ĐIỀU CHẾ NiO, NiFe2O4 KÍCH THƯỚC NANOMET VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG

Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KHOA HỌC TỰ NHIÊN
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN HOÁ HỌC




VŨ THẾ NINH
ĐIỀU CHẾ NiO, NiFe
2
O
4
KÍCH THƯỚC NANOMET VÀ
ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - năm 2009

Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KHOA HỌC TỰ NHIÊN
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN HOÁ HỌC


Vũ Thế Ninh
Điều chế NiO, NiFe
2
O
4
kích thước nanomet và định hướng ứng
dụng
Chuyên ngành: Hoá vô cơ
Mã số: 60.44.25
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Lưu Minh Đại


Hà Nội – năm 2009
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
Lời cảm ơn!

Trước tiên, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lưu Minh
Đại đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản
Luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Hoá học đã giúp đỡ
trong quá trình học tập và bảo vệ luận văn tốt nghiệp.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh, chị đồng nghiệp đã giúp đỡ
và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm việc nghiên cứu, tại
Phòng Vật liệu Vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu.
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài luận văn tác giả đã
nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của Phòng thí nghiệm Hoá lý, Đai Học Sư
Phạm Hà Nội I. Xin chân thành cảm ơn.
Cuối cùng, Tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, và người thân
trong gia đình đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu!
Tác giả Luận văn
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
Mục lục
Trang
Lời cảm ơn
Mục lục i
Mục lục các bảng ii
Mục lục các hình iii
Mục lục các ký hiệu, chữ viết tắt viii
Mở đầu 1
Chương 1. Tổng quan 2
1.1. Giới thiệu về công nghệ nano 2

1.1.1. Một số khái niệm 2
1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano 5
1.2. Một số phương pháp điều chế vật liệu nano 8
1.2.1. Phương pháp gốm truyền thống 8
1.2.2. Phương pháp đồng tạo phức 9
1.2.3. Phương pháp đồng kết tủa 9
1.2.4. Phương pháp sol – gel 10
1.2.5. Tổng hợp đốt cháy gel polyme 11
1.3. Vật liệu NiO và NiFe
2
O
4
kích thước nanomet 12
1.3.1. Tổng hợp vật liệu 12
1.3.1.1. Vật liệu NiO 12
1.3.1.2. Vật liệu NiFe
2
O
4
13
1.3.2. Ứng dụng của NiO, NiFe
2
O
4
kích thước nanomet 14
1.3.2.1. Oxi hoá CO 15
1.3.2.2. Xử lí H
2
S 16
1.3.2.3. Oxi hoá các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi 16

Chương 2. Các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm 17
2.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu 17
2.1.1. Lựa chọn phương pháp tổng hợp vật liệu 17
2.1.2. Tổng hợp NiO và NiFe
2
O
4
kích thước nano 18
2.2. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 19
2.3. Phương pháp nghiên cứu hoạt tính xúc tác 23
2.3.1. Sơ đồ thiết bị phản ứng 23
2.3.2. Điều kiện thực hiện phản ứng 25
2.3.3. Các tham số cần xác định 25
2.3.3.1. Tốc độ không gian thể tích 25
2.3.3.2. Thông số động học 26
2.4. Phương pháp hấp phụ 27
2.4.1. Khái niệm chung 27
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
2.4.2. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ 28
2.4.3. Phương trình động học hấp phụ 29
2.4.4. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ langmuir 30
2.5. Phương pháp xác định ion kim loại trong dung dịch 32
Chương 3. Kết quả và thảo luận 34
3.1. Tổng hợp vật liệu NiO 34
3.1.1. Kết quả phân tích nhiệt 34
3.1.2. Lựa chọn nhiệt độ nung 35

3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel 37
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel 38
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol PVA/KL 40
3.1.5. Khảo sát nhiệt độ tạo gel 41
3.1.6. Một số đặc trưng của mẫu NiO tối ưu 41
3.2. Tổng hợp vật liệu NiFe
2
O
4
42
3.2.1. Kết quả phân tích nhiệt 43
3.2.2. Lựa chọn nhiệt độ nung 45
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel 46
3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol PVA/KL 48
3.2.5. Khảo sát nhiệt độ tạo gel 49
3.2.6. Phân tích thành phần hoá học 49
3.2.7. Một số đặc trưng của mẫu NiFe
2
O
4
tối ưu 49
3.3. Định hướng ứng dụng NiO, NiFe
2
O
4
kích thước nano 50
3.3.1. Xúc tác oxi hoá VOCs 50
3.3.2. Khả năng hấp phụ As (III) trên vật liệu 56
3.3.2.1. Vật liệu hấp phụ NiO 56
3.3.2.1.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ asen 56

