tổng hợp và khảo sát khả năng hấp phụ ion cd2+của vật liệu nano y0 7sr0 3feo3

Các hạt ferrite nano do có từ tính mà chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật hiện đại như điện tử nano, công nghệ sản xuất điện thoại di động, máy tính, dụng cụ y tế,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA HÓA



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CỬ NHÂN HÓA HỌC CHUYÊN NGÀNH: HÓA VÔ CƠ

TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT KHẢ

SVTH: QUÃNG THỊ THANH THẢO

GVHD: TS NGUYỄN ANH TIẾN

TP Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2013

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC

LỜI CẢM ƠN



Qua bốn năm học tập và nghiên cứu khoa học tại Khoa Hóa – Trường Đại Học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh em đã được trau dồi cho mình một lượng kiến thức, đây là một hành trang để em vững bước trong tương lai Đặc biệt ở môi trường sư phạm càng giúp em hoàn thiện hơn Dưới sự dìu dắt của các thầy cô trong và ngoài Khoa mà qua mỗi năm em càng học hỏi thêm được nhiều kiến thức quý báu từ những môn đại cương cho đến những môn chuyên ngành Để rồi, khi làm Luận văn tốt nghiệp, em có thể tự tin hơn Vì thế, em xin gửi lời cảm

ơn sâu sắc đến những người mà em yêu quý và trân trọng nhất đã giúp đỡ cho em hoàn thành tốt bài Luận văn này

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Anh Tiến – người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt bài Luận văn

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài luận văn em cũng xin cảm

ơn toàn thể quý thầy cô Khoa Hóa – Trường Đại Học Sư Phạm đã nhiệt tình giúp

đỡ, hỗ trợ trong quá trình làm đề tài Cảm ơn ba mẹ, bạn bè, những người thân luôn kịp thời ủng hộ động viên và giúp đỡ em vượt qua mọi khó khăn

Do thời gian và khả năng còn hạn chế nên bài luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Em kính mong nhận được sự đóng góp và chỉ dẫn chân thành của thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

TP HCM, tháng 5 năm 2013

SVTH Quãng Thị Thanh Thảo

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU 6

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 9

1.1.CÔNG NGHỆ NANO 9

1.1.1 Khái niệm 9

1.1.2 Ứng dụng 12

1.1.3 Điều chế vật liệu nano oxit bằng phương pháp đồng kết tủa 15

1.2 VẬT LIỆU PEROVSKITE ABO3 16

1.2.1 ABO3 thuần 16

1.2.2 ABO3 biến tính 17

1.2.3 YFeO3 18

1.3.TỔNG QUAN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA Fe, Y, Sr, Cd VÀ CÁC HỢP CHẤT 18

1.3.1 Sắt 19

Sắt (III) oxit 20

Sắt (III) hydroxit 23

1.3.2 Yttri 24

Yttri oxit 25

1.3.3 Stronti 26

Stronti oxit 27

1.3.4 Cadmi 28

Khả năng gây độc của Cadmi 29

1.4.QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ 30

1.4.1 Hiện tượng hấp phụ 30

1.4.2 Hấp phụ trong môi trường nước 31

1.4.3 Động học hấp phụ 31

1.4.4 Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 32

1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

1.5.1 Phương pháp phân tích DTA/ TGA 32

1.5.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 33

1.5.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 34

1.5.4 Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDXS) 35

1.5.5 Phương pháp đo độ từ hóa 36

1.5.6 Phương pháp quang phổ hấp phụ nguyên tử 37

Phương pháp nguyên tử hóa bằng ngọn lửa 39

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40

2.1.HÓA CHẤT – THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ 40

2.2.TỔNG HỢP BỘT NANO Y0.7Sr0.3FeO3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA 40

2.3 KẾT QUẢ 42

2.3.1 Kết quả phân tích DTA/TGA của vật liệu Y0.7Sr0.3FeO3 42

2.3.2 Kết quả XRD của vật liệu Y0.7Sr0.3FeO3 43

2.3.3 Kết quả SEM của vật liệu Y0.7Sr0.3FeO3 46

2.3.4 Kết quả EDXS của vật liệu Y0.7Sr0.3FeO3 48

2.3.5 Từ tính của vật liệu Y0.7Sr0.3FeO3 48

2.3.6 Khả năng hấp phụ ion Cd2+của vật liệu Y0.7Sr0.3FeO3 50

2.3.6.1 Các điều kiện đo phổ hấp phụ nguyên tử và phát xạ ngọn lửa của Cd2+ 50

2.3.6.2 Dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion kim loại theo phương pháp

hấp thụ nguyên tử 50

2.3.6.3 Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của Y0.7Sr0.3FeO3 đối với Cd2+ 51

