Luận văn thạc sĩ về khảo sát các điều kiện tổng hợp vật liệu bột nano LaFeO3

Luận văn thạc sĩ phân tích khảo sát các điều kiện tổng hợp vật liệu bột nano lafeo3, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Trần Thị Thùy Dung
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Anh Tiến
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa Học
• Đề tài: Khảo Sát Điều Kiện Tổng Hợp Vật Liệu Bột Nano LaFeO3
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO VÀ CÔNG NGHỆ NANO
• 1.2. Công nghệ nền cơ bản trong hóa học
• 1.3. Phân loại vật liệu nano
• 1.4. Ứng dụng của vật liệu nano
• 1.5. TỔNG QUAN VỀ OXIT, HIDROXIT CỦA LANTAN VÀ SẮT
• 1.5.1. Trạng thái oxi hóa +3 của Lantan
• 1.5.2. Tóm tắt tính chất hóa học
• 1.5.3. Sự tạo phức của các Ln3+
• 1.5.4. Oxit và hidroxit sắt(III)
• 1.5.4.1. Sắt(III) oxit Fe2O3
• 1.5.4.2. Muối và phức chất của sắt(III)
• 1.5.5. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA ABO3
• 1.5.5.1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu perovskite
• 1.5.5.2. Hiệu ứng Jahn-Teller. Một số đặc tính của vật liệu có cấu trúc orthoferrite
• 1.5.5.3. Sự pha tạp và sự khuyết thiếu oxi
• 1.5.5.4. Cấu trúc tinh thể của tinh thể LaFeO3
• 1.6. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU NANO
• 1.6.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO LaFeO3
• 1.6.1.1. Tổng hợp lantan orthoferrite theo phương pháp gốm công nghệ cao
• 1.6.1.2. Tổng hợp lantan orthoferrite theo phương pháp khuôn SBA-16
• 1.6.1.2.1. Giới thiệu về SBA-16
• 1.6.1.2.2. Cơ chế tổng hợp SBA-16
• 1.6.1.2.3. Phương pháp tổng hợp SBA-16
• 1.6.1.2.4. Quy trình tổng hợp LnFeO3 bằng cách sử dụng khuôn SBA-16
• 1.6.2. Tổng hợp lantan orthoferrite bằng phương pháp đồng kết tủa
• 1.6.2.1. Tổng hợp lantan orthoferrite theo phương pháp đồng kết tủa có sử dụng axit oleic làm chất hoạt động bề mặt
• 1.6.2.2. Chất hoạt động bề mặt
• 1.6.2.3. Vai trò của axit oleic trong quá trình tổng hợp lantan orthoferrite
• 1.6.2.4. Tổng hợp lantan orthoferrite theo phương pháp sol-gel
• 1.6.2.4.1. Đại cương về phương pháp sol-gel
• 1.6.2.4.2. Sơ đồ tổng hợp lantan orthoferrite theo phương pháp sol-gel
• 1.7. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI
• 1.7.1. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc tinh thể
• 1.7.2. Nhiễu xạ tia Rơnghen (X-Ray Diffraction – XRD)
• 1.7.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM–Transmission Electron Microscope)
• 1.7.4. Hiển vi điện tử quét (SEM – Scanning Electron Microscope)
• 1.7.5. Phương pháp phân tích nhiệt
• 1.8. THỰC NGHIỆM – KẾT QUẢ – THẢO LUẬN
• 1.8.1. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ
• 1.8.1.1. Các hóa chất được sử dụng
• 1.8.2. THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO LaFeO3
• 1.8.2.1. Tổng hợp bột nano LaFeO3 theo phương pháp đồng kết tủa sử dụng axit oleic làm chất phân tán bề mặt
• 1.8.2.2. Tổng hợp bột nano LaFeO3 bằng phương pháp sol-gel
• 1.8.2.3. Kết quả và thảo luận
• 1.8.2.3.1. Phương pháp 1
• 1.8.2.3.2. Phương pháp 2
• 1.9. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu nano và công nghệ nano

Vật liệu nano đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong khoa học vật liệu. Vật liệu nano được định nghĩa là những vật liệu có kích thước trong khoảng từ 1 đến 100 nm, với các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt. Công nghệ nano không chỉ bao gồm việc chế tạo mà còn cả ứng dụng của các vật liệu này trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano như sol-gel, lắng đọng pha hơi hóa học, và tự lắp ghép phân tử đã được phát triển để tạo ra các cấu trúc nano với tính chất tối ưu. Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu nano có thể dẫn đến những ứng dụng mới trong y học, điện tử, và năng lượng. Theo một nghiên cứu, "Công nghệ nano có thể thay đổi bản chất của hầu hết mọi đối tượng do con người tạo ra trong thế kỷ tiếp theo."

