Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Fe2O3 bằng phương pháp sol - gel xitrat

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO Fe2O3
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL XITRAT
Đặng Thị Thanh Lê
Bộ môn Kỹ thuật Hóa học - Trường Đại học Thủy lợi, email:

1. GIỚI THIỆU CHUNG

2.3. Phương pháp nghiên cứu
Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu được
ghi trên máy Siemens D-5000 (Đức), bức xạ
CuKα với bước sóng 1,5406 Å . Ảnh SEM
được chụp trên thiết bị hiển vi điện tử quét
Hitachi-S4800 (Nhật). Ảnh TEM được chụp
trên thiết bị hiển vi điện tử truyền qua Jeol
JEM1010 (Nhật). Diện tích bề mặt của vật
liệu được xác định bằng phương pháp BET
trên máy Quantachrome Instrument (Mỹ).

Sắt oxit là một trong những oxit kim loại
phổ biến và có nhiều ứng dụng rộng rãi trong
thực tế vì dễ chế tạo và có giá thành rẻ. Sắt
oxit các đặc tính tốt nên được ứng dụng 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 này chúng tôi
nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung, 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
thời gian nung, tỉ lệ mol Fe/xitric và nhiệt độ

3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến
tạo gel đến sự hình thành pha tinh thể của vật
liệu nano Fe2 O3 điều chế bằng phương pháp sự tạo pha tinh thể
sol-gel xitrat.
Mẫu được tổng hợp bằng phương pháp
sol-gel xitrat như ở mục 2.2. Điều chế gel ở
2. THỰC NGHIỆM
pH bằng 2, nhiệt độ tạo gel 80o C, tỉ lệ mol
Fe/xitric = 1/3. Gel được sấy khơ ở 100o C rồi
2.1. Hóa chất thiết bị
nung ở các nhiệt độ khác nhau, từ 250÷7500C
Các hóa chất bao gồm dung dịch trong 2 giờ. Kết quả ghi giản đồ XRD của
Fe(NO3 )3 , axit nitric, axit xitric và amoniac các mẫu vật liệu sau khi nung ở các nhiệt độ
đều có độ sạch phân tích (PA.).
khác nhau: 250o C, 350o C, 450o C, 550o C,
Thiết bị gồm máy khuấy từ gia nhiệt IKA 650o C và 750o C được đưa ra ở hình 1.
C-MAG HS10 (Đức), tủ sấy Memmert
UN160 (Đức), lò nung LT9-11-B180
Naberthernm (Đức) và một số dụng cụ thủy tinh
2.2. Tổng hợp vật liệu
Nhỏ từ từ từng giọt dung dịch Fe(NO3 )3
vào dung dịch axit xitric và khuấy liên tục
trên máy khuấy từ ở pH bằng 2 trong 2 giờ.
Lọc lấy hệ gel đồng nhất màu đỏ nâu, đem
sấy ở 120o C trong 4 giờ. Nung ở nhiệt độ và
thời gian thích hợp.
Các mẫu thu được đem phân tích thành
phần pha, kích thước hạt và diện tích bề mặt.
449

Hình 1. Giản đồ XRD của mẫu khi nung
ở 250-750o C


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

Kết quả ở hình 1 cho thấy, nung ở 250o C
vật liệu vẫn tồn tại ở dạng vô định hình, từ
350  750o C thu được đơn pha Fe2 O3 nhưng
nhiệt độ nung càng cao thì kích thước hạt càng
lớn. Khi nung ở 750o C ngoài pha Fe2 O3 đã bắt
đầu xuất hiện pha Fe3 O4 . Từ các kết quả
nghiên cứu trước đây của nhóm và tài liệu
tham khảo: nhiệt độ nung 650 o C được chọn
cho sự hình thành đơn pha tinh thể Fe2 O3 .
3.2. Ảnh hưởng của thời gian nung đến
sự tạo pha tinh thể
Điều chế các gel ở cùng điều kiện như
nhau (pH = 2, nhiệt độ tạo gel 80o C, tỉ lệ mol
Fe/xitric = 1/3, nhiệt độ nung 650o C), thời
gian nung được thay đổi từ 0,5 đến 3 giờ.

lẫn pha của Fe3 O4 . Khi tăng tỉ lệ mol
Fe/xitric thì thu được đơn pha Fe2 O3 . Ở tỉ lệ
mol Fe/xitric = 1/3 thì mẫu thu được đơn pha
và có đỉnh pic nhiễu xạ cao nhất. Điều này có
thể được giải thích, ở nhiệt độ thấp, q trình
cháy của gel chưa hồn tồn vẫn cịn các chất
trung gian (C, CO). Các chất này khử Fe3+ về
Fe2+ làm cho pha Fe2 O3 chuyển một phần để

tạo thành pha Fe3 O4 . Khi tỉ lệ mol Fe/xitric
vừa đủ sẽ thúc đẩy quá trình cháy xảy ra hồn
tồn tạo thành Fe2 O3 . Do đó tỉ lệ mol
Fe/xitric = 1/3 được lựa chọn.

