Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Công nghệ nano là một bước tiến bộ vượt bậc trong lịch sử khoa học và kỹ thuật, mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực y học, xử lý môi trường, công nghệ thông tin và khoa học vật liệu. Tại Việt Nam, nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu cấu trúc nano đã được đẩy mạnh tại các trường đại học, viện nghiên cứu với sự hỗ trợ từ các chương trình khoa học công nghệ quốc gia. Trong số các hệ vật liệu tiên tiến, ferrite kim loại đất hiếm mang cấu trúc perovskite lệch dạng $\text{LnFeO}_3$ (đặc biệt khi $\text{Ln}$ là Ytri - $\text{YFeO}_3$) thu hút sự quan tâm lớn nhờ các tính chất điện tử, từ tính và quang học đặc thù, có khả năng ứng dụng làm linh kiện điện tử nano, xúc tác quang hóa xử lý phẩm màu hữu cơ, vật liệu nhạy khí ở nhiệt độ cao và chế tạo điện cực.
Tuy nhiên, phương pháp gốm truyền thống (phản ứng pha rắn) để chế tạo các oxit phức hợp thường đòi hỏi nhiệt độ nung thiêu kết rất cao (trên $1000^\circ\text{C}$), thời gian kéo dài, sản phẩm tạo thành có kích thước hạt lớn (cỡ micromet đến milimet), độ rỗng cao và độ đồng nhất hóa học kém. Nhằm khắc phục các nhược điểm này, các phương pháp hóa ướt (như đồng kết tủa và sol-gel) được lựa chọn để tổng hợp bột nano $\text{YFeO}_3$ nhờ khả năng trộn lẫn các tiền chất ở cấp độ phân tử, giúp giảm nhiệt độ hình thành đơn pha và kiểm soát tốt kích thước hạt.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể:
- Nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu nano $\text{YFeO}_3$ bằng phương pháp đồng kết tủa sử dụng tác nhân kết tủa là dung dịch $\text{KOH}$.
- Nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu nano $\text{YFeO}_3$ bằng phương pháp sol-gel cải tiến sử dụng lòng trắng trứng gà làm chất tạo gel sinh học thân thiện với môi trường.
- Khảo sát quá trình biến đổi nhiệt, cấu trúc tinh thể, thành phần pha, hình thái kích thước hạt và tính chất từ của sản phẩm bột nano thu được sau khi nung ở các nhiệt độ khác nhau ($500^\circ\text{C}$, $700^\circ\text{C}$, $800^\circ\text{C}$, $900^\circ\text{C}$).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Bột vật liệu oxit phức hợp perovskite nano $\text{YFeO}_3$ (Yttrium Orthoferrite).
- Phạm vi không gian thực nghiệm: Thực hiện tại Phòng thí nghiệm Hóa Vô cơ - Khoa Hóa học (Trường Đại học Sư phạm TP.HCM); đo phân tích nhiệt tại Phòng thí nghiệm Hóa lý - Khoa Hóa học (Trường Đại học Sư phạm Hà Nội); đo nhiễu xạ tia X và chụp ảnh hiển vi điện tử quét tại Viện Khoa học và Công nghệ TP.HCM; đo từ tính tại Phân viện Vật lý TP.HCM.
- Phạm vi thông số khảo sát: Khảo sát các chế độ xử lý nhiệt ở các mức nhiệt độ $700^\circ\text{C}$, $800^\circ\text{C}$ và $900^\circ\text{C}$ với thời gian lưu nhiệt cố định là 1 giờ sau giai đoạn nung sơ bộ ở $500^\circ\text{C}$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và đối tượng nghiên cứu
- Khái niệm và phân loại vật liệu nano: Vật liệu nano là vật liệu có kích thước cấu trúc trong khoảng từ 1 đến 100 nanomet, được phân loại theo số chiều bị giam cầm (0 chiều: hạt nano; 1 chiều: dây/ống nano; 2 chiều: màng mỏng; 3 chiều: vật liệu khối cấu trúc nano) và phân loại theo tính chất (kim loại, bán dẫn, từ tính, sinh học).
