Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ nano và việc nghiên cứu, phát triển các vật liệu có kích thước dưới 100 nanomet đang nhận được sự quan tâm lớn nhờ tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực cảm biến điện hóa, xúc tác quang, vật liệu điện cực pin lithium, thiết bị quang từ và y sinh. Trong nhóm các oxide kim loại phức hợp, vật liệu cấu trúc perovskite dạng $ABO_3$ (với $A$ là nguyên tố đất hiếm họ lanthanide và $B$ là kim loại chuyển tiếp 3d) thể hiện nhiều đặc tính điện tử, quang học và từ tính quan trọng. Trong khi các ferrite đất hiếm như $\text{PrFeO}_3$, $\text{NdFeO}_3$, $\text{YFeO}_3$, $\text{HoFeO}_3$ và $\text{LaFeO}_3$ đã được khảo sát tương đối toàn diện, các hệ vật liệu chứa nguyên tố cerium ($\text{Ce}$) vẫn còn ít công trình nghiên cứu sâu về thành phần phase, cấu trúc vi mô, tính chất quang và đặc trưng từ tính.

Các công bố trước đây về hệ $\text{Ce-Fe-O}$ chủ yếu tập trung vào màng mỏng pha tạp, vật liệu nanocomposite làm xúc tác tổng hợp bằng phương pháp đốt dung dịch hoặc vi sóng. Việc nghiên cứu có hệ thống về quá trình tạo phase, cấu trúc tinh thể, các thông số mạng, năng lượng vùng cấm và hành vi từ tính của hệ $\text{Ce-Fe-O}$ tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa thông qua sự thủy phân cation trong môi trường nước nóng sử dụng tác nhân dung dịch ammonia ($\text{NH}_3$) vẫn chưa được khảo sát chi tiết. Do đó, khóa luận tốt nghiệp tập trung giải quyết vấn đề thực nghiệm này nhằm làm rõ thành phần phase và các đặc trưng lý hóa của hệ vật liệu.

Mục đích và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Tổng hợp hệ vật liệu nano trên cơ sở $\text{Ce-Fe-O}$ bằng phương pháp đồng kết tủa trong dung môi nước nóng ($t^\circ > 90\ ^\circ\text{C}$) sử dụng tác nhân kết tủa là dung dịch ammonia.
  2. Xác định các đặc trưng cấu trúc của vật liệu nano $\text{Ce-Fe-O}$ thu được gồm thành phần phase, kích thước tinh thể, kích thước hạt và các thông số mạng tinh thể.
  3. Xác định các đặc trưng từ tính (lực kháng từ, độ từ dư, độ từ hóa bão hòa, đường cong từ trễ) và tính chất quang học (độ hấp thụ quang, năng lượng vùng cấm $E_g$) của hệ vật liệu sau khi xử lý nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ vật liệu nano trên cơ sở $\text{Ce-Fe-O}$ ở dạng bột.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Khảo sát quá trình tổng hợp thông qua phản ứng đồng kết tủa trong môi trường nước nóng.
    • Khảo sát các đặc trưng cấu trúc tinh thể, hình thái vi mô, tính chất quang học và từ tính của các mẫu vật liệu sau khi nung ở hai mốc nhiệt độ $750\ ^\circ\text{C}$ và $850\ ^\circ\text{C}$ trong thời gian 1 giờ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt lý thuyết cấu trúc, cấu trúc perovskite lý tưởng dạng $ABO_3$ có ô mạng cơ sở lập phương tâm khối với các hằng số mạng $a = b = c$ và các góc $\alpha = \beta = \gamma = 90^\circ$. Vị trí đỉnh mạng do cation $A$ (bán kính ion lớn) chiếm giữ, tâm của 6 mặt là các anion phối trí $O^{2-}$, và vị trí tâm khối là cation chuyển tiếp $B$. Bát diện $[BO_6]$ liên kết qua đỉnh tạo thành khung không gian ba chiều. Khi kết hợp cation đất hiếm $\text{Ce}$ và cation sắt $\text{Fe}$, tính chất oxy hóa - khử và điều kiện tổng hợp có ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái hóa trị ($\text{Ce}^{3+}/\text{Ce}^{4+}$, $\text{Fe}^{3+}$) và sự hình thành phase tinh thể cuối cùng.

