Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu LaFeO3 qua phương pháp sol-gel

Luận văn thạc sĩ hóa học nghiên cứu tổng hợp vật liệu LaFeO3 bằng phương pháp sol-gel, ứng dụng trong công nghệ vật liệu tiên tiến.

• Tác giả: Hoàng Thị Thương
• Người hướng dẫn: PGS. Võ Văn Tân
• Trường học: Đại học Huế
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu LaFeO3 Bằng Phương Pháp Sol-Gel
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thừa Thiên Huế

Mục lục chi tiết

• TRANG PHỤ BÌA
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC MẪU
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. VẬT LIỆU PEROVSKITE
• 1.1.1. Cấu trúc tinh thể vật liệu Perovskite
• 1.1.2. Tính chất và ứng dụng vật liệu Perovskite
• 1.2. PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU
• 1.2.1. Giới thiệu về phương pháp sol - gel
• 1.2.2. Các khái niệm cơ bản
• 1.2.3. Các quá trình chính xảy ra trong quá trình sol - gel
• 1.3. VẬT LIỆU NANO
• 1.3.1. Giới thiệu về vật liệu nano
• 1.3.2. Một số ứng dụng của vật liệu nano
• 1.4. CROM - HỢP CHẤT CỦA CROM VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
• 1.4.1. Tính chất lý hóa của crom (Cr)
• 1.4.2. Các hợp chất của crom
• 1.4.3. Ứng dụng của crom
• 1.4.4. Ảnh hưởng của crom đối với sức khỏe con người và môi trường
• 1.4.5. Các nguồn sản sinh crom gây ô nhiễm
• 1.5. GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ
• 1.5.1. Khái niệm chung
• 1.5.2. Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học
• 1.6. QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC
• 1.6.1. Cơ chế quá trình xúc tác quang dị thể
• 1.6.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính xúc tác của vật liệu
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.2.1. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu LaFeO3
• 2.2.2. Đặc trưng của vật liệu LaFeO3
• 2.2.3. Ứng dụng của vật liệu LaFeO3 đã tổng hợp được
• 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.3.1. Phương pháp tổng hợp
• 2.3.2. Các phương pháp kiểm tra đánh giá mẫu
• 2.4. HÓA CHẤT - DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
• 2.4.1. Dung dịch chuẩn độ muối Mohr
• 2.4.2. Chất chỉ thị diphenylamin
• 2.4.3. Dụng cụ thí nghiệm
• 2.4.4. Pha chế các loại hóa chất
• 2.4.5. Thiết bị
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU
• 3.1.1. Phân tích nhiệt mẫu
• 3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hình thành vật liệu LaFeO3
• 3.1.3. Ảnh hưởng của polyvinylancol (PVA) đến quá trình hình thành vật liệu LaFeO3
• 3.1.4. Ảnh hưởng của axit citric đến quá trình hình thành vật liệu LaFeO3
• 3.2. ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU LaFeO3
• 3.2.1. Thành phần hóa học mẫu LaFeO3
• 3.2.2. Liên kết hóa học mẫu LaFeO3
• 3.2.3. Hình thái của vật liệu LaFeO3
• 3.3. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU LaFeO3
• 3.3.1. Khả năng hấp phụ dung dịch Cr(VI) của vật liệu LaFeO3
• 3.3.2. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ xanh metylen
• 3.3.3. Khả năng hấp phụ và quang xúc tác phân hủy dung dịch xanh metylen của vật liệu LaFeO3 theo thời gian
• KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vật liệu LaFeO3

Vật liệu LaFeO3 là một trong những hợp chất thuộc nhóm perovskite, có cấu trúc tinh thể đặc trưng và nhiều tính chất nổi bật. LaFeO3 được biết đến với khả năng dẫn điện tốt, tính chất từ tính và khả năng hấp phụ cao, làm cho nó trở thành một vật liệu tiềm năng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và môi trường. Nghiên cứu về vật liệu LaFeO3 không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của nó mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng và môi trường. Theo một nghiên cứu gần đây, LaFeO3 có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng, đặc biệt là Cr(VI), từ nước, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Điều này cho thấy giá trị thực tiễn của LaFeO3 trong việc xử lý nước thải và bảo vệ môi trường.

