Tổng hợp vật liệu zirconium (oxide) nitride định hướng ứng dụng hóa hơi nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

LÊ TRẦN PHƯƠNG THẢO
TỔNG HỢP VẬT LIỆU ZIRCONIUM (OXIDE) NITRIDE ĐỊNH

HƯỚNG ỨNG DỤNG HÓA HƠI NƯỚC
ĐỀ ÁN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN

Bình Định – Năm 2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

LÊ TRẦN PHƯƠNG THẢO
TỔNG HỢP VẬT LIỆU ZIRCONIUM (OXIDE) NITRIDE ĐỊNH

HƯỚNG ỨNG DỤNG HÓA HƠI NƯỚC

Ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 8440104

Người hướng dẫn: PGS.TS. LÊ THỊ NGỌC LOAN

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả của đề tài “Tổng hợp vật liệu
zirconium(oxide)nitride định hướng ứng dụng hóa hơi nước” là cơng trình
nghiên cứu của cá nhân tơi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Lê Thị Ngọc
Loan, tài liệu tham khảo đã được trích dẫn đầy đủ.

Tác giả đề án

Lê Trần Phương Thảo

LỜI CẢM ƠN
Trong q trình học tập, nghiên cứu và hồn thành đề án, tơi đã nhận được
nhiều sự góp ý, hỗ trợ, chỉ bảo nhiệt tình của q thầy cơ giáo, đồng nghiệp và
bạn bè.
Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Lê Thị Ngọc
Loan – người đã hướng dẫn trực tiếp tơi trong suốt q trình học tập và tạo điều
kiện thuận lợi để tơi thực hiện hồn thành đề án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Vật lý – Khoa học vật liệu,
Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn. Những kiến thức mà các
thầy cô đã truyền đạt là nền tảng tri thức vững chắc cho tôi trong q trình học
tập cũng như sau khi ra trường. Tơi đã nhận được nhiều sự quan tâm, giúp đỡ
và giảng dạy nhiệt tình của q thầy cơ.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới cán bộ, giảng viên Phịng thí nghiệm Vật
lý chất rắn, Trường Đại học Quy Nhơn, Cô Lê Thị Thanh Liễu bộ môn Hóa
học, Phịng thí nghiệm trường Đại học Phenikaa, Đại học Bách khoa Hà Nội đã
hỗ trợ và giúp đỡ tôi rất nhiều trong q trình làm thí nghiệm, khảo sát, hồn
thành đề án.
Cuối cùng, tơi xin cảm ơn những người thân của mình đã ln bên cạnh,
động viên để tơi hồn thành đề án tốt nghiệp. Cảm ơn tập thể lớp Cao học Vật
lý chất rắn Khóa 24B đã đồng hành cùng tơi trong hai năm học vừa qua.
Xin trân trọng cảm ơn!

Học viên

Lê Trần Phương Thảo

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1

1. Lý do chọn đề tài................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 2
5. Cấu trúc đề án .................................................................................... 3
NỘI DUNG CỦA ĐỀ ÁN ....................................................................... 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT.......................................... 4
1.1 Tổng quan về vật liệu zirconium oxide, zirconium nitride............. 4
1.1.1 Tính chất vật liệu zirconium oxide ....................................................... 4
1.1.2 Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano ZrO2 ................................. 8
1.2 Một số phương pháp chế tạo, tính chất đặc trưng và ứng dụng
vật liệu Zr(O)N ............................................................................................. 9
1.2.1 Tính chất vật lý của zirconium nitride ................................................. 9
1.2.2 Tính chất hóa học của zirconium nitride ........................................... 10
1.2.3 Một số phương pháp tổng hợp vật liệu ZrN....................................... 11
1.2.3.1 Tổng hợp ZrN và Zr(O)N bằng phương pháp nitrat hóa trực tiếp
kim loại Zr với Nitơ ..................................................................................... 11
1.2.3.2 Tổng hợp ZrN bằng phương pháp nghiền bi phản ứng năng lượng
cao (RBM) ................................................................................................... 12
1.2.3.3 Tổng hợp ZrN bằng phương pháp plasma vi sóng ......................... 13
1.2.3.4 Tổng hợp ZrN bằng phương pháp nhiệt benzene ........................... 14
1.2.3.5 Tổng hợp ZrN bằng phương pháp nitrat hóa nhơm ....................... 15
1.2.3.6 Tổng hợp ZrN bằng quá trình khử nhiệt magie .............................. 15
1.2.4 Một số ứng dụng của vật liệu Zr(O)N............................................... 16
1.2.5 Vật liệu zirconiumoxidenitride (ZrON)………………………………… 17