- Cấu trúc tinh thể perovskite $\text{ABO}_3$: Cấu trúc mạng tinh thể thuần của $\text{ABO}_3$ có ô mạng cơ sở lập phương tâm khối, trong đó cation A (kim loại đất hiếm bán kính lớn như $\text{Y}^{3+}$) chiếm vị trí 8 đỉnh lập phương với số phối trí 12; cation B (kim loại chuyển tiếp bán kính nhỏ như $\text{Fe}^{3+}$) nằm ở tâm lập phương trong bát diện phối trí $\text{BO}_6$ với 6 ion oxy ở các tâm mặt; góc liên kết $\text{B-O-B}$ lý tưởng là $180^\circ$. Với $\text{YFeO}_3$, do bán kính ion $\text{Y}^{3+}$ nhỏ nên mạng lưới bị biến dạng sang hệ trực thoi (orthorhombic) hoặc lục giác.
- Tính chất hóa học của các nguyên tố tiền chất:
- Sắt và các oxit/hydroxit: Sắt tồn tại ở các dạng thù hình $\alpha, \beta, \gamma, \delta$; oxit sắt $\text{Fe}_2\text{O}_3$ có các pha $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ (hematite), $\beta\text{-Fe}_2\text{O}_3$, $\gamma\text{-Fe}_2\text{O}_3$ (maghemite) và $\varepsilon\text{-Fe}_2\text{O}_3$; hydroxit $\text{Fe(OH)}_3$ dạng kết tủa nâu đỏ phân hủy thành oxit trên $200^\circ\text{C}$.
- Ytri và các oxit/hydroxit: Kim loại đất hiếm Ytri có số oxi hóa đặc trưng $+3$; oxit $\text{Y}_2\text{O}_3$ bền nhiệt; hydroxit $\text{Y(OH)}_3$ bị nhiệt phân tạo $\text{Y}_2\text{O}_3$ ở khoảng $500^\circ\text{C}$ trong 2 giờ.
- Cơ chế tạo gel từ lòng trắng trứng gà: Lòng trắng trứng chứa khoảng 9,6% protein cùng các hợp chất cao phân tử tự nhiên có độ nhớt và tính kết dính cao, đóng vai trò mạng lưới khung hữu cơ bao bọc, phân tán đồng đều các cation $\text{Y}^{3+}$ và $\text{Fe}^{3+}$, ngăn chặn sự tích tụ hạt trong giai đoạn tạo gel và nhiệt phân.
Phương pháp nghiên cứu và thiết bị phân tích
- Phương pháp phân tích nhiệt đồng thời ($\text{TGA-DrTGA-DTA}$): Khảo sát sự thay đổi khối lượng và hiệu ứng nhiệt theo nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến $1000^\circ\text{C}$ trên thiết bị DTG-60H (Shimadzu, Nhật Bản).
- Phương pháp nhiễu xạ tia X ($\text{XRD}$): Xác định cấu trúc tinh thể, độ tinh khiết pha dựa trên định luật Bragg ($2d\sin\theta = n\lambda$) và ước lượng kích thước hạt qua công thức Scherrer ($t = \frac{0{,}9\lambda}{\beta\cos\theta}$) trên máy D8-ADVANCE (Bruker, Đức) với bức xạ $\text{Cu-K}_\alpha$ ($\lambda = 1{,}5406\text{ \AA}$).
- Phương pháp kính hiển vi điện tử quét ($\text{FE-SEM}$): Quan sát hình thái bề mặt, hình dạng và kích thước hạt trên thiết bị FE-SEM Model S4800 (Hitachi, Nhật Bản).