Hình 3. Giản đồ XRD của các gel có tỉ lệ
mol Fe/xitric khác nhau và nung ở 650o C
3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel
Điều chế gel ở nhiệt độ tạo gel khác nhau
(từ 40 đến 100o C), trong cùng điều kiện về tỉ
lệ mol Fe/xitric = 1/3, pH tạo gel là 2, nhiệt
o
Kết quả ghi giản đồ XRD của các mẫu sau độ nung 650 C trong 2 giờ.
khi nung ở hình 2 cho thấy: khi nung mẫu
trong 0,5 giờ và 1 giờ, đã bắt đầu xuất hiện
mầm tinh thể Fe2 O3 . Tăng thời gian nung
mẫu, các hạt tinh thể kết tinh hoàn chỉnh hơn
thể hiện trên giản đồ nhiễu xạ đỉnh pic cao và
rộng. Tuy nhiên, nếu thời gian nung mẫu dài
có thể làm tăng kích thước hạt. Do đó chúng
tơi chọn thời gian nung là 2 giờ.
Hình 2. Giản đồ XRD của mẫu nung ở
650o C ở các thời gian khác nhau

3.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol Fe/xitric
đến sự tạo pha tinh thể
Điều chế các gel ở cùng điều kiện với các
tỉ lệ mol Fe/xitric lần lượt là 1/3, 1/2, 1/1,
2/1, 3/1 ở 80o C. Sấy khô và nung gel ở 650oC
trong 2 giờ.

Kết quả ghi giản đồ XRD của các mẫu sau
khi nung ở hình 3 cho thấy, ở các tỉ lệ
Fe/xitric thấp thì ngồi pha của Fe2 O3 cịn có
450

Hình 4. Giản đồ XRD của mẫu ở
các nhiệt độ tạo gel với xitric khác nhau
và nung ở 650o C
Kết quả ghi giản đồ XRD của các mẫu ở
hình 4 cho thấy, nhiệt độ tạo gel ít ảnh
hưởng đến sự tạo pha tinh thể mà chỉ ảnh
hưởng đến kích thước của oxit tạo thành. Ở
nhiệt độ tạo gel là 80o C, mẫu cho độ kết tinh
tốt nhất, thể hiện ở đỉnh nhiễu xạ cao và


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

rộng nhất. Do đó, chúng tơi chọn nhiệt độ riêng của Fe2 O3 đo được theo phương pháp
tạo gel là 80o C.
BET (hình 6) là 39,5 m2 /g.
Từ các kết quả nghiên cứu ở trên, chúng
tôi rút ra được điều kiện thích hợp để điều
chế vật liệu nano Fe2 O3 bằng phương pháp
sol-gel xitrat: tỉ lệ mol Fe/xitric là 1/3, nhiệt
độ tạo gel là 80o C, pH tạo gel là 2, nhiệt độ
nung là 650o C và thời gian nung là 2 giờ.
Mẫu vật liệu oxit Fe2 O3 được tổng hợp
trong các điều kiện trên được chụp SEM,
TEM và BET để xác định thái học và diện

tích bề mặt riêng.
Hình 6. Kết quả BET của mẫu tối ưu
Hình thái học của oxit nano Fe2 O3 điều chế
oxit Fe2 O3
được xác định qua ảnh SEM và TEM ở hình 5a
và hình 5b. Diện tích bề mặt riêng của Fe2 O3 4. KẾT LUẬN
được xác định qua kết quả BET ở hình 6.
Đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ
nung, thời gian nung, tỷ lệ mol Fe/xitric và
nhiệt độ tạo gel đến sự tạo pha tinh thể của
vật liệu nano Fe2 O3 được tổng hợp bằng
phương pháp sol-gel xitrat. Điều kiện để tổng
hợp oxit Fe2 O3 có kích thước ~ 12 nm và
diện tích bề mặt riêng 39,5 m2 /g: tỉ lệ mol
Fe/xitric là 1/3, nhiệt độ tạo gel là 80o C, pH
tạo gel là 2, nhiệt độ nung là 650o C và thời
gian nung là 2 giờ.
(a)
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] M. Chirita, I. Grozescu. Fe2 O3 Nanoparticles, 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
(b)
asen, Tuyển tập báo cáo khoa học Hội
Hình 5. Ảnh SEM (a) và TEM (b)
nghị Xúc tác và Hấp phụ Toàn quốc lần
của mẫu tối ưu oxit Fe2 O3
thứ V, 341-346 (8/2009).
3. S. Layek, A. Pandey, A. Pandey and H.
Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền
C. Verma. Synthesis of
γ-Fe2 O3
qua (TEM) của mẫu cho thấy các hạt oxit có
nanoparticles with crystallographic and
dạng hình cầu, kích thước hạt khá đồng đều
magnetic texture, International Journal
với đường kính trung bình tính theo phương
of
Engineering,
Science
and
trình Scherrer là 11,41 nm. Diện tích bề mặt
Technology, 2(8), 33-39 (2010).
451