1.3 Phương pháp khảo sát vật liệu kích thước nano ........................... 19

1.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X ( XRD) ................................................. 19
1.3.2 Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến ( UV-Vis) ................ 22
1.3.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)................................... 23
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ........................................................... 24
2.1 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm........................................................ 25
2.1.1 Thiết bị thí nghiệm.............................................................................. 25
2.1.2 Dụng cụ thí nghiệm ............................................................................ 26
2.2 Hóa chất............................................................................................. 27
2.3 Quy trình tổng hợp mẫu.................................................................. 27
2.4 Quy trình nghiên cứu vật liệu nhiệt quang ................................... 28
2.5 Quy trình ứng dụng hóa hơi nước .................................................. 28
2.5.1 Màng polymer .................................................................................... 28
2.5.2 Xốp cắm hoa....................................................................................... 30
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................... 32
3.1 Kết quả tổng hợp vật liệu ZrON ..................................................... 32
3.1.1 Khảo sát bằng hình ảnh quang học.................................................... 32
3.1.2 Khảo sát bằng phổ XRD ..................................................................... 32
3.1.3 Khảo sát bằng hình ảnh SEM ............................................................. 34
3.1.4 Khảo sát bằng phổ UV-Vis ................................................................. 35
3.2 Kết quả hóa hơi nước ....................................................................... 37
3.2.1 Khảo sát bằng màng polymer............................................................. 37
3.2.2 Khảo sát bằng xốp cắm hoa .............................................................. 39
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 40
1. Kết luận ................................................................................................... 40
2. Kiến nghị ................................................................................................ 40
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA
TÁC GIẢ ............................................................................................ 41
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................ 42
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ĐỀ ÁN ............................................... 47

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Tên viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt

CMOS Complementary Metal-Oxide- Cơng nghệ vi mạch tích
Semiconductor hợp

CVD Chemical Vapor Deposition Phương pháp lắng đọng
hơi hóa học

DMF Dimethylformamide

LSPR Localized Surface Plasmon Sự cộng hưởng plasmonic
Resonance bề mặt

TM Thương mại

TH Tổng hợp

PVD Physical vapor deposition Phương pháp lắng đọng

hơi vật lý

PVP Polyvinylpyrrolidone

SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét

SPP Surface plasmon polariton Dao động điện tử tự do bề

mặt

SPR Surface Plasmon Resonance Cộng hưởng palsmon bề

mặt

UV-VIS UltraViolet - Visible Spectroscopy Phổ hấp thụ quang học

XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các đặc tính cơ học nổi bật khác của ZrO2 ....................................... 6
Bảng 1.2 Các phạm vi nhiệt độ của điểm nóng chảy của Zirconia, dựa trên các
dạng phụ thuộc vào nhiệt độ của nó.................................................................. 7

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể ZrO2........................................................................ 4
Hình 1.2 Bột ZrO2 ............................................................................................. 5
Hình 1.3 Phổ hấp thụ của ZrO2 (a) và phổ XRD của ZrO2 (b) ......................... 7
Hình 1.4 Bột ZrN thương mại........................................................................... 9
Hình 1.5 Cấu trúc mạng tinh thể ZrN ............................................................... 9
Hình 1.6 Phổ hấp thụ của ZrN (a), phổ XRD của ZrN (b) ............................. 10
Hình 1.7 Mạch điện cơ bản sử dụng để làm nổ các dây dẫn chế tạo bột nano12
Hình 1.8 Bản vẽ sơ đồ của Hệ plasma vi sóng sử dụng để tổng hợp bột nano13
Hình 1.9A Các ơ cơ sở của ZrN (a) và ZrO0.5N0.5 (b) .................................... 17
Hình 1.9B Cấu trúc vùng năng lượng và mật độ trạng thái của ZrN (a) và
ZrO0.5N0.5 (b) ................................................................................................... 18
Hình 1.9C Mật độ trạng thái của ZrN ZrN (đường màu đen) và ZrO0.5N0.5

