CHƯƠNG 1. Tổng quan về công nghệ nano và vật liệu nano Trong khoa học vật liệu hiện đại, công nghệ nano đã trở thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng va đầy triển vọng. Đây là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu ở quy mô nanomet. Tại cỡ kích thước này, các vật liệu sẽ có những thuộc tính vật H, hoá học vả vật chất khác nhau so với các vật liệu khối.
Chúng có các đặc tính hoá lí xác định như tính chất từ, tính chất quang, v. dẫn đến có các phản ứng hoá học, hoạt tính vượt trội hơn các hạt lớn. Cuối thập niên 80, công nghệ nano bắt dau phát triên và thu được nhiều thành qua to lớn không chỉ trong nghiên cứu ma còn mở rộng phạm ví ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Nhiều hiện tượng, tính chất vật lí và hoá học không có trong các vật liệu khối thông thường cùng thành phan hoá học xuất hiện ở các vật liệu va linh kiện nano.
Về khái niệm vật liệu nano thì tương đối rộng, có thé lả tập hợp các nguyên tử kim loại hay phi kim, oxide, sulfide, carbide, nitride, v. có kích thước ở dang nanomet. Vật liệu nano có thé thuộc kiều siêu phân tán hay hệ rắn với độ xốp cao. Vẻ hình đáng vật liệu, ta có: - Vat liệu nano một chiều (Ví dụ: dây nano, ống nano).
- Vat liệu nano không chiều (Vi dụ: đám/hạt nano). - Vat liệu nano hai chiều (Ví dụ: mảng mỏng). Vẻ tính chất của chúng, ta có: - Vat liệu nano kim loại. - Vat liệu nano bán dẫn.
- Vật liệu nano từ tính. - Vat liệu nano sinh học. Tong quan về vật liệu nano perovskite ABOs 1. Cấu trúc tinh thé perovskite ABOs Cau trúc tinh thé perovskite ABOs là một cau trúc tinh thé phô biến và quan trong trong hóa học vật liệu.
Cau trúc perovskite được đặt theo tên của khoa học gia Lev Perovski. 5 Cấu trúc tinh thé perovskite ABO; có một khung lưới tinh thé bao gồm các ion kim loại và ion oxygen. Ở trong cấu trúc này, ion kim loại A năm tại các góc của một khối lập phương và được bao quanh bởi một tập hợp các ion oxygen. lon kim loại B nằm ở trung tâm khối lập phương và được bao quanh bởi một tập hợp các ion oxygen.
Các liên kết hóa học giữa các ion kim loại và ion oxygen tạo thành cau trúc tinh thẻ chặt chẽ. Cau trúc perovskite ABOs còn có một đặc điểm quan trọng 1a khả năng thay thế và/hoặc hiệu ứng dopant của các ion kim loại trong khung lưới tỉnh thẻ. Việc thay thế và/hoặc hiệu ứng đopant có thể tạo ra các vật liệu perovskite với tính chất va ứng dung đa dạng. Cau trúc ABOs lí tưởng 1.
Tính chất vật liệu perovskite Vật liệu perovskite có nhiều tính chất đáng chú ý, đó là lí do tại sao chúng đã nhận được sự quan tâm lớn trong nghiên cứu và ứng dụng. Chúng có một loạt tính chất đa dạng đáng chú ý, bao gồm: - Tính chất quang điện: Perovskite có tính chất quang điện đáng kẻ. Chúng có khả năng hap thụ va phát quang mạnh trong phạm vi quang phô rộng, bao gồm cả quang phổ mặt trời. Điều này làm cho chúng hứa hen trong ứng dụng vẻ năng lượng mặt trời, cảm biến quang vả hiền thị quang điện.
- Tính chat dẫn điện; 6 Perovskite có khả năng dẫn điện tốt. Cấu trúc của perovskite thường cho phép sự di chuyên dé dang của các điện tử hoặc lỗ trống, làm cho chúng trở thành vật liệu dẫn điện hiệu quả. Điều này có ứng dụng trong điện tử linh hoạt, thiết bị điện tử và điện tử năng lượng mặt trời. - Tính chất cơ học: Perovskite thường có độ cứng và tính cơ học lính hoạt, Chúng có khả năng chịu lực và biến đạng mà không gãy hoặc vỡ, cho phép ứng dụng trong các vật liệu linh hoạt và uốn cong.
