Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Vật liệu cấu trúc nano với kích thước tới hạn trong khoảng từ 1 nm đến 100 nm sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn cùng các hiệu ứng lượng tử đặc thù, dẫn đến những tính chất hóa lý khác biệt so với vật liệu khối tương ứng. Trong số các hệ vật liệu chức năng tiên tiến, họ vật liệu perovskite oxide có công thức tổng quát $ABO_3$ (trong đó $A$ là cation kim loại kiềm thổ hoặc đất hiếm, $B$ là cation kim loại chuyển tiếp dãy 3d) thu hút sự quan tâm lớn của giới nghiên cứu nhờ độ bền nhiệt, hoạt tính xúc tác cao, tính chất điện môi, quang học và từ tính phong phú.
Đặc biệt, samarium orthoferrite ($SmFeO_3$) là một perovskite đất hiếm điển hình thể hiện tính chất đa chức năng: độ nhạy và tính chọn lọc cao trong cảm biến khí (như phát hiện các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi), hoạt tính xúc tác quang hóa phân hủy chất ô nhiễm trong vùng ánh sáng khả kiến, vật liệu điện cực tiềm năng cho pin nhiên liệu oxide rắn đối xứng (SOFC), và các đặc trưng từ tính dị hướng phục vụ ghi nhớ từ tính hoặc y sinh học. Các nghiên cứu trước đây đã áp dụng nhiều quy trình điều chế $SmFeO_3$ như phản ứng pha rắn ở nhiệt độ rất cao, phương pháp sol-gel phức tạp hoặc tổng hợp thủy nhiệt đòi hỏi thiết bị chịu áp suất. Tuy nhiên, việc tổng hợp hạt nano $SmFeO_3$ bằng phương pháp đồng kết tủa hóa học sử dụng tác nhân kết tủa là dung dịch sodium hydroxide ($NaOH$) trong môi trường nước cất nhiệt độ cao chưa từng được công bố cụ thể trong các tài liệu khoa học trước đó. Phương pháp đồng kết tủa mang lại lợi thế về mặt kỹ thuật và chi phí: quy trình thao tác đơn giản, nhiệt độ tạo mầm kết tinh thấp, kiểm soát được độ đồng nhất hóa học và dễ dàng thu được hạt kích thước nano với chi phí hóa chất thấp.
Xuất phát từ thực tiễn trên, khóa luận tốt nghiệp thực hiện đề tài "Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu nano perovskite $SmFeO_3$ dạng bột tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa sử dụng dung dịch sodium hydroxide".
Mục tiêu nghiên cứu:
Tổng hợp thành công vật liệu nano perovskite $SmFeO_3$ dạng bột có kích thước hạt nanomet bằng phương pháp đồng kết tủa sử dụng tác nhân kết tủa là dung dịch sodium hydroxide $NaOH$ nồng độ 5%; từ đó khảo sát và xác định các đặc trưng cấu trúc tinh thể, hình thái học bề mặt, thành phần nguyên tố, đặc trưng từ tính và tính chất quang học của mẫu vật liệu sau khi xử lý nhiệt.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu nano perovskite $SmFeO_3$ dạng bột được tổng hợp từ tiền chất muối nitrate của samarium và sắt.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Các đặc trưng cấu trúc tinh thể, liên kết hóa học, hình thái và kích thước hạt của bột nano $SmFeO_3$ được điều chế trong dung môi nước và nung ở hai mốc nhiệt độ 850 °C và 950 °C trong thời gian 1 giờ.
- Các đặc trưng từ tính của mẫu vật liệu đo ở nhiệt độ phòng.
- Tính chất quang học và độ rộng vùng cấm năng lượng ($E_g$) của vật liệu trong dải sóng tử ngoại - khả kiến.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm
Khung lý thuyết và mô hình tinh thể
Khóa luận vận dụng lý thuyết tinh thể học về họ perovskite oxide $ABO_3$. Trong ô mạng lý tưởng dạng lập phương, cation lớn $A$ ($Sm^{3+}$) chiếm vị trí các đỉnh với số phối trí 12, được bao quanh bởi 12 anion oxygen; cation nhỏ $B$ ($Fe^{3+}$) nằm tại tâm khối với số phối trí 6, được bao bọc bởi 6 anion oxygen tạo thành cấu trúc bát diện $[FeO_6]$. Trong tinh thể thực tế của $SmFeO_3$, cấu trúc bị biến dạng lệch khỏi hệ lập phương lý tưởng để chuyển sang hệ trực thoi (orthorhombic).