(đường màu đỏ)............................................................................................... 18
Hình 1.10 Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể chất rắn........................................ 22
Hình 1.11 Mơ tả định luật Lambert-Beer........................................................ 23
Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét ..................................... 25
Hình 2.1 a) Hệ CVD Đại học Quy Nhơn; b) Hệ CVD Đại học Phenikaa...... 26
Hình 2.2 a) Hệ Spin coating; b) Máy khuấy từ; c) Lò nung ........................... 27
Hình 2.3 Màng polymer phủ 20 mg Zr(O)N .................................................. 30
Hình 2.4 Màng polymer phủ 30 mg Zr(O)N .................................................. 31
Hình 2.5 Màng polymer phủ 60 mg Zr(O)N .................................................. 31
Hình 2.6 Màng polymer phủ 60 mg ZrN TM ................................................. 32
Hình 2.7 a) Cốc nước có xốp khơng phủ vật liệu b) Cốc nước có xốp phủ vật
liệu trên bề mặt................................................................................................ 33

Hình 3.1 a) Mẫu ZrN thương mại; b) Mẫu ZrO2 thương mại ........................ 34
Hình 3.2 Các mẫu ZrO2 được nung ở các điều kiện khác nhau...................... 34
Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của ZrO2 tiền chất và ZrO2 sau khi xử
lý trong NH3 tại 1050 oC và 1150 oC. ............................................................. 35
Hình 3.4 Hình ảnh SEM và phân bố kích thước hạt của (a) ZrO2 TM, cũng như
ZrO2 sau khi được xử lý trong NH3 ở các nhiệt độ khác nhau: (b) 1050°C và (c)
1150°C. .......................................................................................................... 36
Hình 3.5 Phổ hấp thụ UV-Vis của các mẫu và các tính toán bề rộng vùng cấm
bằng phương pháp Kubelka-Munk . ............................................................... 38
Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn sự hóa hơi nước khi sử dụng các màng polymer .. 40
Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn sự hóa hơi nước khi dùng xốp cắm hoa ................ 41

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Trong thời gian gần đây, việc khám phá các vật liệu nitride kim loại chuyển
tiếp nhóm IVB đã có sự tăng đáng kể, khác với các kim loại quý như Au và
Ag, để mở rộng phạm vi ứng dụng vật liệu plasmonic và làm sâu thêm sự hiểu
biết của chúng ta về tương tác ánh sáng-vật chất [21, 22]. Các vật liệu mới
plasmonic kim loại nitride có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như viễn
thơng, máy tính, thu năng lượng mặt trời hiệu quả, cảm biến ánh sáng và sinh
học, chẩn đoán và điều trị bệnh [23, 24]. Trong số các vật liệu này, titan nitride
(TiN) đã thu hút sự quan tâm đáng kể. Tuy nhiên, zirconium nitride (ZrN) có
ý nghĩa đặc biệt do các tính chất vật lý khác biệt của nó, bao gồm khả năng
chống ăn mòn tốt và có nhiệt độ nóng chảy cao [25]. Quan trọng là, tương tự
như Au, ZrN thể hiện tính chất plasmonic trong các vùng ánh sáng nhìn thấy
và hồng ngoại gần[23]. Điều này tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng mặt
trời và chuyển đổi thành nhiệt, làm cho chúng rất phù hợp cho các ứng dụng
thu ánh sáng mặt trời [26].

Zirconium nitride (ZrN) sở hữu các tính chất đặc biệt, bao gồm điểm nóng
chảy cao (2952 oC) và độ cứng cao ((22.7±1.7 GPa), liên kết Zr-N cộng hóa trị
mạnh và khả năng chống ăn mịn hóa tốt, khiến chúng rất phù hợp cho các ứng
dụng như lớp phủ và lớp bảo vệ [35-36]. Gần đây, ZrN đã thu hút sự chú ý vì
là một vật liệu tốt cho các điện cực trong lưu trữ và chuyển đổi năng lượng
[37], nhờ vào khả năng dẫn điện, khả năng di chuyển điển tích tốt và hiệu suất
điện hóa ấn tượng [24, 38-39]. Hơn nữa, ZrN đã trở thành một vật liệu
plasmonic thay thế hứa hẹn, có các ứng dụng đa dạng trong các tế bào năng
lượng mặt trời [40], thu hoạch ánh sáng mặt trời [41], và chuyển đổi năng lượng
từ mặt trời thành nhiệt [42, 43]. Các tính chất độc đáo này khiến nó trở thành
một vật liệu quý trong những công nghệ liên quan đến năng lượng mặt trời.
Hơn nữa, zirconium oxynitride, tương tự như zirconium nitride, đã có sự quan

2

tâm đặc biệt như một vật liệu cho các bộ thu nhiệt mặt trời. Sự quan tâm này
do khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời đáng kể và tính ổn định nhiệt cao
[29][43, 44]. Do đó, cả ZrN và zirconium oxynitride đều có tiềm năng lớn trong
việc thúc đẩy các ứng dụng khác nhau liên quan đến chuyển đổi và sử dụng
năng lượng.