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN – ĐỀ XUẤT 53

3.1.Kết luận 53

3.2.Đề xuất 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Danh mục hình vẽ

Hình 1 Phân lo ại vật liệu nano theo kích thước 12

Hình 2 Điện thoại Morph 12

Hình 3 Mô hình tách tế bào bằng từ trường 13

Hình 4 Mô hình dẫn thuốc dùng hạt nano từ tính 14

Hình 5 Biểu đồ thử nghiệm đốt nhiệt từ trên thỏ 14

Hình 6 M áy lọc nước nano 15

Hình 7 (a) Cấu trúc lý tưởng perovskite ABO 3 , (b) Sự sắp xếp các bát diện trong cấu trúc lý tưởng 17

Hình 8 Tế bào đơn vị của YFeO 3 18

Hình 9 Kim loại sắt 19

Hình 10 Dạng bột và mạng không gian của sắt (III) oxit 21

Hình 11 Cấu trúc của ε-Fe 2 O 3 22

Hình 12 Kim loại yttrium 24

Hình 13 Y 2 O 3 d ạng bột 26

Hình 14 Ảnh TEM của Y 2 O 3 26

Hình 15 Kim loại strontium 27

Hình 16 Cấu trúc tinh thể SrO 28

Hình 17 Kim lo ại cadmi 29

Hình 18 Mô tả thí nghiệm 41

Hình 19 (a) Giản đồ phân tích TGA/DTG của mẫu bột điều chế bằng phương pháp 1,(b) Giản đồ phân tích DTG của mẫu bột điều chế bằng phương pháp 1 43

Hình 20 Giản đồ XRD của mẫu bột điều chế theo phương pháp 1, sau khi nung ở 650 o C trong 1 giờ 44

Hình 21 Giản đồ XRD của mẫu bột điều chế theo phương pháp 1, sau khi nung ở

750 o C trong 1 giờ 45

Hình 22 Phổ XRD của mẫu Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 tổng hợp theo 3 phương pháp trên sau khi nung ở 750°C (t = 1giờ) (a, b, c tương ứng với số thứ tự phương pháp điều chế) 46

Hình 23 Ảnh SEM của mẫu bột Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 điều chế bằng phương pháp 1 47

Hình 24 Ảnh SEM của mẫu bột Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 điều chế bằng phương pháp 2 48

Hình 25 Ảnh SEM của mẫu bột Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 điều chế bằng phương pháp 3 48

Hình 26 Phổ tán sắc năng lượng tia X của mẫu Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 điều chế bằng phương pháp 1 49

Hình 27 Đường cong từ trễ của vật liệu Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 được tổng hợp theo phương pháp 1 50

Hình 28 Đường chuẩn xác định nồng độ Cd 2+ 52

Hình 29 Ảnh hưởng của thời gian đến sự hấp phụ Cd 2+ 53

Hình 30 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ theo thời gian 53

Danh mục bảng Bảng 1 Một vài hằng số vật lý quan trọng của sắt 20

Bảng 2 Một vài hằng số vật lý quan trọng của yttrium 25

Bảng 3 Một vài hằng số vật lý quan trọng của oxit sronti 28

Bảng 4 Một vài hằng số vật lý quan trọng của cadmi 29

Bảng 5 Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của mẫu Y 0,7 Sr 0,3 FeO 3 điều chế theo phương pháp 1 47

Bảng 6 Thông số từ tính của vật liệu Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 được tổng hợp theo phương pháp 1 50

B ảng 7 Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Cd 2+ 52

Bảng 8 Ảnh hưởng của thời gian đến sự hấp phụ Cd 2+ 53

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển của khoa học và kĩ thuật trong vài thập niên trở lại đây, việc tổng hợp và nghiên cứu các tính chất của vật liệu nano đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước Điều này xảy ra là do vật liệu nano có tổ hợp các tính chất mới rất khác với các vật liệu khối thông thường cùng thành phần hoá học

Trong các oxit bán dẫn có kích thước hạt nhỏ thì ferrite và các kim loại đất hiếm chiếm một vị trí đặc biệt do thể hiện tính chất từ Các hạt ferrite nano do có từ tính mà chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật hiện đại như điện

tử nano, công nghệ sản xuất điện thoại di động, máy tính, dụng cụ y tế, chế tạo hợp kim chống ăn mòn, vật liệu chịu nhiệt làm lò phản ứng hạt nhân, vật liệu laze, chất siêu dẫn v.v