1.1. Phân loại vật liệu nano

Vật liệu nano có thể được phân loại thành nhiều nhóm khác nhau như kim loại, gốm, chất bán dẫn, và polime. Mỗi loại vật liệu này có những tính chất riêng biệt và ứng dụng khác nhau. Ví dụ, vật liệu nano kim loại thường có tính dẫn điện tốt, trong khi vật liệu nano gốm lại có tính cách điện cao. Các hạt nano có thể được sử dụng trong các ứng dụng như cảm biến, chất xúc tác, và lưu trữ thông tin. Việc phân loại này giúp các nhà nghiên cứu xác định được ứng dụng tiềm năng của từng loại vật liệu. "Khả năng thực hiện được là vô tận, nhưng việc tổng hợp vật liệu nano có tính chất hóa học khác của vật liệu."

II. Tổng quan về oxit hydroxyt của Lantan và Sắt

Lantan và sắt là hai nguyên tố quan trọng trong việc tổng hợp vật liệu bột nano LaFeO3. Trạng thái oxi hóa +3 của lantan cho phép tạo ra các hợp chất ổn định với các anion như OH-, CO3 2-, và SO4 2-. Các hợp chất này có thể bị nhiệt phân để tạo ra oxit, một yếu tố quan trọng trong việc tổng hợp vật liệu nano. Sắt(III) oxit (Fe2O3) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các vật liệu có tính chất từ tính. Việc nghiên cứu các hợp chất này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế tổng hợp và tính chất của vật liệu bột nano LaFeO3. "Các muối nitrat bị phân hủy ở nhiệt độ cao cho các sản phẩm tương tự."

2.1. Tóm tắt tính chất hóa học

Cation La3+ và các cation cùng họ thường tạo ra các hợp chất kết tinh với các anion quen thuộc. Những hợp chất này có nhiệt độ nóng chảy cao và có thể bị biến đổi thành các dẫn xuất mang tính chất kiềm. Việc nghiên cứu tính chất hóa học của các hợp chất này là cần thiết để phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả cho vật liệu bột nano LaFeO3. "Cả hai loại muối của cation La3+ đều có nhiệt độ nóng chảy cao và ở trạng thái nóng chảy không bị phân hủy."

III. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano LaFeO3

Việc tổng hợp vật liệu bột nano LaFeO3 có thể thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp sol-gel, đồng kết tủa, và phương pháp gốm. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp sol-gel được ưa chuộng vì tính đồng nhất và khả năng kiểm soát kích thước hạt. Trong khi đó, phương pháp đồng kết tủa sử dụng axit oleic làm chất hoạt động bề mặt giúp cải thiện tính chất bề mặt của vật liệu nano. Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến tính chất cuối cùng của vật liệu bột nano LaFeO3. "Phương pháp hóa học điều chế vật liệu từ oxit hiện nay được coi là chiếm ưu thế do đảm bảo được tính đồng nhất hóa học và hoạt tính cao của bột ferrite tạo thành."

3.1. Phương pháp sol gel

Phương pháp sol-gel là một trong những phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp vật liệu nano. Phương pháp này cho phép tạo ra các hạt nano với kích thước đồng nhất và tính chất hóa học ổn định. Quá trình này bao gồm việc hòa tan các tiền chất trong dung môi, sau đó tạo ra gel và cuối cùng là nung để thu được vật liệu bột nano LaFeO3. Phương pháp này không yêu cầu nhiệt độ cao và có thể thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm. "Phương pháp sol-gel được coi là phương pháp chiến lược, kinh tế và không gây ô nhiễm môi trường."

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGUYÊN CỨU 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO VÀ CÔNG NGHỆ NANO Nanomet là điểm kỳ diệu trong kích thước chiều dài, là điểm mà tại đó những vật liệu sáng chế nhỏ nhất do con người chế tạo ra ở cấp độ nguyên tử và phân tử của thế giới tự nhiên. Khái niệm vật liệu nano mang nghĩa tương đối rộng.