- Phương pháp đo từ tính mẫu rung ($\text{VSM}$): Xác định các thông số từ tính gồm độ từ hóa bão hòa ($M_s$), từ dư ($M_r$) và lực kháng từ ($H_c$) từ đường cong từ trễ trên máy MicroSense EV11 tại nhiệt độ phòng.
- Nguồn hóa chất sử dụng: Muối $\text{Y(NO}_3)_3\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ (độ tinh khiết 99%, Đức), $\text{Fe(NO}_3)_3\cdot 9\text{H}_2\text{O}$ (độ tinh khiết 98,5%, Trung Quốc), $\text{KOH}$ (Trung Quốc), lòng trắng trứng gà tươi và nước cất 2 lần.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Chương này tập trung hệ thống hóa cơ sở lý thuyết và tổng quan tài liệu về:
- Khái niệm khoa học nano, các hiệu ứng kích thước và phân loại vật liệu nano theo cấu trúc không gian và tính chất ứng dụng.
- Cấu trúc mạng tinh thể oxit phức hợp perovskite $\text{ABO}_3$, các dạng thù hình của oxit sắt ($\alpha, \beta, \gamma, \varepsilon\text{-Fe}_2\text{O}_3$), oxit ytri ($\text{Y}_2\text{O}_3$), các dạng hydroxit $\text{Fe(OH)}_3$, $\text{Y(OH)}_3$ và cấu trúc tinh thể trực thoi của $\text{YFeO}_3$.
- Đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp tổng hợp vật liệu: so sánh phương pháp gốm truyền thống (tính đồng nhất kém, hạt cỡ milimet, nhiệt độ cao) với các phương pháp hóa ướt (đồng kết tủa và sol-gel cho phép thu được hạt kích thước nanomet, độ tinh khiết cao, hạ nhiệt độ thiêu kết).
- Tổng quan các ứng dụng thực tiễn của $\text{YFeO}_3$ trong vật liệu cảm biến khí $\text{CO}$, quang xúc tác xử lý chất màu và thiết bị lưu trữ từ tính.
- Nguyên lý hoạt động và khả năng phân tích của 4 kỹ thuật đặc trưng vật liệu: $\text{TGA/DTA}$, $\text{XRD}$, $\text{SEM}$ và $\text{VSM}$.
Chương 2. Thực nghiệm - Kết quả - Thảo luận
Chương này trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm và các kết quả đo đạc thực tế:
- Quy trình tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa:
- Hòa tan hỗn hợp muối $\text{Fe(NO}_3)_3\cdot 9\text{H}_2\text{O}$ và $\text{Y(NO}_3)_3\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ theo tỉ lệ mol $1:1$ trong nước cất.
- Nhỏ từ từ dung dịch muối vào nước cất đang sôi ở $80^\circ\text{C}$ trên máy khuấy từ, khuấy thêm 5-7 phút rồi để nguội.
- Thêm dung dịch $\text{KOH}$ đến môi trường kiềm ($\text{pH} \approx 10-11$), khuấy 15-20 phút để kết tủa hoàn toàn dạng hydroxit.
- Lọc hút chân không, rửa sạch bằng nước cất, phơi khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng và nung thiêu kết ở các nhiệt độ khác nhau.
- Quy trình tổng hợp bằng phương pháp sol-gel dùng lòng trắng trứng:
- Hòa tan hỗn hợp muối nitrat tỉ lệ mol $1:1$ vào nước đang sôi, khuấy 10 phút.
- Nhỏ từ từ vào 200 ml dung dịch chứa 60 ml lòng trắng trứng gà, khuấy đều ở nhiệt độ phòng 15-20 phút.
- Gia nhiệt ở $200^\circ\text{C}$ trong khoảng 3 giờ để tạo gel sệt và làm bay hơi nước hoàn toàn thu được gel khô dạng bột màu nâu đỏ.
- Nghiền mịn và nung ở các nhiệt độ $500^\circ\text{C}$ (1 giờ), sau đó nung ở $700^\circ\text{C}$, $800^\circ\text{C}$ và $900^\circ\text{C}$ (1 giờ).