Với địa hình bờ biển dài ở Miền Trung, quặng titan-zircon trong vùng biển
miền Trung có hàm lượng TiO2 và ZrO2 cao. Ngồi ra, Titan và Zircon cịn
được tìm thấy nhiều ở các quặng khoáng sản ở các vùng cát khác dọc theo vùng
biển miền Trung Việt Nam. Việc nghiên cứu tổng hợp và khảo sát đặc trưng
vật liệu cũng như tìm cách ứng dụng chúng trong đời sống hàng ngày là yêu
cầu cấp thiết hiện nay nhằm nâng cao giá trị kinh tế của việc khai thác khoáng
sản trong vùng.

Và trên đây chính là những lý do mà tơi chọn đề tài “Tổng hợp vật liệu
zirconium(oxide)nitride định hướng ứng dụng hóa hơi nước” để nghiên cứu.
Hy vọng kết quả đề tài sẽ là tài liệu tham khảo bổ ích cho bạn đọc, góp phần
ứng dụng vào đời sống, xã hội.

2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tổng hợp thành công vật liệu Zr(O)N từ vật liệu ZrO2 nung trong mơi

trường khí NH3 ở 11000C-13000C.
- Định hướng ứng dụng hóa hơi nước

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu Zr(O)N
- Phạm vi nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu zirconium(oxide)nitride và định

hướng ứng dụng hóa hơi nước

4. Phương pháp nghiên cứu

- Tổng hợp ZrN bằng phương pháp nitrat hóa nhơm
- Nghiên cứu đặc trưng vật liệu bằng các phương pháp: nhiễu xạ tia X
(XRD)-phân tích cấu trúc tinh thể và vi tinh thể; kính hiển vi điện tử quét

3

(SEM) - khảo sát hình thái, kích thước vật liệu; phổ hấp thụ tử ngoại – khả
kiến (UV-Vis) - khảo sát sự hấp thụ ánh sáng;…
5. Cấu trúc đề án

- Mở đầu
- Nội dung của đề án :

+ Chương 1. Tổng quan lý thuyết.
+ Chương 2. Thực nghiệm.
+ Chương 3. Kết quả và thảo luận.
- Kết luận và kiến nghị.
- Tài liệu tham khảo.

4

NỘI DUNG CỦA ĐỀ ÁN
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1 Tổng quan về vật liệu zirconium oxide, zirconium nitride
1.1.1 Tính chất vật liệu zirconium oxide

Zirconium oxide còn được gọi với tên khác là zirconia (ZrO2) là một oxit
kim loại bán dẫn có nhiều tính chất cơ học và vật lý ưu việt làm cho hợp chất

này được sử dụng rộng rãi. ZrO2 được biết đến như một loại gốm công nghiệp
quan trọng và là một loại vật liệu chống ăn mòn rất tốt. Nó cũng là một thành
phần quan trọng trong chất xúc tác, chất chống oxy hóa bề mặt, được ứng dụng
trong các cảm biến oxy, chất điện phân, các pin nhiên liệu, đồ trang trí, ứng
dụng trong nha khoa hoặc làm chất nền bán dẫn. ZrO2 có thể thay thế SiO2, là
vật liệu được dùng làm cổng điện môi trong linh kiện kim loại - điện môi - bán
dẫn.

Dạng xuất hiện tự nhiên nhất của ZrO2 là khoáng chất baddeleyite và được
tạo ra bằng cách nung các hợp chất zirconium khác. Một zirconia lập phương
có cấu trúc ổn định dopant, zirconia khối, được tổng hợp với nhiều màu sắc
khác nhau để sử dụng làm đá quý và chất mô phỏng kim cương (diamond
simulant).