II. Phương pháp sol gel trong tổng hợp vật liệu

Phương pháp sol-gel là một trong những kỹ thuật phổ biến để tổng hợp vật liệu oxit như LaFeO3. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt, từ đó ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu. Quá trình tổng hợp bắt đầu bằng việc hòa tan các tiền chất kim loại trong dung môi, sau đó thực hiện các phản ứng thủy phân và ngưng tụ để tạo ra gel. Gel này sau đó được nung để tạo ra vật liệu LaFeO3. Một trong những ưu điểm của phương pháp sol-gel là khả năng tạo ra vật liệu nano với kích thước đồng đều, giúp tăng cường tính chất hấp phụ và xúc tác của LaFeO3. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh pH và nhiệt độ trong quá trình tổng hợp có thể ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc và tính chất của sản phẩm cuối cùng.

III. Tính chất và ứng dụng của vật liệu LaFeO3

Vật liệu LaFeO3 có nhiều tính chất nổi bật như tính dẫn điện, tính từ tính và khả năng hấp phụ. Tính chất dẫn điện của LaFeO3 làm cho nó trở thành một ứng viên lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực điện tử và cảm biến. Ngoài ra, khả năng hấp phụ của LaFeO3 đối với các ion kim loại nặng như Cr(VI) đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu. Điều này cho thấy LaFeO3 có thể được sử dụng trong việc xử lý nước thải, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm độc hại. Hơn nữa, LaFeO3 cũng có tiềm năng trong lĩnh vực quang xúc tác, nơi nó có thể được sử dụng để phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước dưới ánh sáng mặt trời. Những ứng dụng này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu LaFeO3 bằng phương pháp sol-gel đã chỉ ra rằng đây là một phương pháp hiệu quả để tạo ra các vật liệu với tính chất ưu việt. Việc hiểu rõ về quá trình tổng hợp và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của LaFeO3 sẽ mở ra nhiều cơ hội cho các nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai. Để phát triển hơn nữa, cần tiến hành các nghiên cứu sâu hơn về khả năng ứng dụng của LaFeO3 trong các lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong xử lý ô nhiễm môi trường và phát triển năng lượng bền vững. Việc kết hợp LaFeO3 với các vật liệu khác cũng có thể tạo ra các sản phẩm mới với tính năng vượt trội hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các khu công nghiệp đã khiến nguồn nước tiếp nhận lượng lớn kim loại nặng độc hại và phẩm màu hữu cơ khó phân hủy. Điển hình trong thực tế, các sự cố môi trường biển và nước mặt từng ghi nhận hàm lượng crom vượt ngưỡng tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 10-MT:2015/BTNMT và QCVN 08-MT:2015/BTNMT, đe dọa trực tiếp đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý truyền thống thường tốn kém chi phí hoặc phát sinh bùn thải thứ cấp. Để giải quyết thách thức này, việc phát triển các vật liệu oxit hỗn hợp cấu trúc Perovskite với công thức tổng quát là ABO3 đang trở thành xu hướng đột phá nhờ khả năng xúc tác quang hóa và hấp phụ vượt trội so với các đơn oxit thông thường.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là tổng hợp thành công vật liệu nano Perovskite LaFeO3 bằng phương pháp sol - gel kết hợp hệ chất tạo gel polyvinyl ancol (PVA) và axit citric. Nghiên cứu tập trung tối ưu hóa các thông số công nghệ bao gồm nhiệt độ nung, tỷ lệ mol chất tạo phức nhằm đạt được kích thước hạt tinh thể nano đồng đều khoảng 17,00 nm và độ tinh khiết pha cao nhất. Đồng thời, đề tài đánh giá toàn diện hoạt tính hấp phụ ion Cr(VI) và hiệu quả quang xúc tác phân hủy phẩm màu xanh metylen (MB) ở nồng độ ban đầu 11,22 ppm dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Thừa Thiên Huế trong giai đoạn năm 2015 - 2016. Kết quả đạt được mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp quy trình chế tạo vật liệu nano tiên tiến với giá thành hợp lý, mở ra hướng ứng dụng xử lý triệt để nước thải dệt nhuộm và nước thải xi mạ kim loại với hiệu suất làm sạch ấn tượng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của đề tài dựa trên cấu trúc tinh thể Perovskite lý tưởng dạng lập phương, thuộc nhóm oxit phức hợp với ion kim loại đất hiếm La3+ chiếm vị trí đỉnh khối lập phương và ion kim loại chuyển tiếp Fe3+ nằm tại tâm bát diện phối trí oxy. Cấu trúc này cho phép chuyển đổi linh hoạt các trạng thái oxy hóa - khử và tạo ra độ dẫn điện tử đặc trưng, tăng cường mật độ tâm hoạt tính trên bề mặt.