Khóa luận sử dụng phương pháp hóa học ướt (đồng kết tủa trong nước nóng) để tổng hợp vật liệu. Tác nhân kết tủa được lựa chọn là dung dịch ammonia ($\text{NH}_3$) thay vì các muối kiềm ($\text{NaOH}$, $\text{KOH}$) hoặc ammonium carbonate nhằm hạn chế đưa các ion kim loại lạ vào mạng tinh thể, đồng thời tạo ra sản phẩm phụ là muối ammonium dễ phân hủy và bay hơi hoàn toàn trong quá trình nung nhiệt.

Hóa chất sử dụng trong thực nghiệm gồm có:

  • Cerium(III) nitrate hexahydrate $\text{Ce(NO}_3)_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ (độ tinh khiết $\ge 99{,}0%$, Trung Quốc).
  • Iron(III) nitrate nonahydrate $\text{Fe(NO}_3)_3\cdot9\text{H}_2\text{O}$ (độ tinh khiết $\ge 98{,}5%$, Trung Quốc).
  • Dung dịch ammonia $\text{NH}_3$ $25%$ ($d = 0{,}91\ \text{g/mL}$, Xilong).
  • Nước cất ($d = 1\ \text{g/mL}$, Việt Nam).

Các phương pháp và thiết bị phân tích hiện đại được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất vật liệu:

  • Nhiễu xạ tia X bột (PXRD): Thực hiện trên thiết bị EMPYREAN - PANalytical (Hà Lan) với bức xạ $\text{Cu-K}\alpha$ ($\lambda = 1{,}54060\ \text{Å}$), điện thế $40\ \text{kV}$, dòng điện $25\ \text{mA}$, góc quét $2\theta$ từ $10^\circ$ đến $80^\circ$, bước quét $0{,}02^\circ/\text{giây}$. Dữ liệu được dùng để xác định thành phần phase theo định luật Wulff - Bragg ($n\lambda = 2d\sin\theta$) và kích thước tinh thể $D$ theo phương trình Scherrer: $$D = \frac{k\lambda}{\beta\cos\theta}$$ (trong đó hằng số $k = 0{,}9$, $\beta$ là độ rộng bán phổ FWHM sau khi hiệu chỉnh thiết bị tính theo rad).
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Đo trên máy Nicolet 6700 (Thermo) trong vùng số sóng $400 - 4000\ \text{cm}^{-1}$ nhằm xác định dao động của các liên kết kim loại - oxy ($\text{Ce-O}$, $\text{Fe-O}$) và các nhóm chức bề mặt.
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Quan sát hình thái vi mô và phân bố kích thước hạt trên thiết bị JEM-1400 (JEOL, Nhật Bản).
  • Quang phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis): Đo độ hấp thụ trong dải bước sóng $220 - 1400\ \text{nm}$ trên máy UV-2600 (Shimadzu, Nhật Bản). Năng lượng vùng cấm $E_g$ được tính toán thông qua mô hình Tauc Plot theo hệ thức: $$(A h\nu)^2 = \alpha(h\nu - E_g)$$
  • Từ kế mẫu rung (VSM): Khảo sát các đặc trưng từ tính ở nhiệt độ phòng ($27\ ^\circ\text{C} - 30\ ^\circ\text{C}$) trên thiết bị MicroSense EV11 (Nhật Bản) trong dải từ trường quét đến $\pm 15000\ \text{Oe}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu oxide cấu trúc perovskite $ABO_3$ và orthoferrite đất hiếm $A\text{FeO}_3$, bao gồm đặc điểm mạng tinh thể, cấu trúc bát diện $[BO_6]$, cùng các tính chất dẫn điện, sắt điện, quang học và từ tính. Tác giả tổng thuật 4 phương pháp tổng hợp hạt nano vô cơ phổ biến:

