Khóa luận: Tổng hợp vật liệu nano từ tính Y1-xSrxFeO3 bằng phương pháp đồng kết tủa

Khóa luận: Tổng hợp vật liệu nano từ tính Y1-xSrxFeO3 (x=0.1, 0.2) bằng phương pháp đồng kết tủa hóa học. Nghiên cứu cấu trúc, tính chất vật liệu.

• Tác giả: Trần Thị Mai Xuân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Anh Tiến
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu Nano Từ Tính Y₁₋ₓSrxFeO₃
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH VẼ VA BANG BIEU
• 1. CHUONG 1: TONG QUAN VE CƠ SỞ LÍ THUYET CUA DE TÀI
• 1.1. Hat nano, vật liệu nano và công nghệ nano
• 1.2. Phương pháp điều chế vật liệu nanO
• 1.3. VAT LIEU NANO TỪ TINH
• 1.4. Phương pháp điều chế hat nano từ tính
• 1.5. VAT LIEU PEROVSKTTE
• 1.6. TONG QUAN VỀ MOT SO HỢP CHAT CUA YTTRI, STRONTI VA SAT
• 1.7. Hg chat cia SRO
• 1.8. Oxit và hydroxit của Sit
• 2. CHUONG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. PHƯƠNG PHÁP PHAN TÍCH NHIỆT (TGA/DTA)
• 2.2. PHƯƠNG PHÁP NHIÊU XA TIA X (XRD)
• 2.3. PHƯƠNG PHAP PHO TAN SAC NANG LƯỢNG TIA X (EDS)
• 2.4. KÍNH HIẾN VI ĐIỆN TỬ QUET (SEM)
• 2.5. PHƯƠNG PHAP ĐO ĐỘ TỪ HÓA
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIEM - KET QUÁ - THẢO LUẬN
• 3.1. HÓA CHAT VÀ DỰNG CỤ
• 3.2. THỰC NGHIỆM TONG HỢP VAT LIEU NANO TỪ TÍNH Y¡
• 3.3. KET QUÁ - THẢO LUẬN
• KÉTLUẬN VÀ BÊ XUẤT
• TATLIEDUTHAM KHAO
• MỞ ĐẦU

Tóm tắt

I. Khám phá vật liệu nano Y1 xSrxFeO3 từ tính đột phá

Trong bối cảnh công nghệ nano phát triển mạnh mẽ, các vật liệu nano perovskite với công thức ABO₃ đang thu hút sự quan tâm đặc biệt nhờ những tính chất điện, từ và xúc tác độc đáo. Nổi bật trong số đó là Yttrium orthoferrite (YFeO₃), một vật liệu sở hữu cấu trúc tinh thể bền vững và nhiều ứng dụng tiềm năng. Tuy nhiên, để tối ưu hóa và mở rộng khả năng ứng dụng, việc biến tính cấu trúc của YFeO₃ là một hướng đi chiến lược. Nghiên cứu về tổng hợp nano Y₁₋ₓSrₓFeO₃ từ tính ra đời từ chính nhu cầu này, tập trung vào việc thay thế một phần ion Yttrium (Y³⁺) bằng ion Stronti (Sr²⁺). Sự pha tạp Stronti (Sr) không chỉ là một thay đổi về thành phần hóa học mà còn là một kỹ thuật tinh vi để điều chỉnh cấu trúc mạng tinh thể, tạo ra các sai hụt điện tích và thay đổi trạng thái oxy hóa của ion sắt (Fe). Những biến đổi này ở cấp độ nano được kỳ vọng sẽ tạo ra sự đột phá về tính chất từ, mở ra những ứng dụng mới trong các lĩnh vực như lưu trữ thông tin, xúc tác quang và thiết bị cảm biến. Việc chế tạo thành công các hạt nano từ tính Y₁₋ₓSrₓFeO₃ với kích thước và hình thái đồng đều là mục tiêu cốt lõi, đòi hỏi sự lựa chọn và tối ưu hóa phương pháp tổng hợp một cách khoa học và hiệu quả.