Bên cạnh đó, lý thuyết hóa học sol - gel giải thích cơ chế hình thành mạng lưới không gian 3 chiều thông qua 2 phản ứng chính: phản ứng thủy phân nhóm alkoxide/muối vô cơ và phản ứng ngưng tụ tạo cầu liên kết kim loại - oxit - kim loại (M-O-M). Axit citric đóng vai trò là tác nhân tạo phức chelate đa càng với ion La3+ và Fe3+, trong khi PVA hoạt động như một chất phân tán polymer bề mặt, ngăn chặn sự tái kết tụ hạt và hỗ trợ quá trình cháy tạo độ xốp cao.

Quá trình quang xúc tác dị thể được giải thích theo thuyết dải năng lượng bán dẫn: khi hấp thụ photon ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg), electron chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra các cặp electron - lỗ trống (e-/h+). Các phần tử mang điện này tương tác với H2O và O2 tạo ra gốc tự do có tính oxy hóa cực mạnh, phân hủy các phân tử hữu cơ phức tạp thành CO2 và H2O.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn tiền chất độ sạch phân tích (PA) gồm muối La(NO3)3 và Fe(NO3)3.9H2O với độ tinh khiết trên 99,7%. Quy trình tổng hợp khảo sát cỡ mẫu gồm 12 biến thể thực nghiệm độc lập, chia thành 3 nhóm thông số chính: dải nhiệt độ nung từ 550°C đến 850°C, tỷ lệ mol PVA/(La3++Fe3+) từ 1:2 đến 3:1, và tỷ lệ mol axit citric/(La3++Fe3+) từ 1:1 đến 3:1. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm cô lập từng biến số thực nghiệm tại độ pH cố định bằng 3, khuấy gia nhiệt ở 80°C, làm muội trong 24 giờ và sấy khô ở 90°C trong 12 giờ trước khi nung trong 2 giờ.

Lý do lựa chọn phương pháp sol - gel là khả năng kiểm soát kích thước hạt ở cấp độ nanomet, phân bố ion đồng nhất ở mức phân tử và giảm nhiệt độ thiêu kết so với phản ứng pha rắn truyền thống. Hệ thống thiết bị phân tích hiện đại được sử dụng gồm: phân tích nhiệt vi sai TGA-DTA trên máy SETARAM LABSYS EVO nhằm xác định khoảng nhiệt độ cháy và kết tinh; nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy Bruker D8 Advance với bức xạ Cu-Kα bước sóng 1,54056 Å để định danh pha và tính kích thước tinh thể qua phương trình Debye - Scherrer; phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) kiểm tra thành phần nguyên tố; kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) đánh giá hình thái học hạt; quang phổ tử ngoại khả kiến UV-Vis ở bước sóng 665 nm để đo mật độ quang và suy giảm nồng độ xanh metylen.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích nhiệt TGA-DTA cho thấy gel khô trải qua 2 giai đoạn biến đổi khối lượng rõ rệt: từ 85°C đến 130°C khối lượng mẫu giảm 7,507% do mất nước hấp phụ; từ 130°C đến 250°C xuất hiện pic tỏa nhiệt sắc nét tại 226,16°C với độ giảm khối lượng mạnh lên tới 74,053% do quá trình đốt cháy chất hữu cơ và muối nitrat. Khối lượng mẫu đạt trạng thái ổn định hoàn toàn trên 500°C.

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung xác định 750°C là ngưỡng nhiệt tối ưu để tạo thành pha tinh thể Perovskite LaFeO3 đơn pha hoàn chỉnh. Kích thước hạt tinh thể tính toán giảm dần từ 22,47 nm ở 550°C xuống 21,98 nm ở 650°C và đạt giá trị nhỏ nhất 17,00 nm ở 750°C. Tuy nhiên, khi tăng tiếp nhiệt độ lên 850°C, kích thước hạt tăng vọt lên 30,74 nm (tăng khoảng 80,8% so với mẫu nung ở 750°C) do hiện tượng thiêu kết và kết tụ hạt ở nhiệt độ cao.

Khảo sát tỷ lệ chất tạo phức cho thấy tỷ lệ mol PVA/(La3++Fe3+) bằng 2:1 và axit citric/(La3++Fe3+) bằng 2:1 mang lại cấu trúc tinh thể sắc nét nhất. Ở tỷ lệ PVA thấp (1:2) hoặc tỷ lệ axit citric thấp hơn 3:2, phổ XRD đều ghi nhận sự xuất hiện của tạp pha α-Fe2O3. Hoạt tính xử lý nước thải đạt hiệu quả cao khi sử dụng 0,1000 g vật liệu cho 10 mL dung dịch xanh metylen nồng độ 11,22 ppm, ghi nhận sự suy giảm mật độ quang rõ rệt theo thời gian chiếu xạ ánh sáng mặt trời.