Các công thức toán học và nguyên lý vật lý dùng trong phân tích:
- Định luật Bragg dùng để xác định các mặt phản xạ tinh thể:
$$n\lambda = 2d\sin\theta$$
- Phương trình Debye – Scherrer tính kích thước tinh thể trung bình ($D_{XRD}$):
$$D_{XRD} = \frac{K\lambda}{\beta\cos\theta}$$
(Trong đó $\lambda = 0{,}15406\text{ nm}$ đối với bức xạ $CuK_\alpha$; $K = 0{,}89$; $\beta$ là độ rộng bán phổ FWHM tính theo radian; $\theta$ là góc nhiễu xạ Bragg).
- Mối quan hệ giữa khoảng cách giữa hai mặt mạng liền kề ($d$) với các chỉ số Miller ($h, k, l$) và hằng số mạng ($a, b, c$) cho hệ trực thoi:
$$\frac{1}{d^2} = \frac{h^2}{a^2} + \frac{k^2}{b^2} + \frac{l^2}{c^2}$$
- Thể tích ô mạng cơ sở:
$$V = a \cdot b \cdot c$$
- Định luật Bouguer – Lambert – Beer và phương pháp đồ thị Tauc biểu diễn sự phụ thuộc của $(\alpha h\nu)^2$ vào năng lượng photon $h\nu$ để xác định năng lượng vùng cấm trực tiếp ($E_g$).
Phương pháp nghiên cứu và hệ thống thiết bị
Quá trình nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện thông qua các phương pháp đo đạc chuẩn hóa:
| Phương pháp phân tích |
Thiết bị và điều kiện đo |
Địa điểm thực hiện |
| Nhiễu xạ tia X bột (PXRD) |
Máy EMPYREAN - PANalytical (Hà Lan), bức xạ $CuK_\alpha$, dải quét $2\theta = 10^\circ - 80^\circ$, tốc độ quét $0{,}02^\circ/\text{giây}$, xử lý phổ bằng phần mềm X'Pert HighScore Plus. |
Phòng thí nghiệm Hải Quan, Q. Phú Nhuận, TP. Hồ Chí Minh |
| Phổ hồng ngoại biến đổi (FTIR) |
Máy NICOLET 6700 (Thermo Scientific), vùng số sóng $400 - 4000\text{ cm}^{-1}$. |
Phòng thí nghiệm Hải Quan, Q. Phú Nhuận, TP. Hồ Chí Minh |
| Kính hiển vi điện tử quét (SEM) |
Máy FE-SEM S4800 (Hitachi, Nhật Bản). |
Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu Công nghệ cao TP. Hồ Chí Minh |
| Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) |
Máy JEM - 1400 (JEOL, Nhật Bản). |
PTN Siêu cấu trúc, Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương, Q. Hai Bà Trưng, Hà Nội |
| Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX & Mapping) |
Máy EDX H-7593 HORIBA (Anh quốc) tích hợp trên hệ kính hiển vi điện tử. |
Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu Công nghệ cao TP. Hồ Chí Minh |
| Từ kế mẫu rung (VSM) |
Máy MicroSense EV11, đo chu trình từ trễ ($M-H$) ở nhiệt độ phòng. |
Viện Khoa học và Công nghệ Ứng dụng, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội |
| Quang phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV - Vis DRS) |
Máy UV-2600 (Shimadzu, Nhật Bản), quả cầu tích phân ISR-2600 Plus, dải bước sóng $220 - 1400\text{ nm}$, nguồn đèn Halogen và Deuterium, detector PMT R928. |
Tòa nhà 2H, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Cầu Giấy, Hà Nội |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về công nghệ nano và vật liệu nano
Chương này tổng thuật lịch sử hình thành và phát triển của khoa học nano, khởi đầu từ các quan niệm vật liệu kích thước nhỏ (chiếc cốc Lycurgus thời La Mã), thuật ngữ "nanometer" của Richard Zsigmondy (1925/1959), và định nghĩa "công nghệ nano" của Norio Taniguchi (1974). Tác giả so sánh hai hướng tiếp cận chế tạo: từ trên xuống (top-down) và từ dưới lên (bottom-up).