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể ZrO2 [1]

5

ZrO2 là vật liệu thay đổi cấu trúc. Có ba pha ổn định ở áp suất khí quyển:
pha lập phương với cấu trúc fluorite ở dưới điểm nóng chảy, từ nhiệt độ 2650K
đến khoảng 2983K; pha tứ giác bền vững ở nhiệt độ 1478K đến 2650K; cấu
trúc đơn tà ở dưới nhiệt độ 1478K. Thơng thường ở nhiệt độ phịng, tinh thể
Zirconia tồn tại ở pha đơn tà, nhưng pha lập phương của tinh thể ZrO2 ở nhiệt
độ cao có thể được ổn định xuống nhiệt độ phòng bằng cách thêm các cation
thay thế như Ca2+, Mg2+, Y3+ hoặc oxit đất hiếm, mà sự hiện diện của chúng
tạo ra các khoảng trống trong mạng anion zirconi. Các oxit zirconium ổn định
này chứa từ 3% yttria đến 8% calcia. Chúng có cấu trúc tinh thể giống nhau từ
nhiệt độ phòng đến nóng chảy, tránh được sự cố cơ học nghiên trọng do các bộ
phận gốm zirconia nguyên chất gây ra khi chuyển từ pha tứ giác sang pha đơn
tà trong khi làm lạnh [1].

Tính chất vật lý:
ZrO2 là một chất rắn kết tinh có màu trắng. Khối lượng phân tử của ZrO2 là
123,218 g/mol, độ nóng chảy 2715oC, điểm sơi là 4300oC. Tuy nhiên có thể
tạo ra nhiều màu sắc khác nhau để sử dụng làm đá quý thay thế cho kim cương
hoặc các ứng dụng khác trong y tế, trang trí, làm đẹp.

Hình 1.2 Bột ZrO2 [1]

6

Trong số các vật liệu gốm tiên tiến, zirconia có độ bền cao nhất ở nhiệt độ
phòng. Ở nhiệt độ cao, zirconia có thể bị thay đổi về thể tích trong q trình
chuyển pha. Do đó, các sản phẩm từ ZrO2 khó có thể ổn định trong q trình
thiêu kết, đây là lí do vì sao chúng ta cần ổn định zirconia. Nhờ vào các đặc
tính cơ học vượt trội, zirconia ổn định một phần có thể được thay thế cho
alumin trong các ứng dụng y sinh. Các vật liệu tương đối khác với bao gồm
Zirconia ổn định yttria, Zirconia ổn định canxi và zirconia ổn định magie [1].

Độ bền cơ học cao: ZrO2 có khả năng chống nứt cao và ứng suất cơ học. Các
đặc tính cơ học nổi bật khác được liệt kê trong bảng dưới đây:

Bảng 1.1 Các đặc tính cơ học nổi bật khác của ZrO2

Tính chất cơ học Giá trị cho ZrO2

Mô đun đàn hồi 100 - 250 GPa ở 20ºC

Độ bền uốn 180 - 1000 MPa ở 20ºC

Sức căng 330 MPa ở 20ºC

Độ dẻo dai gãy xương 10 MPa · √m ở 20°C

Độ cứng, Vickers 1220

Độ cứng, Mohs 8 – 8,5

Chịu nhiệt độ cao và giãn nở: ZrO2 với điểm nóng chảy ở nhiệt độ 2715ºC
và hệ số giãn nở nhiệt là 1,08 × 10-5 K-1, đây được xem là một loại vật liệu có
khả năng chịu nhiệt cao. Đó là lý do vì sao hợp chất này được sử dụng rộng rãi
trong vật liệu chịu lửa và các ngành công nghiệp nhiệt độ cao. Dưới đây là các
phạm vi nhiệt độ của điểm nóng chảy của Zirconia, dựa trên các dạng phụ
thuộc vào nhiệt độ của nó.

7

Bảng 1.2 Các phạm vi nhiệt độ của điểm nóng chảy của Zirconia, dựa trên các
dạng phụ thuộc vào nhiệt độ của nó

Dạng phụ thuộc vào nhiệt độ của zirconia Độ nóng chảy

Monoclinic, baddeleyite 20 – 1170ºC

Tetragonal 1170 – 2370ºC

Khối 2370 – 2700ºC

Độ dẫn nhiệt thấp: Zirconium dioxide có độ dẫn nhiệt là 2W/(m.K), điều này
làm cho nó trở nên hồn hảo cho những ứng dụng trong các sản phẩm giữ nhiệt.

