Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt đến sự hình thành nano tinh thể ba2in2o5

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- TRẦN KHẮC ĐỊNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẤT HOẠT ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2015... LỜI CẢM ƠN Để

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

TRẦN KHẮC ĐỊNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẤT HOẠT ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

TRẦN KHẮC ĐỊNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẤT HOẠT ĐỘNG

Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ

Mã số: 60440113

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS - TS Phan Thị Ngọc Bích

TS Tạ Quốc Tuấn

Hà Nội - năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn thạc sỹ khoa học này, em xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy Tạ Quốc Tuấn - Viện AIST Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và cô Phan Thị Ngọc Bích- Viện Hàn Lâm Khoa Học Việt Nam đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành bản Luận văn

Em xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Hoá học, ban lãnh đạo Phòng Hóa học, Viện AIST Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận trong quá trình học tập và bảo vệ luận văn tốt nghiệp

Em muốn gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Bộ môn hóa vô cơ, các thầy cô trong Khoa Hóa học đã tham gia giảng dạy và tạo điều kiện giúp

đỡ, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Bên cạnh đó, em cũng nhận được sự ủng hộ nhiệt tình và các ý kiến đóng góp của các thành viên trong phòng thí nghiệm hóa học, viện tiên tiến

và công nghệ trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, em xin chân thành cảm ơn

sự giúp đỡ quý báu này

Cuối cùng, em xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân đã luôn bên cạnh chia sẻ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn của em

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 02 năm 2015

Học viên

TRẦN KHẮC ĐỊNH

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

- XRD : Phương pháp nhiễu xạ tia X

- TEM : Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua

- SEM : Phương pháp kính hiển vi điện tử quét

-

TG-DTA

: Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng – vi sai

- DSC : Phương pháp nhiệt lượng quét vi sai

- DTA : Phương pháp phân tích nhiệt vi sai quét

- TGA : Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng

- AC : Axit citic ( C6H8O7.H2O )

- PEG poly (etylene glycol)

- EDTA : Axit etylen diamin tetraaxetic (C10H16N2O8)

- AO : Axit oxalic (C2H2O4.2H2O)

- D : Kích thước tinh thể

- EDS : Phổ tán sắc năng lượng tia X

- FTIR : Phương pháp hồng ngoại

- HĐBM : Hoạt động bề mặt

- KL : khối lượng

- M1 : Mẫu Ba2In2O5 chế tạo bằng chất tạo gel AC

- M2 : Mẫu Ba2In2O5 chế tạo bằng chất tạo gel EDTA

- M3 : Mẫu Ba2In2O5 chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: AC = 1:1)

- M4 : Mẫu Ba2In2O5 chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: AC = 1:1,5)

- M5 : Mẫu Ba2In2O5 chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure = 1:1)

- M6 : Mẫu Ba2In2O5 chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure = 1:2)

- M7 : Mẫu Ba2In2O5 chế tạo bằng chất tạo đồng kết tủa AO

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Cấu trúc perovskite và các hệ thống liên quan đến perovskite 2

