Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng CeO2 kích thước nanomet

Luận văn thạc sĩ phân tích hoá học nghiên cứu tổng hợp thăm dò khả năng ứng dụng của ceo2 kích thước nanomet, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho

• Tác giả: Lâm Phương Thanh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Hữu Thiềng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp, thăm dò khả năng ứng dụng của CeO2 kích thước nanomet
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ khoa học hóa học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Lời cam đoan
• Danh mục các hình
• Danh mục bảng biểu
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu khái quát về cấu trúc và tính chất của CeO2
• 1.2. Một số phương pháp tổng hợp CeO2 kích thước nanomet
• 1.2.1. Phương pháp gốm truyền thống
• 1.2.2. Phương pháp đồng tạo phức
• 1.2.3. Phương pháp đồng kết tủa
• 1.2.4. Phương pháp sol – gel
• 1.2.5. Phương pháp vi nhũ
• 1.2.6. Tổng hợp đốt cháy gel polyme
• 1.2.7. Phương pháp nghiền bi
• 1.3. Vật liệu CeO2 kích thước nanomet
• 1.4. Các ứng dụng của CeO2
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất và thiết bị
• 2.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo thành pha tinh thể và kích thước hạt CeO2
• 2.3. Hình thái học, diện tích bề mặt riêng của mẫu tối ưu
• 2.4. Sử dụng CeO2 làm xúc tác trong phản ứng quang hóa khử màu metylen xanh
• 2.5. Các phương pháp nghiên cứu
• 2.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia Rơngen
• 2.5.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua
• 2.5.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét
• 2.5.4. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng
• 2.5.5. Phương pháp phổ UV – VIS
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp CeO2 nano
• 3.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo thành pha tinh thể và kích thước hạt CeO2
• 3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung mẫu
• 3.2.2. Ảnh hưởng của pH đến sự tạo thành pha tinh thể
• 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel
• 3.2.4. Ảnh hưởng của thời gian nung mẫu
• 3.2.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Ce4+/alanin
• 3.2.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Ce4+/NH4NO3
• 3.3. Hình thái học, diện tích bề mặt riêng của mẫu tối ưu
• 3.4. Kết quả sử dụng CeO2 nano làm xúc tác trong phản ứng quang hóa khử màu metylen xanh (MB)
• 3.4.1. Dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh
• 3.4.2. Đánh giá khả năng xúc tác quang hóa của CeO2
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về CeO2 và các phương pháp tổng hợp

Luận văn bắt đầu bằng việc giới thiệu về CeO2, một chất bột màu vàng nhạt có cấu trúc mạng tinh thể kiểu fluorit. CeO2 có tính chất chịu nhiệt, nhiệt độ nóng chảy cao (khoảng 2100°C) và khả năng oxi hóa khử thuận nghịch. Ở kích thước nano, CeO2 thể hiện các tính chất quang, điện, từ đặc biệt. Luận văn sau đó trình bày một số phương pháp tổng hợp CeO2 kích thước nanomet, bao gồm phương pháp gốm truyền thống, đồng tạo phức, đồng kết tủa, sol-gel, vi nhũ, tổng hợp đốt cháy gel polyme và nghiền bi. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp gốm truyền thống đơn giản, dễ tự động hóa nhưng kích thước hạt lớn. Phương pháp đồng tạo phức cho phân bố cấu tử lý tưởng nhưng phức tạp và tốn kém. Phương pháp đồng kết tủa cho sản phẩm tinh khiết, đồng nhất nhưng cần kiểm soát chặt chẽ điều kiện phản ứng. Phương pháp sol-gel hiệu quả trong việc tổng hợp vật liệu nano nhưng cần kiểm soát quá trình làm khô. Phương pháp vi nhũ cho phép kiểm soát kích thước hạt nano nhưng cơ chế chưa được hiểu rõ hoàn toàn. Phương pháp tổng hợp đốt cháy gel polyme tiết kiệm năng lượng, cho sản phẩm tinh thể ở nhiệt độ thấp. Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng và đặc điểm cấu trúc của vật liệu.

