Luận án nghiên cứu sự hình thành kẽm pherit znfe2o4 từ các hỗn hợp bột fe2o3 zno và fe3o4 zn dưới tác dụng của nghiền năng lượng cao

Tài liệu nghiên cứu Luận án nghiên cứu sự hình thành kẽm pherit znfe2o4 từ các hỗn hợp bột fe2o3 zno và fe3o4 zn dưới, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

Trường đại học

Trường Đại Học

Chuyên ngành

Vật Liệu

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận Án

2023

117
8
1

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: Khái niệm, cấu trúc pherit spinen

1.1. Tính chất, ứng dụng của pherit spinen

1.1.1. Tính chất của pherit spinen

1.1.1.1. Từ tính

1.1.2. Một số tính chất khác của nano pherit spinen

1.1.3. Ứng dụng của pherit spinen

1.2. Các phương pháp chế tạo pherit spinen

2. CHƯƠNG 2: Thực nghiệm

3. CHƯƠNG 3: Kết quả và thảo luận

Tóm tắt

I. Giới thiệu về kẽm pherit ZnFe2O4

Kẽm pherit ZnFe2O4 là một loại vật liệu có cấu trúc đặc biệt, thuộc nhóm pherit spinen, với công thức hóa học M.Fe2O4, trong đó M là các kim loại hóa trị II như Zn2+. Vật liệu này được nghiên cứu rộng rãi do tính chất từ tính và khả năng ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực như điện tử, y sinh và môi trường. Việc hình thành kẽm pherit từ hỗn hợp Fe2O3 và ZnO thông qua quá trình nghiền năng lượng cao đã mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng vật liệu nano. Quá trình này không chỉ giúp tạo ra các hạt nano với kích thước nhỏ mà còn cải thiện tính chất từ của vật liệu, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng công nghệ cao.

1.1. Tính chất và ứng dụng của kẽm pherit

Kẽm pherit ZnFe2O4 có nhiều tính chất nổi bật, bao gồm tính từ tính mạnh mẽ và khả năng ổn định hóa học cao. Những tính chất này làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực lưu trữ dữ liệu, cảm biến và chất lỏng từ. Đặc biệt, kẽm pherit có thể được sử dụng trong các thiết bị y sinh, như trong việc phân tách tế bào và truyền dẫn thuốc. Tính chất từ của kẽm pherit cũng có thể được điều chỉnh thông qua kích thước hạt, cho phép tối ưu hóa hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể.

II. Quá trình hình thành kẽm pherit từ hỗn hợp Fe2O3 và ZnO

Quá trình hình thành kẽm pherit ZnFe2O4 từ hỗn hợp Fe2O3 và ZnO diễn ra thông qua phương pháp nghiền năng lượng cao. Phương pháp này giúp phá vỡ cấu trúc ban đầu của vật liệu, tạo ra các hạt nano với kích thước nhỏ hơn và tăng cường khả năng tương tác giữa các thành phần. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc nghiền hỗn hợp này không chỉ làm nhỏ kích thước hạt mà còn tạo ra các pha mới, từ đó cải thiện tính chất từ của sản phẩm cuối cùng. Quá trình này cũng cho phép kiểm soát tốt hơn các yếu tố như nhiệt độ và thời gian nghiền, ảnh hưởng đến sự hình thành và tính chất của kẽm pherit.

2.1. Cơ chế hình thành kẽm pherit

Cơ chế hình thành kẽm pherit ZnFe2O4 từ hỗn hợp Fe2O3 và ZnO thông qua nghiền năng lượng cao liên quan đến sự tương tác giữa các ion kim loại và ion ôxy trong cấu trúc. Khi nghiền, các ion kim loại được phân tán và kết hợp lại với nhau, tạo thành các liên kết mới. Quá trình này không chỉ làm tăng diện tích bề mặt mà còn tạo ra các điều kiện thuận lợi cho sự hình thành các pha mới. Sự hình thành kẽm pherit diễn ra khi các ion Zn2+ và Fe3+ chiếm vị trí trong cấu trúc spinen, từ đó tạo ra các tính chất từ tính đặc trưng của vật liệu.