Độ hấp thụ
Cường độ

Bước sóng (nm) 2θ 0

Hình 1.3 Phổ hấp thụ của ZrO2 (a) và phổ XRD của ZrO2 (b) [2]

Phổ hấp thụ của ZrO2 cho thấy một đỉnh cực đại ở bước sóng 320 nm. Năng
lượng vùng cấm của ZrO2 là 5,02 eV. Giá trị vùng cấm tính cho pha lập phương
của ZrO2 là 5,03 eV và cho pha hỗn hợp của các hạt nano ZrO2 lập phương hay
đơn tà là 5,75 eV.

ZrO2 cho các đỉnh nhiễu xạ chiếu theo phổ chuẩn JCPDS số 37-1484 (như
hình 1.3). Đây là cơ sở để so sánh với phổ XRD của ZrN tổng hợp, đánh giá
quá trình chuyển pha và mức độ tinh khiết của mẫu sau khi tổng hợp.

8

Tính chất hóa học: ZrO2 là một chất trơ về mặt hóa học và không hoạt
động. Tuy nhiên, hợp chất này có thể hịa tan trong axit đậm đặc như axit
sulfuric hoặc hydrofluoric.

1.1.2 Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano ZrO2

Sản xuất zirconium dioxide có thể dẫn đến ba giai đoạn có thể nói trên tùy
thuộc vào nhiệt độ: đơn tà, tứ giác và lập phương. Tính chất độc đáo này của
Zirconium dioxide cung cấp khả năng sử dụng linh hoạt trong nhiều mục đích
và ngành cơng nghiệp khác nhau.

Zirconia được sản xuất thông qua xử lý nhiệt hoặc phân ly nhiệt. Mặc dù
việc làm nó ở dạng nguyên chất có thể gây ra sự thay đổi pha đột ngột có thể
làm nứt hoặc gãy vật liệu. Đó là khi pha tạp với các chất ổn định, chẳng hạn
như oxit magie, oxit yttrium và oxit canxi, được áp dụng để giữ cho cấu trúc
ngun vẹn. Q trình nhiệt này cịn được gọi là q trình nung, trong đó q
trình gia nhiệt đến nhiệt độ cao được thực hiện trong mơi trường oxy hoặc
khơng khí.

Zirconia cũng có thể được sản xuất bằng cách phân hủy cát zircon thông qua
phản ứng tổng hợp với các hợp chất như canxi cacbonat, canxi oxit, natri
cacbonat, magie oxit và natri hydroxit (còn được gọi là xút).

Q trình Clo hóa zircon cũng dẫn đến sản xuất zirconia, nơi tạo thành
zirconium tetrachloride được nung ở nhiệt độ cao (~ 900ºC), tạo ra zirconia
thương mại.

Một cách khác là hòa tan zirconi tetraclorua thu được trong nước để tạo
thành clorua zirconyl kết tinh. Kết quả này sau đó được xử lý nhiệt ở nhiệt độ
cao để tạo ra zirconia có độ tinh khiết cao [3].

Zirconium dioxide có độ tinh khiết cao là tiền chất để sản xuất bột zirconium,
thông qua quá trình khử ZrO2 bằng canxi hydrat. Quá trình nhiệt luyện này
được chuẩn bị trong khí quyển argon ở nhiệt liên tục ở khoảng 1000°C [4].

9

1.2 Một số phương pháp chế tạo, tính chất đặc trưng và ứng dụng vật
liệu Zr(O)N
1.2.1 Tính chất vật lý của zirconium nitride

Zirconium nitride (cơng thức hóa học là ZrN) là hợp chất của zirconium và
nitơ có khối lượng mol là 105,23 g/ mol và có màu vàng đậm.

Hình 1.4 Bột ZrN thương mại (nguồn: internet)

Cấu trúc của ZrN có dạng tinh thể muối, nó có thể được mơ tả như hai mặt,
các mạng tinh thể lập phương tâm mặt của kim loại (Zr) và phi kim (N), chuyển
động có kích thước bằng một nửa đường kính chính so với nhau, hoặc như một
cấu trúc lập phương khối kim loại với tất cả các khoảng trống bát diện đều
chiếm bởi phi kim.

Hình 1.5 Cấu trúc mạng tinh thể ZrN [5]