1.1.1 Hệ thống perovskite ABO3 2

1.1.2 Các hợp chất brownmillerite loại A2B2O5 3

1.1.3 Cấu trúc tinh thể và sự chuyển pha cấu trúc của Ba2In2O5 4

1.2 Tình hình nghiên cứu, chế tạo Ba2In2O5 6

1.3 Phương pháp chế tạo vật liệu Ba2In2O5 10

1.3.1 Phương pháp sol- gel 10

1.3.1 Phương pháp đồng kết tủa 13

1.4 Tiềm năng ứng dụng của vật liệu Ba2In2O5 13

CHƯƠNG 2: MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM……… 15

2.1 Mục đích và nội dung nghiên cứu……… … 15

2.1.1 Mục đích nghiên cứu……… ……….… 15

2.1.2 Nội dung nghiên cứu………… ……… ……….15

2.2 Phương pháp thực nghiệm……… ……… ………15

2.2.1 Dụng cụ và hoá chất thí nghiệm……… 1 5 2.2.2 Phương pháp chế tạo vật liệu nano tinh thểBa2In2O5 16

2.2.2.1 Chế tạo Ba2In2O5 theo phương pháp sol-gel 17

2.2.2.2 Chế tạo Ba2In2O5 theo phương pháp đồng kết tủa 20

2.2.3 Các phương pháp khảo sát tính chất của vật liệu 21

2.2.3.1 Phương pháp phân tích nhiệt (TA) 21

2.2.3.2 Phương pháp phân hồng ngoại (FTIR) 22

2.2.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 23

2.2.3.4 Phương pháp xác định thành phần nguyên tố (EDS) 24

2.2.2.5 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 25

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28

3.1 Chế tạo vật liệu Ba2In2O5bằng phương pháp sol - gel 28

3.1.1 Xác định chế độ nung cho quá trình chế tạo vật liệu Ba2In2O5 bằng phương pháp phân tích nhiệt 28

3.1.2 Kết quả chế tạo Ba2In2O5 với các chất tạo gel khác nhau 29

3.1.2.2 Chế tạo vật liệu Ba2In2O5dùng chất tạo gel AC 29

3.1.2.2 Chế tạo vật liệu Ba2In2O5dùng chất tạo gel EDTA 32

3.1.2.3 Chế tạo vật liệu Ba2In2O5dùng chất tạo gel (EDTA: AC=1:1) 34

3.1.2.4 Chế tạo vật liệu Ba2In2O5dùng chất tạo gel (EDTA: AC =1:1,5) 37

3.1.2.5 Chế tạo vật liệu Ba2In2O5dùng chất tạo gel (EDTA: Ure = 1:1) …39

3.1.2.6 Chế tạo vật liệu Ba2In2O5dùng chất tạo gel (EDTA: Ure = 1: 2… 41

3.2 Kết quả chế tạo Ba2In2O5 bằng chất tạo đồng kết tủa với AO 44

3.3 Tổng kết, đánh giá kết quả các mẫu Ba2In2O5 đã chế tạo 46

3.3.1 Kết quả kích thước tinh thể của các mẫu 47

3.3.2 Kết quả ảnh EDS của các mẫu 48

3.3.3 Kết quả ảnh SEM của các mẫu 49

3.3.4 Kết quả mật độ tương đối của các mẫu 51

3.3.5 Kết quả chụp phổ FTIR 52

KẾT LUẬN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHỤ LỤC CÁC HÌNH 58

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Tỷ lệ mol giữa Ba và In với các chất tạo gel khác nhau để chế tạo

Ba2In2O5 ………18

Bảng 2.2 Hóa chất để chế tạo Ba2In2O5, dùng chất tạo gel AC 18

Bảng 2.3 Hóa chất để chế tạo Ba2In2O5, dùng chất tạo gel EDTA 18

Bảng 2.4 Hóa chất để chế tạo Ba2In2O5, dùng chất tạo gel: EDTA, AC 19

Bảng 2.5 Hóa chất để chế tạo Ba2In2O5, dùng chất tạo gel: EDTA, URE 19

Bảng 2.6 Hóa chất để chế tạo Ba2In2O5,dùng chất tạo đồng kết tủa AO 20

Bảng 3.1 Kích thước tinh thể Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel với AC…30 Bảng 3.2 Kích thước tinh thể Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel EDTA 33

Bảng 3.3 Kích thước tinh thể Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: AC là 1:1) ………36

Bảng 3.4 Kích thước tinh thể Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: AC là 1:1,5)……….…… 38

Bảng 3.5 Kích thước tinh thể Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure là 1:1)……… ……….……… 40

Bảng 3.6 Kích thước tinh thể Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure là 1:2)… … ……….……… …….42

Bảng 3.7 Kích thước tinh thể Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo đồng kết tủa với AO……… ……… 45

Bảng 3.8 Tổng hợp kết quả EDS của các mẫu Ba2In2O5 đã chế tạo… ……48

Bảng 3.9 Bảng tỷ trọng và mật độ tương đối của 7 mẫu 51

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc perovskite lý tưởng.………2

Hình 1.2 Cấu trúc brownmillerite lý tưởngcủa Ba2In2O5…… ……… 4

Hình 1.3 Sự chuyển pha cấu trúc Ba2In2O5 ………4

Hình 1.4 Sự chuyển pha có trật tự-mất trật tự trong tinh thểBa2In2O5 5

Hình 2.1 Quy trình chế tạo vật liệu Ba2In2O5, bằng phương pháp sol - gel 17

Hình 2.2 Quy trình chế tạo vật liệu Ba2In2O5, bằng phương pháp đồng kết tủa 21

Hình 2.3 Nguyên lý thiết bị đo SEM ……….26

Hình 3.1 Giản đồ DTA– DSC của gel có tỷ lệ mol Ba2+ : In3+: AC là 1:1:1 28

Hình 3.2 Giản đồ XRD của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel AC………30

Hình 3.3 Phổ EDS của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel AC……… … 31

Hình 3.4 Giản đồ XRD của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel EDTA… 32