  1. Phương pháp phản ứng phase rắn: Quy trình đơn giản nhưng đòi hỏi nung ở nhiệt độ cao, hạt dễ bị thô đại, khó kiểm soát độ đồng nhất và dễ lẫn tạp phase.
  2. Phương pháp thủy nhiệt: Tạo hạt có độ kết tinh cao, độ mịn tốt nhưng cần thiết bị chịu áp suất cao và thời gian phản ứng dài.
  3. Phương pháp sol-gel: Cho độ đồng nhất hóa học cao ở cấp độ nguyên tử nhưng chi phí hóa chất phức tạp.
  4. Phương pháp đồng kết tủa: Cho phép tạo sản phẩm có độ tinh khiết và đồng nhất cao, quy trình thao tác ở nhiệt độ ôn hòa, dễ kiểm soát kích thước hạt thông qua pH và môi trường thủy phân.

Phần cuối chương phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hệ vật liệu $\text{Ce-Fe-O}$, chỉ rõ khoảng trống dữ liệu về việc nghiên cứu cấu trúc tinh thể, tính chất quang và từ tính của hệ $\text{Ce-Fe-O}$ điều chế qua cơ chế thủy phân cation trong nước nóng sử dụng dung dịch $\text{NH}_3$.

Chương 2. Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất, dụng cụ, thiết bị phân tích và quy trình thực nghiệm gồm các bước liên hoàn:

  • Cân hai muối $\text{Ce(NO}_3)_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ và $\text{Fe(NO}_3)_3\cdot9\text{H}_2\text{O}$ theo tỉ lệ mol $1:1$, hòa tan hoàn toàn bằng nước cất trong cốc định mức $50\ \text{mL}$.
  • Đun sôi $500\ \text{mL}$ nước cất trên máy khuấy từ gia nhiệt ($t^\circ > 90\ ^\circ\text{C}$), nhỏ từ từ từng giọt dung dịch hỗn hợp hai muối qua burette $25\ \text{mL}$ vào cốc nước sôi dưới điều kiện khuấy liên tục để thực hiện phản ứng thủy phân cation, tạo hệ huyền phù màu đỏ nâu; tiếp tục khuấy gia nhiệt thêm 10 phút rồi để nguội về nhiệt độ phòng.
  • Nhỏ từ từ dung dịch $\text{NH}_3\ 5%$ vào hệ đến khi đạt $\text{pH} \approx 9{,}0$, tiếp tục khuấy 60 phút để kết tủa phân bố đồng đều, để lắng 15 phút.
  • Lọc rửa kết tủa bằng máy hút chân không, phơi khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng từ 5 đến 7 ngày, sau đó nghiền mịn bằng cối sứ để thu hồi bột tiền chất.
  • Tiến hành nung bột tiền chất trong lò nung ở hai mức nhiệt độ $750\ ^\circ\text{C}$ và $850\ ^\circ\text{C}$ trong thời gian 1 giờ (tốc độ gia nhiệt kiểm soát) để thu hệ vật liệu nano hoàn chỉnh.

Chương này cũng trình bày cơ sở toán học và nguyên lý đo của các phương pháp phân tích công cụ: PXRD, FTIR, TEM, UV-Vis (phương pháp Tauc Plot) và VSM.

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày toàn bộ các phát hiện thực nghiệm và thảo luận kết quả:

  • Phân tích giản đồ PXRD: Các mẫu nung ở $750\ ^\circ\text{C}$ và $850\ ^\circ\text{C}$ đều có đường nền phẳng, pic nhiễu xạ sắc nhọn chứng tỏ độ kết tinh cao. Thành phần phase của cả hai mẫu gồm hai phase tinh thể riêng biệt: phase cerianite ($\text{CeO}_2$) và phase hematite ($\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$). Giản đồ hoàn toàn không xuất hiện pic của phase perovskite $\text{CeFeO}_3$. Nguyên nhân được giải thích là do quá trình tổng hợp và nung diễn ra trong môi trường không khí, ion $\text{Ce}^{3+}$ dễ dàng bị oxy hóa thành $\text{Ce}^{4+}$ bền vững hơn để tạo mạng lưới $\text{CeO}_2$. Kích thước tinh thể $D$ tăng khi tăng nhiệt độ nung từ $750\ ^\circ\text{C}$ lên $850\ ^\circ\text{C}$.
Thông số cấu trúc Phase $\text{CeO}_2$ ($750\ ^\circ\text{C}$) Phase $\text{CeO}_2$ ($850\ ^\circ\text{C}$) Phase $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ ($750\ ^\circ\text{C}$) Phase $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ ($850\ ^\circ\text{C}$)
Chỉ số Miller $(hkl)$ $(111)$ $(111)$ $(110)$ $(110)$
Khoảng cách $d$-spacing ($\text{Å}$) $3{,}1242$ $3{,}1245$ $2{,}5087$ $2{,}5158$
Độ rộng bán phổ FWHM ($^\circ$) $0{,}2871$ $0{,}1827$ $0{,}2047$ $0{,}1535$
Kích thước tinh thể $D$ ($\text{nm}$) $29{,}14$ $45{,}78$ $40{,}78$ $54{,}37$
  • Phổ FTIR: Cả hai mẫu đều thể hiện dải hấp thụ đặc trưng của liên kết $\text{Fe-O}$ tại số sóng $\sim 528\ \text{cm}^{-1}$ và liên kết $\text{Ce-O}$ tại $\sim 432\ \text{cm}^{-1}$. Dải hấp thụ trong vùng $3300 - 3565\ \text{cm}^{-1}$ ứng với dao động kéo giãn của liên kết $\text{O-H}$ từ phân tử nước hấp phụ bề mặt, và pic tạp chất ở vùng $1457 - 1650\ \text{cm}^{-1}$ tương ứng dao động $\text{C=O}$ của khí $\text{CO}_2$ hấp phụ từ môi trường.
  • Ảnh TEM (mẫu $750\ ^\circ\text{C}$): Hạt có dạng hình cầu, có hiện tượng kết tụ do kích thước hạt nhỏ và năng lượng bề mặt lớn. Đường kính hạt phân bố trong khoảng $16 - 40\ \text{nm}$, giá trị đường kính hạt trung bình là $25{,}87 \pm 5{,}32\ \text{nm}$.
  • Tính chất quang học (UV-Vis): Vật liệu hấp thụ mạnh ở vùng tử ngoại ($220 - 380\ \text{nm}$) và vùng khả kiến ($380 - 570\ \text{nm}$). Năng lượng vùng cấm $E_g$ của các phase giảm khi nhiệt độ nung tăng từ $750\ ^\circ\text{C}$ lên $850\ ^\circ\text{C}$:
    • Tại $750\ ^\circ\text{C}$: giá trị $E_g$ xác định được là $1{,}42\ \text{eV}$ và $2{,}93\ \text{eV}$ (tương ứng với hai phase thành phần $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ và $\text{CeO}_2$).
    • Tại $850\ ^\circ\text{C}$: giá trị $E_g$ giảm tương ứng xuống còn $1{,}32\ \text{eV}$ và $2{,}82\ \text{eV}$.
    • Năng lượng vùng cấm nằm trong khoảng $0{,}7 - 6{,}2\ \text{eV}$, xác nhận vật liệu mang đặc tính bán dẫn.
  • Tính chất từ tính (VSM, mẫu $850\ ^\circ\text{C}$): Đường cong từ trễ cho thấy vật liệu có lực kháng từ trung bình $H_c = 500{,}021\ \text{Oe}$, độ từ dư trung bình $M_r = 9{,}972 \times 10^{-3}\ \text{emu/g}$, độ từ hóa đạt bão hòa ở vùng từ trường cao ($11000 - 14500\ \text{Oe}$) với $M_s = 0{,}11967\ \text{emu/g}$. Giá trị lực kháng từ cao cùng độ từ dư và độ từ hóa bão hòa thấp phản ánh đặc trưng của vật liệu từ cứng.