Các ferrite loại ABO3 với cấu trúc lệch perovskite (A là các kim loại đất hiếm

như La, Y; B là các kim loại chuyển tiếp họ d như Mn, Fe, Co, Ni) cũng đã được nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực xúc tác Phương pháp thông thường và dễ nhất để điều chế các ferrite ABO3 là nung các oxit, hydroxit, cacbonat hay nitrat của kim loại

tương ứng ở nhiệt độ cao Nhược điểm của phương pháp này là yêu cầu nhiệt độ cao (T > 1200oC) để thu được pha đơn tinh thể, dẫn đến các ferrite thu được có kích thước hạt lớn và không đồng nhất về hình dạng, diện tích bề mặt thấp do sự kết tụ giữa các hạt

Ngày nay, để điều chế vật liệu oxit phức hợp người ta thường sử dụng phương pháp sol- gel (trong trường hợp riêng, đồng kết tủa các cấu tử từ dung dịch lỏng), phương pháp này đảm bảo được tính đồng nhất hoá học và hoạt tính cao của vật liệu bột thu được

Thực nghiệm cho thấy rằng, khi thay thế một phần kim loại La hay Y trong ABO3 bằng các kim loại hoá trị II như Ca, Sr sẽ làm thay đổi cấu trúc mạng tinh thể perovskite, dẫn đến thay đổi các tính chất hoá lý của vật liệu được điều chế từ chúng

Vì thế, trong bài này tôi nghiên cứu tổng hợp vật liệu bột nano Y0.7Sr0.3FeO3bằng các phương pháp khác nhau, nghiên cứu một số đặc trưng cấu trúc, từ tính và khả năng hấp phụ ion Cd2+của chúng

họ là nhà bác học vì họ biết hầu hết các vấn đề của khoa học Đối tượng của khoa học lúc bấy giờ là các vật thể vĩ mô Cùng với thời gian, hiểu biết của con người càng tăng lên, và do đó, độ phức tạp cũng gia tăng, khoa học được phân ra theo các ngành khác nhau như toán học, vật lí, hóa học, sinh học, để nghiên cứu các vật thể ở cấp độ lớn hơn micro mét Sự phân chia đó đang kết thúc và khoa học một lần nữa lại tích hợp với nhau khi nghiên cứu các vật thể ở cấp độ nano mét Nếu ta gọi sự phân chia theo các ngành toán, lí, hóa, sinh là phân chia theo chiều dọc, thì việc phân chia thành các ngành khoa học nano, công nghệ nano, khoa học vật liệu mới, là phân chia theo chiều ngang Điều này có thể được thấy thông qua các tạp chí khoa học có liên quan

Ví dụ các tạp chí nổi tiếng về vật lí như Physical Review có số đầu tiên từ năm 1901, hoặc tạp chí hóa học Journal of the American Chemical Society có số đầu tiên từ năm

1879, đó là các tạp chí có mặt rất lâu truyền tải các nghiên cứu khoa học sôi nổi nhất trong thế kỷ trước Trong thời gian gần đây, người ta thấy xuất hiện một loạt các tạp chí không theo một ngành cụ thể nào mà tích hợp của rất nhiều ngành khác nhau như tạp chí uy tín Nano Letters có số đầu tiên từ năm 2001, tạp chí Nanotoday có số đầu tiên từ năm 2003 Chúng thể hiện xu hướng mới của khoa học đang phân chia lại theo chiều ngang tương tự như khoa học hàng ngàn năm về trước

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 nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu ở quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn Loại vật liệu này

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 nghệ 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 và kỹ thuật và thông qua chúng, nó đi vào đời sống của chúng ta

Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét

Các vật liệu với kích thước như vậy có những tính chất hóa học, nhiệt, điện, từ, quang, xúc tác rất đặc biệt, khác hẳn các vật liệu có kích thước lớn 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

Thông thường vật liệu nano được phân ra thành nhiều loại, phụ thuộc vào hình dạng, cấu trúc của vật liệu và kích thước của chúng v.v…

Về mặt cấu trúc thì vật liệu nano được phân ra thành 4 loại: vật liệu nano không chiều (0D), một chiều (1D), hai chiều (2D)

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

Ví dụ: các hạt nano từ tính sắt oxit (magnetite Fe3O4, maghemite a-Fe2O3) có thể phá hủy các tế bào ung thư nhờ tác động của từ trường