3.3.2.1.2. Khả năng hấp phụ asen của NiO theo mô hình Langmuir 57
3.4.2. Vật liệu hấp phụ NiFe
2
O
4
59
3.4.2.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ asen 59
3.4.2.2. Khả năng hấp phụ asen của NiFe
2
O
4
theo mô hình Langmuir 60
Kết luận chính 63
Danh mục các công trình của tác giả 64
Tài liệu tham khảo 65
Phụ lục 70
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
Mục lục các bảng
Trang
Bảng 3.1. Phần trăm về khối lượng của các nguyên tố trong mẫu
NiFe
2
O
4
49
Bảng 2.3. Độ chuyển hoá etanol của vật liệu NiO theo thời gian và

nhiệt độ
51
Bảng 3.3. Độ chuyển hoá etanol của vật liệu NiFe
2
O
4
theo thời gian và
nhiệt độ
52
Bảng 3.4. Độ chuyển hoá etanol trên NiO và NiFe
2
O
4
theo nhiệt độ 54
Bảng 3.5. Thành phần (% thể tích) của các khí có trong hỗn hợp khí
sản phẩm
55
Bảng 3.6. Nồng độ asen còn lại theo thời gian hấp phụ trên vật liệu
NiO
56
Bảng 3.7. Dung lượng hấp phụ asen trên vật liệu NiO ở nồng độ khác
nhau
57
Bảng 3.8. Nồng độ asen còn lại theo thời gian hấp phụ trên vật liệu
NiFe
2
O
4
59
Bảng 3.9. Dung lượng hấp phụ asen trên vật liệu NiFe

2
O
4
ở nồng độ
khác nhau
60
Mục lục các hình
Trang
Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo vật liệu 18
Hình 2.2. Sơ đồ hệ phản ứng vi dòng đo xúc tác 23
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
Hình 2.3. Đường cong động học biểu thị sự phụ thuộc của dung lượng
hấp phụ vào thời gian và nồng độ chất bị hấp phụ (C
1
> C
2
)
30
Hình 2.4. Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc C
f
/q vào C
f
32
Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt DTA, TGA và DTG của mẫu NiO 34
Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo nhiệt độ nung tổng hợp NiO 36
Hình 3.3. Phổ FTIR các mẫu theo nhiệt độ nung tổng hợp NiO 37

Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo pH tạo gel Ni-PVA nung ở
600
o
C
38
Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X các mẫu theo tỉ lệ mol tạo gel Ni-
PVA nung ở 600
o
C
39
Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu theo nhiệt độ tao gel Ni-
PVA nung ở 600
o
C
40
Hình 3.7. Ảnh SEM của mẫu NiO 41
Hình 3.8. Giản đồ phân tích nhiệt DTA, TGA và DTG của mẫu
NiFe
2
O
4
42
Hình 3.9. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo nhiệt độ nung tổng hợp NiFe
2
O
4
43
Hình 3.10. Phổ FTIR các mẫu theo nhiệt độ nung tổng hợp NiFe
2
O

4
44
Hình 3.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo pH tạo gel 46
Hình 3.12. Giản đồ nhiễu xạ tia X các mẫu theo tỉ lệ mol tạo gel (Ni
2+
+Fe
3+
)-PVA nung ở 500
o
C
47
Hình 3.13. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu theo nhiệt độ tao gel
(Ni
2+
+Fe
3+
)-PVA nung ở 500
o
C
48
Hình 3.14. Ảnh SEM của mẫu NiFe
2
O
4
49
Hình 3.15. Độ chuyển hoá etanol trên NiO theo thời gian và nhiệt độ 51
Hình 3.16. Độ chuyển hoá etanol trên NiFe
2
O
4

theo thời gian và nhiệt
độ
52
Hình 3.17. Độ chuyển hoá etanol trong 150 phút trên vật liệu xúc tác
theo nhiệt độ
54
Hình 3.18. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ trên vật liệu NiO 57
Hình 3.19. Đường đẳng nhiệt hấp phụ asen trên vật liệu NiO 58
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
Hình 3.20. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ trên vật liệu NiFe
2
O
4
60
Hình 3.21. Đường đẳng nhiệt hấp phụ asen trên vật liệu NiFe
2
O
4
61
Các chữ, ký hiệu viết tắt
XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X
TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua
SEM Kính hiển vi điện tử quét
SPM Kính hiển vi đầu dò quét
ASM Kính hiển vi nguyên tử lực
CS Tổng hợp đốt cháy

SHS Quá trình lan truyền nhiệt độ cao phát sinh trong phản ứng
VOCs Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
PVA Poly vinyl alcohol
TGA Phân tích nhiệt trọng lượng
FTIR Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
BET Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ
IR Phương pháp phổ hồng ngoại
GHSV Tốc độ không gian thể tích
KL/PVA Tỉ lệ kim loại lấy theo tỉ lượng trên Poly vinyl alcohol theo mol
MỞ ĐẦU
Khoa học nano đã bắt đầu từ thập kỷ 60 của thế kỷ trước và trong
những năm gần đây khoa học và công nghệ nano phát triển, bùng nổ. Các
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
chuyên gia dự báo rằng, công nghệ nano sẽ là một trong những nghành công
nghệ đột phá, có tác dụng tích cực nhất trong vòng 25 năm tới đối với nền
kinh tế thế giới.
Rất nhiều phương pháp nghiên cứu hiện đại ra đời để phục vụ cho lĩnh
vực này như : phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử
truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM) … Điều này sẽ tạo tiền
đề cho sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano và đưa hướng nghiên cứu
vật liệu nano thành nhiệm vụ hàng đầu.
Vật liệu nano có những tính năng ưu việt như có độ bền cơ học cao,
tính chất điện quang nổi trội, hoạt tính xúc tác cao … Vì vậy, vật liệu nano
được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như điện tử, quang điện tử, công
nghệ thông tin và truyền thông cũng như sinh học, y học và môi trường.
NiO và NiFe