Về phân loại vật liệu, chương điểm qua các nhóm vật liệu nano gốc carbon (ống nano carbon, fullerene), nano kim loại, nano bán dẫn và nanocomposite. Phần trọng tâm đi sâu vào vật liệu perovskite oxide $ABO_3$ với lịch sử phát hiện khoáng vật $CaTiO_3$ (Gustav Rose, 1839) và phân tích cấu trúc tinh thể $BaTiO_3$ (Helen Dick Megaw, 1945). Tác giả trình bày các nhóm tính chất vật lý - hóa học then chốt của perovskite:
- Tính chất điện môi: Ứng dụng trong tụ điện vi sóng và bộ nhớ DRAM.
- Tính chất quang học: Độ phát quang, ứng dụng quang điện tử, cảm biến và pin mặt trời.
- Tính sắt điện và đa sắt (multiferroic): Sự tồn tại đồng thời của trật tự sắt điện và chống sắt từ ở nhiệt độ phòng, ứng dụng trong vi điện tử và spintronics.
- Tính siêu dẫn và điện trở từ khổng lồ (CMR): Xuất hiện trong các perovskite oxide gốc Cu hoặc Mn ($RE_{1-x}AE_xMnO_3$).
- Tính xúc tác cao: Khả năng hoạt hóa oxy, xử lý khí thải $CO$, $NO_x$ và hydrocarbon.
Chương 1 cũng tổng quan các kỹ thuật tổng hợp perovskite: phản ứng pha rắn, sol-gel, đồng kết tủa, thủy nhiệt, hóa ướt; đồng thời tổng thuật các công trình đã công bố về $SmFeO_3$ trên thế giới: công trình của Miao Miao Liu và cộng sự (2023) về cảm biến khí ethylene glycol hoạt động ở 180 °C từ vi cầu $SmFeO_3$; công trình của Jingdong Shen và cộng sự (2021) nghiên cứu màng mỏng và bột $SmFeO_3$ bằng xung laser (PLD) trên đế $SrTiO_3$; và công trình của Weiwei Fan cùng cộng sự (2016) về vật liệu nano xốp $Sm_{0{,}95}Ce_{0{,}05}FeO_{3-\delta}$ dùng làm điện cực cho pin nhiên liệu SOFC đối xứng nung ở 850 °C.
Chương 2: Tổng hợp và nghiên cứu
Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất, dụng cụ thủy tinh, thiết bị và quy trình thao tác thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Hóa Vô cơ, Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh.
- Hóa chất sử dụng: Samarium(III) nitrate hexahydrate ($Sm(NO_3)_3\cdot 6H_2O$), Iron(III) nitrate nonahydrate ($Fe(NO_3)_3\cdot 9H_2O$), Sodium hydroxide ($NaOH$), và nước cất.
- Tính toán lượng chất: Lượng mẫu dự kiến điều chế là 0,008 mol $SmFeO_3$. Các muối tiền chất được cân chính xác bằng cân phân tích 4 số lẻ Kern AES 120.
- Quy trình thực nghiệm đồng kết tủa:
- Hòa tan hoàn toàn hỗn hợp hai muối nitrate trên vào 50 mL nước cất.
- Nạp dung dịch muối vào buret 25 mL, nhỏ từ từ từng giọt vào cốc chứa 500 mL nước cất đang sôi ($t^\circ > 90\text{ }^\circ\text{C}$) đặt trên máy khuấy từ gia nhiệt có cá từ đảo trộn liên tục.
- Nhỏ hết dung dịch, duy trì đun sôi và khuấy thêm 5 – 10 phút, sau đó làm nguội hệ về nhiệt độ phòng.
- Cho từ từ dung dịch tác nhân kết tủa $NaOH$ nồng độ 5% vào hệ với lượng dư nhằm kết tủa hoàn toàn các ion $Sm^{3+}$ và $Fe^{3+}$ thành dạng hydroxide hỗn hợp; kiểm tra môi trường bằng giấy đo pH.
- Tiếp tục khuấy đều huyền phù trong khoảng 30 phút đến 2 giờ, để lắng tự nhiên 15 phút.
- Lọc tách pha rắn trên hệ phễu lọc hút chân không, rửa sạch kết tủa nhiều lần bằng nước cất cho đến khi nước lọc đạt độ trung tính ($pH = 7{,}0$).