- Tính chất nhiệt độ và ôn định nhiệt: Vật liệu perovskite thường có tính chất ôn định nhiệt và khả năng chịu nhiệt độ cao. Điều nay làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ bên và ỗn định nhiệt, chăng hạn như các linh kiện điện tử hoặc nhiệt điện quang. - Tinh chất khảo nghiệm: Perovskite có khả năng khảo nghiệm cao va kỹ thuật chế tạo linh hoạt. Chúng có thé được chế tạo với kích thước và hình dạng đa dang, từ màng mỏng đến nano-hat.
Điều này mở ra cơ hội dé sử dụng chúng trong các thiết bị điện từ, cảm biến và hiệu chỉnh ứng dụng. Các phương pháp tổng hợp 1. Phương pháp phản ứng pha rắn Phương pháp phản ứng pha rắn là một phương pháp tổng hợp vật liệu nano perovskite ABOs, trong đó các chất ban đầu được kết hợp lại va trải qua quá trình phản ứng hóa học đề tạo thành vật liệu perovskite. Dưới đây là một quy trình tổng quát để tông hợp vật liệu nano perovskite ABOs bằng phương pháp phản ứng pha rắn: - Chuan bị các chất ban đầu của kim loại A và B (ví dụ như oxide, carbonate hoặc nitrate kim loại).
- Nghién chat ban đầu của kim loại A và B thành dang bột nhằm tạo ra kích thước hạt nhỏ và tăng khả năng tương tác giữa các chất ban đầu. - Kết hợp các chất ban đầu của kim loại A và B lại với nhau theo tỉ lệ phù hợp. bằng cách trộn các bột kim loại trong một chén hoặc sử dụng các phương pháp khác như phương pháp nhiệt cô định. 7 - Tiên hành quá trình phan ứng pha ran: Gia nhiệt hỗn hợp chất ban đầu trong một lò nhiệt hoặc lò vi sóng.
Dé phản ứng hoan chỉnh và tạo ra vật liệu perovskite mong muốn thường mất một khoảng thời gian và nhiệt độ xác định. - Thu thập vật liệu perovskite được và tỉnh chế chúng bằng các phương pháp như xay mịn, rửa sạch và sây khô. Phương pháp phản ứng pha răn cho phép tông hợp các vật liệu perovskite nano với sự kiểm soát kích thước, hình dang và thành phan. Nó cho phép điều chinh quá trình phản ứng và điều kiện chế tạo để đạt được tính chất và hiệu suất mong muốn của vật liệu perovskite ABOs.
Phuong phap sol-gel Phương pháp sol-gel có thể được sử dụng dé tổng hợp vật liệu nano perovskite ABOs. Đây là một quá trình tong hợp linh hoạt và hiệu quả dé tạo ra các perovskite có cầu trúc tỉnh khiết và kích thước đồng nhất. Dưới đây là một quy trình tông quát đê tông hợp vật liệu nano perovskite ABOs bằng phương pháp sol-gel: - Chuan bị dung dich precursor (Vi dụ: acetate, nitrate, chloride) của kim loại A và B. - Hỏa tan các dung địch precursor A va B trong dung môi thích hợp (vi du: ethanol) dé tao thanh hai sol riêng biệt.
- Kết hợp hai sol lại và khuấy đều dé tạo thành một sol chung có chứa cả kim loại Á và B. - Tiên hành quá trình gelatin hóa bằng cách thêm một chất gốc gel như acetate hoặc alkoxide và cung cấp điều kiện dé gelatin hóa xảy ra. Nhiệt độ, pH và thời gian gelatin hóa có thê được điều chỉnh dé kiểm soát kích thước và hình dang của nano-hat perovskite. - Sau quá trình gelatin hóa, gel được tao thành.