1.1. Giới thiệu cấu trúc perovskite của Yttrium orthoferrite

Yttrium orthoferrite (YFeO₃) là một hợp chất thuộc họ perovskite với công thức chung ABO₃. Trong cấu trúc này, ion Y³⁺ có bán kính lớn hơn chiếm vị trí A, trong khi ion Fe³⁺ có bán kính nhỏ hơn chiếm vị trí B. Đặc trưng quan trọng nhất của cấu trúc tinh thể perovskite là sự tồn tại của các khối bát diện BO₆ (trong trường hợp này là FeO₆) được liên kết với nhau qua các đỉnh oxy. Cấu trúc này tạo nên một mạng lưới không gian ba chiều bền vững. Tinh thể YFeO₃ nguyên chất thường có cấu trúc trực thoi, là một biến thể của cấu trúc lập phương lý tưởng. Sự biến dạng này là do kích thước của ion Y³⁺ không hoàn toàn phù hợp với lỗ trống trong mạng lưới bát diện FeO₆. Chính cấu trúc đặc biệt này đã mang lại cho YFeO₃ những tính chất quang và từ thú vị, làm nền tảng cho việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới thông qua phương pháp pha tạp.

1.2. Vai trò của việc pha tạp Stronti Sr vào mạng YFeO₃

Việc pha tạp Stronti (Sr) vào vị trí của Yttrium trong mạng tinh thể YFeO₃ là một chiến lược quan trọng để biến đổi tính chất của vật liệu gốc. Khi ion Sr²⁺ (bán kính ion ~1.18 Å) thay thế cho ion Y³⁺ (bán kính ion ~0.9 Å), sự khác biệt về điện tích và bán kính ion sẽ gây ra những thay đổi sâu sắc. Thứ nhất, để bù trừ cho sự thiếu hụt điện tích dương khi Y³⁺ được thay bằng Sr²⁺, một phần ion Fe³⁺ trong mạng sẽ chuyển thành Fe⁴⁺, tạo ra trạng thái hóa trị hỗn hợp Fe³⁺/Fe⁴⁺. Sự tồn tại của cặp hóa trị này thúc đẩy tương tác trao đổi siêu dẫn (superexchange) qua cầu nối Fe³⁺-O-Fe⁴⁺, được cho là nguyên nhân chính làm thay đổi mạnh mẽ tính chất từ của vật liệu. Thứ hai, sự chênh lệch bán kính ion có thể gây ra sức căng trong mạng lưới, làm thay đổi các thông số như hằng số mạng và thể tích ô mạng, từ đó ảnh hưởng đến các đặc trưng từ tính như từ độ bão hòa (Ms) và lực kháng từ (Hc).

II. Phương pháp tổng hợp nano Y1 xSrxFeO3 Hướng đi nào

Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp đóng vai trò quyết định đến chất lượng của vật liệu nano Y₁₋ₓSrₓFeO₃, bao gồm kích thước hạt, độ đồng đều, độ tinh khiết pha và cuối cùng là các tính chất từ của sản phẩm. Các phương pháp truyền thống như phản ứng pha rắn thường đòi hỏi nhiệt độ cao và thời gian dài, dễ tạo ra các hạt có kích thước lớn, không đồng đều và có thể lẫn tạp chất. Để khắc phục những nhược điểm này, các phương pháp hóa học hiện đại được ưu tiên sử dụng. Các phương pháp như phương pháp sol-gel, phương pháp thủy nhiệt, và phương pháp tự cháy gel đều có khả năng tạo ra các hạt nano với độ phân tán cao. Tuy nhiên, mỗi phương pháp có những ưu và nhược điểm riêng về sự phức tạp trong quy trình, chi phí hóa chất và khả năng kiểm soát hình thái sản phẩm. Trong số đó, phương pháp đồng kết tủa nổi lên như một lựa chọn hấp dẫn nhờ sự đơn giản, chi phí thấp và khả năng tạo ra sản phẩm có độ đồng nhất cao về mặt thành phần hóa học ở cấp độ phân tử. Việc lựa chọn phương pháp này cho quá trình tổng hợp nano Y₁₋ₓSrₓFeO₃ hứa hẹn mang lại hiệu quả cao và dễ dàng triển khai trong điều kiện phòng thí nghiệm thông thường.