- Phân tích cơ chế và động học tạo pha $\text{YFeO}_3$ qua các phản ứng:
- Giai đoạn tạo hydroxit:
$$\text{Fe(NO}_3)_3 + 3\text{KOH} \rightarrow \text{Fe(OH)}_3\downarrow + 3\text{KNO}_3$$
$$\text{Y(NO}_3)_3 + 3\text{KOH} \rightarrow \text{Y(OH)}_3\downarrow + 3\text{KNO}_3$$
- Giai đoạn phân hủy nhiệt hydroxit thành oxit đơn:
$$2\text{Fe(OH)}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$
$$2\text{Y(OH)}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{Y}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$
- Giai đoạn tạo pha perovskite:
$$\text{Fe}_2\text{O}_3 + \text{Y}_2\text{O}_3 \xrightarrow{t^\circ \ge 700^\circ\text{C}} 2\text{YFeO}_3$$
- Khảo sát đặc trưng của sản phẩm: So sánh chi tiết kết quả phân tích nhiệt $\text{TGA/DTA}$, độ kết tinh qua giản đồ $\text{XRD}$, kích thước hạt qua ảnh $\text{SEM}$ và các thông số từ tính qua đường cong từ trễ $\text{VSM}$ giữa hai phương pháp.
Kết quả và đóng góp
Kết quả phân tích nhiệt ($\text{TGA-DTA}$)
- Phương pháp đồng kết tủa: Quá trình mất khối lượng xảy ra theo 2 giai đoạn chính với tổng độ giảm khối lượng khoảng $38{,}866%$:
- Giai đoạn 1 (từ nhiệt độ phòng đến $250^\circ\text{C}$): Giảm $1{,}787\text{ mg}$ ($19{,}592%$), xuất hiện pic thu nhiệt trên đường $\text{DTA}$ tại $72{,}79^\circ\text{C}$ do mất nước hấp phụ bề mặt.
- Giai đoạn 2 (từ $250^\circ\text{C}$ đến $500^\circ\text{C}$): Giảm $1{,}758\text{ mg}$ ($19{,}274%$) do sự nhiệt phân hoàn toàn của các hydroxit $\text{Fe(OH)}_3$ và $\text{Y(OH)}_3$ thành oxit. Trên $500^\circ\text{C}$, khối lượng mẫu không đổi.
- Phương pháp sol-gel lòng trắng trứng: Quá trình mất khối lượng xảy ra qua 3 giai đoạn với tổng độ giảm khối lượng lên tới $87{,}529%$ (do chứa lượng lớn chất hữu cơ):
- Giai đoạn 1 (từ nhiệt độ phòng đến $150^\circ\text{C}$): Mất $2{,}584\text{ mg}$ ($19{,}518%$), pic thu nhiệt tại $69{,}47^\circ\text{C}$ do giải hấp phụ và mất nước.
- Giai đoạn 2 (từ $150^\circ\text{C}$ đến $300^\circ\text{C}$): Mất $4{,}347\text{ mg}$ ($32{,}835%$), xuất hiện pic tỏa nhiệt ở $175{,}21^\circ\text{C}$ và $249{,}13^\circ\text{C}$ do sự phân hủy đồng thời của muối nitrat và quá trình oxy hóa tỏa nhiệt của protein/chất béo trong lòng trắng trứng.
- Giai đoạn 3 (từ $300^\circ\text{C}$ đến $620^\circ\text{C}$): Mất $4{,}657\text{ mg}$ ($35{,}176%$), xuất hiện pic tỏa nhiệt mạnh tại $580{,}48^\circ\text{C}$ do quá trình cháy hoàn toàn phần hữu cơ còn lại tạo thành $\text{CO}_2, \text{N}_2, \text{H}_2\text{O}$. Trên $620^\circ\text{C}$, khối lượng mẫu ổn định và bắt đầu chuyển pha tạo $\text{YFeO}_3$.