2
O
4
(spinen) có nhiều ứng dụng trong thực tế như làm xúc
tác chuyển hoá trong hữu cơ, các quá trình Reforming, vật liệu từ, làm
sensor đo khí, … NiO, NiFe
2
O
4
có diện tích bề mặt lớn với kích thước cỡ vài
chục nm nên có khả năng làm vật liệu xúc tác, hấp phụ cho các quá trình
chuyển hoá hoàn toàn các khí độc hai CO, VOCs …
Vì NiO, NiFe
2
O
4
có nhiều ứng dụng cho nên việc tìm ra một phương
pháp tổng hợp hiệu quả với cách thức tiến hành đơn giản cho sản phẩm có
kích thước mong muốn là hết sức cần thiết. Trong khuôn khổ bản luận văn
này, chúng tôi tiến hành tổng hợp NiO, NiFe
2
O
4
kích thước nanomet và
nghiên cứu khảo sát hoạt tính của vật liệu nano này.
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về công nghệ nano
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
1.1.1. Một số khái niệm
Công nghệ nano [10]
Trong công nghệ nano, nghiên cứu vàp sử dụng các hệ bao gồm các
cấu tử có kích thước nanomet (10
-9
m) với cấu trúc phân tử hoàn chỉnh trong
việc chuyển hoá vật chất, năng lượng và thông tin.
Trước đây, thuật ngữ này được sử dụng với ý nghĩa hẹp hơn, ám chỉ
các kĩ thuật sản suất và đo đạc các thực thể với kích thước nhỏ hơn 100 nm.
Như vậy, theo định nghĩa thì công nghệ nano không phải là công nghệ
bao hàm nghiên cứu cơ bản về cấu tử có độ lớn nằm giữa 1nm và 100 nm.
Để hiểu rõ hơn định nghĩa, ta có thể nêu ra một số ví dụ của thế giới nano.
Chẳng hạn những hạt muội than từ một thế kỷ nay là phụ gia không thể thiếu
cho vật liệu cao su làm lốp xe vì nó tạo độ bền cần thiết cho vật liệu. Vậy từ
lâu vật liệu nano đã đi vào cuộc sống thường nhật của chúng ta. Một số chất
dùng trong tiêm chủng cũng thuộc “nano” bởi vì chúng chứa một hoặc một
vài chủng protein, nghĩa là các phần tử vĩ mô ở cỡ nanomet. Nhưng ta không
thể xếp chúng vào công nghệ nano được.
Vật liệu nano (nano materials)
Công nghệ nano không thể xuất hiện nếu như không có vật liệu nano.
Khó có thể xác định chính xác thời điểm xuất hiện của khoa học vật liệu
nano, song người ta nhận thấy rằng vài thập niên cuối của thế kỷ XX là thời
điểm mà các nhà vật lý, hoá học và vật liệu học quan tâm mạnh mẽ đến việc

điều chế, nghiên cứu tính chất và những sự chuyển hoá của các phần tử có
kích thước nano. Đó là do các phần tử nano biểu hiện những tích chất điện,
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
hoá, cơ, quang, từ ... khác rất nhiều so với vật liệu khối thông thường [11;
12]. Ví dụ fulleren C
60
gồm 12 mặt ngũ giác đều, 20 mặt lục giác đều, mỗi C
có lai hoá sp
2
, do đó có hệ electron π giải toả đều cả mặt trong và mặt ngoài
của phân tử hình cầu, tương tự như hệ electron π giải toả trên lớp graphit.
Người ta xem fulleren là dạng hình cầu của graphit. C
60
kết tinh dạng tinh
thể lập phương tâm diện màu đỏ tía, tan tốt trong dung môi không phân cực,
có khả năng thăng hoa. Tinh thể C
60
được biến tính bởi kim loại kiềm hay
kiềm thổ (K
3
C
60
, CsRb
2
C
60

) có tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao (333K). Màng
mỏng C
60
có thể bị hidro hoá, metyl hoá, halogel hoá, trong đó các nhóm thế
nằm ở mặt ngoài. Nó tạo thành phức chất với kim loại chuyển tiếp như
C
60
O
2
Os
2
(4-t-butylpyridin)
2
, C
60
Ir(CO)Cl(PH
3
)
2
...
Khái niệm vật liệu nano tương đối rộng, chúng có thể là tập hợp các
nguyên tử kim loại hay phi kim, oxit, sunfua, cacbua, nitrua ... có kích thước
trong khoảng 1-100 nm; Đó cũng có thể là các vật liệu xốp với đường kính
mao quản dưới 100 nm (zeolit, photphat và cacboxylat kim loại). Như vậy,
vật liệu nano có thể thuộc kiểu siêu phân tán hay hệ rắn với độ xốp cao.
Có thể nhận thấy rằng ở vật liệu nano, do kích thước hạt vô cùng nhỏ
(chỉ lớn hơn kích thước phân tử 1 – 2 bậc) nên hầu hết các nguyên tử tự do
thể hiện toàn bộ tính chất của mình khi tương tác với môi trường xung
quanh. Trong khi ở vật liệu thông thường chỉ có một số ít nguyên tử nằm
trên bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử nằm sâu trong thể tích của vật, bị