2.1. So sánh các phương pháp điều chế vật liệu nano phổ biến

Có nhiều hướng tiếp cận để điều chế YFeO₃ và các vật liệu dẫn xuất của nó. Phương pháp cơ học (nghiền bi năng lượng cao) đơn giản nhưng khó kiểm soát kích thước hạt và dễ gây nhiễm bẩn. Các phương pháp hình thành từ pha khí (bốc bay laser, nhiệt phân) có thể tạo hạt rất mịn và tinh khiết nhưng hiệu suất thấp và chi phí cao. Trong nhóm phương pháp hóa ướt, phương pháp sol-gel cho phép kiểm soát tốt cấu trúc nhưng quy trình thường phức tạp và tốn thời gian. Phương pháp thủy nhiệt cho phép tạo ra các hạt có độ tinh thể cao ở nhiệt độ tương đối thấp nhưng đòi hỏi thiết bị chịu áp suất cao. So với các phương pháp này, phương pháp đồng kết tủa có ưu thế về sự đơn giản, khả năng sản xuất hàng loạt và đảm bảo sự trộn lẫn đồng đều của các cation kim loại ngay từ giai đoạn dung dịch, một yếu tố then chốt để tạo ra pha perovskite đồng nhất sau khi nung.

2.2. Ưu điểm của phương pháp đồng kết tủa hóa học

Phương pháp đồng kết tủa được lựa chọn dựa trên những ưu điểm vượt trội. Nguyên tắc của phương pháp là kết tủa đồng thời các ion kim loại (Y³⁺, Sr²⁺, Fe³⁺) từ một dung dịch đồng nhất dưới dạng các hợp chất ít tan như hydroxit hoặc cacbonat. Quá trình này đảm bảo các cation được phân bố cực kỳ đồng đều trong tiền chất rắn. Nhờ vậy, khoảng cách khuếch tán giữa các ion trong quá trình nung sau đó được rút ngắn đáng kể, cho phép sự hình thành pha perovskite diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn và trong thời gian ngắn hơn so với phương pháp phản ứng pha rắn. Điều này giúp hạn chế sự phát triển của các hạt, tạo ra sản phẩm cuối cùng có kích thước ở thang đo nanomet. Hơn nữa, quy trình thực hiện tương đối đơn giản, không yêu cầu thiết bị phức tạp, thân thiện với môi trường và có giá trị kinh tế cao, rất phù hợp cho các nghiên cứu cơ bản và định hướng ứng dụng.

III. Quy trình tổng hợp nano Y1 xSrxFeO3 từ tính chi tiết

Quy trình tổng hợp nano Y₁₋ₓSrₓFeO₃ từ tính bằng phương pháp đồng kết tủa được thực hiện qua các bước chính được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Trọng tâm của quy trình là đảm bảo các cation được kết tủa đồng thời và đồng nhất từ dung dịch muối ban đầu. Các yếu tố như nhiệt độ, pH của dung dịch, nồng độ tác nhân kết tủa và thời gian khuấy trộn đều có ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước và sự phân bố của các hạt tiền chất. Sau giai đoạn kết tủa, quá trình lọc, rửa và sấy khô được thực hiện cẩn thận để loại bỏ các ion tạp và nước dư thừa. Giai đoạn quan trọng cuối cùng là nhiệt phân (nung) sản phẩm tiền chất. Nhiệt độ và thời gian nung là hai thông số quyết định sự hình thành cấu trúc tinh thể perovskite, loại bỏ các pha tạp và kiểm soát kích thước hạt cuối cùng. Việc khảo sát các điều kiện nhiệt độ nung khác nhau (ví dụ: 750°C, 800°C, 850°C) là cần thiết để tìm ra điều kiện tối ưu cho việc tạo ra hạt nano từ tính Y₁₋ₓSrₓFeO₃ đơn pha với các đặc tính mong muốn.

3.1. Giai đoạn chuẩn bị hóa chất và tạo dung dịch tiền chất

Bước đầu tiên là chuẩn bị các dung dịch muối của Yttri, Stronti và Sắt với nồng độ xác định. Các muối tan như YCl₃, Sr(NO₃)₂ và Fe(NO₃)₃ được hòa tan trong nước cất theo đúng tỉ lệ mol của công thức Y₁₋ₓSrₓFeO₃ cần tổng hợp (ví dụ x=0.1 hoặc x=0.2). Các dung dịch muối này sau đó được trộn lẫn với nhau để tạo thành một dung dịch hỗn hợp đồng nhất, chứa đầy đủ các cation kim loại cần thiết. Sự đồng nhất của dung dịch tiền chất ở bước này là yếu tố tiên quyết, đảm bảo rằng khi kết tủa, các cation sẽ được phân bố đều trong toàn bộ khối vật liệu, tránh sự hình thành các pha riêng biệt của từng oxit kim loại sau này.

