phần mở đầu, 3 chương chính văn, kết luận và kiến nghị. Cau trúc khóa luận gồm 33 trang chính văn, 15 hình vẽ, đô thị, 11 bảng biểu và 31 nguồn tài liệu tham khảo. Tổng quan về công nghệ nano, vật liệu nano Cuối thập niên 80, công nghệ nano bắt dau phát triển và thu được nhiều thành quả to lớn không chi trong nghiên cứu mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Ở các vật liệu và linh kiện nano xuất hiện nhiều hiện tượng, tính chất vật lý và hóa học mới mẻ không có trong các vật liệu khối thông thường cùng thành phan hóa học [1].
Công nghệ và vật liệu nano ngày nay được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực từ khoa học, kĩ thuật, y tế đến an ninh quốc phòng. Sản phẩm của nên công nghệ nano đã, đang vả sẽ có mặt trên thị trường và chiếm lĩnh trong phân lớn các lĩnh vực hiện đại mà con người đang quan tâm như: công nghệ điện tử (chất bán dẫn). công nghệ hóa học môi trường (xúc tác xử lí môi trưởng), công nghệ năng lượng (vật liệu dự trữ nang lượng, pin nhiên liệu). công nghệ hàng không vũ trụ (vật liệu chịu nhiệt, siêu bèn, siêu nhẹ), công nghệ y sinh học (dẫn truyền thuốc, robot phẫu thuật, chân đoán hình ảnh, mô nhân tạo).
Một trong những loại vật liệu nano được sử dụng rộng rãi trong thực tế là vật liệu từ. Vật liệu từ được ứng dụng trong các thiết bị như máy biến thé, máy phát điện, động cơ điện,.2; Tổng quan về các vật liệu oxide (CeO, va Fe;O;) 1. Vật liệu cerium(IV) oxide (CeO;) Cerium(IV) oxide (CeO;) là một vật liệu oxide tiềm năng, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau đo có những tính chất hóa lý riêng rất đặc biệt: độ cứng cơ học, độ trơ hóa học, bên cháy vả đặc biệt là khả năng dẫn oxygen cao,. Do tinh dé lưu trữ và tinh dé dàng nha oxygen, CeO, điều tiết áp suất riêng phần của oxygen, tạo ra một siêu bão hòa oxygen tại vùng lân cận của những nguyên té hoạt tính xúc tác như Pt, Pd,.
và sử dung oxygen này dé oxi hóa các cau tử khác nhau. Khi oxi hóa hạt nano CeO; nhận oxygen và nhường oxygen khi khử, dam bảo hoạt tính xúc tác của nó. Do đó, vật liệu nano CeO, đã được nghiên cứu cho quá trình oxi hóa muội than và các hydrocarbon có trong khí thải của động cơ ở vùng nhiệt độ thấp [4]. CeO, là bột mau vàng, khó nóng chảy (Tạ.
= 2400 °C), không bay hơi, bên nhiệt, CeO, không hòa tan trong nước, hòa tan vừa phải trong acid vô cơ mạnh như HCl, H;SO,. CeO, hút âm và CO, từ khí quyền tạo thành muối base — carbonate. CeO, được hình thành khi nung cerium(IV) oxalate Ce(COO), hoặc cerium(IV) hydroxide — Ce(OH),, theo phương trình hoá học (1.1) Ce(COO); — CeO, + 4CO +0; (1.2) Cerium cũng tạo cerium(IIT) oxide — CezOa nhưng kém bên hơn CeO; là chất oxi hóa mạnh trong môi trường acid, ôn định trong môi trường kiểm. Không phản ứng với nước, khi kết tinh từ dung dich tạo tinh thé hydrate CeOz.