Vật liệu nano có thể là những tập hợp (aggregate) của các nguyên tử kim loại hay phi kim (được gọi là cluster) hay phân tử của các oxit, sunfua, cacbua, nitrua, borua… có kích thước trong khoảng từ 1 đến 100 nm. Đó cũng có thể là những vật liệu xốp với đường kính mao quản nằm trong giới hạn tương tự (như các zeolit, photphat, và các cacboxylat kim loại…) [2]. Như vậy, có thể nói công nghệ nano có ý nghĩa là sử thuật sử dụng kích thước từ 0,1 nanomet đến 100 nanomet để tạo ra sự biến đổi hoàn toàn lý tính một cách sâu sắc do hiệu ứng kích thước lượng tử (quantum size effect). “Hội chứng công nghệ nano” về cơ bản đang tràn qua tất cả các lĩnh vực công nghệ và sẽ thay đổi bản chất của hầu hết mọi đối tượng do con người tạo ra trong thế kỷ tiếp theo.

Trong công nghệ nano có phương thức từ trên xuống dưới (top-down) nghĩa là chia nhỏ một hệ thống lớn để cuối cùng tạo ra được đơn vị có kích thước nano và phương pháp từ dưới lên trên (bottom-up) nghĩa là lắp ghép những hạt có kích thước nano. Đặc biệt gần đây, việc thực hiện công nghệ nano theo phương thức bottom-up trở thành kĩ thuật có thể tạo ra các hình thái vật liệu mà loài người hằng mong muốn, nên thu hút được nhiều sự quan tâm. Trong bối cảnh đó người ta nói tới hóa học đặc biệt hóa học cao phân tử có thể trở thành một phương tiện quan trọng của phương thức bottom-up. Từ kích thước nguyên tử hình thành khối dạng hạt cấu trúc nano.

Những khối nano này được tổ chức hóa thành hình thái khác nhau được sắp xếp chặt chẽ kích thước nanomet. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano có thể tổng hợp từ tổng hợp hóa học hay bằng những công đoạn đặc biệt để tạo nên cấu trúc nano. Những chất để Trang 8 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến chế tạo vật liệu cấu trúc nano có thể đơn thuần là hữu cơ hay vô cơ hoặc cũng có thể sử dụng vật liệu composite lai hỗn tính hữu cơ - vô cơ [4, 10].

Công nghệ nền cơ bản trong hóa học Hai nguyên lý cơ bản của công nghệ nano là: top-down và bottom-up. Từ hai nguyên lý này, ta có thể tiến hành bằng nhiều phương pháp công nghệ và kĩ thuật để chế tạo vật liệu cấu trúc nano. Một số công nghệ đóng vai trò là công nghệ nền, cơ bản, tiêu biểu như công nghệ sol-gel, công nghệ nano micell, công nghệ tự lắp ghép phân tử, công nghệ chế tạo polime cấu trúc nano, chế tạo vật liệu lai nano và nano composite [11,12]:  Công nghệ nano sol-gel: công nghệ điển hình nhất chế tạo vật liệu nano.  Công nghệ hạt nano micelle: công nghệ cế tạo hạt nano trong vi nhũ tương sử dụng chất hoạt động bề mặt.

 Công nghệ tự lắp ghép phân tử: công nghệ tiêu biểu để chế tạo vật liệu cấu trúc nano, mô phỏng theo tự nhiên. Nguyên lý chính của công nghệ này là dựa vào các lực tương tác giữa phân tử, sắp xếp, lắp ghép theo cấu trúc thiên nhiên. Ví dụ tiêu biểu như màng đơn lớp (self - assembled monolayer - SAM).  Công nghệ lắng đọng pha hơi hóa học: công nghệ chế tạo màng mỏng nano bằng phản ứng hóa học pha hơi.

