Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Fe2O3 bằng phương pháp đốt cháy gel polyvinyl ancol

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO Fe2O3
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỐT CHÁY GEL POLYVINYL ANCOL
Đặng Thị Thanh Lê
Trường Đại học Thủy lợi, email:

1. GIỚI THIỆU CHUNG

2.2. Các phương pháp xác định đặc
trưng tính chất của vật liệu

Sắt oxit có đặc tính tốt nên được ứng dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xúc tác,
làm chất màu, chế tạo các vật liệu từ tính,...
[1, 3]. Trong lĩnh vực hấp phụ, một số tác giả
đã sử dụng sắt oxit để xử lí các kim loại nặng
như asen, coban, niken [2]. Trong bài báo [4]
chúng tôi đã chế tạo vật liệu nano Fe2O3 bằng
phương pháp sol-gel xitrat. Trong bài báo
này chúng tôi chế tạo vật liệu nano Fe2O3
bằng phương pháp đốt cháy gel polivinyl
ancol PVA.

Quá trình hình thành pha oxit của gel theo
nhiệt độ được xác định bằng phương pháp
phân tích nhiệt DTA-TGA. Sự hình thành và
biến đổi pha tinh thể của vật liệu được xác
định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Hình
thái học và kích thước hạt được xác định bằng
phương pháp hiển vi điện tử quét SEM và

hiển vi điện tử truyền qua TEM. Diện tích bề
mặt của vật liệu được xác định bằng phương
pháp hấp thụ đa lớp BET, từ đường đẳng nhiệt
hấp phụ - giải hấp phụ nitơ tại 77K.

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

2.1. Thực nghiệm
Tiến hành chế tạo vật liệu nano Fe2O3 bằng
phương pháp đốt cháy gel PVA. Quá trình
chế tạo gồm các bước tạo gel, sấy gel, nung
sản phẩm. Nguyên liệu để tạo gel là Fe(NO3)3
và PVA ở dạng tinh khiết phân tích. Hịa tan
PVA vào nước cất tạo dung dịch PVA 5%.
Dung dịch Fe(NO3)3 trộn với dung dịch PVA,
điều chỉnh pH của hỗn hợp bằng NH3, axit
axetic. Quá trình gia nhiệt được thực hiện
trên máy khuấy từ cho tới khi hỗn hợp tạo
gel. Gel có độ nhớt cao, trong suốt được sấy
khô tạo thành khối xốp, phồng và đem nung
ở nhiệt độ thích hợp thu được bột mịn.
Tiến hành nghiên cứu các yếu tố ảnh
hưởng đến sự tạo pha tinh thể của vật liệu
nano: nhiệt độ nung, pH của quá trình tạo gel,
nhiệt độ tạo gel và tỷ lệ mol Fe/PVA.

3.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới sự tạo pha
tinh thể

a) Ảnh hưởng của nhiệt độ nung
Để xác định được khoảng nhiệt độ nung
thích hợp, điều chế gel ở pH = 2, nhiệt độ
800C, tỉ lệ mol Fe/PVA là 1/3. Giản đồ phân
tích nhiệt của gel sau khi sấy khơ ở Hình 1.
Từ hình 1 cho thấy, ở khoảng nhiệt độ nhỏ
hơn 2500C có sự giảm 35,49% về khối lượng
do quá trình mất nước kết tinh, phân hủy một
phần gốc nitrat và PVA. Trong khoảng nhiệt
độ từ 250 - 4000C có sự giảm 32,12% khối
lượng là do sự phân hủy PVA và gốc nitrat
còn lại. Ở vùng nhiệt độ này, trên giản đồ
DTA xuất hiện một hiệu ứng tỏa nhiệt mạnh
ở 317,170C. Trên 4000C đường TGA hầu như
nằm ngang và không quan sát thấy một hiệu
ứng nào trên đường DTA chứng tỏ sự tạo pha
tinh thể α-Fe2O3 xảy ra trong vùng nhiệt độ

484


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8

này. Dựa trên kết quả giản đồ phân tích nhiệt
chúng tôi tiến hành khảo sát nhiệt độ nung từ
450-7500C.
a)

b)

PVA làm giảm sự phân tán đồng nhất của
cation kim loại trong mạng, gel thu được
khơng xốp, kích thước hạt lớn hơn mẫu điều
chế ở pH =2. Còn ở pH =3 sắt dễ bị kết tủa.
Vì vậy, chọn pH tạo gel thích hợp là 2.

