I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Perovskite Pha Cd
Nghiên cứu về vật liệu nano đã đạt được nhiều thành tựu, mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Vật liệu nano perovskite cấu trúc lệch dạng ABO3 (A: Y, La, Pr, Nd, Sm; B: Fe, Co, Ni, Cr) được quan tâm do tính chất đặc biệt. Việc thay thế ion A/B bằng kim loại khác (Ca, Sr, Mn, Fe, Ni, Cd) tạo trạng thái hỗn hợp hóa trị, sai lệch cấu trúc, tạo vật liệu mới với hiệu ứng lý thú như nhiệt điện, từ nhiệt, từ trở. Trong luận văn này, sự thay thế ion Y3+ bởi ion Cd2+ được nghiên cứu. Vật liệu perovskite kích thước nanomet được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, đốt cháy gel hay sol-gel đồng tạo phức. Phương pháp này giúp tiền chất phân bố đều, nhiệt độ nung thấp, giảm kích thước hạt. Tuy nhiên, cần khảo sát nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành đơn pha tinh thể như nhiệt độ, thời gian nung, tỉ lệ mol chất tạo gel/ion kim loại, pH môi trường. Theo công trình [39], nhóm nghiên cứu của GVHD đã tổng hợp thành công vật liệu nano perovskite YFeO3 bằng phương pháp đồng kết tủa đơn giản.
1.1. Lịch Sử Phát Triển Ứng Dụng Của Vật Liệu Nano
Các hạt nano đã tồn tại từ lâu. Thế kỷ 10, người ta đã sử dụng hạt nano vàng để tạo ra thủy tinh, gốm sứ có màu sắc khác nhau. Khái niệm về công nghệ nano được nhắc đến từ năm 1959, khi Richard Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ. Những năm 1980, kính hiển vi đầu dò quét (SPM) ra đời, giúp con người quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực công nghệ nano. Từ năm 1870-1970, người ta bắt đầu chú ý đến vật liệu kích thước cỡ micro. Sau năm 1970, người ta thiết kế thành công các cấu trúc micro siêu min cho cả thế hệ vật liệu rắn mới với mức độ nguyên tử hoặc cấu trúc electron. Một số sản phẩm sử dụng công nghệ nano như khẩu trang nano bạc, thiết bị lọc nước nano, tủ lạnh nano, máy giặt nano, nano LCD, mỹ phẩm nano, sơn nano.
1.2. Phân Loại Vật Liệu Nano Theo Số Chiều Không Gian
Có nhiều cách phân loại vật liệu nano. Một cách phân loại là theo số chiều. Vật liệu nano không chiều (0D) là loại vật liệu mà cả ba chiều đều đạt kích thước nano. Vật liệu nano một chiều (1D) là loại vật liệu mà có một chiều đạt kích thước nano, ví dụ như màng mỏng. Vật liệu nano hai chiều (2D) là loại vật liệu có hai chiều đạt được kích thước nano, ví dụ như ống nano. Vật liệu nano ba chiều (3D) là loại vật liệu mà tất cả các kích thước của chúng vượt qua phạm vi nanomet.
II. Vấn Đề Ảnh Hưởng Của Pha Tạp Cd Đến Tính Chất YFeO3
Vật liệu nano perovskite YFeO3 có nhiều ứng dụng trong thực tế. Vật liệu từ thường được sử dụng chế tạo các thiết bị của máy biến áp, động cơ phát điện, thiết bị ghi âm, ghi hình, cảm biến. Loại vật liệu này cũng được nghiên cứu nhiều cho mục đích làm xúc tác cho các phản ứng oxi hóa từng phần hidrocacbon, CO, NO,. Việc thay thế một phần các ion Y bằng các ion Cd sẽ tạo ra trạng thái hỗn hợp hóa trị, cùng với sự khác biệt về bán kính ion sẽ dẫn đến sự sai lệch về cấu trúc. Điều này làm cho vật liệu nên ABO3 trở thành vật liệu mới có nhiều hiệu ứng lý thú như hiệu ứng nhiệt điện, hiệu ứng từ nhiệt, từ trở. Điều này mở ra nhiều hướng ứng dụng mới của nhóm vật liệu này trong tương lai như lĩnh vực điện tử công nghệ cao, an ninh quốc phòng, an ninh năng lượng hay xử lý môi trường.