III. Đánh giá ảnh hưởng của nghiền năng lượng cao đến tính chất vật liệu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nghiền năng lượng cao có ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức và tính chất của kẽm pherit ZnFe2O4. Quá trình nghiền không chỉ làm giảm kích thước hạt mà còn cải thiện tính chất từ của vật liệu. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng, khi thời gian nghiền tăng lên, tính chất từ của kẽm pherit cũng được cải thiện, với mômen từ và độ cảm từ tăng lên. Điều này cho thấy rằng, việc tối ưu hóa quá trình nghiền có thể dẫn đến việc tạo ra các vật liệu với tính chất từ tính tốt hơn, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong công nghệ hiện đại.

3.1. Tác động của thời gian nghiền đến tính chất vật liệu

Thời gian nghiền là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất của kẽm pherit ZnFe2O4. Nghiên cứu cho thấy rằng, khi thời gian nghiền tăng, kích thước hạt giảm và tính chất từ của vật liệu được cải thiện. Điều này có thể được giải thích bởi sự gia tăng diện tích bề mặt và sự phân tán tốt hơn của các ion kim loại trong cấu trúc. Kết quả này cho thấy rằng, việc điều chỉnh thời gian nghiền có thể giúp tối ưu hóa tính chất từ của kẽm pherit, từ đó nâng cao hiệu suất trong các ứng dụng công nghệ cao.

25/01/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Khái niệm, cấu trúc pherit spinen Pherit spinen là các hợp chất được tổng hợp nhân tạo có công thức hoá học chung là: M.Fe2O4 Ở đây M là các kim loại hoá trị II như: Mn2+, Fe2+, Co2+, Zn2+, Mg2+, Cu2+, Ni2+… Bán kính các ion Me2+ có giá trị từ 0,4 đến 1Å. Tên gọi của pherit mang tên ion hóa trị hai. Ví dụ như NiFe2O4 - pherit niken, MnFe2O4 - pherit mangan, CoFe2O4 - pherit coban… Cấu trúc spinen được nghiên cứu đầu tiên bởi hai nhà khoa học Bragg và Nishikawa từ năm 1915 [10,61] có nguồn gốc từ khoáng tự nhiên với công thức hoá học là MgO.

Cấu trúc hoàn thiện của spinen tự nhiên bao gồm 8 phân tử MgO. Tổng số ion trong cấu trúc này là 56 ion trong đó 32 ion ôxy và 24 ion kim loại trong một ô mạng cơ sở. Cấu trúc spinen cấu tạo bởi các ion ôxy có bán kính lớn nhất (1,3 Å) và các ion kim loại có bán kính nhỏ hơn tạo thành mạng lập phương tâm mặt (fcc) có hằng số mạng a = 8,4 Å [134] (Hình 1. Tám phân tử hóa học trong cấu trúc spinen có 32 ion ôxy tạo nên 64 lỗ trống bốn mặt và 32 lỗ trống tám mặt nhưng chỉ có 8 lỗ trống bốn mặt và 16 lỗ trống tám mặt có các ion kim loại chiếm chỗ [10].

Các ion kim loại chiếm các vị trí bên trong và được phân thành hai nhóm (Hình 1. Nhóm A gọi là phân mạng bốn mặt (phân mạng A), mỗi ion kim loại được bao quanh bởi 4 ion ôxy (Hình 1. Nhóm B gọi là phân mạng tám mặt (phân mạng B), mỗi ion kim loại được bao quanh bởi 6 ion ôxy (Hình 1.1c mô phỏng một ô cơ bản của pherit spinen có cấu trúc lập phương với hằng số mạng là a được chia thành 8 ô nhỏ, mỗi ô có chiều dài là a/2.1d mô tả vị trí của các ion kim loại và ion ôxy ở hai phân mạng A và B tương ứng. 3 Formatted: Centered Hình 1.