- Làm khô kết tủa tự nhiên ở nhiệt độ phòng, nghiền mịn bằng cối chày sứ, sau đó chia mẫu đem nung xử lý nhiệt trong lò nung ở hai mức nhiệt độ 850 °C và 950 °C trong thời gian 1 giờ.
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Chương này tập trung biện luận số liệu thu được từ các phép đo cấu trúc và tính chất của hai mẫu nung ở 850 °C và 950 °C:
- Cấu trúc pha qua giản đồ PXRD:
Giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy cả hai mẫu đều là đơn pha, các đỉnh nhiễu xạ hoàn toàn trùng khớp với giản đồ chuẩn của cấu trúc trực thoi (orthorhombic) $SmFeO_3$ (thẻ chuẩn số 00-039-1490 trong ngân hàng phổ JCPDS/ICDD). Không phát hiện đỉnh pha lạ của các oxide đơn lẻ ($Fe_2O_3$ hay $Sm_2O_3$). Khi nhiệt độ nung tăng từ 850 °C lên 950 °C, các đỉnh nhiễu xạ trở nên sắc nét hơn, cường độ đỉnh tăng và độ rộng bán phổ (FWHM) thu hẹp lại, chứng minh độ hoàn thiện tinh thể tăng lên.
| Nhiệt độ nung |
FWHM ($^\circ$) |
Kích thước tinh thể $D_{XRD}$ (nm) |
$a$ (Å) |
$b$ (Å) |
$c$ (Å) |
Thể tích ô mạng $V$ (ų) |
| 850 °C |
0,2312 |
36,19 |
5,4021 |
5,5945 |
7,6670 |
231,71 |
| 950 °C |
0,1535 |
53,96 |
5,3962 |
5,5910 |
7,7069 |
232,51 |
-
Phổ hồng ngoại biến đổi (FTIR):
Phổ FTIR ghi nhận trong dải $400 - 4000\text{ cm}^{-1}$. Ở các mẫu trước khi nung tồn tại dải hấp thụ rộng tại $3200 - 3600\text{ cm}^{-1}$ (dao động hóa trị của liên kết $O-H$ từ nước hấp phụ) và các peak tại $1400\text{ cm}^{-1}$, $1600\text{ cm}^{-1}$ (dao động biến dạng $\delta_{H_2O}$). Sau khi nung ở 850 °C và 950 °C, các dải của nhóm hydroxyl và nước biến mất hoàn toàn. Thay vào đó là hai vùng hấp thụ mạnh đặc trưng cho liên kết vô cơ của khung mạng perovskite: peak tại $415\text{ cm}^{-1}$ quy chiếu cho dao động biến dạng của liên kết $Fe-O-Fe$ và peak tại $550\text{ cm}^{-1}$ thuộc về dao động hóa trị của liên kết $Fe-O$ trong bát diện $[FeO_6]$. Dao động của liên kết $Sm-O$ trong các đơn vị đa diện phối trí $[SmO_{12}]$ nằm xen phủ ở cùng vị trí khiến chân các dải phổ mở rộng.
-
Hình thái bề mặt và kích thước hạt (SEM và TEM):
Ảnh hiển vi SEM và TEM chỉ ra các hạt vật liệu $SmFeO_3$ có hình dạng giả cầu tương đối đồng đều, kích thước hạt nằm trong khoảng $20 - 40\text{ nm}$. Các hạt có hiện tượng kết tụ cụm nhỏ do năng lượng bề mặt hạt nano cao. Giá trị kích thước hạt từ TEM ($20 - 40\text{ nm}$) tương thích tốt với kích thước tinh thể tính từ XRD ($36 - 54\text{ nm}$).