2.1. Tính Chất Đặc Biệt Của Vật Liệu Perovskite YFeO3
Vật liệu perovskite YFeO3 có cấu trúc lệch dạng ABO3. A là ion các kim loại đất hiếm như Y, La, Pr, Nd, Sm. B là các ion kim loại chuyển tiếp họ d như Fe, Co, Ni, Cr. YFeO3 có tính chất từ đặc biệt. Loại vật liệu này còn có khả năng làm xúc tác cho các phản ứng oxi hóa. Do đó, YFeO3 có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.
2.2. Tại Sao Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Cd Lên YFeO3
Việc thay thế một phần ion Y3+ bằng ion Cd2+ có thể làm thay đổi tính chất của vật liệu YFeO3. Sự thay đổi này có thể dẫn đến những ứng dụng mới. Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của Cd lên YFeO3 là cần thiết. Việc pha tạp Cd có thể thay đổi cấu trúc tinh thể và các tính chất điện từ của YFeO3. Nó có thể tạo ra các khuyết tật trong cấu trúc, ảnh hưởng đến tính chất xúc tác.
III. Phương Pháp Tổng Hợp Nano Perovskite Y1 xCdxFeO3 Hiệu Quả
Để tổng hợp vật liệu nano perovskite kích thước nanomet, các tác giả thường sử dụng phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, đốt cháy gel hay sol-gel đồng tạo phức. Ưu điểm là tiền chất phân bố đều, nhiệt độ nung thấp hơn so với phương pháp tổng hợp gốm truyền thống, giảm kích thước hạt. Tuy nhiên, cần khảo sát nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành đơn pha tinh thể. Trong công trình [39], nhóm nghiên cứu đã tổng hợp thành công vật liệu nano perovskite YFeO3 bằng phương pháp đồng kết tủa đơn giản. Với mong muốn thay đổi tính chất của vật liệu nền YFeO3, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của sự pha tạp Cd đến các đặc trưng của vật liệu nano perovskite Yi.„CdvFeO:” tông hợp bằng phương pháp đồng kết tủa đơn giản.
3.1. Ưu Điểm Của Phương Pháp Đồng Kết Tủa Đơn Giản
Phương pháp đồng kết tủa đơn giản giúp tổng hợp vật liệu nano perovskite một cách hiệu quả. Nó giúp tiền chất phân bố đều. Nhiệt độ nung thấp hơn so với phương pháp tổng hợp gốm truyền thống. Kích thước hạt giảm. Ngoài ra, phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện và chi phí thấp.
3.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Quá Trình Tổng Hợp Vật Liệu Nano
Quá trình tổng hợp vật liệu nano bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Nhiệt độ nung ảnh hưởng đến kích thước hạt và cấu trúc tinh thể. Thời gian nung cũng ảnh hưởng đến quá trình hình thành pha. Tỉ lệ mol chất tạo gel/ion kim loại ảnh hưởng đến độ đồng đều của sản phẩm. pH môi trường ảnh hưởng đến quá trình kết tủa.
IV. Nghiên Cứu Đặc Trưng Vật Liệu Nano Y1 xCdxFeO3 Phương Pháp
Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu các vấn đề: lựa chọn và chuẩn bị hóa chất đầu, thực nghiệm tổng hợp vật liệu nano Y1-xCdxFeO3 với x = 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3 và 0,35. Xác định các đặc trưng từ tính của vật liệu như hình dạng đường cong từ trễ, các giá trị lực kháng từ (Hc), độ từ dư (Mr), độ từ bão hòa (Ms) ở nhiệt độ phòng. Khảo sát các quá trình hóa lý xảy ra theo nhiệt độ bằng phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (TGA - DSC). Khảo sát sự hình thành cấu trúc vật liệu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Hình thái vật liệu bằng phương pháp hiển vi điện tử truyền qua TEM.