Thảo luận kết quả

Sự hình thành pha LaFeO3 đơn pha ở 750°C được minh chứng rõ qua giản đồ XRD với các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng, đặc biệt là đỉnh phản xạ cực đại tại góc 2θ bằng 32,189° có độ rộng bán phổ FWHM đạt 0,481°. Trên biểu đồ so sánh phổ UV-Vis, đường cong hấp thụ quang của dung dịch phẩm màu xanh metylen giảm dần độ cao theo thời gian tiếp xúc, thể hiện tốc độ quang phân hủy mạnh mẽ của vật liệu tổng hợp ở điều kiện tối ưu.

Nguyên nhân giúp tỷ lệ mol PVA và axit citric bằng 2:1 đạt hiệu quả cao nhất là nhờ sự phối trí hoàn toàn của các nhóm carboxyl và hydroxyl với cation kim loại, tạo ra mạng gel phân tán đồng đều. Khi nung, quá trình phân hủy PVA sinh ra lượng khí lớn (CO2, CO, N2, hơi nước), vừa ngăn cản các hạt nano kết tụ vừa tạo độ xốp bề mặt lớn. Ngược lại, nếu tỷ lệ axit citric quá cao (3:1), môi trường pH giảm sâu gây cản trở quá trình tạo gel và đòi hỏi năng lượng khơi mào cháy lớn hơn, làm tái xuất hiện pha tạp α-Fe2O3. So với các nghiên cứu chế tạo oxit kim loại đơn lẻ, cấu trúc Perovskite LaFeO3 nano tổng hợp được thể hiện hoạt tính quang xúc tác vượt trội nhờ diện tích tiếp xúc lớn và khả năng tách các cặp electron - lỗ trống hiệu quả.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng quy mô thử nghiệm tổng hợp vật liệu LaFeO3 từ phòng thí nghiệm lên quy mô pilot 5 - 10 kg mỗi mẻ trong giai đoạn 6 - 12 tháng tới. Đơn vị thực hiện cần chuẩn hóa các thông số kỹ thuật về tốc độ khuấy cơ học và kiểm soát nhiệt độ sấy nhằm duy trì kích thước hạt tinh thể ổn định dưới 20,00 nm.

Thứ hai, ứng dụng vật liệu LaFeO3 vào việc chế tạo các modul lọc nước thải công nghiệp tích hợp buồng chiếu xạ năng lượng mặt trời. Mục tiêu hướng tới xử lý đạt hiệu suất trên 95% đối với kim loại nặng Cr(VI) và trên 90% đối với phẩm màu hữu cơ trong thời gian vận hành liên tục từ 60 đến 120 phút tại các nhà máy dệt nhuộm và xi mạ.

Thứ ba, các nhóm nghiên cứu tại viện và trường đại học cần mở rộng thử nghiệm pha tạp các ion kim loại chuyển tiếp khác như Co, Ni hoặc Mn vào vị trí B của mạng tinh thể LaFeO3 trong vòng 18 tháng. Hướng đi này nhằm thu hẹp hơn nữa năng lượng vùng cấm và nâng cao độ nhạy quang trong vùng ánh sáng khả kiến.

Thứ tư, các cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp xử lý chất thải cần phối hợp xây dựng quy chuẩn kỹ thuật tái sử dụng xúc tác sau 5 - 10 chu kỳ phản ứng. Cần thiết lập quy trình thu hồi bằng ly tâm hoặc cố định hóa vật liệu lên giá thể xốp để giảm thiểu chi phí vận hành và hạn chế tối đa nguy cơ thất thoát vật liệu nano ra nguồn tiếp nhận tự nhiên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm 1: Các nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Hóa vô cơ, Hóa lý thuyết và Khoa học vật liệu. Luận văn cung cấp quy trình thực nghiệm chuẩn xác về phương pháp sol - gel, kỹ thuật tối ưu hóa tỷ lệ chất tạo gel và phương pháp phân tích tinh thể học chi tiết với 12 hệ mẫu khảo nghiệm.

Nhóm 2: Kỹ sư môi trường và chuyên viên kỹ thuật tại các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp. Luận văn cung cấp giải pháp xử lý dòng thải chứa ion Cr(VI) độc hại và chất màu azo thông qua cơ chế hấp phụ kết hợp quang xúc tác không cần dùng hóa chất oxy hóa bổ sung.