Hình 1. Giản đồ DTA (a) và
TGA (b) của gel Fe3+/PVA
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu vật
liệu ở các nhiệt độ nung khác nhau được chỉ
ra ở Hình 2.

Hình 3. Giản đồ XRD của mẫu điều chế
ở pH = 1÷3 và nung ở 6500C
c) Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel
Điều chế các mẫu ở nhiệt độ tạo gel khác
nhau (40, 60, 80 và 1000C) nhưng có cùng
pH = 2, tỉ lệ mol Fe/PVA = 1/3 và nung ở
6500C trong 2 giờ. Giản đồ nhiễu xạ
Rơnghen của các mẫu ở nhiệt độ tạo gel khác
nhau được đưa ra ở Hình 4.

Hình 2. Giản đồ XRD của mẫu
khi nung ở 450-7500C
Kết quả ở hình 2 cho thấy: mẫu nung ở
450, 5500C, ngồi pha α-Fe2O3 cịn lẫn pha γFe2O3; mẫu nung ở 6500C thu được đơn pha
α-Fe2O3. Khi tăng nhiệt độ nung lên 7500C
vẫn thu được đơn pha α-Fe2O3 nhưng kích
thước hạt to hơn so với khi nung ở 6500C do
sự kết tụ. Vì vậy chúng tôi chọn nhiệt độ

nung mẫu tối ưu là 6500C.
b) Ảnh hưởng của pH tạo gel
Các mẫu được điều chế với tỉ lệ mol
Fe/PVA = 1/3; nhiệt độ tạo gel 800C; pH =
1÷3, gel sau khi sấy khơ đem nung ở 6500C
trong 2 giờ. Xác định thành phần pha của
mẫu thu được sau khi nung bằng phương
pháp XRD.
Giản đồ XRD của các mẫu sau khi nung
(Hình 3) cho thấy, trong khoảng pH = 1 ÷ 3
đều thu được đơn pha của α-Fe2O3. Như vậy,
pH không ảnh hưởng đáng kể đến sự tạo
thành đơn pha của α-Fe2O3. Tuy nhiên, pH
quá thấp (pH = 1) sẽ phá mạch polime của

Hình 4. Giản đồ XRD của mẫu điều chế ở
nhiệt độ tạo gel khác nhau và nung ở 6500C
Từ Hình 4 cho thấy gel điều chế ở nhiệt độ
thấp hơn 800C đều có xuất hiện pha γ-Fe2O3
lẫn với pha của α-Fe2O3. Mẫu điều chế từ gel ở
800C và 1000C thu được đơn pha của α-Fe2O3.
Tuy nhiên, khi nhiệt độ tạo gel cao (1000C)
trong quá trình điều chế, nước bay hơi rất
nhanh nên gel tạo thành khơng được xốp,
phồng. Do đó, chúng tơi chọn nhiệt độ tạo gel
là 80oC để tiến hành các khảo sát tiếp theo.
d) Ảnh hưởng của tỉ lệ mol Fe/PVA
Các mẫu được điều chế ở pH = 2, nhiệt độ
tạo gel 800C, tỉ lệ mol Fe/PVA lần lượt là là
3/1, 2/1, 1/1, 1/2 và 1/3 và nung ở 6500C

trong 2 giờ. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của
các mẫu này được đưa ra ở Hình 5.

485


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8

Như vậy, oxit Fe2O3 điều chế bằng phương
pháp đốt cháy gel PVA có kích thước hạt nhỏ
hơn so với điều chế bằng phương pháp kết
tủa (35 - 150 nm) [64], lớn hơn so với điều
chế bằng phương pháp sol-gel xitrat (~12
nm) [4] và có diện tích bề mặt riêng lớn hơn
so phương pháp đốt cháy sử dụng tiền chất là
EDTA (20 m2/g) [65].