3.2. Quá trình đồng kết tủa và hình thành gel hydroxit cacbonat

Dung dịch tác nhân kết tủa, thường là dung dịch amoni cacbonat ((NH₄)₂CO₃) hoặc amoni hydroxit (NH₄OH), được thêm từ từ vào dung dịch hỗn hợp muối dưới sự khuấy trộn liên tục. Quá trình này làm tăng pH của dung dịch, khiến các cation kim loại kết tủa đồng thời dưới dạng hydroxit và/hoặc cacbonat không tan. Ví dụ, các phản ứng có thể xảy ra: 2Y³⁺ + 3CO₃²⁻ → Y₂(CO₃)₃↓; Sr²⁺ + CO₃²⁻ → SrCO₃↓; Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓. Sản phẩm thu được là một hỗn hợp kết tủa dạng gel, chứa các tiền chất của Y, Sr, và Fe được phân tán cực kỳ mịn và đồng nhất. Gel này sau đó được lọc, rửa kỹ bằng nước cất để loại bỏ các ion tạp (như Cl⁻, NO₃⁻, NH₄⁺) và sấy khô ở nhiệt độ thấp để loại bỏ nước.

3.3. Giai đoạn nhiệt phân để tạo pha perovskite tinh thể

Bột tiền chất sau khi sấy khô được đem đi nhiệt phân trong lò nung. Quá trình này gồm hai giai đoạn chính. Đầu tiên, ở nhiệt độ thấp (dưới 500°C), nước liên kết hóa học bị loại bỏ và các hydroxit, cacbonat phân hủy để tạo thành các oxit kim loại tương ứng (Y₂O₃, SrO, Fe₂O₃). Tiếp theo, ở nhiệt độ cao hơn (thường từ 700°C đến 900°C), các oxit này phản ứng với nhau để hình thành cấu trúc tinh thể perovskite Y₁₋ₓSrₓFeO₃. Dựa trên phân tích nhiệt (TGA/DTA), quá trình hình thành pha ổn định thường xảy ra ở nhiệt độ trên 750°C. Việc lựa chọn nhiệt độ và thời gian nung tối ưu là rất quan trọng: nhiệt độ quá thấp sẽ không tạo thành pha perovskite hoàn chỉnh, trong khi nhiệt độ quá cao có thể làm các hạt nano từ tính kết tụ lại, tăng kích thước và làm mất đi hiệu ứng kích thước.

IV. Phân tích tính chất từ và cấu trúc của Y1 xSrxFeO3

Sau khi tổng hợp nano Y₁₋ₓSrₓFeO₃, việc đặc trưng hóa cấu trúc và tính chất là bước không thể thiếu để đánh giá chất lượng sản phẩm. Các kỹ thuật phân tích hiện đại được sử dụng để cung cấp thông tin toàn diện về vật liệu. Nhiễu xạ tia X (XRD) là phương pháp nền tảng để xác định thành phần pha, cấu trúc tinh thể và tính toán các thông số mạng. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) được dùng để quan sát hình thái, kích thước và sự phân bố của các hạt nano. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) giúp xác nhận thành phần nguyên tố của vật liệu, kiểm tra tỉ lệ pha tạp có đúng với tính toán ban đầu hay không. Đặc biệt, để khảo sát tính chất từ, từ kế mẫu rung (VSM) được sử dụng để đo đường cong từ trễ (M-H loop). Từ đó, các thông số từ tính quan trọng như từ độ bão hòa (Ms), từ dư (Mr) và lực kháng từ (Hc) được xác định, cho phép phân loại vật liệu là từ cứng hay từ mềm và đánh giá ảnh hưởng của nồng độ Sr.

4.1. Khảo sát cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X XRD

Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của các mẫu Y₁₋ₓSrₓFeO₃ sau khi nung cho thấy sự hình thành của pha perovskite có cấu trúc trực thoi. Bằng cách so sánh các đỉnh nhiễu xạ thu được với dữ liệu chuẩn (JCPDS), có thể xác nhận độ tinh khiết của sản phẩm. Kết quả từ tài liệu gốc cho thấy, ở nhiệt độ 800-850°C, các đỉnh nhiễu xạ chính đặc trưng cho pha YFeO₃ xuất hiện rõ nét. Điều này khẳng định sự thành công của phương pháp đồng kết tủa trong việc tạo ra pha mong muốn. Tuy nhiên, ở một số điều kiện nung chưa tối ưu, có thể xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ phụ của tạp chất, phổ biến nhất là Y₂O₃. Việc tăng nhiệt độ nung thường giúp loại bỏ tạp chất và tăng độ tinh thể của vật liệu. Sự dịch chuyển nhẹ của các đỉnh nhiễu xạ khi thay đổi nồng độ Sr cũng cho thấy ion Sr đã đi vào mạng tinh thể, làm thay đổi hằng số mạng.