các nguyên tử ở lớp ngoài che chắn. Do đó có thể chờ đợi ở các vật liệu
nano những tính chất khác thường sau:
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
- Tương tác của các nguyên tử và các điện tử trong vật liệu bị ảnh
hưởng bởi các biến đổi trong phạm vi thang nano, do đó khi làm thay đổi
cấu hình của vật liệu ở thang nano ta có thể điều khiển được các tính chất
của vật liệu theo ý muốn mà không cần thay đổi thành phần hoá học của nó
[12].
- Vật liệu có cấu trúc nano có tỷ lệ diện tích bề mặt rất lớn nên chúng
là vật liệu lý tưởng để làm xúc tác cho các phản ứng hoá học, thiết bị lưu trữ
thông tin. Các chất xúc tác có cấu trúc nano sẽ làm tăng hiệu suất của các
phản ứng hoá học và các quá trình cháy, đồng thời sẽ làm giảm tới mức tối
thiểu phế liệu và các chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Hơn nữa một nửa số
dược phẩm mới đang dùng để chữa trị hiện nay đều ở dạng các hạt có kích
thước micromet và không tan trong nước, nhưng nếu kích thước được giảm
xuống thang nanomet thì chúng sẽ rất dễ dàng được hoà tan. Vì vậy, vật liệu
nano sẽ tạo ra một sự phát triển mạnh mẽ trong việc sản suất các loại thuốc
mới với hiệu quả cao và dễ sử dụng hơn [11].
- Tốc độ tương tác, truyền tin giữa các cấu trúc nano nhanh hơn rất
nhiều so với cấu trúc micro và có thể sử dụng tính chất ưu việt này để chế
tạo ra hệ thống thiết bị truyền tin nhanh với hiệu quả năng lượng cao [6].
- Vì các hệ sinh học về cơ bản có tổ chức vật chất ở thang nano, nên
nếu các bộ phận nhân tạo dùng trong tế bào có tổ chức cấu trúc nano bắt
chước tự nhiên thì chúng dễ dàng tương thích sinh học [6].
Những tính chất khác thường trên đang là đối tượng khám phá của các
nhà khoa học. Vấn đề này thuộc “Hiệu ứng kích thước” (size effect).

Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
Những nghiên cứu về vât liệu nano hiện đang dừng ở mức khảo sát và
thăm dò, nghĩa là tìm phương pháp điều chế rồi khảo sát cấu tạo và tính chất
sản phẩm thu được, tích luỹ dữ kiện. Những nghiên cứu lí thuyết mô hình
hoá các loại vật liệu nano mới và tính chất của chúng đã xuất hiện nhưng
chưa nhiều, và kết quả chưa được kiểm chứng vì dữ kiện thực nghiệm còn
nghèo.
Hiện nay các vật liệu nano được phân loại như sau:
- Vật liệu nano trên cơ sở cacbon như ống cacbon
- Các loại vật liệu không trên cơ sở cacbon: vật liệu kim loại, vật liệu
oxit, vật liệu xốp ...
- Các phân tử tự tổ chức và tự nhận biết.
Hoá học nano
Hoá học nano là khoa học nghiên cứu các phương pháp tổng hợp và
xác định tính chất của vật liệu nano [6].
Để tổng hợp các vật liệu nano người ta có thể dùng tất cả các phương
pháp tổng hợp hoá học truyền thống như ngưng tụ pha hơi, phản ứng pha
khí, kết tủa trong dung dịch, nhiệt phân, thuỷ phân, điện kết tủa, oxi hoá,
phản ứng vận chuyển, sol – gel, [13; 14]... Tuy nhiên, điều quan trọng nhất
để tổng hợp vật liệu nano là kiểm soát kích thước và sự phân bố theo kích
thước của các cấu tử hay các pha tạo thành, do đó các phản ứng thường được
thực hiện trên khuôn (đóng vai trò như những bình phản ứng nano) vừa tạo
ra không gian thích hợp, vừa có thể định hướng cho sự sắp xếp các nguyên
tử trong phân tử hoặc giữa các các phân tử với nhau. Ngày nay người ta đã
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
dùng các khuôn là các ion kim loại, các mixen được tạo thành bởi các chất
hoạt động bề mặt, các màng photpholipit [15].
1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano
Công nghệ nano hứa hẹn sẽ “thay đổi cuộc sống của con người” bởi
có những tính chất nổi trội và mới lạ. Chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực khác nhau của đời sống kinh tế xã hội.
Công nghệ nano với lĩnh vực điện tử, quang điện tử, công nghệ
thông tin và truyền thông [16]
Không có một lĩnh vực nào mà công nghệ nano có ảnh hưởng nhiều
như điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông. Điều này được phản ánh
rõ nhất ở số lượng các transitor kiến tạo nên vi mạch máy tính, số lượng các
transitor trên một con chíp tăng lên làm tăng tốc độ xử lý của nó, giảm kích
thước linh kiện, dẫn tới giảm giá thành, nâng cao hiệu quả kinh tế lên nhiều
lần.
Ứng dụng đầu tiên của công nghệ nano là tạo các lớp bán dẫn siêu
mỏng mới. Ngoài ra công nghệ nano còn mở ra cho công nghệ thông tin một
triển vọng mới: chế tạo linh kiện hoàn toàn mới, rẻ hơn và có tính năng cao
hơn hẳn so với transitor, đó là các chấm lượng tử được chế tạo ở mức độ
tinh vi, mỗi chiều chỉ có 1nm thì một linh kiện cỡ 1 cm
3
sẽ lưu trữ được
1000 tỷ tỷ bit, tức là toàn bộ thông tin của tất cả các thư viện trên thế giới
này có thể lưu giữ trong đó.
Quang điện tử cũng là một yếu tố chủ chốt của cuộc cách mạng công
nghệ thông tin. Lĩnh vực này cũng đang có xu thế giảm tối đa kích thước, ví
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
dụ như một số linh kiện của thiết bị phát tia laze năng lượng lượng tử, các
màn hình tinh thể lỏng đòi hỏi được chế tạo với độ chính xác cỡ vài
nanomet.
Công nghệ nano với lĩnh vực sinh học và y học [17]
Ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực sinh học để tạo ra các thiết
bị cực nhỏ có thể đưa vào cơ thể để tiêu diệt virut và các tế bào ung thư, tạo
ra hàng trăm các dược liệu mới từ các vi sinh vật mang ADN tái tổ hợp, tạo
ra các protein cảm ứng có thể tiếp nhận các tín hiệu của môi trường sống, tạo
ra các động cơ sinh học mà phần di động chỉ có kích thước cỡ phân tử
protein, tạo ra các chíp sinh học và tiến tới khả năng tạo ra các máy tính sinh
học với tốc độ truyền đạt thông tin như bộ não.
Công nghệ nano sinh học còn có thể được ứng dụng trong y học để
tạo ra một phương pháp tổng hợp, thử nghiệm để bào chế dược phẩm, nâng
cao các kĩ thuật chuẩn đoán, liệu pháp và chiếu chụp ở cấp độ tế bào với độ
phân giải cao hơn độ phân giải của chụp hình cộng hưởng từ.
Một số công cụ đã được phát triển trong những năm gần đây như:
kính hiển vi đầu dò quét (SPM), kính hiển vi nguyên tử lực (AFM) cho phép
quan sát trực tiếp hoạt động của từng phân tử bên trong các hệ sinh vật và sự
chuyển động của phân tử ở thời gian thực bên trong một động cơ cấp phân
tử.
Hy vọng rằng việc ứng dụng các thành tựu của công nghệ nano vào
lĩnh vực sinh học và y học sẽ tạo ra được những biện pháp hữu hiệu để nâng
cao sức khoẻ, tăng tuổi thọ con người
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
Công nghệ nano với vấn đề môi trường [18; 19]
Hoá học xanh và môi trường được quan tâm đặc biệt trong thời gian
gần đây. Các kim loại dạng bột mịn như Fe, Zn thể hiện hoạt tính cao với
các hợp chất hữu cơ chứa clo trong môi trường nước. Điều này dẫn tới việc
sử dụng thành công loại màng chứa cát và bột kim loại xốp để làm sạch
nước ngầm. Các oxit kim loại nano với sự phân huỷ của chất hấp phụ, do đó
các vật liệu mới này được gọi là các “chất hấp thụ phân huỷ”. Chúng được
sử dụng trong việc xử lí khí, phá huỷ các chất độc hại
Công nghệ nano với vấn đề năng lượng [20; 21]
Nhu cầu về năng lượng là một thách thức nghiêm trọng đối với sự tồn
tại và phát triển của thế giới. Trước một thực tế là các nguồn năng lượng
truyền thống đang ngày một cạn kiệt thì việc tìm ra các nguồn năng lượng
khác thay thế là một nhiệm vụ cấp bách đặt ra. Năng lượng mặt trời có thể
chuyển hoá trực tiếp thành điện năng nhờ pin quang điện. Nguồn nhiên liệu
sạch là hidro có thể được tạo ra nhờ phản ứng quang hoá phân huỷ nước.
Các quá trình trên đạt hiệu quả cao khi sử dụng các vật liệu nano. Việc lưu
trữ hidro được thực hiện khi sử dụng các vật liệu ống nano.
Công nghệ nano với lĩnh vực vật liệu [14]
Vật liệu composit gồm các vật liệu khác nhau về cấu trúc và thành
phần, sử dụng các hạt nano trong vật liệu composit làm tăng tính chất cơ lí,
giảm khối lượng, tăng khả năng chịu nhiệt và hoá chất, thay đổi tương tác
với ánh sáng và các bức xạ khác. Các vật liệu gốm composit được sử dụng
làm lớp mạ trong điều kiện cơ, nhiệt khắc nhiệt. Các lớp mạ tạo bởi các hạt
nano có các tính chất khác thường như thay đổi màu khi có dòng điện đi qua.
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368