Cấu trúc tinh thể của pherit spinen a) vị trí bốn mặt, b) vị trí tám mặt, c) cấu trúc lập phương của pherit spinen [15] Hình 1.2 thể hiện sự phân bố các cation kim loại ở phân mạng B và Hình 1.3 biểu diễn vị trí của ion ôxy trong cấu trúc spinen. Theo đó ta thấy, ion kim loại vị trí B được bao quanh bởi các ion ôxy ở hai ô liên kề nhau thuộc phân mạng A. Formatted: Centered Hình 1. Vị trí các ion kim loại (hình tròn nhỏ) ở phân mạng B trong cấu trúc spinen.

Tham số tọa độ của ion ôxy được ký hiệu là u, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc spinen. Tham số u lý tưởng được xác định theo đường chéo của hình lập phương tương ứng (Hình 1. Từ tham số này kết hợp với hằng số mạng ta có thể xác định được tọa độ của ion kim loại vị trí A và B. 4 Formatted: Centered Hình 1.

Ion ôxy trong cấu trúc spinen (hình tròn trắng lớn). Hình tròn nhỏ gạch chéo là ion kim loại ở phân mạng B. Hình tròn nhỏ màu đen là các ion kim loại ở phân mạng A Với các mạng lý tưởng xếp chặt thì u = 3/8 nhưng thực tế u ~3/8. Các vị trí định xứ của cation trong phân mạng A và B trong khối lập phương tạo thành các tam giác, cạnh của các tam giác này là đường chéo của các mặt lập phương (Hình 1.1 trình bày giá trị một số bán kính ion kim loại và bán kính lỗ trống ở phân mạng A và B.

Ta thấy bán kính của các lỗ trống bốn mặt nhỏ hơn bán kính lỗ trống tám mặt đồng thời bán kính các kim loại ở phân mạng tám mặt luôn lớn hơn ở phân mạng bốn mặt. Kết quả này là do ảnh hưởng của tương tác điện trường giữa các ion kim loại với 4 ion ôxy trong phân mạng A và 6 ion ôxy trong phân mạng B.1 Bán kính ion và bán kính lỗ trống của một số pherit spinen điển hình [41] 5 Bảng 1.2 trình bày các giá trị tham số ôxy và hằng số mạng a thu được từ kết quả nhiễu xạ tia X và nhiễu xạ nơtron của một số pherit spinen. Nhận thấy rằng, thông số ôxy (u) của các pherit đều lớn hơn giá trị mạng lý tưởng (u = 3/8).2 Hằng số mạng (a) và tham số ôxy (u) của một số pherit spinen [41] Tùy thuộc vào sự phân bố cation, có ba dạng cấu trúc spinen: Commented [DNB1]: Cái gì đây? Formatted: Font: Superscript − Spinen thường: Các ion Me2+nằm ở vị trí A. Các pherit này được viết dưới dạng: Formatted: Font: Superscript Me2+[Fe23+]O42–.

Đó là các pherit ZnFe2O4, CdFe2O4… Formatted: Font: Subscript − Spinen đảo: Các ion Me2+nằm ở vị trí B, các ion Fe3+còn lại phân chia đều ở vị trí A Formatted: Font: Superscript Formatted: Font: Subscript và B. Dạng cấu trúc của pherit spinen đảo là Fe3+[Me2+Fe3+]O42–. Đó là pherit Ni, Co. Formatted: Font: Superscript − Spinen hỗn hợp: các cation Me2+ và Fe3+ có thể đồng thời phân bố ở vị trí A và vị trí Formatted: Font: Subscript Formatted: Font: Subscript B.