- Vật liệu nano một chiều là hạt có 1 chiều cỡ nm, hai chiều kia dài hơn, dạng tấm

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

nanocomposit 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 hạt có 2 chiều cỡ nm, chiều thứ ba dài hơn

Ví dụ: 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

Một cách sử dụng khác của ống nano cacbon là phương tiện vận chuyển gene

- Ngoài ra còn có 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

Mặc khác, người ta còn phân loại các dạng vật liệu nano vào lĩnh vực ứng dụng khác nhau của chúng:

- Vật liệu nano kim loại;

- Vật liệu nano bán dẫn;

- Vật liệu nano từ tính;

- Vật liệu nano sinh học

Quá trình tổng hợp các cấu trúc nano khác nhau như “hạt, thanh, dây, ống hay các cấu trúc nano kì dị”với sự đồng đều về kích thước, hình dạng và đơn pha đang được tập trung nghiên cứu Theo đó, nhiều hệ vật liệu nano mới với những mục đích ứng dụng khác nhau được tạo ra

Theo quan điểm của nhiều tác giả, “hạt nano” là một đối tượng nano không

chiều (0D) mà kích thước tất cả các chiều đều có một bậc đại lượng, về nguyên tắc, các hạt nano có dạng hình cầu Theo quan điểm về năng lượng, sự giảm kích thước hạt

sẽ làm tăng vai trò năng lượng bề mặt của hạt cấu trúc

Các tính chất đặc trưng của vật liệu như: hằng số điện môi, điểm nóng chảy, chiết suất cũng có thể bị thay đổi khi giảm kích thước xuống thang nano Ngoài ra còn nhiều tính chất đặc trưng khác của vật liệu như: hoạt tính và diện tích bề mặt; các tính chất nhiệt, điện, từ, quang học, cơ học, hóa học thậm chí cả sinh học… cũng bị thay

đổi khi giảm kích thước đến giá trị nanomet

Hình 1 Phân loại vật liệu nano theo kích thước

1.1.2 Ứng dụng

Trong ngành công nghiệp hiện nay, các tập đoàn sản xuất điện tử đã bắt đầu đưa công nghệ nano vào ứng dụng, như năm 2008, Trung tâm Nghiên cứu Nokia hợp tác với trường Đại học Cambridge (Anh) phát triển một thiết bị điện thoại sử dụng công nghệ nano gọi là Morph Morph là một thiết bị linh hoạt có khả năng thay đổi hình dạng tùy ý thích của người sử dụng

Hình 2 Điện thoại Morph

Hiện nay, con người đã chế tạo ra hạt nano có đặc tính sinh học và có tác động lên con người y hệt như kháng thể, tức là chúng có thể lập trình để truy diệt tế bào ung thư Các chất liệu từ công nghệ nano có thể hỗ trợ việc chẩn đoán bệnh tật hay khảo sát cơ thể, bằng cách gắn những chuỗi DNA vào những hạt nano có khả năng cảm thụ đặc tính sinh học của tế bào và gửi tín hiệu ra bên ngoài Y tế nano ngày nay đang

nhắm vào các bệnh do di truyền có nguyên nhân từ gen như: HIV/AIDS, ung thư, tim mạch, các bệnh đang lan rộng hiện nay như béo phì, tiểu đường, liệt rung (Parkison), mất trí nhớ (Alzheimer), rõ ràng y học là lĩnh vực được lợi nhiều nhất từ công nghệ này Trong phẫu thuật thẩm mỹ, đang hình thành ngành Cosmetic Nano Surgery (tạm dịch Nano phẫu thuật thẩm mỹ) Các ứng dụng công nghệ nano đang phát triển trong

vi phẫu thuật thẩm mỹ để bóc mỡ thừa, căng da, xóa nếp nhăn, đổi màu tóc Các loại kem bôi da chứa hạt nano giúp thay đổi màu da hay ngăn chặn tia tử ngoại dễ gây ung thư da

Ngoài ra, các nhà khoa học còn sử dụng công nghệ nano để giảm các vấn đề

nan giải về nước, là giải quyết các khó khăn về kỹ thuật để xử lý các chất ô nhiễm

trong nước, bao gồm vi khuẩn, virút, asen, thủy ngân, thuốc bảo vệ thực vật và muối

Nhiều nhà nghiên cứu và kỹ sư khẳng định, công nghệ nano đảm bảo các giải pháp hiệu quả và bền vững hơn vì sử dụng các hạt nano để xử lý nước ít gây ô nhiễm hơn so với các phương pháp truyền thống và đòi hỏi ít nhân công, vốn, đất đai và năng lượng