4.2. Đánh giá hình thái hạt nano qua ảnh SEM

Ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp cái nhìn trực quan về hình thái học bề mặt của vật liệu. Các mẫu tổng hợp nano Y₁₋ₓSrₓFeO₃ cho thấy các hạt có dạng gần hình cầu và kích thước tương đối đồng đều. Theo tài liệu gốc, ở điều kiện nung tối ưu (800°C), kích thước hạt trung bình dao động trong khoảng 40-60 nm. Ảnh SEM cũng cho thấy hiện tượng các hạt nano có xu hướng kết tụ lại thành các đám lớn hơn, đây là một đặc điểm phổ biến của vật liệu nano do năng lượng bề mặt cao. Nhiệt độ nung có ảnh hưởng rõ rệt đến kích thước hạt: khi tăng nhiệt độ lên 850°C, kích thước hạt có xu hướng tăng lên do sự phát triển và liên kết giữa các hạt, nhưng đồng thời cũng giúp cải thiện độ tinh thể như đã thấy từ kết quả XRD.

4.3. Đo đạc đặc trưng từ qua đường cong từ trễ M H

Các tính chất từ của vật liệu được xác định thông qua việc phân tích đường cong từ trễ (M-H loop) đo bằng từ kế mẫu rung (VSM). Kết quả cho thấy việc pha tạp Stronti (Sr) đã làm thay đổi đáng kể đặc tính từ của YFeO₃. Hầu hết các mẫu Y₁₋ₓSrₓFeO₃ tổng hợp được đều thể hiện hành vi của vật liệu từ cứng, với giá trị lực kháng từ (Hc) lớn (>> 100 Oe). Ví dụ, mẫu Y₀.₉Sr₀.₁FeO₃ nung ở 800°C có Hc lên tới 500.98 Oe. Điều này chứng tỏ sự pha tạp Sr làm tăng tính dị hướng từ của vật liệu. Ngược lại, mẫu Y₀.₉Sr₀.₁FeO₃ nung ở 750°C lại có Hc thấp (93.02 Oe), thuộc loại vật liệu từ mềm. Sự thay đổi này cho thấy tính chất từ của hệ vật liệu này rất nhạy với điều kiện tổng hợp, đặc biệt là nhiệt độ nung. Các giá trị từ độ bão hòa (Ms) và từ dư (Mr) cũng tăng lên đáng kể so với YFeO₃ nguyên chất, khẳng định vai trò của Sr trong việc tăng cường tính sắt từ.

V. Tiềm năng ứng dụng từ vật liệu nano Y1 xSrxFeO3

Kết quả nghiên cứu về tổng hợp nano Y₁₋ₓSrₓFeO₃ từ tính không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mở ra nhiều định hướng ứng dụng thực tiễn. Khả năng điều chỉnh tính chất từ từ mềm sang cứng bằng cách thay đổi nồng độ pha tạp và điều kiện tổng hợp làm cho vật liệu này trở nên linh hoạt cho nhiều mục đích khác nhau. Các hạt nano từ tính với lực kháng từ cao (vật liệu từ cứng) là ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng trong công nghệ lưu trữ thông tin mật độ cao, chẳng hạn như vật liệu ghi từ trong ổ đĩa cứng hoặc băng từ. Chúng cũng có thể được sử dụng để chế tạo nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao với kích thước nhỏ gọn. Mặt khác, các vật liệu có tính từ mềm lại phù hợp cho các ứng dụng trong cảm biến từ, lõi biến thế tần số cao và các thiết bị che chắn điện từ. Ngoài ra, với bản chất là một oxit bán dẫn và có bề mặt riêng lớn, Y₁₋ₓSrₓFeO₃ còn có tiềm năng lớn trong lĩnh vực xúc tác quang và xử lý môi trường.