Formatted: Font: Subscript Xác định phân bố cation trong pherit spinen có một tầm quan trọng đặc biệt để có thể Formatted: Font: Subscript Formatted: Font: Superscript dự đoán trước các tính chất từ của pherit (theo mẫu Néel) ở vùng nhiệt độ thấp. Hầu hết các Formatted: Font: Superscript pherit ứng dụng trên thực tế đều là pherit spinen hỗn hợp. Formatted: Font: Superscript Formatted: Font: Superscript Bảng 1.3 đưa ra sự phân bố ion kim loại trong spinen thường và spinen đảo ta thấy ở Formatted: Font: Superscript phân mạng A vị trí bị chiếm bằng 1/8 vị trí trí có sẵn và ít hơn ở phân mạng B với vị trí bị hiếm Formatted: Font: Subscript Formatted: Font: Superscript bằng 1/2 vị trí có sẵn do đó cả hai loại spinen thường và spinen đảo đều có thể có 8 ion kim loại Formatted: Font: Superscript Formatted: Font: Superscript 6 hoặc 8 ion Fe3+ chiếm chỗ. Ở phân mạng B, spinen có 16 ion Fe3+, còn ở spinen ảo có 8 ion Fe3+ và 8 ion Me2+ chiếm chỗ.

Phân bố các ion kim loại trong ô cơ sở của pherit spinen MeO.Fe2O3[15] Hai yếu tố chủ yếu ảnh hưởng tới sự phân bố ion trong spinen như sau: ▪ Độ lớn của bán kính ion: Do lỗ trống bốn mặt nhỏ hơn lỗ trống tám mặt, cho nên các ion có bán kính nhỏ, có xu hướng chiếm vị trí A. ▪ Điều kiện công nghệ chế tạo: Sự phân bố ion phụ thuộc vào công nghệ chế tạo vật liệu như nhiệt độ ủ mẫu, môi trường tạo mẫu và chế độ hạ nhiệt độ mẫu. Bán kính ion của ôxy và một số ion kim loại [41] [22] Ion Bán kính (Å) O2+ 1,32 Li2+ 0,68 Fe2+ 0,74 Fe3+ 0,64 Co2+ 0,72 Mn2+ 0,80 Zn2+ 0,74 7 1. Tính chất, ứng dụng của pherit spinen 1.

Tính chất của pherit spinen 1. Từ tính Tính chất đặc trưng của pherit spinen là từ tính. Tương tự như sắt từ, pherit spinen cũng có những tính chất như: mômen từ phụ thuộc phi tuyến vào từ trường ngoài, có hiện tượng trễ từ, độ cảm từ dưới nhiệt độ Curie là dương và có giá trị lớn. Pherit spinen thường được cấu tạo bởi các ion kim loại 3d liên kết với ion ôxy bằng các liên kết đồng hóa trị.

Các ion từ tính trong pherit bị ngăn cách bởi các ion ôxy có đường kính lớn, trật tự từ trong các pherit là do tương tác trao đổi gián tiếp (siêu tương tác) giữa các ion từ tính qua ion ôxy quyết định. Tương tác trao đổi là hiệu ứng lượng tử xảy ra khi hàm sóng của hai hay nhiều điện tử phủ nhau. Do đó năng lượng tự do của hệ tăng hay giảm tùy thuộc vào các spin song song hoặc đối song song với nhau. Theo quan điểm của cơ học lượng tử, tương tác trao đổi là tương tác giữa các spin của các nguyên tử qua đó năng lượng tự do của hệ sẽ tăng hay giảm tùy thuộc vào các spin.

Hiệu ứng này được phát hiện một cách độc lập bởi Werner Heisenberg và Paul Dirac vào năm 1926 [15]. Giá trị của nhiệt độ trật tự từ (TC) được quyết định bởi loại tương tác này. Tương tác trao đổi phụ thuộc vào môi trường không gian xung quanh các nguyên tử và chỉ tồn tại trong một khoảng cách ngắn nhất định và cường độ của tương tác trao đổi giảm nhanh khi khoảng cách giữa các nguyên tử tăng lên. Theo lý thuyết trường phân tử của Néel, trong pherit spinen có 3 loại tương tác trao đổi giữa các ion từ là tương tác trong cùng một phân mạng A-A, B-B và giữa hai phân mạng A-B với nhau.