Hình 4 Mô hình dẫn thuốc dùng

hạt nano từ tính

Hình 3 Mô hình tách tế bào bằng từ

trường

 Ứng dụng từ tính của hạt nano trong y sinh học

- Phân tách và chọn lọc tế bào: Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải

tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng

độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thể sinh học cần nghiên cứu và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường

Việc đánh dấu được thực hiện thông qua

các hạt nano từ tính Các hạt này được bao

phủ bởi một loại hóa chất có tính tương

hợp sinh học như là dextran, polyvinyl

alcohol (PVA) Hóa chất bao phủ không

những có thể tạo liên kết với một vị trí

nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà

còn giúp cho các hạt nano phân tán tốt

trong dung môi, tăng tính ổn định của chất

lỏng từ Đây là cách rất hiệu quả và chính

xác để đánh dấu tế bào Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài Phân tách tế bào sử dụng các hạt nano từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng Hình 3 là nguyên tắc tách tế bào bằng từ trường trong đó (a) một nam châm được đặt ở bên ngoài để hút các tế bào đã được đánh dấu và loại bỏ các tế bào không được đánh dấu và (b) nam châm có thể đặt vào một dòng chảy có chứa tế bào cần tách

- Dẫn truyền thuốc: Một trong những

nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu

đó là tính không đặc hiệu Khi vào trong cơ

thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập

trung nên các tế bào mạnh khỏe bị ảnh

Hình 5 Biểu đồ thử nghiệm đốt

nhiệt từ trên thỏ

hưởng do tác dụng phụ của thuốc Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm 1970 Những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính Có hai lợi ích cơ bản là: (i) thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc; và (ii) giảm lượng thuốc điều trị Hạt nano từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị Lúc này hạt nano có tác dụng như một hạt mang Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể Hình 4 là nguyên lí dẫn thuốc dùng hạt nano từ tính Một thanh nam châm bên ngoài rất mạnh tạo ra một gradient từ trường kéo các hạt nano từ tính gắn với thuốc đến vị trí mong muốn Ở đó quá trình nhả thuốc diễn ra làm cho hiệu quả sử dụng thuốc được tăng lên nhiều lần

- Đốt nhiệt từ: Phương pháp đốt các tế bào ung thư bằng từ trường ngoài mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạt nano từ tính Một trong những nghiên cứu đầu tiên về đốt nhiệt từ xuất hiện từ năm 1957 Nguyên tắc hoạt động là các hạt nano từ tính có kích thước từ 20 -

100 nm được phân tán trong các mô mong muốn sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều với tần số 1,2 MHz bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nano hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh Nhiệt độ khoảng

42°C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư trong khi các tế bào thường vẫn an toàn Hình 5, người ta nghiên cứu thử nghiệm đốt nhiệt từ trên thỏ cho thấy nhiệt độ bên ngoài và bên trong u bướu (hai đường trên cùng) cao hơn nhiều

so với nhiệt độ của những vùng xung quanh (những đường dưới)

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

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

Hình 6 M áy lọc nước 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 nhờ đó mà 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

1.1.3 Điều chế vật liệu nano oxit bằng phương pháp đồng kết tủa

Người ta thực hiện khuếch tán các chất tham gia phản ứng ở mức độ phân tử (precursor phân tử )

Hỗn hợp ban đầu được gọi là precursor có tỷ lệ các ion kim loại đúng theo hợp thức của hợp chất mà ta cần tổng hợp, chuẩn bị hỗn hợp dung dịch chứa các muối tan rồi thực hiện phản ứng đồng kết tủa (dưới dạng hydroxit, cacbonat, oxalate…)

Cuối cùng tiến hành nhiệt phân sản phẩm rắn đồng kết tủa đó

 Ưu điểm :

- Chế tạo được vật liệu có kích thước cỡ nanomet

- Phản ứng có thể tiến hành trong điều kiện nhiệt độ phòng, do đó tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu quá trình mất mát do bay hơi, ít ô nhiễm môi trường

- Sản phẩm thu được trong mỗi lần chế tạo khá nhiều

- Trong phương pháp đồng kết tủa, các chất muốn khuếch tán sang nhau chỉ cần vượt quãng đường từ 10 đến 50 lần kích thước ô mạng cơ sở

 Nhược điểm:

- Phản ứng tạo kết tủa phụ thuộc vào tích số tan, khả năng tạo phức giữa ion kim

loại và ion tạo kết tủa, lực ion, độ pH của dung dịch

- Tính đồng nhất hóa học của oxit phức hợp tùy thuộc vào tính đồng nhất của kết

Hình 7 (a) Cấu trúc lý tưởng perovskite ABO 3

(b) Sự sắp xếp các bát diện trong cấu trúc lý tưởng

Ở đây cation A nằm tại các mặt của hình lập phương, còn cation B có bán kính nhỏ hơn nằm tại tâm của hình lập phương Cation B được bao quanh bởi 8 cation A và

6 anion O2-, còn quanh mỗi vị trí A có 12 anion O2- như ở hình 7a, cấu trúc tinh thể của hợp chất perovskite còn có thể mô tả dưới dạng sắp xếp các bát diện BO6 như hình

7 b, với cation B nằm ở hốc của bát diện BO6, còn các anion O2- nằm ở đỉnh của bát diện BO6 Từ hình 7b, các góc B-O-B bằng 1800 và độ dài liên kết B-O bằng nhau theo mọi phương Bát diện FeO6 này ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất điện và tính chất từ của vật liệu

có thể là Mn, Co; B' có thể là Fe, Ni, Y… Sau đây là ví dụ một số mẫu đã được nghiên cứu chế tạo: LaFe1-xNixO3, LaNi1-xCoxO3, LaCo1-xFexO3, La1-xSrxFeO3, La1-

Các perovskite ABO3 bị biến tính khi được pha tạp thay thế sẽ tạo ra trạng thái hỗn hợp hóa trị và sai lệch cấu trúc làm cho hợp chất nền trở thành vật liệu có nhiều hiệu ứng lý thú như: hiệu ứng nhiệt điện, hiệu ứng từ trở khổng lồ, hiệu ứng từ nhiệt…

Sự sai lệch cấu trúc tinh thể được đánh giá thông qua thừa số dung hạn t do Goldchmit đưa ra:

Với RA, RB, RO lần lượt là bán kính của các ion A2+

(A3+), B4+(B3+) và O2- Cấu trúc perovskite được coi là ổn định khi 0.8 < t < 1 Điều đó kéo theo các cation phải có kích thước giới hạn: RA > 0.9 và RB > 0.5 Khi t = 1, ta có cấu trúc perovskite là hình lập phương Khi t ≠ 1, mạng tinh thể bị méo, góc liên kết B-O-B không còn là 1800

nữa mà bị bẻ cong và độ dài liên kết B-O theo các phương khác nhau sẽ khác nhau,

cấu trúc tinh thể bị thay đổi Điều này dẫn tới thay đổi các tính chất điện và từ của vật liệu

1.2.3 YFeO3

Hình 8 Tế bào đơn vị của YFeO 3

Tinh thể YFeO3 có cấu trúc trực thoi hoặc lục giác (giống với YAlO3) tùy thuộc vào điều kiện tổng hợp nên nó Mỗi tế bào đơn vị YFeO3 chứa 4 ion sắt ở mỗi đỉnh nhưng các trục của 4 ion sắt hơi nghiêng so với bát diện (hình 8) Các hiện tượng biến dạng của perovskite chủ yếu là ở vị trí Y3+ trong khí đó các ion Fe3+cơ bản vẫn được giữ nguyên trong thể bát diện Một số công trình nghiên cứu về tổng hợp YFeO3 -

đã được công bố Yttrium orthoferrit có thể được tổng hợp bằng phản ứng pha rắn thông thường là từ oxit nhưng quá trình này cũng gặp khá nhiều khó khăn do sự hình thành của Y3Fe5O12 (yttri-iron garnet) và Fe3O4 Một số phương pháp khác cũng đã được đề xuất bao gồm phương pháp sol-gel của một hỗn hợp kim loại với oxit kiềm Y-

Fe, phương pháp Pechini - là phương pháp tương tự như phương pháp sol-gel, quá trình này lấy tên của nhà phát minh người Mỹ Maggio Pechini, phương pháp tổng hợp bước sóng, phương pháp hóa cơ học và phương pháp quy nạp plasma, phương pháp phân hủy nhiệt v.v…

Yttrium orthoferrit đơn tinh thể được sử dụng trong bộ cảm biến và các thiết bị truyền động, nó có nhiệm vụ như bộ chuyển đổi quang và từ trường, ở đó những tinh thể orthoferrit hoạt động như trong định luật cảm ứng điện từ của Faraday