Hình 3.5 Phổ EDS của mẫu Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel EDTA… 34

Hình 3.6 Giản đồ XRD của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: AC là 1:1)……… 35

Hình 3.7 PhổEDS của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel EDTA, AC là 1:1……… ….36

Hình 3.8 Giản đồ XRD của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel(EDTA, AC là 1:1,5)……… ……… 37

Hình 3.9 Phổ EDS của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel(EDTA, AC là 1:1,5)………38

Hình 3.10 Giản đồ XRD của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure là 1:1) ………… …… ……… ……… 39

Hình 3.11 Phổ EDS của mẫu Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure là 1:1) ……… ……… …… ……….41

Hình 3.12 Giản đồ XRD của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure

là 1:2)……… ……….…42 Hình 3.13 PhổEDS của mẫu Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure

là 1:2)……….……….………… 43 Hình 3.14 Giản đồ XRD của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo đồng kết tủa với

AO ……… …44 Hình 3.15 Phổ EDS của mẫu Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo đồng kết với AO……… 46 Hình 3.16 Giản đồ XRD của 7 mẫu đã tổng hợp……… 47 Hình 3.17 Ảnh SEM của mẫu Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel … ……49 Hình 3.18 Ảnh SEM của mẫu Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo đồng kết tủa với AO ……….50 Hình 3.19 Phổ FTIR của Ba2In2O5chế tạo bằng chất tạo đồng kết với AO 52 Hình 3.20 Phổ FTIR củaBa2In2O5 chế tạo bằng chất tạo gel AC…….….…53 Hình 3.21 Phổ FTIR của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure là 1:1)……… ………53

MỞ ĐẦU

Hiện nay trên thế giới khi xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng năng lượng càng lớn, trong khi đối với nhiên liệu hóa thạch đóng, một vài trò quan trọng trong việc đưa xã hội đến mức phát triển như ngày nay, cũng tồn tại những vấn đề nhức nhối lớn: Ô nhiễm không khí, biến đổi khí hậu toàn cầu cùng với sự nóng lên của trái đất Ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch chỉ là nguồn tài nguyên hữu hạn không thể được tái tạo, và nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch còn làm cho một số nước không có nhiều tài nguyên sẽ bị phụ thuộc vào những nước vốn có nguồn dầu dồi dào ở vùng Trung Đông, từ đó dẫn đến nhiều hậu quả chính trị và kinh tế khác, thậm chí cả những cuộc chiến tranh giành dầu mỏ Trong công cuộc đi tìm nguồn năng lượng mới này, con người đã đạt được những thành công nhất định: đó là sự ra đời của các trung tâm phát điện dùng năng lượng gió, năng lượng mặt trời với công suất lên tới hàng mêga oát Tuy nhiên những nguồn năng lượng đó còn phụ thuộc nhiều vào tự nhiên.Việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mớiđặc biệt là công nghệ thân thiện với môi trườngđã trở thành nghiên cứu mũi nhọn của nhiều quốc gia, đặc biệt là các nước phát triển

Trong những năm gần đây, một hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng

đã được tìm ra, đó là việc sử dụng pin nhiên liệu.Pin nhiên liệu hiện nay đang dần được phổ biến trên thị trường, dự đoán pin nhiên liệu có thể sử dụng hydrogen làm nhiên liệu, cung cấp cho thế giới một nguồn điện năng sạch và bền vững sẽ tạo nên cuộc cách mạng năng lượng trên thế giới trong tương lai

Vật liệu dẫn ion Ba2In2O5có ứng dụng làm pin nhiên liệu oxit rắn hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiềm năng do tính chất điện của loại vật liệu này.Đây cũng chính là lý do chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt đến sự hình thành nano tinh thể Ba2In2O5” cho luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành hóa vô cơ của mình

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 S.A Speakman, J.W Richardson, B.J Mitchell, S.T Misture, “In-situ diffraction study of Ba2In2O5 ”

, Solid State Ionics 149 (2002) 247-259

2 P Berastegui, S Hull, F J GarcmHa-GarcmHa, S.-G Eriksson,“The Crystal Structures, Microstructure and Ionic Conductivity of Ba2In2O5 and Ba2(InxZn

1-x)O3-0,5x”, J Solid State Chem 164 (2002) 119-130

3 Stuart B Adler, Jeffrey A Reimer, Jay Baltisberger, and Ulrike Werner,

“

Chemical Structure and Oxygen Dynamics in Ba2In2O5”, J Am Chem Soc

116 (1994) 675-681

4 Takuya Hashimoto, Yoshikatsu Inagaki, Akira Kishi, Masayuki Dokiya

“

Absorption and secession of H2O and CO2 on Ba2In2O5 and their effects on crystal structure”, Solid State Ionics 128 (2000) 227–231