| Nghiên cứu / Công trình |
Phương pháp tổng hợp |
Kích thước hạt theo TEM (nm) |
| Đề tài này |
Đồng kết tủa (NaOH) |
20 – 40 |
| Nghiên cứu [38] |
Vi sóng đơn giản |
50 – 60 |
| Nghiên cứu [39] |
Thủy nhiệt |
50 |
| Nghiên cứu [40] |
Sol – gel |
40 |
| Nghiên cứu [35] |
Phương pháp đốt |
10 – 45 |
-
Thành phần nguyên tố và tỷ lệ phân bố (EDX & EDX-Mapping):
Phổ EDX và ảnh bản đồ nguyên tố (Mapping) xác nhận sự hiện diện đồng đều của ba nguyên tố $Sm$, $Fe$ và $O$ trên toàn bộ bề mặt khảo sát, không phát hiện tạp chất ngoại lai. Định lượng hàm lượng: $Sm$ chiếm $63{,}56%$ khối lượng ($24{,}05%$ nguyên tử); $Fe$ chiếm tương ứng và $O$ tạo nên tỷ lệ mol nguyên tố thực nghiệm là $Sm_{1{,}20}Fe_{1{,}08}O_{2{,}72}$. Tỷ lệ nguyên tử $Sm : Fe : O$ đạt xấp xỉ $1 : 1 : 3$, phù hợp với công thức phân tử lý thuyết của pha perovskite $SmFeO_3$.
-
Đặc trưng từ tính (VSM):
Đường cong từ trễ ($M-H$) đo tại nhiệt độ phòng thể hiện dạng vòng trễ mở rộng đặc trưng cho vật liệu từ cứng:
- Độ từ dư ($M_r$) nhỏ.
- Lực kháng từ ($H_c$) đạt giá trị xấp xỉ $2000\text{ Oe}$.
- Khi nhiệt độ nung tăng từ 850 °C lên 950 °C, giá trị lực kháng từ $H_c$ có xu hướng giảm nhẹ do kích thước hạt tăng lên và cấu trúc tinh thể hoàn thiện làm giảm tính dị hướng từ bề mặt. Lực kháng từ của $SmFeO_3$ trong đề tài cao hơn đáng kể so với một số perovskite orthoferrite đất hiếm khác như $DyFeO_3$, $LaFeO_3$, $NdFeO_3$ (thường có $H_c < 100\text{ Oe}$).
- Phổ hấp thụ UV - Vis DRS và năng lượng vùng cấm ($E_g$):
Phổ UV - Vis phản xạ khuếch tán cho thấy vật liệu hấp thụ quang mạnh trên cả dải tử ngoại ($220 - 400\text{ nm}$) và dải khả kiến ($400 - 780\text{ nm}$). Đồ thị Tauc $(\alpha h\nu)^2$ theo năng lượng photon $h\nu$ xác định được:
- Mẫu nung ở 850 °C: $E_g = 2{,}40\text{ eV}$.
- Mẫu nung ở 950 °C: $E_g = 2{,}08\text{ eV}$.
Hiện tượng thu hẹp vùng cấm khi tăng nhiệt độ nung giải thích bởi sự gia tăng kích thước tinh thể và sự hoàn thiện mạng lưới phối trí, tạo điều kiện thuận lợi cho các chuyển mức điện tử, chứng minh tiềm năng xúc tác quang xử lý chất hữu cơ độc hại dưới nguồn kích thích ánh sáng khả kiến.
Kết quả và đóng góp
Bảng tổng hợp các thông số thực nghiệm chính của vật liệu
Các kết quả đo đạc định lượng của hạt nano $SmFeO_3$ tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa được tổng hợp tại bảng sau:
| Thông số đặc trưng |
Mẫu nung 850 °C (1 giờ) |
Mẫu nung 950 °C (1 giờ) |
| Cấu trúc pha tinh thể (PXRD) |
Trực thoi đơn pha (orthorhombic) |
Trực thoi đơn pha (orthorhombic) |
| Độ rộng bán phổ peak FWHM |
$0{,}2312^\circ$ |
$0{,}1535^\circ$ |
| Kích thước tinh thể trung bình $D_{XRD}$ |
$36{,}19\text{ nm}$ |
$53{,}96\text{ nm}$ |
| Thể tích ô mạng tinh thể $V$ |
$231{,}71\text{ \AA}^3$ |
$232{,}51\text{ \AA}^3$ |
| Kích thước hạt qua kính hiển vi TEM |
$20 - 40\text{ nm}$ |
$20 - 40\text{ nm}$ |
| Công thức thực nghiệm (EDX) |
$Sm_{1{,}20}Fe_{1{,}08}O_{2{,}72}$ (tỷ lệ $Sm:Fe:O \approx 1:1:3$) |
— |
| Lực kháng từ $H_c$ (VSM) |
Cao ($\sim 2000\text{ Oe}$) |
Có xu hướng giảm nhẹ so với 850 °C |
| Phân loại vật liệu từ |
Vật liệu từ cứng |
Vật liệu từ cứng |
| Năng lượng vùng cấm $E_g$ (UV - Vis) |
$2{,}40\text{ eV}$ |
$2{,}08\text{ eV}$ |
| Vùng hấp thụ quang phổ |
Tử ngoại và khả kiến ($220 - 780\text{ nm}$) |
Tử ngoại và khả kiến ($220 - 780\text{ nm}$) |
Đóng góp mới của đề tài
- Đóng góp về mặt phương pháp: Thiết lập được quy trình đồng kết tủa hoàn chỉnh để tổng hợp đơn pha nano perovskite $SmFeO_3$ bằng việc sử dụng trực tiếp dung dịch kiềm $NaOH$ 5% nhỏ giọt vào môi trường nước cất sôi ($>90\text{ }^\circ\text{C}$). Quy trình này thay thế hiệu quả các tác nhân kết tủa phức tạp hay các quy trình thủy nhiệt/sol-gel tốn kém, giúp hạ nhiệt độ phản ứng và rút ngắn thời gian thao tác.