1.3 TỔNG QUAN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA Fe, Y, Sr, Cd

VÀ CÁC HỢP CHẤT

Trong bài này, tôi chọn đề tài là tổng hợp vật liệu bột nano Y0.7Sr0.3FeO3 bằng các phương pháp khác nhau, nghiên cứu một số đặc trưng cấu trúc, từ tính và khả năng

hấp phụ ion Cd2+của chúng Vì thế, tôi xin giới thiệu sơ lược về một số tính chất của của Fe, Y, Sr, Cd và các hợp chất

1.3.1 S ắt

Hình 9 Kim loại sắt

Bảng 1 Một vài hằng số vật lý quan trọng của sắt

Ký hiệu nguyên tố, số thứ tự Fe, 26 Cấu hình electron hóa trị [Ar]3d64s2Bán kính nguyên tử (A0) 1,26 Nhiệt độ nóng chảy (0

C) 1536 Nhiệt độ sôi (0C) 2880 Nhiệt thăng hoa (kJ/mol) 418

Tỉ khối (g/cm3

) 7,91

Độ cứng (thang Moxơ) 4 – 5

Độ dẫn điện (Hg=1) 10 Sắt có màu trắng xám, dễ rèn và dễ dát mỏng Trong tự nhiên tồn tại 4 đồng vị bền 54

Fe, 56Fe (91,68%), 57Fe và 58Fe Có tính sắt từ: chúng bị nam châm hút và dưới

tác dụng của dòng điện chúng trở thành nam châm Từ tính của sắt đã được phát hiện

từ thời cổ xưa, cách đây hơn hai ngàn năm Nguyên nhân của tính sắt từ không phải chỉ là ở nguyên tử hay ion mà chủ yếu là ở mạng lưới tinh thể của 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 carbon, 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 Một lượng lớn sắt được sử dụng trong sản xuất gang và thép

Sắt (III) oxit

Hình 10 Dạng bột và mạng không gian của sắt (III) oxit

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, 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 có thể được điều chế bằng cách thuỷ phân muối sắt trong môi trường axít mạnh (pH=1÷2), ở nhiệt độ cao (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-Fe2O3 không 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

Hình 11 Cấu trúc của ε-Fe 2 O 3

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-Fe2O3có hình dạng trực thoi với

8 tế bào đơn vị

ε-Fe2O3 thì 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 được chuẩn bị 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

Theo Ayyub et al một oxit sắt (III) vô định hình được hình thành từ các hạt rất nhỏ, có đường kính nhỏ hơn 5nm Văn Diepen và Popma cho rằng trong Fe2O3 vô định hình các ion sắt (III) được bao quanh bởi tám oxi có cấu trúc bát diện trong mạng tinh thể Ayyub et al đã nêu được hai hiệu ứng tỏa nhiệt dựa trên đường phân tích nhiệt DTA, hiệu ứng tỏa nhiệt thứ nhất ở tại 290°C ông cho rằng đó là sự hình thành của γ-

Fe2O3 và hiệu ứng nhiệt thứ hai ở tại 400°C đó là sự chuyển dạng thù hình từ γ-Fe2O3sang α- Fe2O3 Khi tăng nhiệt độ nung lên đến 600°C thì γ- Fe2O3 và ε- Fe2O3 đã không còn xuất hiện nữa nhưng thay vào đó là β- Fe2O3, cùng với sự tăng nhiệt độ thì β- Fe2O3 cũng bị biến thành hematite

Fe3O4 có màu đen xám, nó là hỗn hợp của FeO và Fe2O3 Fe3O4 (magnetite), là loại có từ tính mạnh nhất trong tất cả các khoáng vật có mặt trong tự nhiên Magnetite

có vai trò quan trọng trong việc tìm hiểu các điều kiện môi trường hình thành đá Magnetite phản ứng với oxi để tạo ra hematite và cặp khoáng vật hình thành một vùng đệm có thể khống chế sự phá hủy của oxi Magnetite là nguồn quặng sắt có giá trị, nó hòa tan chậm trong axit clohiđric

Magnetite có thể được chế trong phòng thí nghiệm ở dạng nước theo phương pháp Massart bằng cách trộn sắt (II) clorua và sắt (III) clorua trong hydroxit natri Magnetite cũng có thể được chế bởi sự đồng kết tủa, gồm một hỗn hợp dung dịch FeCl3.6H2O và FeCl2.4H2O (0,1 M) bằng động cơ quay với tốc độ khoảng 2000 vòng/phút Tỷ lệ mol FeCl3:FeCl2 có thể là 2:1, đun dung dịch này ở 70°C, và ngay sau đó nâng tốc độ quay lên 7500 vòng/phút và thêm nhanh dung dịch NH4OH (10%

về thể tích), ngay lập tức sẽ hình thành kết tủa màu đen chứa các hạt magnetite kích thước nano