Chương 4. Kết luận và kiến nghị

Chương 4 đúc kết các kết luận thực nghiệm về quá trình tổng hợp, cấu trúc 2 phase ($\text{CeO}_2$ và $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$), kích thước hạt trung bình nano ($25{,}87\ \text{nm}$), các giá trị vùng cấm quang học ($1{,}32 - 2{,}93\ \text{eV}$) và tính chất từ cứng ($H_c = 500{,}021\ \text{Oe}$). Đồng thời, tác giả đưa ra 6 kiến nghị cụ thể nhằm định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã ghi nhận các kết quả định lượng cụ thể qua hệ thống dữ liệu thực nghiệm:

Chỉ tiêu khảo sát Mẫu nung ở $750\ ^\circ\text{C}$ (1 giờ) Mẫu nung ở $850\ ^\circ\text{C}$ (1 giờ)
Thành phần phase tinh thể $\text{CeO}_2$ (cerianite) + $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ (hematite) $\text{CeO}_2$ (cerianite) + $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ (hematite)
Kích thước tinh thể $\text{CeO}_2$ ($D$) $29{,}14\ \text{nm}$ $45{,}78\ \text{nm}$
Kích thước tinh thể $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ ($D$) $40{,}78\ \text{nm}$ $54{,}37\ \text{nm}$
Kích thước hạt trung bình (TEM) $25{,}87 \pm 5{,}32\ \text{nm}$ (dải $16 - 40\ \text{nm}$) Chưa khảo sát ảnh TEM
Năng lượng vùng cấm $E_g$ $1{,}42\ \text{eV}$ ($\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$) và $2{,}93\ \text{eV}$ ($\text{CeO}_2$) $1{,}32\ \text{eV}$ ($\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$) và $2{,}82\ \text{eV}$ ($\text{CeO}_2$)
Lực kháng từ trung bình ($H_c$) Chưa đo VSM $500{,}021\ \text{Oe}$
Độ từ dư trung bình ($M_r$) Chưa đo VSM $9{,}972 \times 10^{-3}\ \text{emu/g}$
Độ từ hóa bão hòa ($M_s$) Chưa đo VSM $0{,}11967\ \text{emu/g}$

Giải pháp và quy trình đề xuất: Khóa luận đã xây dựng và chuẩn hóa quy trình thực nghiệm tổng hợp hệ oxide nano $\text{Ce-Fe-O}$ bằng phương pháp đồng kết tủa thông qua sự thủy phân cation trong nước nóng ($t^\circ > 90\ ^\circ\text{C}$) kết hợp điều chỉnh pH bằng dung dịch $\text{NH}_3\ 5%$ đến giá trị $\sim 9{,}0$. Quy trình sử dụng dung môi nước và tác nhân bay hơi sạch, thân thiện môi trường, chi phí thấp và dễ kiểm soát.

Đóng góp khoa học:

  1. Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về thành phần phase của hệ $\text{Ce-Fe-O}$ khi tổng hợp trong môi trường không khí: làm sáng tỏ cơ chế oxy hóa $\text{Ce}^{3+} \rightarrow \text{Ce}^{4+}$ dẫn đến sự hình thành hệ hỗn hợp hai phase $\text{CeO}_2/\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ thay vì phase perovskite đơn lẻ $\text{CeFeO}_3$.
  2. Chứng minh sự hiện diện của phase $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ làm giảm năng lượng vùng cấm $E_g$ của phase $\text{CeO}_2$ trong hệ so với các nghiên cứu công bố về $\text{CeO}_2$ tinh khiết (vốn có $E_g \approx 3{,}19 - 3{,}8\ \text{eV}$), tạo thuận lợi cho việc ứng dụng làm vật liệu bán dẫn hấp thụ quang vùng khả kiến.
  3. Xác định đặc trưng từ cứng của hệ hỗn hợp oxide $\text{Ce-Fe-O}$ nung ở $850\ ^\circ\text{C}$ với lực kháng từ đạt $500{,}021\ \text{Oe}$, mở ra khả năng nghiên cứu ứng dụng trong vật liệu từ tính.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra một số điểm giới hạn trong phạm vi thực nghiệm đã thực hiện:

  • Phản ứng tổng hợp tiến hành trong điều kiện không khí thông thường dẫn đến sự oxy hóa cerium, chưa thu được vật liệu đơn phase perovskite $\text{CeFeO}_3$.
  • Thực nghiệm mới khảo sát tại hai mốc nhiệt độ nung cố định ($750\ ^\circ\text{C}$ và $850\ ^\circ\text{C}$) với thời gian lưu nhiệt 1 giờ; chưa đánh giá ảnh hưởng của các dải nhiệt độ khác hoặc thời gian nung kéo dài.
  • Phép phân tích hiển vi điện tử truyền qua (TEM) mới chỉ thực hiện trên mẫu nung $750\ ^\circ\text{C}$; phép đo từ kế mẫu rung (VSM) mới chỉ thực hiện trên mẫu nung $850\ ^\circ\text{C}$ ở nhiệt độ phòng.