4.1. Phương Pháp Phân Tích Nhiệt Khối Lượng TGA DSC
Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (TGA - DSC) được sử dụng để khảo sát các quá trình hóa lý xảy ra theo nhiệt độ. TGA đo sự thay đổi khối lượng của mẫu theo nhiệt độ. DSC đo sự thay đổi nhiệt lượng của mẫu theo nhiệt độ. Kết quả TGA - DSC giúp xác định nhiệt độ thích hợp cho quá trình nung.
4.2. Phương Pháp Nhiễu Xạ Tia X XRD Xác Định Cấu Trúc
Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để khảo sát sự hình thành cấu trúc vật liệu. XRD cho biết cấu trúc tinh thể của vật liệu. Kích thước hạt tinh thể cũng có thể được xác định từ phổ XRD. Kết quả XRD giúp xác định sự có mặt của các pha trong vật liệu.
4.3. Phương Pháp Hiển Vi Điện Tử Truyền Qua TEM
Hình thái vật liệu được nghiên cứu bằng phương pháp hiển vi điện tử truyền qua TEM. TEM cung cấp hình ảnh về kích thước và hình dạng của các hạt nano. TEM cũng cho phép quan sát cấu trúc tinh thể của vật liệu ở độ phân giải cao.
V. Kết Quả Nghiên Cứu Đặc Trưng Từ Tính Vật Liệu Nano Cd
Phân tích thành phần nguyên tố trong vật liệu bằng phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS). Xác định các đặc trưng từ tính của vật liệu bằng phương pháp từ kế mẫu rung (VSM). Các đặc trưng từ tính như hình dạng đường cong từ trễ, các giá trị lực kháng từ (Hc), độ từ dư (Mr), độ từ bão hòa (Ms) ở nhiệt độ phòng sẽ được xác định. Các kết quả thực nghiệm sẽ được so sánh và đối chiếu với các nghiên cứu trước đó để đánh giá ảnh hưởng của việc pha tạp Cd đến tính chất của vật liệu nano perovskite Yi.„CdvFeO:
5.1. Phổ Tán Sắc Năng Lượng Tia X EDS Xác Định Thành Phần
Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) được sử dụng để phân tích thành phần nguyên tố trong vật liệu. EDS cho biết hàm lượng của các nguyên tố khác nhau trong mẫu. Kết quả EDS giúp xác định sự có mặt của Cd trong vật liệu pha tạp.
5.2. Từ Kế Mẫu Rung VSM Đo Đặc Trưng Từ Tính
Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) được sử dụng để xác định các đặc trưng từ tính của vật liệu. VSM đo moment từ của mẫu dưới tác dụng của từ trường ngoài. Kết quả VSM cho biết các thông số như độ từ bão hòa, độ từ dư, lực kháng từ.
VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Vật Liệu Nano Perovskite Cd
Luận văn này bao gồm Phần Mở đầu, 3 chương chính văn và phụ lục. Nghiên cứu về ảnh hưởng của sự pha tạp Cd đến các đặc trưng của vật liệu nano perovskite Y1-xCdxFeO3. Đánh giá tiềm năng ứng dụng của vật liệu này trong các lĩnh vực như điện tử, cảm biến, xúc tác. Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo để tối ưu hóa tính chất và ứng dụng của vật liệu. Từ những kết quả đạt được, hướng nghiên cứu sẽ tiếp tục tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình tổng hợp, tìm kiếm những ứng dụng tiềm năng của vật liệu nano perovskite pha tạp Cd.
6.1. Tổng Kết Những Kết Quả Đạt Được Từ Nghiên Cứu
Nghiên cứu đã tổng hợp thành công vật liệu nano perovskite Y1-xCdxFeO3 bằng phương pháp đồng kết tủa đơn giản. Đã xác định được ảnh hưởng của hàm lượng Cd đến cấu trúc và tính chất từ của vật liệu. Các phương pháp phân tích XRD, TEM, EDS, VSM đã được sử dụng để nghiên cứu đặc trưng của vật liệu.
6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Cho Vật Liệu Pha Tạp Cd
Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình tổng hợp để thu được vật liệu có kích thước hạt nhỏ hơn và độ tinh khiết cao hơn. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến tính chất của vật liệu. Nghiên cứu ứng dụng của vật liệu trong các lĩnh vực như cảm biến khí, xúc tác, lưu trữ năng lượng.