Kết quả cấu trúc pha ($\text{XRD}$) và hình thái hạt ($\text{SEM}$)
- Giản đồ nhiễu xạ tia X ($\text{XRD}$):
- Ở $700^\circ\text{C}$ (1 giờ): Cả hai phương pháp đã hình thành các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của $\text{YFeO}_3$ nhưng vẫn còn xuất hiện các pic nhỏ của pha tạp chất, chứng tỏ phản ứng tạo pha chưa hoàn toàn.
- Ở $800^\circ\text{C}$ và $900^\circ\text{C}$ (1 giờ): Cả hai phương pháp đều cho các pic nhiễu xạ sắc nét, hoàn toàn trùng khớp với phổ chuẩn của cấu trúc tinh thể $\text{YFeO}_3$ đơn pha.
- Hình thái và kích thước hạt ($\text{SEM}$):
- Đồng kết tủa: Mẫu nung ở $700^\circ\text{C}$ có kích thước $30-40\text{ nm}$ chưa đồng đều; mẫu nung ở $800^\circ\text{C}$ có dạng hình cầu đồng nhất cao với kích thước $40-50\text{ nm}$; mẫu nung ở $900^\circ\text{C}$ hạt phát triển lớn hơn ($50-70\text{ nm}$), xuất hiện sự kết dính chùm tinh thể.
- Sol-gel lòng trắng trứng: Mẫu nung ở $700^\circ\text{C}$ có hình thái đa dạng (hình cầu phân cạnh, bầu dục, trụ kéo dài) với kích thước từ $40-50\text{ nm}$, $60-80\text{ nm}$ đến trên $100\text{ nm}$; mẫu nung ở $800^\circ\text{C}$ có kích thước hạt đồng đều hơn ($50-70\text{ nm}$) nhưng có sự kết tụ thành từng đám riêng biệt.
Kết quả khảo sát tính chất từ ($\text{VSM}$)
| Phương pháp tổng hợp |
Nhiệt độ nung ($t = 1\text{h}$) |
Độ từ hóa bão hòa $M_s$ ($\text{emu/g}$) |
Lực kháng từ $H_c$ ($\text{Oe}$) |
Từ dư $M_r$ ($\text{emu/g}$) |
| Đồng kết tủa |
$700^\circ\text{C}$ |
0,165 |
376,13 |
0,052 |
| Đồng kết tủa |
$800^\circ\text{C}$ |
0,229 |
445,89 |
0,071 |
| Sol-gel lòng trắng trứng |
$700^\circ\text{C}$ |
0,186 |
412,50 |
0,058 |
| Sol-gel lòng trắng trứng |
$800^\circ\text{C}$ |
0,245 |
478,20 |
0,082 |
Các mẫu tổng hợp từ cả hai phương pháp đều có lực kháng từ $H_c > 100\text{ Oe}$ ($376{,}13 - 478{,}20\text{ Oe}$) và giá trị từ dư $M_r$ nhỏ, chứng minh vật liệu chế tạo được mang đặc tính của vật liệu từ cứng. Khi tăng nhiệt độ nung từ $700^\circ\text{C}$ lên $800^\circ\text{C}$, cả độ từ hóa bão hòa ($M_s$) và lực kháng từ ($H_c$) đều tăng do sự hoàn thiện mạng lưới tinh thể và tăng kích thước hạt nano.
Đóng góp của đề tài
- Tổng hợp thành công vật liệu nano $\text{YFeO}_3$ đơn pha bằng hai phương pháp hóa ướt với nhiệt độ thiêu kết $800^\circ\text{C}$, thấp hơn đáng kể so với phương pháp gốm truyền thống.
- Ứng dụng thành công lòng trắng trứng gà làm chất tạo gel sinh học tự nhiên, rẻ tiền, dễ kiếm và thân thiện với môi trường trong tổng hợp oxit phức hợp perovskite.
- Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về sự biến đổi nhiệt lượng, phổ cấu trúc tinh thể, hình thái kích thước hạt và tính chất từ tính của hạt nano $\text{YFeO}_3$.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế được ghi nhận trong văn bản:
- Ở nhiệt độ nung $700^\circ\text{C}$, sản phẩm của cả hai phương pháp vẫn còn chứa lượng nhỏ tạp chất chưa phản ứng hết.
- Phương pháp sol-gel sử dụng lòng trắng trứng ở $700^\circ\text{C}$ cho hình thái hạt không đồng nhất (nhiều dạng hình học khác nhau) và ở $800^\circ\text{C}$ vẫn còn hiện tượng các hạt nano bị kết tụ thành từng đám do ảnh hưởng của quá trình cháy chất hữu cơ.
- Khóa luận mới dừng lại ở việc tổng hợp và khảo sát cấu trúc, từ tính, chưa tiến hành thử nghiệm các tính chất chức năng ứng dụng thực tế.
- Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Tối ưu hóa tỉ lệ giữa lòng trắng trứng và nồng độ ion kim loại nhằm hạn chế sự kết tụ hạt sau thiêu kết.
- Tiến hành thử nghiệm hoạt tính quang xúc tác xử lý các chất màu hữu cơ trong nước thải và khảo sát độ nhạy khí của màng nano $\text{YFeO}_3$ đối với các khí khử như $\text{CO}, \text{CH}_4$.
Giá trị tham khảo
Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo hữu ích đối với:
- Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Sư phạm Hóa học, Hóa Vô cơ, Khoa học Vật liệu và Công nghệ Hóa học đang thực hiện các đề tài về vật liệu nano oxit phức hợp, vật liệu perovskite và vật liệu từ tính.
- Cán bộ nghiên cứu và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm: Tham khảo quy trình thực nghiệm chi tiết về phương pháp đồng kết tủa và phương pháp sol-gel xanh sử dụng chất tạo gel sinh học tự nhiên.
- Phần giá trị nhất: Quy trình xử lý nhiệt chi tiết kết hợp phương pháp phân tích giản đồ nhiệt vi sai ($\text{TGA/DTA}$) để xác định chính xác nhiệt độ hình thành pha tinh thể và kỹ thuật phân tích đường cong từ trễ ($\text{VSM}$).
Câu hỏi thường gặp
1. Tác nhân tạo gel trong phương pháp sol-gel của khóa luận là gì và có vai trò gì?
Tác nhân tạo gel được sử dụng là lòng trắng trứng gà (sử dụng 60 ml lòng trắng trứng trong 200 ml dung dịch). Lòng trắng trứng chứa khoảng 9,6% protein cùng các hợp chất hữu cơ cao phân tử có độ nhớt và tính kết dính cao, đóng vai trò bao bọc, phân tán đồng đều các cation kim loại $\text{Y}^{3+}$ và $\text{Fe}^{3+}$, ngăn chặn sự tích tụ hạt và hỗ trợ hạ thấp nhiệt độ thiêu kết tạo pha.
2. Sự phân hủy nhiệt của mẫu sol-gel lòng trắng trứng diễn ra qua các giai đoạn nào?
Quá trình phân hủy nhiệt diễn ra qua 3 giai đoạn chính với tổng độ hụt khối lượng $87{,}529%$:
- Giai đoạn 1 (từ nhiệt độ phòng đến $150^\circ\text{C}$): Mất nước bề mặt và giải hấp phụ (giảm $19{,}518%$, pic thu nhiệt ở $69{,}47^\circ\text{C}$).
- Giai đoạn 2 ($150^\circ\text{C} - 300^\circ\text{C}$): Phân hủy muối nitrat và bắt đầu phân hủy protein (giảm $32{,}835%$, pic tỏa nhiệt ở $175{,}21^\circ\text{C}$ và $249{,}13^\circ\text{C}$).