5 Takuya Hashimoto, Yohichi Ueda, Masashi Yoshinaga, Katsumi Komazaki, Kyohko Asaoka, and Shaorong Wang, “Observation of Two Kinds of Structural Phase Transitionsin the Ba2In2O5 System”, J Electrochemical Soc 149 (2002) A1381-A1384

6 J.B Goodenough, J.E Ruiz-Diaz and Y.S Zhen, “Oxide-ion conduction

in Ba2In2O5and Ba3In2O8 (M=Ce, Hf, or Zr)”, Solid State Ionics 44 (1990) 21–31

7 G.B Zhang, D.M Smyth,“Protonic conduction in Ba2In2O5

”

, Solid State Ionics 82 (1995) 153-160

8 T Schober, J Friedrich, F Krug,“Phase transition in the oxygen and proton conductor Ba2In2O5 in humid atmospheres below 3008C”, Solid State Ionics

99 (1997) 9–13

9 J.F.Q Rey, F.F Ferreira, E.N.S Muccillo, “Primary particle size effect on phase transition in Ba2In2O5”, Solid State Ionics 179 (2008) 1029 – 1031

10 Xiaogan Li, K T Jacob, Girish M Kale, “La-Doped Ba2In2O5 Electrolyte: Pechini Synthesis, Microstructure, Electrical Conductivity, and Application

for CO Gas Sensing”, Journal of The Electrochemical Society 157 (2010) J 285-J 292

11 Jasna Jankovic, David P Wilkinson, Rob Hui, “Preparation and characterization of Ce and La-doped Ba2In2O5 as candidates for intermediate temperature (100–500oC) solid proton conductors”, Journal of Power Sources 201 (2012) 49–58

12 Rob Hui, Radenka Maric, Cyrille Dec`es-Petit, Edward Styles, Wei Qu, Xinge Zhang, Justin Roller, Sing Yick, Dave Ghosh, Ko Sakata, Murata Kenji, “Proton conduction in ceria-doped Ba2In2O5nanocrystalline ceramic at low temperature”, Journal of Power Sources 161 (2006) 40–46

13 Chris E Mohn, Neil L Allan, Colin L Freeman, P Ravindran, Svein Stølen,

“Order in the disordered state:local structural entities in the fast ion conductor

Ba2In2O5”, Journal of Solid State Chemistry 178 (2005) 346–355

14 Chris E Mohn, Neil L Allan, Svein Stølen, “Sr and Ga substituted Ba2In2O5: Linking ionic conductivity and the potential energy surface”, Solid State Ionics 177 (2006) 223 – 228

15 Masashi Yoshinaga, Makoto Yamaguchi, Tatsuya Furuya, Shaorong Wang, Takuya Hashimoto, “The electrical conductivity and structural phase transitions of cation-substituted Ba2In2O5”,

Solid State Ionics 169 (2004) 9 – 13

16 T Yao , Y Uchimoto , M Kinuhata , T Inagaki , H Yoshida, “Crystal structure of Ga-doped Ba2In2O5and its oxide ion conductivity”, Solid State Ionics 132 (2000) 189–198

17 T Schober, J Friedrich, F Krug, “Phase transition in the oxygen and proton conductor Ba2In2O5in humid atmospheres below 300oC”, Solid State Ionics

99 (1997) 9–13

18 N A Tarasovaz and I E Animitsa, “Effect of Anion Doping on Mobility of Ionic Charge Carriers in Solid Solutions Based on Ba2In2O5”, Russian Journal

of Electrochemistry, (2013) Vol 49, No 7, pp 698–703

19 Jasna Jankovic, David P Wilkinson, and Rob Hui, “Electrochemical Impedance Spectroscopy of Ba2In2O5: Effect of Porosity, Grain Size, Dopant, Atmosphere and Temperature”, Journal of The Electrochemical Society, (2012) B109 0013-4651

20 C A J Fisher, M S Islam, and R J Brook, “A Computer Simulation Investigation of Brownmillerite-Structured Ba2In2O5”, Journal of Solid State Ionics chemistry 128,137Ð141 (1997)

21 J.F Shin, P.R Slater, “Enhanced CO2stability of oxyanion doped

Ba2In2O5systems Co-doped with La, Zr”, Journal of Power Sources 196 (2011) 8539– 8543