5.1. Vật liệu từ cứng cho lưu trữ dữ liệu và nam châm vĩnh cửu

Với lực kháng từ (Hc) và từ dư (Mr) cao, các mẫu Y₁₋ₓSrₓFeO₃ thuộc loại từ cứng rất phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng lưu giữ từ tính tốt sau khi loại bỏ từ trường ngoài. Trong lĩnh vực lưu trữ dữ liệu, mỗi hạt nano có thể hoạt động như một bit nhớ, và lực kháng từ cao đảm bảo dữ liệu không bị xóa bởi các từ trường nhiễu loạn bên ngoài. Điều này cho phép tạo ra các thiết bị lưu trữ có mật độ thông tin cực cao. Bên cạnh đó, chúng có thể được dùng để chế tạo các loại nam châm vĩnh cửu kích thước micro và nano, ứng dụng trong các hệ vi cơ điện tử (MEMS/NEMS) và trong ứng dụng y sinh như các hạt dẫn thuốc có định hướng bằng từ trường.

5.2. Hướng tới vật liệu từ mềm cho ứng dụng cảm biến

Kết quả cho thấy mẫu Y₀.₉Sr₀.₁FeO₃ nung ở nhiệt độ thấp (750°C) biểu hiện tính chất của vật liệu từ mềm (Hc < 100 Oe). Vật liệu từ mềm có đặc điểm là dễ dàng bị từ hóa và khử từ dưới tác động của từ trường ngoài. Tính chất này rất lý tưởng cho việc chế tạo các loại cảm biến từ trường có độ nhạy cao. Khi có sự thay đổi nhỏ của từ trường môi trường, từ độ của vật liệu sẽ thay đổi một cách nhanh chóng và rõ rệt, tạo ra tín hiệu điện có thể đo được. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm cảm biến đo dòng điện, cảm biến vị trí và các lõi dẫn từ trong các linh kiện điện tử hoạt động ở tần số cao, nơi yêu cầu tổn hao từ trễ thấp.

5.3. Xúc tác quang và xử lý môi trường Một triển vọng mới

Ngoài các ứng dụng từ tính, YFeO₃ và các vật liệu perovskite pha tạp còn được biết đến với khả năng ứng dụng xúc tác quang. Nhờ có vùng cấm năng lượng phù hợp, chúng có thể hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến để tạo ra các cặp electron-lỗ trống, từ đó khởi đầu các phản ứng oxy hóa-khử để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và không khí. Việc pha tạp Sr có thể điều chỉnh vùng cấm năng lượng và tăng hiệu quả tách cặp điện tử-lỗ trống, nâng cao hoạt tính xúc tác. Với diện tích bề mặt lớn của các hạt nano từ tính, vật liệu Y₁₋ₓSrₓFeO₃ có thể được thu hồi dễ dàng khỏi dung dịch sau khi xử lý bằng một nam châm bên ngoài, giải quyết vấn đề tái sử dụng chất xúc tác một cách hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TONG QUAN VE CƠ SỞ LÍ THUYET CUA DE TAI 1. GIỚI THIEU VE NANO 1. Hat nano, vật liệu nano và công nghệ nano Ngày nay, ta có thẻ tình cờ nghe được một vài vấn đề nào đó hoặc một sản phẩm nao đó có liên quan đến hai chữ “nano”.

Chữ nano, gốc Hi Lap, được gắn vào trước các đơn vị đo dé tạo ra đơn vị ước giảm đi 1 tỉ lần (10°). Ví dụ: nanogam = 1 phan ti của gam, nanomet = 1 phan tỉ mét. Nanomet là điểm kì diệu trong kich thước chiều đài, là điểm mà tại đó những vật liệu sáng chế nhỏ nhất do con người chế tạo ra ở cấp độ nguyên tứ và phân tử của thé giới tự nhiên. Công nghệ nano (nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dang, kích thước trên quy mô nanomet (từ | đến 100 nm).

Khoa học nano (nanoscience) là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng va sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử va đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hãn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn. Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ rang, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu nano. Vật liệu nano (nanomaterials) là các tô chức, cầu trúc, thiết bị.

có kích thước nano (khoảng từ 1 đến vài trăm nanomet, tức cỡ nguyên tử, phân tử, hay đại phân tử - macromolecule). Các vật liệu với kích thước như vậy có những tính chất hóa hoc, nhiệt, điện, từ. rất đặc biệt. khác han các vật liệu có kích thước lớn.

Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano. mỗi cách phân loại cho ra rất nhiều loại nhỏ nên thường hay làm lẫn lộn các khái niệm. Sau đây là một vài cách phân loại thường dùng: > Phân loại theo hình dang của vật liệu (hình 1.1): người ta đặt tên số chiêu không bị giới hạn ở kích thước nano: - Fat liệu nano khong chiều là hạt có cả ba chiều đều có kích thước nano, thường là hạt hình cầu, được tạo thành đo quá trình polyme hóa nhũ tương hay polyme hóa mixen, các quá trình sol-gel. Vi dụ: các hạt chất phát quang kích thước nano (Oxonica) dùng cho màn hình điện tử, xúc tác, được phẩm, chấm lượng tử, các hạt từ, TiO>, Fe;O¿.

- Vật liệu nano một chiêu là vật liệu trong đó hai chiêu có kích thước nano, chiều thứ ba đải hơn. Ví dụ: dây nano, ống nano, sợi nano nitrua bo (BN), C. - Vật liệu nano hai chiêu là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiêu kia đài hơn, thường có đạng tắm. Ví dụ: mảng mỏng.

Ngoài ra còn có vật liệu có cau trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phan của vật liệu có kích thước nanomet, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiêu, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. Cũng theo cách phân loại theo hình dáng của vật liệu, một số tác giả đặt tên số chiêu bị giới hạn ở kích thước nano, Nếu như thé thì hạt nano là vật liệu nano ba chiêu, day nano là vật liệu nano hai chiều và mang mong là vật liệu nano một chiều. Cách phân loại này ít phô biến hơn. octy ress «cán auó a " ” — the xóc rand $% Ống rarô +ướnðnnạ39h‹.

bác thang rand +} tiết re) k nảng tog chế we Điệp Đuôc " ® Hình 1. Phan loại vật liệu nano theo hình đáng >» Phân loại theo tính chất vật liệu thé hiện sự khác biệt ở kích thước nano: ~ Vật liệu nano kim loại - Vật liệu nano bán dan - Vat liệu nano từ tính - Vật liệu nano sinh học,. Đôi khi người ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ dé tạo ra các khái niệm mới. Ví dụ: khái niệm “hat nano kim loại" trong đó “hat” được phân loại theo hình dáng, “kim loại được phân loại theo tính chất hoặc “vat liệu nano từ tính sinh hoc” trong đó cả "từ tinh” và “sinh hoc” đều là khái niệm có được khi phân loại theo tính chất.

Phương pháp điều chế vật liệu nano”! Dù điều chế vật liệu nano bằng phương pháp nào thi cũng đi theo một trong hai hướng: phương thức tir trên xuống dưới (top-down) nghĩa là chia nhỏ một hệ thong lớn để cudi cùng tạo ra được đơn vị có kích thước nano và phương thức từ đưới lên (bottom-up) nghĩa là lắp những hạt cỡ phân tử, nguyên tử hay ion lại đề thu kích thước nano. Có 4 nhóm phương pháp chính dé điều chế vật liệu nano. mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng, có phương pháp chỉ có thê áp dụng để điều chế một số vật liệu nhất định. Phương pháp hóa wot (wet chemical) Phương pháp này bao gồm các phương pháp chế tao vật liệu dùng trong hóa keo (colloidal chemistry) như phương pháp thủy nhiệt, sol-gel và kết tủa.

Theo phương pháp nay, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo một thành phan thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ. áp suất mà các vật liệu nano được kết tủa từ dung địch. Sau các quá trình lọc, say khô, ta thu được các vật liệu nano. Ưu điểm của phương pháp hóa ướt là có thể chế tạo các vật liệu khác nhau như vật liệu vô cơ, hữu co, kim loại.

Ngoài ra phương pháp này rẻ tiền và có thé chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu. Nhược điểm chính là các hợp chất có thê liên kết bên với phân tử nước gây khó khăn trong việc nhiệt phân chúng. Bên cạnh đó phương pháp sol-gel có hiệu suất không cao. Phương pháp cơ học (mechanical) Bao gôm các phương pháp tán, nghiên, hợp kim cơ học.

Theo phương pháp này, vật liệu ở dang bột được nghiên đến kích thước nhỏ hơn. Ngày nay, các máy nghiền thường dùng là máy nghiên kiểu hành tinh hay máy nghiền quay. Phương pháp cơ học có ưu điểm là đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thé chế tao với một lượng lớn vật liệu. Tuy nhiên nó lại có nhược điêm là các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt không đồng nhất, dễ bị nhiễm ban từ các dụng cụ chế tạo và thường khó có thê đạt được hạt có kích thước nhỏ.