Các loại sơn tường chứa các hạt nano làm tăng khả năng chống bám bụi.
Trên thị trường đã xuất hiện loại thuỷ tinh tự làm sạch do được mạ một lớp
các hạt nano chống bám bụi.
1.2. Một số phương pháp điều chế vật liệu nano
1.2.1. Phương pháp gốm truyền thống [8]
Bản chất của phương pháp là thực hiện phản ứng giữa các pha rắn ở
nhiệt độ cao, sản phẩm thu được thường dưới dạng bột và có cấp hạt cỡ
milimet. Từ sản phẩm đó mới tiến hành tạo hình và thực hiện quá trình kết
khối thành vật liệu cụ thể. Đây là phương pháp đã được phát triển lâu đời
nhất nhưng hiện nay vẫn còn được ứng dụng rộng rãi. Các công đoạn theo
phương pháp này như sau:
Chuẩn bị phối liệu  nghiền, trộn  ép viên  nung  sản phẩm.
Ưu điểm của phương pháp truyền thống: Dùng ít hoá chất, hoá chất
không đắt tiền, các thao tác dễ tự động hoá nên dễ dàng đưa vào dây chuyền
sản xuất với lượng lớn.
Nhược điểm: Đòi hỏi nhiều thiết bị phức tạp, tính đồng nhất của sản
phẩm không cao, kích thước hạt lớn (cỡ milimet) nên khi ép tạo thành sản
phẩm thường có độ rỗng lớn, phản ứng trong pha rắn diễn ra chậm.
1.2.2. Phương pháp đồng tạo phức [7; 8]
Nguyên tắc của phương pháp này là cho các muối kim loại tạo phức
cùng nhau với phối tử trong dung dịch. Sau đó tiến hành phân huỷ nhiệt
phức chất có thành phần hợp thức mong muốn. Phương pháp này đạt được
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
sự phân bố lý tưởng các cấu tử trong hệ phản ứng vì rằng trong mạng lưới
tinh thể của phức rắn đã có sự phân bố hoàn toàn có trật tự của các ion.
Ưu điểm của phương pháp đồng tạo phức: Trong hỗn hợp ban đầu đưa

vào nung (hỗn hợp các phức chất) đã bảo đảm tỷ lệ hợp thức của các cấu tử
đúng như trong vật liệu mong muốn.
Nhược điểm: Tìm các phức chất đa nhân không dễ dàng và công việc
tổng hợp phức chất tương đối phức tạp đòi hỏi nhiều phối tử đắt tiền. Do đó
với các vật liệu đòi hỏi phải bảo đảm chính xác tỷ lệ hợp thức. Ví dụ, để
tổng hợp ferit niken chúng ta có thể bắt đầu từ phức chất có công thức Ni
3-
Fe
6
(CH
3
COO)
17
O
3
OH.12C
5
H
5
N. Điều lý thú là phức này có thể tinh chế
thành dạng nguyên chất bằng cách kết tinh lại trong pyridin.
1.2.3. Phương pháp đồng kết tủa [7; 8]
Đây là một trong những phương pháp đang được sử dụng rộng rãi để
tổng hợp vật liệu. Phương pháp này cho phép khuếch tán các chất tham gia
phản ứng khá tốt, tăng đáng kể bề mặt tiếp xúc của các chất phản ứng do đó
có thể điều chế được vật liệu mong muốn ở điều kiện nhiệt độ nung thấp.
Một điều quan trọng là thành phần của vật liệu ảnh hưởng đến nhiều
tính chất, do đó tiến hành phản ứng đồng kết tủa, trong điều kiện nghiêm
ngặt để kết tủa có thành phần mong muốn. Phương pháp đồng kết tủa có ưu
điểm sau:

- Cho sản phẩm tinh khiết.
- Tính đồng nhất của sản phẩm cao.
1.2.4. Phương pháp sol – gel [25; 26]
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
Mặc dù đã được nghiên cứu vào những năm 30 của thế kỉ trước.
Nhưng gần đây, cùng với sự ra đời và phát triển của kĩ thuật nano, phương
pháp sol-gel lại được quan tâm rất nhiều vì nó rất thành công trong tổng hợp
vật liệu cấp hạt nano.
Trong quá trình sol-gel, giai đoạn đầu tiên là sự thuỷ phân và đông tụ
tiền chất để hình thành sol, dạng đồng nhất của các hạt oxít siêu nhỏ trong
chất lỏng. Chất đầu để tổng hợp sol này là các hợp chất hoạt động của kim
loại như các alkoxide của silic, nhôm, titan…Giai đoạn này có thể điều
khiển bằng sự thay đổi pH, nhiệt độ và thời gian phản ứng, xúc tác, nồng độ
tác nhân, tỷ lệ nước…Các hạt sol có thể lớn lên và đông tụ để hình thành
mạng polime liên tục hay gel chứa các bẫy dung môi. Phương pháp làm khô
sẽ xác định các tính chất của sản phẩm cuối cùng: gel có thể được nung nóng
để loại trừ các phân tử dung môi, gây áp lực lên mao quản và làm sụp đổ
mạng gel, hoặc làm khô siêu tới hạn, cho phép loại bỏ các phân tử dung môi
mà không sụp đổ mạng gel. Sản phẩm cuối cùng thu được từ phương pháp
làm khô siêu tới hạn gọi là aerogel, theo phương pháp nung gọi là xerogel.
Bên cạnh gel còn có thể thu được nhiều loại sản phẩm khác.
1.2.5. Tổng hợp đốt cháy gel polyme [22; 23; 24]
Tổng hợp đốt cháy (CS – Combustion synthesis) trở thành một trong
những kỹ thuật quan trọng trong điều chế các vật liệu gốm mới (về cấu trúc
và chức năng), composit, vật liệu nano và vật liệu.
Trong số các phương pháp hoá học, tổng hợp đốt cháy có thể tạo ra