Trong những năm gan đây, CeO, có kích thước nano đang được các quốc gia nghiên cứu rộng rai do các đặc tính ưu việt của nó, điện tích bề mặt lớn nên có nhiều ứng dụng phong phú trong nhiều lĩnh vực như phản ứng nhiên liệu ran, xúc tác xử lý khí thải ba chức năng, làm vật liệu hấp thụ tia UV, chế tạo vật liệu phát quang [11]. Hoạt tính xúc tác của CeO, có được là nhờ vào khả nang điều tiết O> tốt do xảy ra sự chuyên đôi qua lại giữa hai trang thái oxi hoá (Ce**/CeTM*), và do đó nó thúc day phản ứng ở nhiệt độ thấp và làm bền xúc tác ở nhiệt độ cao [11]. Bên cạnh đó, hoạt tính xúc tác của CeO, sẽ tăng lên đáng kẻ khi được kết hợp với một số oxide kim loại khác. Do đó, việc nghiên cứu tông hợp vật liệu nano CeO; tiếp tục thu hút sự quan tâm của nhóm chúng tôi.
Vật liệu hematite Fe;O; Iron oxide là một trong những oxide kim loại phố biến và có nhiều ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Cau trúc iron oxide được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghệ khác nhau như xúc tac, xử lý môi trường. chế tạo các vật liệu tử tinh,. Các đặc tính đó đã được các nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu và đã thu được nhiều kết quả khả quan.
Hematite là dạng hình thái iron oxide ôn định nhất và nó có vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng. Fe,O; có tính thuận từ, màu nâu đỏ. Hematite thể hiện nhiều hình thai khác nhau bao gồm a-Fe,O, (hình thoi) và y-Fe:O: (hình lập phương). Don vị tinh thể khác nhau của hematite (a) ơ-FezO¿, (b) y-EezO; [12] Hematite không chỉ là một vật liệu dùng trong chiến lược công nghiệp mà nó còn là một hợp chất được sử đụng rộng rãi trong việc nghiên cứu tính đa hình và sự thay đổi hình dang trong các hat nano.
Hematite với tat cả các dang thù hình của nó là một trong những oxide kim loại được sử dụng nhiều nhất với các ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học và công nghiệp. Hematite có thê được điều chế thành các hạt siêu mịn có kích thước khoảng một vài nanometer. Lợi thể của việc sử dung các hạt FeO; kích thước nano là do chúng có tính én định hoá học. Fe:O: được hình thành trong quá trình nhiệt phân của Fe(OH); ở 170 °C trong chân không.
Hematite cũng được nghiên cứu hoạt tinh xúc tác bởi Farrauto và Heck [13]. Các tác giả đều cho rằng Fe;O; có hoạt tính xúc tác tốt nhất trong các iron oxide. Hematite œ-Fe;O; gần đây đã được phát hiện là một ứng cử viên thay thế quan trọng và đây triển vọng cho quang xúc tác mặt trời, có thẻ phân hủy thuốc nhuộm hữu cơ với hoạt tính oxi hóa quang tuyệt vời [ 14]. Với nhiều đặc tính tốt của Iron(HI) oxide và cerium(IV) oxide thì việc tông hợp hỗn hợp hai oxide kim loại đã được nghiên cứu dé làm tăng kha năng xử lý khí thải và tăng khả năng hấp phụ xử lý môi trường.
Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano Trong những năm qua, việc tông hợp các vật liệu nano có kích thước từ 1 đến 100 nm đã phát triển mạnh trên cả lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng. Những tính chất điện, quang, từ và cá tính chất hóa học đặc biệt của chúng phụ thuộc rất nhiều vào kích thước hạt nanometer. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nói chung rất phong phú và đa dạng. Mỗi phương pháp tông hợp vật liệu đều có tinh wu việt riêng.
Tùy vào mục dich sử dụng vật liệu mà lựa chọn phương pháp thích hợp và mang lại hiệu quả mong muốn. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu bằng phương pháp hóa học điển hình được sử dụng rộng rãi dé téng hợp vật liệu ứng dung trong lĩnh vực xúc tác, hap phụ bảo vệ môi trường như: phương pháp phản ứng pha rắn, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp thủy nhiệt va phương pháp tông hợp đốt cháy. Phương pháp phản ứng pha rắn Đây là phương pháp truyền thống là một trong những phương pháp chế tạo vật liệu phô biến nhất, cho phép tổng hợp vật liệu nano perovskite trực tiếp từ pha ran bang cách nung hỗn hợp các oxide sau khi nghiền trộn ở nhiệt độ cao (hơn 1100 °C). Quá trình chế tạo mẫu theo phương pháp này có thé được minh họa bang sơ đồ (Hình 1.