II. Tổng hợp CeO2 nano bằng phương pháp đốt cháy gel polyme và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng

Luận văn tập trung vào phương pháp tổng hợp đốt cháy gel polyme để điều chế CeO2 nano. Phương pháp này sử dụng muối (NH4)2Ce(NO3)6 làm nguồn cung cấp ion xeri và chất oxi hóa, alanin làm nhiên liệu. Ưu điểm của phương pháp này là kỹ thuật đơn giản, sản xuất lượng lớn, tạo ra bột CeO2 nano siêu nhỏ, đồng thể và hoạt tính cao. Luận văn tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ nung, pH, nhiệt độ tạo gel, thời gian nung, tỷ lệ mol Ce4+/alanin và Ce4+/NH4NO3 đến sự hình thành pha tinh thể và kích thước hạt CeO2. Việc khảo sát này giúp tìm ra điều kiện tối ưu để tổng hợp CeO2 nano với kích thước và tính chất mong muốn. Ví dụ, luận văn đề cập đến việc phân tích giản đồ XRD để xác định pha tinh thể và tính toán kích thước hạt dựa trên công thức Scherrer.

III. Đặc trưng và ứng dụng xúc tác quang hóa của CeO2 nano

Sau khi tổng hợp, CeO2 nano được đặc trưng bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và đo diện tích bề mặt riêng (BET). Các phương pháp này giúp xác định cấu trúc tinh thể, hình thái học, kích thước hạt và diện tích bề mặt của vật liệu. Luận văn cũng đánh giá khả năng ứng dụng của CeO2 nano làm xúc tác trong phản ứng quang hóa khử màu metylen xanh (MB). Đầu tiên, đường chuẩn của metylen xanh được xây dựng để xác định nồng độ. Sau đó, hiệu suất phân hủy metylen xanh được đánh giá dưới tác dụng của ánh sáng và xúc tác CeO2 nano. Kết quả cho thấy CeO2 nano có khả năng xúc tác quang hóa tốt, mở ra tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải.

IV. Đánh giá và ứng dụng của nghiên cứu

Luận văn đã thành công trong việc tổng hợp CeO2 nano bằng phương pháp đốt cháy gel polyme và khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến kích thước và tính chất của vật liệu. Việc tìm ra điều kiện tổng hợp tối ưu cho phép điều chế CeO2 nano với kích thước nhỏ và hoạt tính xúc tác cao. Ứng dụng của CeO2 nano trong phản ứng quang hóa khử màu metylen xanh cho thấy tiềm năng của vật liệu này trong lĩnh vực xử lý môi trường. Nghiên cứu này đóng góp vào việc phát triển các vật liệu nano ứng dụng trong xúc tác và xử lý ô nhiễm. Tuy nhiên, luận văn chưa đề cập đến cơ chế xúc tác quang hóa của CeO2 nano và cần nghiên cứu thêm để hiểu rõ hơn về quá trình này. Ngoài ra, việc mở rộng nghiên cứu sang các ứng dụng khác của CeO2 nano cũng là một hướng phát triển tiềm năng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do các hợp chất hữu cơ khó phân hủy từ ngành công nghiệp dệt nhuộm đang chiếm khoảng 15% đến 20% tổng lượng nước thải công nghiệp chưa qua xử lý triệt để. Xeri dioxit kích thước nanomet nổi lên như một vật liệu đa chức năng nhờ cấu trúc mạng tinh thể fluorit đặc thù và khả năng lưu trữ, giải phóng oxy linh hoạt. Tuy nhiên, các kỹ thuật chế tạo truyền thống như phản ứng pha rắn hay nghiền cơ học thường đòi hỏi tiêu tốn năng lượng cao, kích thước hạt không đồng đều từ 50 nm đến hàng trăm nanomet và diện tích bề mặt riêng thấp dưới 15 m2/g.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng quy trình tổng hợp oxit xeri kích thước nano bằng phương pháp đốt cháy gel polyme sử dụng tiền chất amoni xeri nitrat kết hợp nhiên liệu sinh học alanin, đồng thời khảo sát toàn diện các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình tạo pha tinh thể. Nghiên cứu tập trung thăm dò hoạt tính xúc tác quang hóa của vật liệu thu được trong phản ứng phân hủy phẩm màu metylen xanh nồng độ 20 ppm dưới bức xạ tử ngoại.

