CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Phương pháp sol-gel: 1.1 Giới thiệu: Phương pháp sol – gel là một kỹ thuật tổng hợp hóa keo để tạo ra các vật liệu có hình dạng mong muốn ở nhiệt độ thấp. Nó được hình thành trên cơ sở phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ từ các chất gốc (alkoxide precursors) [17]. Lịch sử phát triển: Giữa năm 1800 sự quan tâm phương pháp sol – gel để tạo gốm sứ và kính được bắt đầu với Ebelman và Graham khi nghiên cứu về gel Silic. Năm 1950 - 1960 Roy và các cộng tác đã sử dụng phương pháp sol – gel để tạo ra gốm sứ mới với thành phần là các đồng chất hóa học, bao gồm: Si, Al, Zr….
mà không s ử dụng phương pháp gốm truyền thống. Bột, sợi, độ dày màng và thấu kính quang học thì được tạo bởi phương pháp sol – gel [1]. Các khái niệm cơ bản:[1] Một hệ Sol là một sự phân tán của các hạt rắn có kích thước khoảng 0.1 đến 1µm trong một chất lỏng, trong đó chỉ có chuyển động Brown làm lơ lửng các hạt. a) Kích thước hạt quá nhỏ nên lực hút là không đáng kể.
b) Lực tương tác giữa các hạt là lực Val der Waals. c) Các hạt có chuyển động ngẫu nhi ên Brown do trong dung dịch các hạt va chạm lẫn nhau. Sol có thời gian bảo quản giới hạn vì các hạt Sol hút nhau dẫn đến đông tụ các hạt keo. SVTH: Huỳnh Chí Cường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 9 CBHD: TS.
Lâm Quang Vinh Một hệ Gel là một trạng thái mà chất lỏng và rắn phân tán vào nhau, trong đó một mạng lưới chất rắn chứa các thành phần chất lỏng Precursor là những phần tử ban đầu để tạo những hạt keo (sol). Nó được tạo thành từ các thành tố kim loại hay á kim, được bao quanh bởi những ligand khác nhau. Các precursor có thể là chất vô cơ kim loại hay hữu cơ kim loại. Công thức chung của precursor : M(OR) X M là kim loại R là nhóm alkyl có công th ức: CnH2n+1.
Những chất hửu cơ kim loại được sử dụng phổ biến nhất là các alkoxysilans, như là Tetramethoxysilan (TMOS),Tetraethoxysilan (TEOS). Dĩ nhiên những alkoxy khác như là các Aluminate, Titanate, và Borat c ũng được sử dụng phổ biến trong quá trình Sol-gel.2 Các quá trình chính xảy ra trong Sol-Gel: Quá trình sol-gel là một phương pháp hóa học ướt tổng hợp các phần tử huyền phù dạng keo rắn trong chất lỏng và sau đó tạo thành nguyên liệu lưỡng pha của bộ khung chất rắn, được chứa đầy dung môi cho đến khi xảy ra quá trình chuyển tiếp sol-gel [1]. Trong quá trình sol-gel các phần tử trung tâm trải qua 2 phản ứng hóa học cơ bản: phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ (dưới xúc tác axit hoặc bazơ) để hình thành một mạng lưới trong toàn dung dịch [17]. Phản ứng thủy phân[1]: Phản ứng thủy phân thay thế nhóm alkoxide (-OR) trong liên kết kim loại- alkoxide bằng nhóm hydroxyl (-OH) để tạo thành liên kết kim loại-hydroxyl.
SVTH: Huỳnh Chí Cường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 10 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh Hình 1.1 Phản ứng thủy phân M(OR)n + xHOH → M(OR) n-x (OH)x + xROH (1.1) Phản ứng ngưng tụ [1]: Phản ứng ngưng tụ tạo nên liên kết kim loại-oxide-kim loại, là cơ sở cấu trúc cho các màng oxide kim lo ại. Hiện tượng ngưng tụ diễn ra liên tục làm cho liên kết kim loại-oxide-kim loại không ngừng tăng lên cho đến khi tạo ra một mạng lưới kim loại-oxide-kim loại trong toàn dung dịch. Phản ứng ngưng tụ diễn ra theo 2 kiểu: Ngưng tụ rượu: M(OH)(OR) n-1 + M(OR) n → (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 + ROH (1.2) Ngưng tụ nước: M(OH)(OR) n-1 + M(OH)(OR) n-1 → (OR) n-1M-O-M(OR)n-1 + H2O (1.3) SVTH: Huỳnh Chí Cường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 11 CBHD: TS.