Cân nguyên liệu Nghiên trộn lan 1 Gia công mẫu và khảo sát tính chất Hình 1. Sơ đồ tạo mẫu bằng phương pháp gốm Trong phương pháp nảy, phản ứng xảy ra hoàn toàn trong trạng thái rắn. ` £ Phản ứng xảy ra trước tiên ở các vùng biên của các hạt sau đó là quá trình khuêch tán của các phan tử cho đến khi hình thành pha sản phẩm. Sản phẩm ở vùng biên của các hạt chính là rào cản.
Như chúng ta đã biết, các tính chất của vật liệu gốm chịu ảnh hưởng rất mạnh bởi tất cả các điều kiện công nghệ chế tạo nó. Vì vậy dé chế tạo được gồm có chất lượng tốt, mọi quá trình công nghệ phải được tuân thủ một cách triệt đẻ. Phản ứng pha rắn xảy ra khi nung hỗn hợp bột các oxide ở nhiệt độ cao (bằng khoảng 2/3 so với nhiệt độ nóng chảy của chúng). Ở nhiệt độ này, các chất phản ứng vẫn nằm ở trạng thái rắn, chính vì vậy phản ứng xảy ra chậm.
Ban đầu phản ứng xảy ra nhanh khi hai hạt tiếp xúc với nhau ở nhiệt độ cao, sau đó lớp sản phẩm lớn lên thì quãng đường khuếch tán của các ion từ vùng này sang vùng khác càng — dai hơn, do đó tốc độ phán ứng chậm đi, Muốn tăng tốc độ phản ứng, cần phải tăng nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, sự kết khối giữa các hạt tăng theo. Để tăng tính đồng nhất của sản phẩm, phải lặp lại quá trình nung nghiên nhiều lần [16]. Quá trình nghiên như vậy có nhược điểm là vừa mắt nhiều thời gian vừa có thé làm ban sản phẩm.
San phẩm cudi cùng thường là hỗn hợp của các pha mong muốn và các pha không mong muốn. Ưu điểm của phương pháp gồm truyền thông là đơn giản và thu được sản phẩm đúng tỷ lệ các nguyên tổ trong cấu trúc vật liệu, các thao tác dé tự động hoá nên dé đưa vào dây chuyền sản xuất với số lượng lớn, chi phi thấp phù hợp với điều kiện của phòng thí nghiệm ở nước ta nên phương pháp này được sử dụng khá phố biến trong các phòng thí nghiệm hiện nay đê chế tạo vật liệu gốm điện tử. Phương pháp gốm truyền thống có nhược điểm là kích thước các hạt không đồng đều, thưởng có tạp chất và các tạp chat này sẽ làm thay đôi tính chất của vật liệu. Phương pháp thủy nhiệt Phương pháp thuỷ nhiệt là phương pháp tông hợp vật liệu nano dùng sự hoà tan trong nước của các chất tham gia phản ứng ở nhiệt độ cao hơn 100 °C và áp suất lớn hơn | atm trong điều kiện kín [17].
Ưu điểm của phương pháp thuỷ nhiệt là cho phép khuếch tán các chất tham gia phản ứng đồng đều ở cấp độ phân tử và tăng điện tích bề mặt của chúng, do đó có thé điều chế được nhiều nhóm vật liệu mong muốn như vật liệu nano oxide, sulfide, nitride,. Ngoài ra, có thé điều chỉnh kích thước và hình thái hạt nano bằng cách điều chỉnh nhiệt độ và thời gian thuỷ nhiệt, giá trị pH của môi trường, tỷ lệ tiền chất,.