Nhóm 3: Các doanh nghiệp sản xuất gốm sứ điện tử, cảm biến khí và vật liệu từ tính. Cấu trúc Perovskite LaFeO3 đơn pha nano 17,00 nm được trình bày trong tài liệu là tiền đề quan trọng để phát triển các linh kiện cảm biến khí CO, NOx và màng mỏng bán dẫn thế hệ mới.

Nhóm 4: Giảng viên và sinh viên đại học khối ngành Khoa học Tự nhiên. Tài liệu là tài liệu tham khảo giá trị cho các học phần Vật liệu nano, Tinh thể hóa học và Quang xúc tác môi trường, gắn kết chặt chẽ giữa lý thuyết cấu trúc Perovskite và thực nghiệm phân tích hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp sol - gel kết hợp PVA và axit citric mang lại ưu thế gì so với phương pháp phản ứng pha rắn truyền thống? Phương pháp sol - gel cho phép các tiền chất muối nitrat phân tán đều ở cấp độ phân tử, giảm nhiệt độ tổng hợp xuống 750°C thay vì trên 1000°C như phản ứng pha rắn. Hệ chất tạo phức PVA và axit citric giúp kiểm soát kích thước hạt tinh thể nano đạt mức 17,00 nm và ngăn ngừa kết tụ hiệu quả.

Tại sao nhiệt độ nung 750°C lại được chọn là điều kiện tối ưu nhất cho vật liệu LaFeO3? Ở nhiệt độ dưới 750°C (550°C và 650°C), pha Perovskite chưa kết tinh hoàn thiện và cường độ nhiễu xạ XRD còn thấp. Tại 750°C, vật liệu đạt độ đơn pha cao nhất với kích thước 17,00 nm. Nếu nung ở 850°C, nhiệt lượng quá lớn làm các hạt kết tụ mạnh, tăng kích thước lên 30,74 nm và làm giảm hoạt tính quang xúc tác.

Cơ chế phân hủy phẩm màu xanh metylen dưới ánh sáng mặt trời của vật liệu LaFeO3 diễn ra như thế nào? Dưới tác xạ ánh sáng mặt trời, LaFeO3 sinh ra các cặp electron và lỗ trống quang hóa. Lỗ trống phản ứng với phân tử nước tạo gốc hydroxyl tự do có tính oxy hóa mạnh, trong khi electron khử phân tử oxy thành gốc superoxide. Các gốc hoạt tính này tấn công và bẻ gãy cấu trúc vòng thơm của xanh metylen thành các hợp chất vô cơ vô hại.

Tại sao việc thiếu hụt axit citric hoặc PVA lại dẫn đến sự xuất hiện của tạp pha sắt oxit? Khi tỷ lệ mol axit citric/(La3++Fe3+) nhỏ hơn 3:2 hoặc PVA/(La3++Fe3+) ở mức 1:2, lượng chất tạo phức không đủ để chelate hóa toàn bộ ion kim loại. Sự phân bố ion La3+ và Fe3+ trong khối gel trở nên không đồng đều, dẫn đến hiện tượng phân tách pha và hình thành oxit sắt riêng biệt dạng α-Fe2O3 trong quá trình nung.

Phương trình Debye - Scherrer được sử dụng như thế nào để tính kích thước tinh thể nano? Công thức tính kích thước hạt dựa trên phương trình d = K.λ / (β.cosθ), trong đó hệ số hình dạng K lấy bằng 0,15406 nm, λ là bước sóng tia Cu-Kα (1,54056 Å), θ là nửa góc nhiễu xạ 2θ trên giản đồ XRD và β là độ rộng bán phổ cực đại FWHM được chuyển đổi sang đơn vị radian.

Kết luận

• Tổng hợp thành công vật liệu nano Perovskite LaFeO3 đơn pha có độ tinh khiết cao bằng phương pháp sol - gel thân thiện với môi trường.
• Xác định bộ thông số công nghệ tối ưu: tỷ lệ mol La/Fe bằng 1:1, tỷ lệ PVA/(La3++Fe3+) bằng 2:1, tỷ lệ axit citric/(La3++Fe3+) bằng 2:1, pH bằng 3 và nhiệt độ nung 750°C trong thời gian 2 giờ.
• Hạt vật liệu thu được có kích thước tinh thể trung bình đạt 17,00 nm với hình thái xốp và diện tích bề mặt tiếp xúc lớn.
• Vật liệu thể hiện khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Cr(VI) và phân hủy quang xúc tác vượt trội đối với dung dịch phẩm màu xanh metylen nồng độ 11,22 ppm dưới ánh sáng mặt trời.
• Đóng góp luận văn: Làm chủ quy trình công nghệ chế tạo vật liệu nano tiên tiến, mở ra giải pháp chi phí thấp cho bài toán xử lý ô nhiễm nguồn nước công nghiệp.
• Kế hoạch tiếp theo: Thử nghiệm pha tạp mở rộng cấu trúc mạng tinh thể và ứng dụng chế tạo màng lọc xử lý nước thải liên tục trong 12 - 24 tháng tới.