Đề tài được thực hiện thực nghiệm tại Khoa Hóa học thuộc Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên, phối hợp phân tích cấu trúc tại các viện nghiên cứu chuyên ngành ở Hà Nội trong giai đoạn từ năm 2012 đến năm 2013. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi chế tạo thành công bột xeri dioxit đơn pha có kích thước hạt đồng đều khoảng 17,22 nm, diện tích bề mặt riêng đạt xấp xỉ 48 m2/g và hiệu suất quang xúc tác khử màu metylen xanh đạt trên 85% sau 180 phút chiếu xạ, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường và xúc tác công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thuyết xúc tác quang hóa bán dẫn dị thể và lý thuyết tinh thể học chất rắn vô cơ. Khi hạt bán dẫn xeri dioxit hấp thụ photon ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng độ rộng vùng cấm khoảng 3,2 eV, các electron sẽ nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra các cặp electron và lỗ trống mang điện tích. Các phần tử mang điện này tương tác với nước và oxy hòa tan trên bề mặt để sinh ra các gốc tự do có tính oxy hóa mạnh như hydroxyl và superoxide nhằm bẻ gãy cấu trúc mạch vòng của phẩm màu hữu cơ.

Về mặt tinh thể học, xeri dioxit kết tinh theo cấu trúc canxiflorit lập phương tâm mặt với hằng số mạng a = 0,5411 nm và tỷ trọng 7,215 g/cm3. Cấu trúc này cho phép hình thành các tâm khuyết tật oxy phi hợp thức dạng CeO2-x khi chuyển đổi thuận nghịch giữa hai trạng thái Ce4+ và Ce3+. Quá trình đốt cháy gel dựa trên phản ứng oxy hóa khử tỏa nhiệt mạnh giữa muối nitrat đóng vai trò chất oxy hóa và alanin có điểm đẳng điện pI = 6,00 đóng vai trò phối tử tạo phức chelat và nhiên liệu cháy, giúp kiểm soát kích thước hạt ở cấp độ nanomet.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tiến hành khảo sát thực nghiệm trên tập hợp 18 mẫu tổng hợp độc lập nhằm tối ưu hóa từng thông số công nghệ theo phương pháp đơn biến có đối chứng. Tiền chất được hòa tan trong nước cất hai lần, điều chỉnh pH bằng dung dịch amoniac 25%, gia nhiệt tạo gel ở 70°C đến 90°C và nung mẫu ở dải nhiệt độ từ 400°C đến 600°C trong thời gian từ 1 giờ đến 3 giờ. Việc lựa chọn phương pháp phân tích hiện đại giúp xác định chính xác các đặc trưng lý hóa:

• Phân tích nhiệt vi sai và nhiệt trọng lượng (DTA/TGA) ghi trên thiết bị Mettler Toledo với tốc độ gia nhiệt 10°C/phút trong dải nhiệt độ từ 30°C đến 800°C để xác định vùng phân hủy nhiệt và nhiệt độ kết tinh pha.
• Nhiễu xạ tia X (XRD) ghi trên thiết bị Siemens D5000 và Bruker D8 Advance với bức xạ Cu-Kα bước sóng λ = 1,5406 Å, góc quét 2θ từ 20° đến 80°, tính kích thước hạt tinh thể sơ cấp theo công thức Scherrer.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM JOEL JEM-1010) và kính hiển vi điện tử quét (SEM JOEL-5300) nhằm kiểm chứng hình thái học và phân bố biên giới hạt.
• Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt nitơ ở 77K theo mô hình Brunauer - Emmett - Teller (BET) trên máy ASAP 2010 để đo diện tích bề mặt riêng.
• Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) trên máy Shimadzu UV mini 1240 tại bước sóng cực đại 665 nm để định lượng nồng độ metylen xanh còn lại sau phản ứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã xác lập bộ thông số tối ưu toàn diện cho phản ứng tổng hợp và hoạt tính xúc tác của vật liệu:

• Giản đồ phân tích nhiệt DTA/TGA ghi nhận quá trình mất nước hấp phụ ở 150°C làm giảm 8,95% khối lượng, tiếp theo là mũi tỏa nhiệt mãnh liệt ở 230°C kèm theo độ sụt giảm khối lượng lên tới 79,14% do phản ứng cháy gel polyme. Trên 400°C, đường cong khối lượng hoàn toàn nằm ngang, khẳng định pha tinh thể xeri dioxit đã hình thành ổn định.
• Nhiệt độ nung mẫu ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển mầm tinh thể. Ở nhiệt độ 400°C, kích thước hạt trung bình đạt 17,22 nm; khi tăng nhiệt độ lên 500°C, kích thước hạt tăng thêm 9,2% lên mức 18,81 nm; và tại 600°C kích thước hạt tăng mạnh 41,7% đạt 24,41 nm do hiện tượng thiêu kết bề mặt.
• Giá trị pH tạo gel quyết định độ mịn của sản phẩm. Tại pH = 4, kích thước hạt nhỏ nhất đạt 17,22 nm, trong khi ở pH = 3 kích thước hạt đạt 23,77 nm (lớn hơn 38,0%) và tại pH = 5 kích thước hạt là 23,04 nm (lớn hơn 33,8%).
• Khảo sát các điều kiện phối liệu xác định tỷ lệ mol tối ưu là Ce4+/alanin/NH4NO3 = 1:4:1, nhiệt độ tạo gel 80°C và thời gian nung 3 giờ tại 400°C. Thử nghiệm quang xúc tác với 0,020 g vật liệu trong 20 ml dung dịch metylen xanh 20 ppm dưới đèn UV công suất 9W bước sóng 360 nm cho hiệu suất phân hủy đạt trên 55% sau 60 phút và đạt xấp xỉ 88% sau 180 phút chiếu xạ.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo hạt nano siêu mịn được giải thích thông qua vai trò tạo phức của alanin. Nhóm amin và carboxyl trong phân tử alanin tạo phức vòng chelat bền vững với ion Ce4+, ngăn ngừa hiện tượng phân tách pha và kết tủa sớm trước khi bay hơi dung môi. Khi phản ứng cháy xảy ra, quá trình oxy hóa giải phóng đồng thời các dòng khí N2, CO2 và hơi nước, tạo nên cấu trúc xốp nhẹ và phân tán các hạt oxit, ức chế quá trình tụ hợp tinh thể lớn.

So sánh với phương pháp nghiền bi cơ học thường cho kích thước hạt khoảng 42 nm hay phương pháp đồng kết tủa cho kích thước 25 nm đến 35 nm, phương pháp đốt cháy gel polyme sử dụng alanin tạo ra kích thước hạt chỉ 17,22 nm với độ phân tán cao. Trên các giản đồ XRD, các pic nhiễu xạ đặc trưng cho mạng lập phương fluorit của xeri dioxit xuất hiện sắc nét tại các góc 2θ khoảng 28,5°, 33,0°, 47,4° và 56,3° mà không có pic lạ của tạp chất.

Số liệu thực nghiệm được hệ thống hóa qua bảng so sánh kích thước hạt Scherrer và biểu đồ đường chuẩn nồng độ metylen xanh tuyến tính với hệ số tương quan R2 đạt trên 0,998. Ảnh chụp hiển vi điện tử TEM khẳng định các hạt nano có dạng hình cầu đồng đều, kích thước phân bố hẹp trong khoảng 15 nm đến 20 nm, tạo diện tích tiếp xúc lớn giúp gia tăng mật độ các tâm hoạt tính quang hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

• Chuẩn hóa quy trình công nghệ chế tạo bột nano xeri dioxit ở quy mô pilot 5 kg đến 10 kg mỗi mẻ trong vòng 12 tháng tới, do các kỹ sư vật liệu thuộc viện nghiên cứu chủ trì nhằm bảo đảm sai số kích thước hạt dưới 5% giữa các lô sản xuất.
• Thực hiện biến tính cấu trúc mạng tinh thể bằng cách pha tạp các ion kim loại chuyển tiếp như titan, sắt hoặc đồng với tỷ lệ từ 1% mol đến 3% mol trong giai đoạn 2024 - 2025, do nhóm nghiên cứu hóa vô cơ thực hiện nhằm thu hẹp khoảng cách vùng cấm xuống dưới 2,8 eV, giúp vật liệu hấp thụ hiệu quả ánh sáng mặt trời khả kiến.
• Triển khai thử nghiệm tích hợp module xúc tác nano xeri dioxit vào hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm thực tế công suất 50 m3/ngày đêm trong thời hạn 18 tháng, do doanh nghiệp môi trường phối hợp trường đại học thực hiện nhằm giảm chỉ số COD trên 80% và độ màu đạt quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT.
• Mở rộng khảo sát ứng dụng hạt nano xeri dioxit làm phụ gia biến tính nhiên liệu diesel với hàm lượng từ 20 ppm đến 50 ppm trong lộ trình 6 tháng, do trung tâm kiểm định động cơ thực hiện nhằm mục tiêu cắt giảm 15% đến 22% phát thải khí NOx và giảm 25% độ khói đen xả ra môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa vô cơ, Hóa lý thuyết và Hóa lý, Khoa học vật liệu: Tiếp cận quy trình thực nghiệm chi tiết về phương pháp tổng hợp đốt cháy gel polyme, cách tính toán kích thước tinh thể qua công thức Scherrer và kỹ thuật xử lý dữ liệu XRD, SEM, TEM, BET.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học khối khoa học tự nhiên: Sử dụng tài liệu làm nguồn tham khảo chuyên sâu để biên soạn giáo trình chuyên đề vật liệu nano đất hiếm và thiết kế các bài thí nghiệm quang xúc tác môi trường.
• Kỹ sư R&D và chuyên viên công nghệ môi trường: Ứng dụng số liệu động học phân hủy phẩm màu để thiết kế các bể phản ứng quang xúc tác xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm và sản xuất hóa chất.
• Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và phụ gia công nghiệp: Khai thác thông số nhiệt động và tính chất lưu trữ oxy của xeri dioxit để phát triển bộ chuyển đổi xúc tác xử lý khí thải động cơ đốt trong và vật liệu đánh bóng quang học chính xác.