Tuy nhiên, thông thường tương tác giữa hai phân mạng A-B là lớn hơn tương tác của các ion trong cùng một phân mạng A-A và B-B. Do đó, thực tế là các mômen từ trong cùng một phân mạng định hướng song song với nhau.4 thể hiện cấu trúc từ lý tưởng ở hai phân mạng A và B của các pherit spinen. Cấu trúc từ lý tưởng của pherit spinen ở phân mạng A và B [15] 1. Một số tính chất khác của nano pherit spinen Vật liệu nano từ hiện nay đang được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ trong kỹ thuật và đời sống.

Nếu kích thước các hạt mang từ tính giảm đến một giá trị nào đó (thông thường từ vài cho đến vài chục nano mét, phụ thuộc vào từng vật liệu cụ thể) thì tính chất từ của vật liệu sẽ thay đổi mạnh, khi ấy năng lượng ứng với chuyển động hỗn loạn nhiệt thắng thế năng lượng dị hướng từ và làm cho vật liệu có tính chất siêu thuận từ. Đối với vật liệu có tính chất siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không. Điều đó có nghĩa là, khi không có tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa. Dị hướng bề mặt Dị hướng từ bề mặt là hệ quả của hiện tượng sụt giảm số lân cận của các ion từ ở lớp ngoài của các hạt nano và dẫn đến sự phá vỡ tính đối xứng tinh thể địa phương.

Khi giảm kích thước hạt xuống thang nano, dị hướng từ bề mặt chiếm tỷ lệ lớn trong dị ướng từ chung. Sự mất trật tự của cấu trúc từ bề mặt dẫn đến dị hướng từ bề mặt có giá trị khác nhau và tính đối xứng khác nhau (Hình 1. Mô phỏng cấu trúc bề mặt dị hướng từ của hạt nano [21] Các nghiên cứu chỉ ra rằng, trường tinh thể của các nguyên tử bề mặt và các nguyên tử phía trong trao đổi tưởng tác từ nên các spin trên bề mặt thường nghiêng hoặc bị mất trật tự. Dị hướng bề mặt phụ thuộc vào kích thước của hạt nano.

Mô hình lõi-vỏ Hình 1.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Bài viết "Nghiên cứu sự hình thành kẽm pherit ZnFe2O4 từ hỗn hợp bột Fe2O3 và ZnO dưới tác dụng của nghiền năng lượng cao" trình bày quá trình hình thành hợp chất kẽm pherit ZnFe2O4 thông qua việc nghiền hỗn hợp bột Fe2O3 và ZnO. Nghiên cứu này không chỉ làm rõ cơ chế phản ứng mà còn chỉ ra những điều kiện tối ưu để đạt được sản phẩm với chất lượng cao. Độc giả sẽ tìm thấy thông tin hữu ích về ứng dụng của kẽm pherit trong các lĩnh vực vật liệu và công nghệ, từ đó mở rộng hiểu biết về các phương pháp chế tạo vật liệu mới.

Để khám phá thêm về các nghiên cứu liên quan đến vật liệu và công nghệ, bạn có thể tham khảo các bài viết sau: Luận án tiến sĩ về cấu trúc nano vàng bạc trên silic trong nhận biết phân tử hữu cơ bằng tán xạ Raman, nơi nghiên cứu về cấu trúc nano và ứng dụng trong nhận diện phân tử hữu cơ, và Luận án tiến sĩ về tổng hợp và ứng dụng vật liệu carbon hoạt tính, cung cấp cái nhìn sâu sắc về vật liệu carbon và ứng dụng của chúng trong công nghệ hiện đại. Những tài liệu này sẽ giúp bạn có cái nhìn toàn diện hơn về lĩnh vực vật liệu và công nghệ chế tạo.