Quý độc giả, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến quy trình công nghệ vật liệu nano quang xúc tác có thể liên hệ bộ môn Hóa Vô cơ để cùng hợp tác phát triển và chuyển giao công nghệ vào thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TÔNG QUAN LÍ THUYẾT. VAT LIEU PEROVSKITE. CAU TRUC TINH THE VAT LIEU PEROVSKITE.

Tinh chất và ứng dụng vật liệu Perovskite 1. PHƯƠNG PHAP SOL-GEL DIEU CHE VAT LIEU 2 1. Giới thiệu về phươngpháp sol ~ gel. Các khái niệm cơ bản 12 1.

Các quá trình chính xảy ra trong quá trình sol — gel 13 1. Giới thiệu về vật ligu nano. Một số ứng dụng của vật ligu nano. CROM ~ HOP CHAT CUA CROM VA VAN DE 0 NHIEM MOL 'TRƯỜNG.

Tính chất lý héa cia crom (Cr) 1. Các hợp chất của erom. Ứng dụng của crom. Ảnh hưởng của crom đối với sức khỏe con người và môi trường.

ic nguồn sản sinh crom gây ô nhiễm. lỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP HÁP PHỤ 1. Khái niệm chung 1. Hấp phụ vật tấp phụ hóa học.

QUA TRÌNH QUANG XÚC TÁC. Cơ chế quá trình xúc tác quang dị thể, -21 1. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính xúc tác của vật liệ. ĐÓI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU -23 2.

ĐÓI TƯỢNG NGHIÊN CỨU. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu LaFeO;. Đặc trưng của vật liệu LaFeO;.

Ứng dụng của vật liệu LaFeO› đã tổng hợp được. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Phương pháp tổng hợp. Các phương pháp kiểm tra đánh giá mẫu.

HÓA CHẤT - DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 2. Dung dịch chuẩn độ muối Morh. Chất chỉ thị điphenylamin. Dụng cụ thí nghiệm.

Pha chế các loại hóa chất. Thiết bị, Chương 3. KẾT QUÁ VÀ THÁO LUẬN. TONG HOP VAT LIEU 3.

Phân tích nhiệt miu 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hình thành vật liệu LaFeOs.3, Anh hung ciia polyvinylancol (PVA) đến quá trình hình thành vật ligu LaFeOs. Ảnh hưởng của axit citric đến quá trình hình thành vật liệu LaFeO› 45 3. DAC TRUNG CUA VAT LIEU LaFeO: 47 3.

Thành phần hóa học mẫu LaFeO; 3. Liên kết hóa học mẫu LaFeO: 3. Hình thái của vật liệu LaFeO; 3. UNG DUNG CỦA VẬT LIỆU LaFeO:.

Khả năng hấp phụ dung dịch Cr(V1) của vật liệu LaEeO: 3. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ xanh metylen. Khả năng hấp phụ và quang xúc tác phân hủy dung dịch xanh metylen của vật liệu LaFeO; theo thời gian.---s< KET LUAN VA KHUYEN NGHỊ TAL LIEU THAM KHẢO ĐANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT A_ [ЧNãpthuquang EDS _ | Phd tin sic nang hrong IR | PhO hong ngoai MB | Xanh metylen PVA _ | Polivinylancor SEM _ | Kinh hign vi điện từ quét TEM _ | Kínhhiễn vi điện tir truyền qua UV-VIS_ | Phương pháp phô hập thụ electron XRD [NhiễuxạtiaX DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC MẪU Nhiệt đội Tỉ lệ mol Tí lệ mol Ký hiệu | nung PVA/(La®*+Fe") | axit citrie/(La”*+Fe") ec) (moV/mol) (mol/mol) TI 350°C 2n 2 T2 650°C 2 2 TS 750°C 2 2 T4 350°C 2 2 Pi 750°C 12 2 P2 750°C 11 Ui PS 750°C 2 wi Pa 750°C 3⁄I 2 cI 750°C 2 1 œ 750°C 7 32 a 750°C 2 2 or 750°C 21 3 ĐANH MỤC CÁC BANG BIEU Bảng 3. Kích thước hạt tính theo phương trình DeBye - Scherrer cia vat liệu LaFeO: ở các nhiệt độ khác nhau.