Tác giả đề xuất 6 hướng nghiên cứu tiếp theo:

  1. Nghiên cứu đặc trưng từ tính và tính chất quang học của hệ vật liệu nano $\text{Ce-Fe-O}$ ở các thời gian nung và nhiệt độ nung khác nhau.
  2. Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu $\text{Ce-Fe-O}$ tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa với các điều kiện thay đổi về hệ dung môi, nhiệt độ thủy phân và tác nhân kết tủa.
  3. Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc, tính chất của hệ vật liệu $\text{Ce-Fe-O}$ bằng các phương pháp hóa học khác.
  4. Nghiên cứu ảnh hưởng của sự pha tạp nguyên tố $\text{Fe}$ đến xu hướng biến đổi cấu trúc và tính chất của vật liệu nano $\text{CeO}_2$.
  5. Nghiên cứu ảnh hưởng của sự pha tạp và đồng pha tạp các nguyên tố đất hiếm đến cấu trúc và tính chất của vật liệu nano $\text{CeO}_2$.
  6. Nghiên cứu điều kiện tổng hợp nhằm thu nhận cấu trúc, đặc trưng từ tính và quang học của vật liệu nano perovskite $\text{CeFeO}_3$ tinh khiết.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Hóa học Vô cơ, Khoa học Vật liệu, Công nghệ Vật liệu Nano: Tham khảo quy trình đồng kết tủa thủy phân cation trong nước sôi sử dụng tác nhân $\text{NH}_3$, các bước thực nghiệm xử lý kết tủa và chế độ nung mẫu.
  • Nghiên cứu viên làm việc về vật liệu bán dẫn và xúc tác quang: Tham khảo phương pháp phân tích quang phổ UV-Vis và kỹ thuật ngoại suy đồ thị Tauc Plot để tính toán năng lượng vùng cấm $E_g$ của từng phase trong hệ hỗn hợp oxide đa phase.
  • Người làm nghiên cứu về vật liệu từ tính: Tham khảo phương pháp phân tích giản đồ đường cong từ trễ VSM để xác định các đại lượng từ học ($H_c$, $M_r$, $M_s$) và tiêu chuẩn phân loại vật liệu từ cứng/từ mềm.

Các phần có giá trị tham khảo cao nhất trong văn bản gồm: quy trình thực nghiệm tổng hợp chi tiết tại Chương 2 (Hình 2.2 và Mục 2.2) cùng bảng đối sánh thông số mạng tinh thể và năng lượng vùng cấm với các tài liệu quốc tế tại Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao hệ vật liệu $\text{Ce-Fe-O}$ sau khi nung ở $750\ ^\circ\text{C}$ và $850\ ^\circ\text{C}$ không tạo phase perovskite $\text{CeFeO}_3$ mà lại hình thành hỗn hợp hai phase $\text{CeO}_2$ và $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$?
Do toàn bộ quy trình tổng hợp đồng kết tủa và nung mẫu được thực hiện trong môi trường không khí. Ở điều kiện này, cation $\text{Ce}^{3+}$ kém bền nhiệt và rất dễ bị oxy hóa chuyển thành trạng thái hóa trị $\text{Ce}^{4+}$ bền vững, kết hợp với oxy tạo thành phase cerianite $\text{CeO}_2$, đồng thời cation $\text{Fe}^{3+}$ kết tinh thành phase hematite $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$, khiến phase perovskite $\text{CeFeO}_3$ không hình thành hoặc chỉ tồn tại ở hàm lượng cực nhỏ dưới ngưỡng phát hiện của PXRD.