Lâm Quang Vinh Hình 1.2 Phản ứng ngưng tụ Các giai đoạn chính [17]: Tạo dung dịch sol: alkoxide kim loại bị thủy phân và ngưng tụ, tạo thành dung dịch sol gồm những hạt oxide kim loại nhỏ (hạt sol) phân tán trong dung dịch sol. Dung dịch có thể được dùng phủ màng bằng phương pháp phủ quay (spin coating) hay phủ nhúng (dip coating). Gel hóa (gelation): giữa các hạt sol hình thành liên kết. Độ nhớt của dung dịch tiến ra vô hạn do có sự hình thành mạng lưới oxide kim loại (M-O-M) ba chiều trong dung dịch.
Thiêu kết (sintering): đây là quá trình kết chặt khối mạng, được điều khiển bởi năng lượng phân giới. Thông qua quá trình này gel s ẽ chuyển từ pha vô định hình sang pha tinh thể dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Trong toàn bộ quá trình, hai phản ứng thuỷ phân–ngưng tụ là hai phản ứng quyết định cấu trúc và tính chất của sản phẩm sau cùng. Do đó, trong phương pháp sol-gel, việc kiểm soát tốc độ phản ứng thuỷ phân-ngưng tụ là rất quan trọng.
SVTH: Huỳnh Chí Cường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 12 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong quá trình Gel hóa [20]: Sol chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian. Đến một thời điểm nhất định thì các hạt hút lẫn nhau để trở thành những phần tử lớn hơn. Các phần tử này tiếp tục phát triển đến kích thước cỡ 1nm thì tùy theo xúc tác có m ặt trong dung dịch mà phát triển theo những hướng khác nhau.3 Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong điều kiện xúc tác acid Dưới điều kiện xúc tác acid hạt sẽ phát triển thành polymer mạch nhánh ngẫu nhiên hoặc mạch thẳng cơ bản, đan xen vào nhau Hình 1.4 Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong điều kiện xúc tác base Dưới điều kiện xúc tác baz các hạt phát triển th ành các cluster phân nhánh ở mức độ cao nhiều hơn, không xen vào nhau trư ớc khi tạo thành Gel, chúng thể hiện như những cluster riêng biệt.
Như vậy, với các loại xúc tác khác nhau, chiều hướng phát triển của hạt Sol cũng có phần khác biệt SVTH: Huỳnh Chí Cường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 13 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh Sự phát triển của các hạt trong dung dịch là sự ngưng tụ, làm tăng số liên kết Kim loại- Oxide- Kim loại tạo thành một mạng lưới trong khắp dung dịch.5 Sự phát triển cấu trúc màng trong quá trình sol -gel 1.3 Ưu điểm và nhược điểm của quá trình Sol-Gel [2]: Ưu điểm: Có thể tạo ra màng phủ liên kết mỏng để mang đến sự dính chặt rất tốt giữa vật liệu kim loại và màng. Có thể tạo ra màng dày cung cấp cho quá trình chống sự ăn mòn. Có thể dễ dàng tạo hình các vật liệu có hình dạng phức tạp.
Có thể sản suất được những sản phẩm có độ tinh khiết cao. Khả năng thiêu kết ở nhiệt độ thấp, thường là 200 – 600 độ. Có thể điều khiển các cấu trúc vật liệu. Tạo được hợp chất với độ pha tạp lớn.