Kích thước hat tinh theo phương trình DeBye Scherrer cia vat liệu LaFeO; ở các tỉ lệ mol PVA/ (La°*+Fe*) khác nhau. Kích thước hạt tính theo phuong trinh DeBye Scherrer cia vat liệu LaFeO: ở các tỉ 1¢ mol axit citric/(La**+Fe**) khác nhau. ane AS Bảng 3. Thành phần nguyên t6 vat ligu LaFeOs seo 48, Bang 3.

Hiệu suất hắp phụ Cr(VI) của vật liệu LaFeO: theo thời gian 50 Bảng 3. Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ xanh metylen. Hiệu suất hấp phụ dung dich xanh metylen trong bóng tối của vật liệu LaFeOs theo thời gian 52 Bảng 3. Hiệu suất quang xúc tác phân hủy dung địch xanh metylen của vật liệu LaFeO: theo thời gian 53 ĐANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.

Cấu trúc của tỉnh thể Perovskite lý tưởng.1, Gel wét vat ligu LaFeOs : 25 Hình 2. Gel khô vật liệu LaFeO 25 Hình 2. Vật liệu LaFeO: thu được sau nung. Sơ đồ chế tạo vật liệu LaFeO› bằng phương pháp sol— gel.

Sơ đồ tỉa tới và tỉa phản xạ trên mạng tỉnh th. Cách xác định các thông số tính toán kích thước hạt từ phổ XRD. Phổ hấp thụ quang phụ thuộc bước sóng. Đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc A vào nồng độ C.

Tổng các độ hấp thụ quang thành phẫn. Phân tử xanh metylen (MB). Bình định mức dung dịch xanh metylen ` 34 Hình 2. Sơ đồ phản ứng oxi hóa đỉphenylamin.

Giản đồ phân tích nhiệt của. Giản đồ XRD của các mẫu nungở các nhiệt độ khác nhau. Phổ UV ~VIS quang xúc tác phân hủy dung dịch xanh metylen với xúc tác LaFeO: điều chế ở các nhiệt độ nung khác nhau. Giản đồ XRD của các mẫu ở các tỉ lệ mol PVA/ (La*“+Fe?) khác nhau ° _- woe AB Hình 3.

Phd UV —Vis sau khi quang xite phân hủy dung dich d xanh metylen với xúc tic LaFeOs điều chế ở các tỉ lệ mol PVA/ (La`*+Fe') khác nhau 4 Hình 3. Giản đồ XRD của các mẫu ở các tỉ lệ mol axit citric / (La®*+Fe™) khác nhau 45 Hình 3. Phé UV —Vis sau khi quang xúc phân hủy dung dịch xanh metylen với xúc tác LaFeO› điều chế ở các tỉ lệ moi axit itrie/ (Lã`*+Fe`*) khác nhau 46 Hình 3. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) cia vat ligu LaFeO!.

Pho hồng ngoại FT-IR của vật liệu LaFeOa. mà an AB Hình 3. Ảnh SEM của vật liệu LaFeO; 49 Hình 3. Ảnh TEM của vật liệu LaFeO:.

Hiệu suất hấp phụ Cr(VI) của vật liệu LaFeO; theo thời gianS0 Hình 3. Đường chí xác định nồng độ xanh metylen. Hiệu suất hấp phụ dung dịch xanh metylen trong bóng tối của vật liệu LaFeO› theo thời gian 52 Hình 3. Hiệu suất quang xúc tác phân hủy.

dung ddich xanh metylen của vật liệu LaFeO; theo thời gian.53 MO DAU Hiện nay, môi trường ở nhiều noi bi 6 nhiễm bởi: nước thải, khí thải và chất thải rắn. Ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp thải ra chất thải làm các nguồn nước bị gia tăng hàm lượng kim loại nặng như crom, chì, thủy ngân, các chất màu hữu cơ. vượt ngưỡng quy định, gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng. cho sức khỏe, đời sống con người và là vấn đề cắp bách của xã hội.