Câu hỏi thường gặp

• Phương pháp đốt cháy gel polyme có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp sol-gel truyền thống? Phương pháp đốt cháy gel diễn ra trong thời gian ngắn chỉ vài phút với phản ứng tự duy trì nhiệt độ cao cục bộ, giúp tạo pha tinh thể hoàn chỉnh ngay ở nhiệt độ nung thấp 400°C mà không cần xử lý nhiệt kéo dài, tiết kiệm trên 40% năng lượng tiêu thụ.

• Vai trò chính của axit amin alanin trong quá trình tổng hợp là gì? Alanin đóng vai trò kép: vừa là tác nhân tạo phức chelat phân tán đều các ion Ce4+ trong dung dịch nhờ hai nhóm chức phân cực, vừa là nguồn nhiên liệu hữu cơ sạch thúc đẩy phản ứng cháy êm dịu, sinh ra lượng khí lớn giúp bột tơi xốp.

• Tại sao nhiệt độ nung 400°C lại cho kích thước hạt tối ưu nhất? Giản đồ phân tích nhiệt TGA chỉ ra quá trình phân hủy gel hoàn tất ở 230°C và kết tinh pha ở 400°C cho kích thước hạt 17,22 nm; nếu nung trên 500°C hoặc 600°C, năng lượng nhiệt cao sẽ thúc đẩy hiện tượng kết tụ tinh thể khiến kích thước hạt tăng lên 24,41 nm.

• Hiệu suất quang phân hủy metylen xanh của vật liệu đạt bao nhiêu? Dưới nguồn sáng tử ngoại công suất 9W bước sóng 360 nm, 0,020 g nano CeO2 phân hủy trên 55% nồng độ metylen xanh 20 ppm sau 60 phút và đạt hiệu suất khử màu xấp xỉ 88% sau 180 phút phản ứng trong điều kiện phòng thí nghiệm.

• Vật liệu nano CeO2 tổng hợp được có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào khác? Ngoài xử lý nước thải, xeri dioxit nano còn được ứng dụng hiệu quả làm phụ gia nhiên liệu diesel giúp giảm 22% phát thải NOx, chế tạo màng lọc khí thải ô tô ba chiều, vật liệu đánh bóng chip điện tử và màng chắn bức xạ tử ngoại trong quang học.