SVTH: Huỳnh Chí Cường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 14 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh Độ khuyếch tán đồng đều cao. Chế tạo nano thay đổi thành phần dễ Làm việc ở nhiệt độ thấp hiệu quả, kinh tế, đ ơn giản để sản xuất những màng có chất lượng cao. Ưu điểm nổi trội nhất của phương pháp sol-gel là khả năng chế tạo được những vật liệu mới có cấu trúc đồng đều: vật liệu xốp, vật liệu microballoon.
Nhược điểm: Sự liên kết trong màng yếu. Có độ thẩm thấu cao. Rất khó để điều khiển độ xốp. Dễ bị rạn nứt trong quá trình nung sấy.4 Một số ứng dụng hiện nay của phương pháp sol-gel [2]: Phương pháp sol-gel được sử dụng rộng rãi trong chế tạo và nghiên cứu vật liệu oxide kim loại tinh khiết.
Những nghiên cứu của phương pháp sol-gel chủ yếu là chế tạo gel khối SiO2 (silica) và sau đó mở rộng chế tạo các oxide kim loại chuyển tiếp khác như TiO 2 (titania), ZrO 2 (zirconia),… Hiện nay, phương pháp sol- gel đã thành công trong việc chế tạo vật liệu oxide đa thành phần (multicomponent oxide: SiO 2-TiO2, TiO2:SnO2…) và chế tạo vật liệu lai hữu cơ-vô cơ (hybrid materials). SVTH: Huỳnh Chí Cường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 15 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh Hình 1.6 Các nhóm sản phẩm của phương pháp sol-gel Các nhóm sản phẩm chính từ phương pháp sol-gel, được mô tả trong Hình 1.6, bao gồm: Màng mỏng (thin film): chế tạo màng mỏng có cấu trúc đồng đều với nhiều ứng dụng trong quang học, điện tử, pin mặt trời… Gel khối (monolithic gel): được sử dụng để chế tạo các oxide đa kim loại các dụng cụ quang học: gương nóng (hot mirror), gương l ạnh (cold mirror), thấu kính và bộ tách tia (beam splitter)… Gel khí (Aerogel): thu được bằng cách sấy siêu tới hạn gel ướt (wet gel). Gel khí có ứng dụng trong nhiều lãnh vực: hấp thụ năng lượng mặt trời (silica aerogel), xúc tác (alumina (Al 2O3) aerogel có pha tạp kim loại), chất cách điện và cách nhiệt (silica aerogel)… Hạt nano: đơn thành phần và đa thành phần có kích thước đồng đều có thể thu được bằng cách tạo kết tủa trong giai đoạn thủy phân - ngưng tụ.
SVTH: Huỳnh Chí Cường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 16 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh Sợi ceramic: sợi quang chất lượng cao và sợi ceramic cách nhiệt.5 Các phương pháp tạo màng [2]: Phủ quay (spin coating): Phương pháp phủ quay được mô tả trong hình 1. Dung dịch sol được nhỏ giọt lên đế và cho đế quay. Dưới tác dụng của lực ly tâm, dung dịch sẽ lan đều tr ên đế và tạo thành màng mỏng.7 Phương pháp phủ quay (spin coating) Quá trình phủ quay gồm 3 giai đoạn xảy ra li ên tiếp (hình 1.8 Các giai đoạn của phương pháp phủ quay i) Giai đoạn 1 (Fluid dispense): dung dịch được nhỏ giọt lên đế.
Lượng dung dịch sử dụng thường nhiều hơn lượng dung dịch cần thiết hình thành màng. SVTH: Huỳnh Chí Cường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 17 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh ii) Giai đoạn 2 (Ramp-up, spreading): đế được gia tốc đến vận tốc quay cần thiết. Một phần dung dịch bị văng ra khỏi đế.
Độ nhớt dung dịch quyết định độ dày màng. Đế quay với vận tốc không đổi, dung dịch tiếp tục chảy lan trên đế dưới tác dụng của độ nhớt và lực ly tâm. iii) Giai đoạn 3 (Evaporation): sự bay hơi dung môi quyết định độ dày màng. Đế tiếp tục quay với vận tốc không đổi nhưng dòng chảy nhớt không đáng kể.