Vật liệu điển hình nhất được chế tạo bằng phương pháp này là cacbon nanotub.  Công nghệ chế tạo polime cấu trúc nano: vật liệu polime cấu trúc nano được chế tạo bằng các phương pháp tiêu biểu như trùng hợp polime sống (living control radical polymerization), hoặc bằng phản ứng trùng hợp phân tán, phản ứng ghép,…  Công nghệ chế tạo vật liệu lai và nano composite: công nghệ chế tạo vật lai hỗn tính vô cơ/hữu cơ và vật liệu nano composit, đóng vai trò quan trọng trong công nghệ nano. Công nghệ này như chìa khóa giúp ta mở ra thế giới vật liệu nano. Phân loại vật liệu nano Hàng nghìn chất rắn ở nhiệt độ và áp suất thường có thể được chia thành các nhóm như kim loại, gốm, chất bán dẫn, hợp chất và polime.

Những nhóm này còn có thể được chia nhỏ nữa thành vật liệu sinh học, vật liệu xúc tác, lớp phủ, thủy tinh, vật Trang 9 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến liệu từ và vật liệu điện tử. Tất cả các chất này có tính chất biến thiên rộng, ẩn chứa nhiều tính chất mới khác khi tạo ra dưới dạng hạt nano. Khả năng thực hiện được là vô tận, nhưng việc tổng hợp vật liệu nano có tính chất hóa học khác của vật liệu.

Và sau đây là một số loại vật liệu nano cơ bản [13]:  Cụm (cluster): một tập hợp các đơn vị (nguyên tử hoặc phân tử) lên tới khoảng 50 đơn vị. Hợp chất cụm là các moiety như vậy được bao quanh bởi vỏ phối tử mà cho phép cô lập các loại phân tử.  Chất keo (collid): pha lỏng ổn định chứa các hạt trong phạm vi 1- 100 nm. Hạt keo (micell) là một trong các hạt kích thước 1-100 nm như vậy.

 Hạt nano (nanoparticle): hạt rắn trong phạm vi 1-100 nm có thể không tinh thể, là khối kết tụ của các vi tinh thể hoặc vi đơn tinh thể.  Tinh thể nano (nanocrystal): hạt rắn nghĩa là đơn tinh thể có kích cỡ nanomet.  Vật liệu cấu trúc nano hay vật liệu kích thước nano (nanostructurea or nanoscale materials): bất cứ vật liệu rắn nào mà có kích thước nanomet, ba chiều → hạt, hai chiều → màng mỏng, một chiều → dây mỏng. Phân loại vật liệu nano theo số chiều 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) và ba chiều (3D) ( hình 2).

Trang 10 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử). Ví dụ: đám nano, hạt nano v. 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 dụ: dây nano, ống nano v. Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do. Ví dụ: màng mỏng v. (hình 1) 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 nano, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. Cấu trúc vật liệu nano không chiều (0D), 1 chiều (1D), 2 chiều (2D), 3 chiều (3D)  Vật liệu pha nano (nanophase materials): tương tự như vật liệu cấu trúc nano. Trang 11 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến  Đốm lượng tử (quantum dots): hạt có hiệu ứng lượng tử có kích thước nano ít nhất là một chiều.

 Nanocomposite: vật liệu lai hỗn tính vô cơ/hữu cơ. 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’’. Gắn 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, con người ngày 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 học/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. Gốm 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 loại cứng hơn: kim loại nano khi nén vào trong vật rắn sẽ có bề mặt đáng chú ý, có khi độ cứng của kim loại vi tinh thể thông thường. Pin mặt trời: hạt nano chất bán dẫn, có các bandgap kích thước điều chỉnh được, có tiềm năng đối với pin mặt trời với hiệu suất cao hơn. Trang 12 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.

Nguyễn Anh Tiến Chất 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. Sensors: khối kết tụ xốp của hạt nano bán dẫn có thể nghiên cứu bằng nén tải trọng thấp. Những vật liệu giữ vững diện tích bề mặt lớn của chúng và khi được hấp phụ các loại khí khác nhau, tính dẫn điện của chúng thay đổi.

Do nhiều khí được phát hiện ra được hấp thụ trên mỗi đơn vị khối lượng so sánh với bột nén thông thường, sự thay đổi điện xảy ra nhiều lần hơn, vì vậy việc sử dụng các hạt nano tạo ra ưu điểm đáng kể trong công nghệ cảm biến. Công nghệ sản xuất sơn: người ta chứng minh được rằng sơn được thêm chất phụ gia bằng các hạt nano hấp phụ ánh sáng, ví dụ như TiO 2 , thì sơn sẽ tự lau sạch.