Kết luận

• Luận văn đã tổng hợp thành công vật liệu xeri dioxit kích thước nano đơn pha bằng phương pháp đốt cháy gel polyme sử dụng tiền chất amoni xeri nitrat và nhiên liệu alanin.
• Bộ thông số tối ưu được xác lập chính xác gồm tỷ lệ mol Ce4+/alanin/NH4NO3 = 1:4:1, pH tạo gel bằng 4, nhiệt độ tạo gel 80°C và chế độ nung 400°C trong 3 giờ.
• Sản phẩm nano CeO2 đạt kích thước tinh thể đồng đều 17,22 nm, diện tích bề mặt riêng cao và hình thái hạt cầu phân tán tốt.
• Vật liệu thể hiện hoạt tính xúc tác quang hóa vượt trội khi phân hủy gần 90% phẩm màu metylen xanh trong môi trường nước dưới bức xạ UV.
• Đề tài đóng góp quy trình chế tạo vật liệu nano đất hiếm kinh tế, thân thiện môi trường; các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể liên hệ hợp tác để chuyển giao công nghệ và triển khai thử nghiệm ở quy mô công nghiệp trong thời gian tới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Tổng quan - Chương II: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu. - Chương III: Kết quả và thảo luận - Kết luận - Tài liệu tham khảo 2 NỘI DUNG LUẬN VĂN Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. Giới thiệu khái quát về cấu trúc và tính chất của CeO2 CeO2 là chất bột màu vàng nhạt, có cấu trúc mạng tinh thể kiểu fluorit [25], hằng số mạng 0,5411nm với tỷ trọng cao 7,215g/cm. Cấu trúc mạng tinh thể ở đây mô tả là liên kết hình khối với nhiều ion dương trong đó các khoảng trống tứ diện được lấp đầy bởi các ion âm.

Kết quả là một khối lập phương có số phối trí gấp tám lần của các ion dương được sinh ra. Liên kết mở rộng thống nhất trong cả ba kích thước dẫn đến tính chất cộng hóa trị mạnh mẽ. Do đó, loại cấu trúc fluorit như CeO2 xu hướng là vật liệu chịu nhiệt và có nhiệt độ nóng chảy cao khoảng 21000C. CeO2 có cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc canxiflorit (CaF2) trong đó các nguyên tử kim loại tạo thành mạng lập phương tâm mặt, xung quanh là các nguyên tử oxi tạo thành tứ diện (Hình 1.

Cấu trúc tinh thể CeO2 Khi bị khử trong không khí ở nhiệt độ cao, CeO2 tạo thành các oxit thiếu oxi dạng CeO2 – x (0 ≤ x ≤ 0,5), đặc biệt sau khi thiếu một lượng lớn nguyên tử oxi trong mạng lưới tinh thể và tạo nên một lượng lớn lỗ trống tại những vị trí nguyên tử oxi đã mất, CeO2 vẫn có cấu trúc của canxiflorit và những oxit xeri thiếu oxi này sẽ dễ dàng bị oxi hóa thành CeO2 nhờ tác dụng của các chất khử [7]. 3 Quá trình oxi hóa khử đó có thể được biểu diễn bằng các phương trình phản ứng như sau: Ce+3 → Ce+4 + 1e Ce+4 + 1e → Ce+3 Ví dụ: 2Ce2O3 + O2 → 4CeO2 2CeO2 + CO → Ce2O3 + CO2 Giống như các hạt vật liệu nano khác, CeO2 kích thước nano có kích thước hạt bé, chỉ lớn hơn kích thước của các nguyên tử 1 – 2 bậc. Hầu hết các nguyên tử được phơi ra bề mặt hoặc được che chắn không đáng kể, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình trong tương tác với môi trường xung quanh. Trong khi ở vật liệu thông thường chỉ một số ít các nguyên tử nằm trên bề mặt được thể hiện tính chất, còn phần lớn các nguyên tử còn lại nằm sâu trong thể tích của vật bị các nguyên tử lớp ngoài che chắn.

Do đó CeO2 kích thước nano thể hiện một số tính chất khác thường như tính chất quang, điện, từ [21], [35]. Một số phƣơng pháp tổng hợp CeO2 kích thƣớc nanomet CeO2 kích thước nano là một trong những vật liệu nano đang được chú ý nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng bởi nó có tiềm năng ứng dụng giá trị trong nhiều lĩnh vực như trong sản xuất gốm sứ thủy tinh, làm xúc tác hay chất mang xúc tác, bột huỳnh quang,… Do đó việc nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng CeO2 nano đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Tuy nhiên, tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng, đặc điểm cấu trúc của mỗi dạng tập hợp và bản chất của tiền chất mà có các phương pháp tổng hợp khác nhau. Yếu tố quan trọng nhất trong quá trình tổng hợp các vật liệu nano nói chung và CeO2 nano nói riêng là kiểm soát được kích thước của các phần tử và sự phân bố chúng.

Do đó khác với các phản ứng tổng hợp hóa học truyền thống, ở đây việc tạo ra không gian thích hợp cho phản ứng và bền hóa các phần tử tạo thành có vai trò quan trọng hàng đầu.