- Đóng góp về mặt dữ liệu thực nghiệm: Cung cấp bộ thông số cấu trúc ô mạng, kích thước hạt phân tích qua TEM ($20 - 40\text{ nm}$), giá trị lực kháng từ cao đạt xấp xỉ $2000\text{ Oe}$ (xếp vào nhóm vật liệu từ cứng), và giá trị năng lượng vùng cấm điều chỉnh từ $2{,}40\text{ eV}$ xuống $2{,}08\text{ eV}$ theo nhiệt độ nung.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế được ghi nhận
- Nghiên cứu thực nghiệm mới chỉ khảo sát một tác nhân kết tủa duy nhất là dung dịch $NaOH$ 5% và dung môi nước cất ở nhiệt độ cao ($>90\text{ }^\circ\text{C}$); chưa tiến hành so sánh đối chứng song song với điều kiện dung môi nước lạnh hoặc các dung môi phân cực khác.
- Phạm vi đề tài dừng lại ở việc tổng hợp, phân tích cấu trúc vi mô và tính chất vật lý cơ bản (từ tính, quang học); chưa triển khai các phép đo thử nghiệm ứng dụng cụ thể như đo độ nhạy cảm biến khí thực tế hoặc thử nghiệm phân hủy quang xúc tác một chất màu ô nhiễm cụ thể.
Hướng mở rộng nghiên cứu
Dựa trên các đề xuất trong văn bản khóa luận:
- Tổng hợp bột nano perovskite $SmFeO_3$ bằng phương pháp đồng kết tủa với các tác nhân kết tủa khác nhau (như ammonia $NH_3$, ammonium carbonate, ammonium oxalate), thay đổi dung môi hoặc thực hiện kết tủa ở nhiệt độ phòng (nước lạnh) để khảo sát ảnh hưởng tới hình thái và độ phân tán hạt.
- Nghiên cứu pha tạp các cation kim loại chuyển tiếp hoặc kim loại đất hiếm khác (như $Ni$, $Mn$, $Co$) thay thế một phần vị trí của $Fe$ hoặc $Sm$ trong cấu trúc mạng lưới nhằm điều biến năng lượng vùng cấm, nâng cao hoạt tính xúc tác quang hóa và cải biến tính chất điện học - từ học.
Giá trị tham khảo
Bản khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:
- Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh: Thuộc các chuyên ngành Sư phạm Hóa học, Hóa vô cơ, Hóa lý thuyết và Hóa lý, Khoa học Vật liệu và Công nghệ Nano đang tìm kiếm quy trình tổng hợp mẫu vật liệu oxide phức hợp họ orthoferrite dạng bột mịn kích thước dưới 100 nm.
- Phần nội dung đáng tham khảo:
- Quy trình tính toán hóa chất và quy trình thao tác đồng kết tủa từng bước trong dung môi nước sôi tại Chương 2.
- Phương pháp xử lý dữ liệu thực nghiệm liên hoàn: kết hợp tính toán kích thước tinh thể từ giản đồ XRD qua phương trình Debye – Scherrer với ảnh chụp TEM, cùng kỹ thuật ngoại suy đồ thị Tauc để xác định năng lượng vùng cấm $E_g$ từ phổ UV - Vis DRS tại Chương 3.