2. Tác nhân kết tủa nào đã được lựa chọn trong quy trình thực nghiệm và vì sao?
Đề tài lựa chọn dung dịch ammonia ($\text{NH}_3\ 5%$) làm tác nhân kết tủa để chỉnh pH hệ phản ứng đạt $\approx 9{,}0$. Dung dịch $\text{NH}_3$ là hóa chất dễ bay hơi, không đưa các ion kim loại lạ (như $\text{Na}^+$, $\text{K}^+$) vào dung dịch làm sai lệch nút mạng tinh thể, đồng thời tạo sản phẩm phụ là muối ammonium kém bền nhiệt, dễ dàng phân hủy và bay hơi sạch trong quá trình nung.

3. Kích thước hạt và kích thước tinh thể của hệ vật liệu xác định được là bao nhiêu?
Theo kết quả PXRD, kích thước tinh thể của phase $\text{CeO}_2$ tăng từ $29{,}14\ \text{nm}$ ($750\ ^\circ\text{C}$) lên $45{,}78\ \text{nm}$ ($850\ ^\circ\text{C}$); kích thước tinh thể của phase $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ tăng từ $40{,}78\ \text{nm}$ ($750\ ^\circ\text{C}$) lên $54{,}37\ \text{nm}$ ($850\ ^\circ\text{C}$). Theo ảnh chụp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của mẫu nung ở $750\ ^\circ\text{C}$, hạt có dạng hình cầu với kích thước phân bố từ $16$ đến $40\ \text{nm}$ và đường kính hạt trung bình là $25{,}87 \pm 5{,}32\ \text{nm}$.

4. Năng lượng vùng cấm ($E_g$) của hệ vật liệu biến đổi như thế nào theo nhiệt độ nung?
Khi tăng nhiệt độ nung từ $750\ ^\circ\text{C}$ lên $850\ ^\circ\text{C}$, năng lượng vùng cấm của cả hai phase đều có xu hướng giảm: phase $\text{CeO}_2$ giảm từ $2{,}93\ \text{eV}$ xuống $2{,}82\ \text{eV}$, và phase $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ giảm từ $1{,}42\ \text{eV}$ xuống $1{,}32\ \text{eV}$. Giá trị vùng cấm nằm trong dải $1{,}32 - 2{,}93\ \text{eV}$ xác nhận vật liệu thuộc nhóm chất bán dẫn hấp thụ quang tốt ở cả vùng tử ngoại và khả kiến.

5. Kết quả đo từ tính bằng phương pháp VSM của mẫu nung $850\ ^\circ\text{C}$ cho thấy những thông số gì?
Phép đo VSM ở nhiệt độ phòng cho thấy mẫu nung $850\ ^\circ\text{C}$ có lực kháng từ trung bình $H_c = 500{,}021\ \text{Oe}$, độ từ dư trung bình $M_r = 9{,}972 \times 10^{-3}\ \text{emu/g}$ và độ từ hóa bão hòa $M_s = 0{,}11967\ \text{emu/g}$ tại vùng từ trường $11000 - 14500\ \text{Oe}$. Lực kháng từ cao kết hợp độ từ dư và độ từ hóa bão hòa thấp chứng minh vật liệu mang tính chất của vật liệu từ cứng.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã tổng hợp thành công hệ vật liệu nano trên cơ sở $\text{Ce-Fe-O}$ bằng phương pháp đồng kết tủa thông qua sự thủy phân cation trong nước nóng với tác nhân dung dịch ammonia. Kết quả phân tích khẳng định sản phẩm sau nung ở $750\ ^\circ\text{C}$ và $850\ ^\circ\text{C}$ gồm hai phase tinh thể kích thước nano là $\text{CeO}_2$ và $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ với hình thái hạt cầu đồng đều (đường kính trung bình $25{,}87 \pm 5{,}32\ \text{nm}$). Hệ vật liệu thể hiện tính chất bán dẫn với năng lượng vùng cấm $E_g$ từ $1{,}32\ \text{eV}$ đến $2{,}93\ \text{eV}$ cùng đặc trưng từ cứng ($H_c = 500{,}021\ \text{Oe}$), cung cấp cơ sở thực nghiệm có giá trị cho các định hướng nghiên cứu ứng dụng trong vật liệu quang xúc tác và từ tính.