Hình 5. Giản đồ XRD của các mẫu
điều chế từ gel có tỉ lệ mol Fe/PVA
khác nhau và nung ở 6500C

4. KẾT LUẬN

Kết quả XRD của các mẫu nghiên cứu ở
Hình 5 cho thấy: mẫu điều chế từ gel có tỉ lệ
mol Fe/PVA = 3/1, 2/1, 1/1, 1/2 tồn tại đồng
thời hai pha của α-Fe2O3 và γ-Fe2O3. Mẫu
điều chế từ gel có tỉ lệ mol KL/PVA = 1/3 chỉ
chứa một pha α-Fe2O3 duy nhất. Như vậy, tỉ
lệ mol KL/PVA = 1/3 thuận lợi cho quá trình

tạo đơn pha.
Từ các kết quả trên, chúng tôi rút ra được
điều kiện thích hợp để điều chế vật liệu nano
trên cơ sở Fe2O3 bằng phương pháp đốt cháy
gel polyvinyl alcol PVA: pH của quá trình
phản ứng tạo gel là 2; nhiệt độ tạo gel 80oC; tỷ
lệ Fe/PVA là 1/3 và nhiệt độ nung phù hợp cho
sự hình thành đơn pha tinh thể Fe2O3 là 650oC.
3.2. Đặc trưng của mẫu tối ưu
Điều chế mẫu Fe2O3 ở điều kiện trên, tiến
hành xác định kích thước hạt và diện tích bề
mặt riêng bằng phương pháp SEM, TEM và
BET.
Ảnh hiển vi điện tử quét và truyền qua của
mẫu (Hình 6) cho thấy hạt thu được có kích
thước khá đồng đều với đường kính trung
bình tính theo phương trình Scherrer là 24,89
nm. Diện tích bề mặt riêng của Fe2O3 đo
được theo phương pháp BET là 35,5m2/g.
a)

b)

Hình 6. Ảnh SEM (a) và
TEM (b) của mẫu tối ưu oxit Fe2O3

Đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến
sự tạo pha tinh thể của vật liệu nano Fe2O3
được tổng hợp bằng phương pháp đốt cháy
gel PVA: nhiệt độ nung, pH tạo gel, nhiệt độ

tạo gel và tỷ lệ mol Fe/PVA. Điều kiện để
tổng hợp oxit Fe2O3 có kích thước ~ 25 nm
và diện tích bề mặt riêng 35,5 m2/g: nhiệt độ
nung là 650oC, pH tạo gel là 2, nhiệt độ tạo
gel là 80oC và tỉ lệ mol Fe/PVA là 1/3.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] M.
Chirita,
I.
Grozescu.
Fe2O3Nanoparticles, Physical Properties an Their
Photochemical and Photoelectrochemical
Applications,
Chem.
Bull.
“POLITEHNICA”
Univ.
(Timisoara),
54(68), 1(2009).
[2] Lưu Minh Đại, Đào Ngọc Nhiệm, Nguyễn
Thị Tố Loan. Tổng hợp α-Fe2O3 kích thước
nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel và
sử dụng để hấp phụ asen, Tuyển tập báo
cáo khoa học Hội nghị Xúc tác và Hấp phụ
Toàn quốc lần thứ V, 341-346 (8/2009).
[3] S. Layek, A. Pandey, A. Pandey and H. C.
Verma. Synthesis of γ-Fe2O3 nanoparticles
with crystallographic and magnetic texture,
International Journal of Engineering, Science
and Technology, 2(8), 33-39 (2010).

[4] Đặng Thị Thanh Lê. Nghiên cứu chế tạo vật
liệu nano Fe2O3 bằng phương pháp sol-gel
xitrat, Tuyển tập hội nghị khoa học thường
niên năm 2018, 449-451 (11/2018).
[5] Khedr, M. H., KS Abdel Halim, and N. K.
Soliman. "Synthesis and photocatalytic
activity of nano-sized iron oxides." Materials
Letters, 63.6 (2009): 598-601.
[6] Sarangi, Prita P., Bhanudas Naik, and
Narendra Nath Ghosh. "Low temperature
synthesis of single-phase α-Fe2O3 nanopowders by using simple but novel
chemical
methods." Powder
Technology 192.3 (2009): 245-249.

486