Phương pháp này thường được dùng dé chế tạo vật liệu không phải là hữu cơ như là kim loại. Phương pháp bắc bay Gồm các phương pháp quang khắc (lithography), bốc bay trong chân không (vacuum deposition) vật lí, hóa học. Các phương pháp nay áp dụng hiệu quả đề chế tạo mang mỏng hoặc lớp bao phủ bè mặt nhưng người ta cũng có thé dùng nó đẻ chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu từ dé. Tuy nhiên phương pháp này không cho hiệu quả ở quy mô thương mại.

Phương pháp hình thành từ pha khí (gas-phase) Gồm các phương pháp nhiệt phan (flame pyrolysis), nô điện (clcctro-explosion), đốt laser (laser ablation), bốc bay nhiệt độ cao, plasma. Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí. Nhiệt phân la phương pháp có từ rất lau, được dùng dé tạo các vật liệu đơn giản như cacbon, silicon. Phương pháp đốt laser có thé tạo được nhieu loại vật liệu nhưng lại chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp.

Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thê dùng dé tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại không thích hợp dé tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ của nó có thê đến 9000°C. Phương pháp hình thành từ pha khí dùng chủ yếu dé tạo lồng cacbon (fullerene) hoặc ống cacbon, rất nhiều các công ty dùng phương pháp này dé chế tạo mang tính thương mại. Ứng dụng của công nghệ nano Công nghệ nano được nghiên cứu lan dau tiên trên thé giới vao năm 1959 bởi nhà vật lí học người Mĩ Richard Feynman, song chỉ bắt đầu thu được thành quả trong vòng hai thập ki trở lại đây nhưng đã tạo ra một cuộc cách mạng đối với khoa học nhân loại. Những hạt phân tử nano với kích thước bé nhỏ đã và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và công nghệ nano được báo trước sẽ là công nghệ của một vài thập kỉ tới.

Công nghệ nano trong y học Tại rất nhiều quốc gia đang phát triển, việc thiểu các trang thiết bị xét nghiệm. chan đoán và điều trị bệnh gây nhiều khó khăn cho các bệnh viện. Tập đoàn Micronics của Mi đã ứng dụng công nghệ nano phát triển một bộ test có tên gọi DxBox, có tác dụng như một thiết bị kiểm tra, chỉ có kích cỡ lớn hơn kích cỡ của một tâm card. Trên bẻ mặt của DxBox có chứa thuốc thử ở dang khô và một hệ thông các ống dân nhỏ tạo từ các phân tử nano.

Các bác sĩ có thê tiễn hành một thử nghiệm mau đơn giản bằng thiết bị này mà không cần tới hệ thống giữ lạnh để bảo quản thuốc thứ mà có thể phát hiện dịch bệnh sốt rét và dich tả một cách nhanh chóng, để dàng: từ đó các bác sĩ có thé đưa ra pháp đồ điều trị bệnh đạt hiệu quả cao và hạn chế được nguy cơ tử vong cao cho bệnh nhân. Công nghệ nano hứa hẹn sẽ mang lại cho y học một bước tiễn vượt bậc. Đó là sự ra đời của những rôbốt siêu nhỏ có thé đi sâu vào trong cơ thé, đến từng tế bào dé hàn găn, chữa bệnh cho các mô xương bị gãy và thậm chí là tiêu diệt những virut gây bệnh đang ở trong cơ thé. Với công nghệ phân tử nano, các bác sĩ tin răng họ có thê kiêm soát quá trình điều trị ung thư, sử dụng các rôbốt nano mang thuốc đến từng tế bào ung thư trong cơ thể, giúp tiêu diệt chính xác công nghệ nano trong việc điều trị bệnh các khối u này mà không gây hại cho tế bào lành (hình 1.

Công nghệ nano và triển vọng mang lại nguồn năng lượng sạch Các nhà khoa học Mĩ đã đưa ra ý tưởng về việc ứng dụng công nghệ nano làm thay đổi vật liệu bằng cách tác động vào nồng độ nguyên tử của chúng. Cách làm này giúp các nhà khoa hoc tạo ra các pin mặt trời với hiệu quả khai thác năng lượng lớn gấp 5 lần so với loại pin mặt trời truyền thống làm từ silicon hiện nay. Trong khi pin mặt trời truyền thống chỉ thu được khoảng 6% năng lượng mặt trời, thì công nghệ mới cho phép pin mặt trời có thé thu được 30% năng lượng mặt trời.