tinh thể bột nano oxit và oxit phức hợp ở nhiệt độ thấp hơn trong một thời
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
gian ngắn và có thể dạt ngay đến sản phẩm cuối cùng mà không cần phải xử
lí nhiệt thêm nên hạn chế được sự tạo pha trung gian và tiết kiệm được năng
lượng .
Quá trình tổng hợp đốt cháy xảy ra phản ứng oxi hoá khử toả nhiệt
mạnh giữa hợp phần chứa kim loại và hợp phần không kim loại, phản ứng
trao đổi giữa các hợp chất hoạt tính hoặc phản ứng chứa hợp chất hay hỗn
hợp oxi hoá khử … Những đặc tính này làm cho tổng hợp đốt cháy thành
một phương pháp hấp dẫn cho sản suất các vật liệu mới với chi phí thấp so
với các phương pháp truyền thống. Một số ưu điểm khác của phương pháp
đốt cháy là:
- Thiết bị công nghệ tương đối đơn giản.
- Sản phẩm có độ tinh khiết cao.
Trong phương pháp đốt cháy gel polime, để ngăn ngừa sự tách pha
cũng như sự đồng nhất cao cho sản phẩm, phương pháp hoá học ướt thường
sử dụng các tác nhân tạo gel. Một số polime hữu cơ được sử dụng ngoài vai
trò tác nhân tạo gel còn là nguồn nhiên liệu như polivinyl alcol, polietylen
glycol, polyacrylic axit. Trong phương pháp này, dung dịch tiền chất gồm
dung dịch các muối kim loại (thường là muối nitrat) được chộn với polyme
hoà tan trong nước tạo thành hỗn hợp nhớt. Làm bay hơi nước hoàn toàn hỗn
hợp này thu được khối xốp nhẹ và đem nung ở khoảng 300 – 900
o
C thu
được là các oxit phức hợp mịn.
1.3. Vật liệu NiO và NiFe

2
O
4
kích thước nanomet
1.3.1. Tổng hợp vật liệu
1.3.1.1. Vật liệu NiO
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
- E.A Souza và các cộng sự [29] đã tổng hợp vật liệu NiO và NiFeO
kích thước nanomet bằng phương pháp sol - gel sử dụng tiền chất C
12
H
22
O
11
(đường mía) để tạo phức gel hình thành khi làm bay hơi nước ở 60
o
C cuối
cùng nung ở nhiệt độ 300, 600 hoặc 700
o
C trong thời gian 2 h có thể thu
được niken oxit và niken ferit kích thước hạt trung bình có thể xác định bằng
cả phương trình Scherre và ảnh hiển vi điện tử quét nằm trong khoảng 11 –
36 nm.
- Ying Wu và các cộng sự [28] đã công bố điều chế thành công vật
liệu NiO kích thước nano bằng vài phương pháp khác nhau thì thu được tinh
thể NiO kết tinh ở các hình dạng khác nhau có kích thước và phân bố khác

nhau, kết quả công bố cũng chỉ ra việc điều chế bằng phương pháp sol – gel,
hỗn hợp nitrat niken và axit nitric được khuấy trộn liên tục ở 70
o
C trong 18
h, gel thu được làm được làm khô ở 110
o
C trong 24 h cuối cùng nung ở
400
o
C trong 4 h bột oxit NiO thu được hình cầu đồng đều có kích thước
trong khoảng 10 – 15 nm.
- Yọngie và các cộng sự [27] đã điều chế NiO kích thước nano dạng
nan tre bằng việc sử dụng tiền chất ban đầu dạng nhũ tương nuôi cấy trong
dung dịch NaCl sau khi kết tinh, rửa sạch bằng axeton làm khô và nung ở
810
o
C trong 1 h loại bỏ NaCl với nước, kết quả đã chỉ ra đường kính của nan
tre cỡ 40 – 100nm.
- Lili Wu và các cộng sự [30] đã điều chế vật liệu NiO dạng dây bằng
phương pháp kết tủa khi cho dung dịch nitrat niken cùng với ure theo tỷ lệ
tương thích và điều chỉnh pH của dung dịch bằng dung dịch axit sunfuric
hoặc amoni trong khi khuấy trộn đều trên máy khuấy từ gia nhiệt ở 95
o
C
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
duy trì trong 6 h, kết thúc phản ứng bởi nước lạnh sau đó lọc rửa kết tủa

bằng axeton để loại bỏ hết ion tự do, tiếp tục được sấy khô ở 75
o
C trong 12 h
rồi nung ở 600
o
C trong 2 h thi thu được bột chứa NiO có màu đen tuyệt tối,
kết quả phân tích ghi nhận sản phẩm là NiO đa tinh thể dạng dây có đường
kính 5 – 15 nm.
1.3.1.2. Vật liệu NiFe
2
O
4
- Mathew George cùng các cộng sự [31] đã tổng hợp thành công niken
ferit (NiFe
2
O
4
) bằng quy trình sol – gel bằng việc hoà tan Fe (III) nitrat và Ni
(II) nitrat theo tỷ lệ ban đầu 2:1 trong etylen glycol ở nhiệt độ 40
o
C sau đó
gia nhiệt sol chứa các kim loại này ở 60
o
C để làm khô gel, tiếp tục làm khô
và quá trình tự bốc cháy sảy ra ở 100
o
C, cuối cùng nung sản phẩm này ở các
nhiệt độ 300, 600 và 900
o
C trong 12 h. Qua phân tích và tính toán cho thấy