Các hạt Fe3O4 có đường kính trung bình nhỏ hơn 10nm và có kích thước phân

bố hẹp Các dạng huyền phù của Magnetite có thể trực tiếp bị oxi hóa trong không khí

để tạo thành γ-Fe2O3

Quá trình oxi hóa Fe3O4 thành γ-Fe2O3 được thực hiện bằng cách điều chỉnh độ

pH của hydrosol của Fe3O4 trong khoảng 3.5, các hydrosol được khuấy trong thời gian

30 phút ở 100°C Dung dịch chuyển từ màu xanh đen sang màu nâu đỏ

Sắt (III) hydroxit

Được tạo ra do tác dụng của base với muối sắt (III) Sản phẩm có màu đỏ gỉ, 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 K2CO3 nóng 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

Hydroxit sắt (III) có công thức Fe(OH)3.nH2O Kết quả XRD cho ta thấy chúng

có cấu trúc hình lập phương với cạnh bằng 0.7568nm Số hiệu nguyên tử trong một tế bào đơn vị là 8

1.3.2 Yttri

Hình 12 Kim loại yttri

Bảng 2 Một vài hằng số vật lý quan trọng của yttri

Ký hiệu nguyên tố, số thứ tự Y, 39

Nhiệt độ nóng chảy (0

C) 1525 Nhiệt độ sôi (0C) 3025

Phương pháp điều chế Nhiệt canxi YF3

Cấu trúc tinh thể - Gói ghém chặt khít kiểu lập

Yttri oxit

Hình 13 Y 2 O 3 d ạng bột

Y2O3 là chất rắn màu trắng và ổn định trong không khí Nó được sử dụng như là

một nguyên liệu đầu vào phổ biến cho các ngành khoa học vật liệu cũng như trong

tổng hợp vô cơ

Yttri oxit là hợp chất quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi để tạo ra các chất lân quang YVO4

Yttri oxit dùng chế tạo các dạng ngọc hồng lựu yttri sắt làm các bộ lọc vi sóng hiệu suất cao

Được dùng làm chất xúc tác cho quá trình polyme hóa etylen Ngọc hồng lựu yttri nhôm, Y2O3, florua yttri liti, vanadat yttri được dùng trong tổ hợp với các tác nhân kích thích (dopant) như

tri

terbi, ytterbi trong các laze cận-hồng ngoại, Nó được sử dụng tại các điện cực của một

số loại bu gi hiệu suất cao

Nó được dùng để khử oxi cho vanadi hay các kim loại phi sắt khác Yttri oxit được dùng như là phụ gia kết dính trong sản xuất nitrua silic xốp Được sử dụng làm đèn huỳnh quang trong các loại kính hiển vi điện tử truyền, là chất phụ gia trong sơn, nhựa, nam châm vĩnh cửu, vật liệu phát sáng màu đỏ trong các loại đèn huỳnh quang

1.3.3 Stronti

Hình 15 Kim loại stronti

Stronti là một nguyên tố kim loại kiềm thổ có ký hiệu là Sr và số hiệu nguyên

tử 38, có màu vàng hoặc trắng bạc và có độ hoạt động hóa học cao Kim loại chuyển sang màu vàng khi tiếp xúc với không khí Nó có mặt trong tự nhiên trong các khoáng Celestin và strontianit Đồng vị 90Sr thể hiện tính phóng xạ và có chu kỳ bán rã 28,90 năm Cả stronti và strontianit đều được đặt theo tên một ngôi làng Strontian ở Scotland gần mỏ khoáng mà nó được khai thác đầu tiên Khối lượng riêng 2,63 g/cm3

;

tnc = 768oC Rất hoạt động hoá học; tính chất hoá học giống canxi và bari Có hoá trị 2 trong các hợp chất, nhuộm ngọn lửa màu đỏ tím Khoáng vật chủ yếu là xeleolit (SrSO4), strontianit Điều chế bằng cách điện phân muối halogenua nóng chảy hoặc dùng chất khử để khử oxit hoặc muối Khoáng và muối của Sr được dùng để tinh chế thép khỏi lưu huỳnh và photpho; sản xuất dung dịch nặng để khoan giếng; làm pháo hoa, pháo hiệu