- Giai đoạn 3 ($300^\circ\text{C} - 620^\circ\text{C}$): Quá trình cháy mạnh của phần hữu cơ còn lại tạo $\text{CO}_2, \text{N}_2, \text{H}_2\text{O}$ (giảm $35{,}176%$, pic tỏa nhiệt lớn ở $580{,}48^\circ\text{C}$). Từ $620^\circ\text{C}$ trở đi bắt đầu chuyển pha tạo $\text{YFeO}_3$.
3. Nhiệt độ nung nào là tối ưu để tạo đơn pha $\text{YFeO}_3$ trong nghiên cứu này?
Nhiệt độ nung tối ưu được xác định là $800^\circ\text{C}$ trong thời gian 1 giờ (sau khi nung sơ bộ ở $500^\circ\text{C}$). Ở mức nhiệt này, giản đồ $\text{XRD}$ của cả hai phương pháp đều xác nhận sự hình thành cấu trúc đơn pha $\text{YFeO}_3$ đồng nhất, pic nhiễu xạ sắc nét trùng khớp với phổ chuẩn và kích thước hạt nano phân bố tương đối đều ($40-50\text{ nm}$ với đồng kết tủa và $50-70\text{ nm}$ với sol-gel).
4. Vật liệu nano $\text{YFeO}_3$ chế tạo được thuộc loại vật liệu từ gì và dựa trên tiêu chí nào?
Vật liệu $\text{YFeO}_3$ tổng hợp được thuộc nhóm vật liệu từ cứng. Kết luận này dựa trên kết quả đo từ kế mẫu rung ($\text{VSM}$), cho thấy lực kháng từ của tất cả các mẫu nung ở $700^\circ\text{C}$ và $800^\circ\text{C}$ đều đạt giá trị lớn hơn $100\text{ Oe}$ (dao động từ $376{,}13\text{ Oe}$ đến $478{,}20\text{ Oe}$) cùng với giá trị từ dư ($M_r$) nhỏ.
5. Sự khác biệt về hình thái và kích thước hạt ($\text{SEM}$) giữa hai phương pháp ở $800^\circ\text{C}$ là gì?
- Phương pháp đồng kết tủa: Các hạt tạo thành hầu hết có dạng hình cầu đồng đều với kích thước nano đạt $40-50\text{ nm}$, độ phân tán tốt.
- Phương pháp sol-gel lòng trắng trứng: Kích thước hạt lớn hơn, dao động trong khoảng $50-70\text{ nm}$ và xuất hiện hiện tượng các hạt kết tụ thành từng đám riêng biệt do ảnh hưởng từ sự cháy của khung hữu cơ protein.
Kết luận
Khóa luận đã tổng hợp thành công vật liệu oxit phức hợp perovskite nano $\text{YFeO}_3$ đơn pha bằng hai phương pháp hóa ướt là đồng kết tủa (với tác nhân $\text{KOH}$) và sol-gel (sử dụng phụ gia sinh học lòng trắng trứng gà) ở nhiệt độ nung $800^\circ\text{C}$ trong 1 giờ. Kết quả phân tích cấu trúc và hình thái cho thấy phương pháp đồng kết tủa tạo ra hạt nano hình cầu đồng đều kích thước $40-50\text{ nm}$, trong khi phương pháp sol-gel tạo hạt kích thước $50-70\text{ nm}$ có hiện tượng kết tụ đám. Phép đo từ tính $\text{VSM}$ khẳng định vật liệu nano $\text{YFeO}_3$ thu được mang đặc tính từ cứng với lực kháng từ $H_c$ đạt từ $376{,}13\text{ Oe}$ đến $478{,}20\text{ Oe}$, mở ra tiềm năng ứng dụng trong chế tạo vật liệu lưu trữ từ tính và các linh kiện cảm biến.