khi nhiệt độ nung tăng thì kích thước hạt cũng tăng trong khoảng 9 – 15 nm.
- L. Satyanarayana cùng các cộng sự [32] đã điều chế thành công
NiFe
2
O
4
bằng phương pháp thuỷ nhiệt bằng cách hoà tan Fe (III) nitrat và Ni
(II) nitrat theo tỷ lệ tương thích rồi điều chỉnh pH trong khoảng 8 – 10 bằng
dung dịch amoni trong khi khuấy trộn đều trong 2 h, sau đó chuyển dung
dịch hỗn hợp này qua một nồi hấp bằng nhựa Teflon rồi gia nhiệt lên 225
o
C
kết quả áp suất hơi tự sinh đạt 20 kg/cm
2
trong 0,5 h, nồi hấp được làm lạnh
tới nhiệt độ phòng thu được kết tủa màu đen được làm sạch vài lần với nước
để khử ion dư thừa, qua phân tích và tính toán cỡ hạt của các tinh thể
NiFe
2
O
4
trung bình là 11 nm ứng với diện tích bề mặt 94 m
2
/g.
- J. Azadmanjiri cùng các cộng sự [33] đã điều chế thành công
NiFe
2
O
4
kích thước nano bằng quá trình tự bắt cháy sol – gel citrate bằng

Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
cách hoà tan các muối nitrat kim loại cùng với axit citric theo tỷ lệ phân tử
nitrat và citric là 1:1, điều chỉnh pH = 7 bằng một lượng nhỏ amoni, khuấy
trộn và gia nhiệt tới khi chuyên thành xerogel khi tới nhiệt độ tự bắt cháy thì
sự lan truyền nhiệt độ trong khi cháy tới khi cháy hoàn toàn. Khối bột này
được nung ở các nhiệt độ khác nhau từ 700 – 1100
o
C kích thước hạt trong
khoảng 45 – 75 nm, tuy nhiên nhiệt độ trong khoảng 800 – 1000
o
C pha tinh
thể thu được có lẫn γ-Fe
2
O
3
chỉ ở nhiệt độ 1000
o
C mới quan sát được đơn
pha NiFe
2
O
4
, đồng đều kích thước 70 – 80 nm.
- As. Aluquerque và các cộng sự [34] tổng hợp niken ferit NiFe
2
O

4
bằng phản ứng đồng kết tủa. Tiếp theo họ xác định cấu trúc và kích thước
sản phẩm bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, xác định từ tính của hạt bằng
phương pháp từ kế mẫu rung. Bột niken ferit được tổng hợp bằng cách hoà
tan sắt và niken nitrat trong nước cất với thành phần mol đúng hợp thức. Sau
1 giờ khuấy, thêm NaOH (2,5 M) vào dung dịch, sản phẩm kết tủa sau đó
được rửa bằng nước cất và etanol. Bột mịn nhận được sau quá trình làm khô
ở 70
0
C trong 20 giờ. Các mẫu với kích cỡ phần tử trung bình khác nhau
được tạo ra bằng cách nung từ 300
0
C tới 600
0
C trong 2 giờ ở không khí
thường. Phân tích nhiễu xạ tia X các mẫu bột có đường kính trung bình là 4,
5, 6, 8 và 15 nm với các mẫu nung ở 300, 400, 500 và 600
0
C.
1.3.2. Ứng dụng của NiO, NiFe
2
O
4
kích thước nanomet
Các oxit NiO, NiFe
2
O
4
tổng hợp được với kích thước nano có diện tích
bề mặt lớn hiện nay đang được nghiên cứu áp dụng trong một số lĩnh vực

khác nhau:
Website:

Email :

Tel (: 0918.775.368
- Xúc tác xử lí khí CO, SO
2
, H
2
S, VOCs [42],...
- Xúc tác trong các phản ứng chuyển hoá hữu cơ [28; 37; 40]
- Xúc tác trong quá trình sản suất khí tổng hợp [41]
- Làm sensơ đo khí [32; 35]
- Vật liệu có từ tính, anot, pin nhiên liệu, pin mặt trời,... [34; 38; 39].
Trong các ứng dụng trên, việc sử dụng vật liệu NiO, NiFe
2
O
4
trong
xúc tác sử lí khí đang được các nhà khoa học quan tâm bởi hoạt tính oxi hoá
khử cao, khả năng chống nhiễm độc tố tốt mà giá thành thấp để thay thế các
hệ xúc tác kim loại quí trên chất mang. Các vật liệu xúc tác này đóng vai trò
như chất cung cấp và vận chuyển oxi cho phản ứng [42].
1.3.2.1. Oxi hoá CO
Nguồn phát thải ra khi CO rất nhiều như các nhà máy luyện kim đen,
sản suất nhôm bằng điện phân nóng cháy hay được tạo ra trong các quá trình
cháy của nhiên liệu. Oxi hoá CO thành CO
2
trên xúc tác là biện pháp để xử lí

khí này [36]:
CO + ½O
2
→ CO
2
1.1
Ngoài ra các quá trình reforming sản suất khí nhiên liệu cũng được
nghiên cứu trên hai hệ xúc tác này:
CH
4
+ H
2
O → 3H
2
+ CO
1.2
CH
4
+ CO
2
→ 2H
2
+ 2CO
1.3
CH
4
+ ½O
2
→ 2H
2

+ 2CO
1.4
Trên đây là 3 phản ứng chính xảy ra trong quá trình sản suất khí tổng
hợp. Một phần nhỏ theo phản ứng 1.4, phản ứng 1.2 xảy ra trội nhất và có
tính kinh tế. Tuy nhiên, phản ứng có tính chọn lọc kém với CO, đòi hỏi tỷ lệ