Gel nay sau đó được tiếp tục xử lí dé tạo ra vật liệu nano perovskite ABOs cuối cùng. Quá trình này có thé bao gồm rửa gel dé loại bỏ các tap chat, say khô va nhiệt xử lí dé tạo ra vật liệu nano thành thạo. Phương pháp sol-gel cho phép kiểm soát kích thước, hình dang và thanh phan của vật liệu nano perovskite ABOs, đồng thời tạo ra cau trúc tỉnh khiết và tính § chất điện tử đặc biệt. Đây là một phương pháp phô biến trong nghiên cứu và ứng đụng của vật liệu nano perovskite.
Phương pháp đồng kết tủa Phương pháp đồng kết tủa là một phương pháp tông hợp vật liệu nano perovskite, trong đó các chất ban đầu được pha loãng trong dung dịch và kết tủa thành hạt nano trong quá trình phản ứng. Dưới đây là một quy trình tổng quát dé tông hợp vật liệu nano perovskite ABO; bằng phương pháp đồng kết tủa: - Chuan bị các dung dich precursor của kim loại A va B (vi dụ như acetate, nitrate, chloride) và các dung dich này thường được pha loãng trong dung môi thích hợp. - Kết hợp các dung dich precursor của kim loại A và B lại với nhau, khuáy đều đề tạo thành một dung dich chung. - Điều chỉnh pH của dung dịch chung dé tạo điều kiện phản ứng kết tủa xây ra.
Thông thường, người ta sử dụng kiêm dé tăng pH. - Quá trình phản ứng kết ta xảy ra khi các ion kim loại trong dung dịch tương tác với nhau và kết tủa thành các perovskite. - Sau quá trình kết tủa, các perovskite được thu thập băng các phương pháp như lắng, cat loc. - Cuối cùng thu thập sau quá trình kết tủa có thể được rửa sạch và sấy khô đề tạo ra vật liệu nano perovskite ABOs.
Tình hình tổng hợp và nghiên cứu vật liệu nano perovskite TbFeOs Có thé tìm thấy một số nghiên cứu khoa học liên quan đến vật liệu TbFeO: trên trang web chuyên ngành như ScienceDirect, ResearchGate, IEEE Xplore và SpringerLink. Một số nghiên cứu liên quan đến TbFeO: [16 - 18] tập trung vào các tính chat vật lí và tir của TbFeO:, cũng như tác động của các yếu tô khác nhau đến tính chất của nó. Đã có nhiều nhóm nghiên cứu trên thé giới đã tông hợp thành công vật liệu nano TbFeOs, có thé kẻ đến như sau: - Một nhóm nghiên cứu ở Iran đã sử dụng phương pháp vi sóng nhanh dé tông hợp thành công mẫu TbFeOs với kích thước hat nano. 9 Tên bai bao: “Rapid microwave fabrication of new nanocomposites based on Tb- Fe-O nanostructures for electrochemical hydrogen storage application”.
Tóm tat:Cac cấu trúc Tb-Fe-O (TFO) có kích thước nano được chế tao bằng phương pháp vi sóng nhanh sử dụng tiền chất Tb(NO›);-6HaO va Fe(NOs)3-9H20 va chất tạo phức verjuice (nước chanh) làm chất hoạt động bề mặt. Các sản phẩm nano Tb- Fe-O đã chuan bị được đặc trưng bằng kính hiển vi điện tử quét kỹ lưỡng (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), nhiễu xạ tia X (XRD), hong ngoại biến đôi Fourier (FT-IR), UV-Vis, Phân tích BET va tia X phân tan năng lượng (EDX) về cau trúc tinh thẻ, thành phan, độ xóp và hình thái. Các dạng cấu trúc nano Tb-Fe-O khác nhau đã được đánh giá về kha năng lưu trữ hydro điện hóa thông qua kỹ thuật đo điện thế theo thời gian ở dòng điện ôn định (1 mA). Các hạt nano Tb-Fe-O thu được có thê được sử đụng làm vật liệu hoạt động ứng cử viên thuận lợi cho việc lưu trữ hydro điện hóa.