Đã có nhiều phương pháp xử lý các loại nước bị ô nhiễm như: phương pháp hóa học, phương. pháp vật lý, hóa lý và sinh học.[7], [18] Sắt oxit, xeri oxit là những oxit phổ biến, chúng có những đặc tính rất lý thú như khả năng hấp phụ xử lý môi trường, khả năng xúc tác xử lý khí thải; hỗn hợp các oxit: Sắt và xeri oxit, bitmut oxit [3], [5], [40] có các đặc tính đó tốt hơn so. với đơn oxit và được ứng dụng đề làm chất xúc tác quang hóa xử lý nước. Trong, đó các oxit hỗn hợp dạng Perovskite ABO; (A = La, Y; B = Cr, Mn, Fe, Co, Ni) được đặc biệt chú trọng, không những có thẻ thay thế cho các kim loại quý để làm xúc tác cho các phản ứng hoá học, mà còn có khả năng hắp phụ rất tốt các ion kim loại năng.

Vi vay, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu ABO› ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác và hấp phụ các hợp chất độc hại là cần thiết, có tính khoa học và tính thực. C6 rat nhiều phương pháp chế tạo oxit hỗn hợp, tùy theo mục đích có thể lựa chọn các phương pháp khác nhau. Phương pháp sol ~ gel được ứng dụng dé chế tạo các oxit hỗn hợp có kích thước nhỏ, có tính đồng nhất, độ tinh khiết hóa học cao và. bề mặt riêng lớn là ưu điểm của phương pháp này.

Đã có nhiều công trình vẻ tổng hợp và ứng dụng của LaFeO› [35], [38] nhưng. chúng tôi chưa thấy đề tài về tổng hợp LaFeO› bằng phương pháp sol - gel sử dụng. tác nhân polyvinyl ancol (PVA) và axit cirie; đánh giá khả năng hắp phụ crom (VI), hap phụ và quang xúc tác phân hủy xanh metylen. Vì các lý do trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu LaFeO› bằng phương pháp sol ~gel ” làm nội dung nghiên cứu của luận văn cao học.

TÔNG QUAN LÍ THUYẾT 1. VẶT LIỆU PEROVSKITE 1. Cấu trúc thể vật liệu Perovskite Các hợp chất vô cơ có công thức cấu tạo tổng quát là ABO: trong đó A là các nguyên tô đất hiểm thuộc họ lantanide (A = La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd) và B là các kim loại chuyển tiếp (Mn, Co, Fe,.) có cấu trúc tinh thể ở dạng Perovskite. Trường hợp.

chung, ban kinh cua cation A lớn hơn bán kính của cation B. Cấu trúc Perovskite ABO: lý tưởng có dạng lập phương (hình I. la), với các thông, 86 cia 6 mang co sé théa min: a= b=c vaa=B= = 90°. Cation lanthanide A nằm tại các dinh, anion O* ndm tai vị trí tâm của các mặt của hình lập phương, còn.

tâm hình lập phương là vị trí của cation B. @ as @ vi ication A Qvirianiono® —— @ Vi ication B Hình 1. Cấu trúc của tỉnh thể Perovskite lý tưởng. Ngoài ra, có thê mô tả cấu trac tinh thé Perovskite lý tưởng đưới dạng sắp xếp.

các bát diện tạo bởi các anion oxi (hình 1. Trong trường hợp này cation B nằm tại vị trí các hốc bát diện, tâm của hình lập phương tạo bởi 8 cation B lân cận là vị trí của cation A. Từ hình 3b có thể thấy góc liên kết giữa B - O - B là 180 và độ dài liên kết B - O bằng nhau theo mọi phương. Dưới tác dụng của các điều kiện bên.

ngoài như nhiệt độ, tap chat, từ trường, áp suất. cấu trúc Perovskite lý tưởng sẽ bị biến dạng. Cấu trúc Perovskite không còn dạng lập phương lý tưởng dẫn tới góc liên kết B - O - B là khác 180, đồng thời độ dài liên kết B - O theo các phương khác nhau sẽ khác nhau. Chính sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể Perovskite mà các tính chất đối xứng, tính chất điện và từ của vật liệu bị thay đổi.

Đặc biệt khi có lẫn các loại cation kim 10 loại khác với các tỉ lệ hợp thức khác nhau sẽ tạo ra những loại hợp chất có tính chất riêng biệt và có những ứng dụng khác nhau trong sản xuất và đời sống, đây cũng là hướng nghiên cứu mới đang thu hút nhiều sự quan tam. Tính chất và ứng dụng vật tu Perovskite 1. Tính chất dẫn điện Cấu trúc điện tử của hệ vật liệu Perovskite đất hiếm kim loại chuyển tiếp.