoảng nhiệt độ đang khảo sát nên nhiệt độ của nó biến thiên tuyến tính

với nhiệt độ của lò Các phản ứng xảy ra trong mẫu luôn kèm theo sự thu nhiệt hay

toả nhiệt nên sẽ làm nhiệt độ của mẫu thay đổi không tuyến tính với nhiệt độ của

lò

Phân tích nhiệt thường được tiến hành trong môi trường khí trơ thường là Nitơ Lượng nhiệt được hấp thụ (thu nhiệt) hay giải phóng (tỏa nhiệt) khi trong

mẫu có những thay đổi lý hoá nhất định

Kết quả đo DTA phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Các yếu tố phụ thuộc thiết bị như hình dáng và kích thước lò, khí quyển của lò, vị trí cặp nhiệt, vật liệu làm chén nung, tốc độ nung …

- Các yếu tố phụ thuộc mẫu và chất tham khảo như lượng, kích thước

hạt, độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số giãn nở nhiệt… của mẫu và chất tham

khảo

Đường cong DTA còn dùng để xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng được tính toán thông qua diện tích peak, ngoài ra phương pháp phân tích nhiệt vi sai còn dùng để xác định độ tinh khiết của mẫu

Phương pháp phân tích khối lượng nhiệt (TGA) là phương pháp khảo sát

sự thay đổi khối lượng của chất theo nhiệt độ khi chất được đặt trong lò nung có chương trình thay đổi nhiệt độ được kiểm soát một cách chặt chẽ Nhiệt độ nung

có thể lên đến 1600°C

Mẫu được nối với một cân nhiệt để cân mẫu liên tục trong quá trình nung

Để liên tục phát hiện sự thay đổi của mẫu trong quá trình nung, chén đựng mẫu

phải được nối kết với một cân nhiệt

Hình 7 Nhi ễu xạ tia X

Đường cong TG giúp ta có thể xác định được độ bền nhiệt của chất, các

phản ứng xảy ra trong quá trình phân hủy nhiệt của chất và đồng thời xác định được độ tinh khiết của chất

Trong bài khóa luận này, các quá trình hóa lý xảy ra khi nung mẫu được nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt TGA/DTA tại phòng thí nghiệm Hóa lý, khoa Hóa, trường Đại Học Sư Phạm 1 Hà Nội

1.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

Nguyên t ắc

Khi chiếu một chùm electron có năng lượng lớn vào bề mặt của đối

âm cực (anot), các electron ở bề mặt

của đối âm cực bị bứt ra và làm xuất

hiện lỗ trống Các electron ở mức năng lượng cao hơn nhảy về mức năng lượng thấp hơn để lấp đầy chỗ

trống đồng thời làm phát ra năng lượng thừa và năng lượng đó được

gọi là tia X (Hình 7)

Định luật Bragg

Giả sử có một chùm tia X đơn sắc đến gặp tinh thể và phản xạ trên các

mặt phẳng mạng

Để có sự giao thoa của sóng phản xạ, các sóng này phải cùng pha, nghĩa

là hiệu quang trình của chúng phải bằng một số nguyên lần bước sóng

Hiệu quang trình: ∆ = 2dsinθ (1)

Đối với nhiều góc tới θ giá trị ∆ không phải bằng một số nguyên lần bước sóng λ nên các tia X phản xạ có giao thoa giảm