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao tác giả chọn nhiệt độ nung mẫu kết tủa là 850 °C và 950 °C?
Dựa trên tổng thuật các nghiên cứu về orthoferrite đất hiếm và các bài báo tham khảo liên quan (như tài liệu [33], [34] trong khóa luận), cấu trúc tinh thể của perovskite $SmFeO_3$ bắt đầu kết tinh tốt từ khoảng nhiệt độ 850 °C. Do đó, hai mốc nhiệt độ 850 °C và 950 °C được lựa chọn để theo dõi sự biến đổi cấu trúc, sự hoàn thiện ô mạng và sự dịch chuyển năng lượng vùng cấm khi xử lý nhiệt trong thời gian 1 giờ.
2. Kích thước hạt nano $SmFeO_3$ thu được qua ảnh kính hiển vi điện tử (TEM) là bao nhiêu và có hình thái gì?
Hình ảnh TEM tại Chương 3 ghi nhận các hạt nano $SmFeO_3$ có dạng hình cầu (hoặc giả cầu), phân bố kích thước tương đối đồng đều trong khoảng từ $20\text{ nm}$ đến $40\text{ nm}$. Kết quả này tương đồng với kích thước tinh thể tính toán từ giản đồ XRD ($36 - 54\text{ nm}$).
3. Năng lượng vùng cấm ($E_g$) của vật liệu thay đổi như thế nào khi tăng nhiệt độ nung từ 850 °C lên 950 °C?
Theo kết quả phân tích phổ UV - Vis DRS bằng đồ thị Tauc, khi nhiệt độ nung tăng từ 850 °C lên 950 °C, năng lượng vùng cấm $E_g$ giảm từ $2{,}40\text{ eV}$ xuống còn $2{,}08\text{ eV}$. Sự thu hẹp vùng cấm này giúp vật liệu mở rộng khả năng hấp thụ photon sang vùng ánh sáng khả kiến.
4. Dựa vào dữ kiện nào tác giả khẳng định mẫu $SmFeO_3$ thuộc nhóm vật liệu từ cứng?
Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM) ở nhiệt độ phòng cho thấy đường cong từ trễ ($M-H$) có dạng vòng trễ mở rộng rõ rệt, độ từ dư ($M_r$) nhỏ và lực kháng từ ($H_c$) đạt giá trị rất cao, xấp xỉ $2000\text{ Oe}$ ($H_c > 100\text{ Oe}$ là tiêu chuẩn phân loại vật liệu từ cứng).
5. Công thức hóa học thực nghiệm của sản phẩm tính từ phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) là gì?
Từ tỷ lệ phần trăm khối lượng và phần trăm nguyên tử phân tích trên phổ EDX ($Sm$ chiếm $63{,}56%$ khối lượng, tương ứng $24{,}05%$ nguyên tử), tác giả tính ra công thức thực nghiệm của vật liệu là $Sm_{1{,}20}Fe_{1{,}08}O_{2{,}72}$. Tỷ lệ nguyên tử giữa ba nguyên tố xấp xỉ $1 : 1 : 3$, phù hợp với công thức phân tử lý thuyết của $SmFeO_3$.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Hồ Thị Thu Hà đã tổng hợp thành công vật liệu nano perovskite $SmFeO_3$ dạng bột đơn pha cấu trúc trực thoi bằng phương pháp đồng kết tủa sử dụng tác nhân $NaOH$ 5% trong dung môi nước. Vật liệu sau khi nung ở 850 °C và 950 °C có dạng hạt hình cầu đồng đều với kích thước dao động trong khoảng $20 - 40\text{ nm}$ và đạt độ tinh khiết hóa học cao với tỷ lệ thành phần gần đúng $1:1:3$. Các đặc trưng thực nghiệm xác định vật liệu sở hữu lực kháng từ cao xấp xỉ $2000\text{ Oe}$ thuộc nhóm từ cứng, đồng thời có năng lượng vùng cấm hẹp từ $2{,}08\text{ eV}$ đến $2{,}40\text{ eV}$ hấp thụ mạnh trong vùng ánh sáng khả kiến, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực quang xúc tác xử lý môi trường và vật liệu điện tử.
