Nghiên cứu tổng hợp, thăm dò khả năng ứng dụng của CeO2, kích thước Nanomet

S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÁI NGUYÊN



LÂM PHƢƠNG THANH


NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, THĂM DÒ KHẢ NĂNG
ỨNG DỤNG CỦA CeO2, KÍCH THƢỚC NANOMET

Chuyên ngành: Hóa vô cơ



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC




Thái Nguyên - 2013
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

2

LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được thực hiện tại phòng thí nghiệm Hóa Học của Trường
Đại Học Sư Phạm – Đại Học Thái Nguyên. Để hoàn thành được luận văn này
tôi đã nhận được rất nhiều sự động viên, giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể.
Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Hữu Thiềng đã
hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể thày cô trong khoa Hóa
Học, quý thày cô trong Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên đã tận
tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất
cho em trong suốt quá trình học tập nghiên cứu cho đến khi thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn phòng chụp XRD – khoa Hóa học – Trường Đại
học KHTN - Đại học Quốc gia Hà Nội, Viện Vệ sinh dịch tễ TW, phòng chụp
BET – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, các anh chị và bạn bè đồng nghiệp đã
tạo nhiều điều kiện thuận lợi và nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học
tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đã không
ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời
gian học tập và thực hiện luận văn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên
cứu của bản thân còn hạn chế nên kết quả nghiên cứu có thể còn nhiều thiếu xót.
Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thày cô giáo, các bạn đồng
nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn để
bản luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2013
Tác giả


Lâm Phƣơng Thanh
S

ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

3
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: đề tài này là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết
quả trong đề tài là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ các công
trình nào khác. Nếu sai sự thật tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

XÁC NHẬN CỦA GIÁO VIÊN Thái nguyên, tháng 4 năm 2013
HƯỚNG DẪN LUẬN VĂN Tác giả luận văn



PGS.TS. Lê Hữu Thiềng Lâm Phƣơng Thanh

XÁC NHẬN CỦA TRƯỞNG KHOA CHUYÊN MÔN




TS. Nguyễn Thị Hiền Lan


S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

i
MỤC LỤC
Trang

Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục i
Danh mục các hình ii
Danh mục bảng biểu iii
MỞ ĐẦU 1
NỘI DUNG LUẬN VĂN 3
Chƣơng 1.TỔNG QUAN 3
1.1. Giới thiệu khái quát về cấu trúc và tính chất của CeO
2
3
1.2. Một số phương pháp tổng hợp CeO
2
kích thước nanomet 4
1.2.1. Phương pháp gốm truyền thống 5
1.2.2. Phương pháp đồng tạo phức 5
1.2.3. Phương pháp đồng kết tủa 6
1.2.4. Phương pháp sol – gel 7
1.2.5. Phương pháp vi nhũ 7
1.2.6. Tổng hợp đốt cháy gel polyme 9
1.2.7. Phương pháp nghiền bi 10
1.3. Vật liệu CeO
2
kích thước nanomet 11
1.4. Các ứng dụng của CeO
2
16
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21
2.1. Hóa chất và thiết bị 21
2.1.1. Hóa chất 21

2.1.2. Thiết bị 21
2.2. Thực nghiệm 21
2.2.1. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo thành pha tinh thể
và kích thước hạt CeO
2
23
2.2.2. Hình thái học, diện tích bề mặt riêng của mẫu tối ưu 25

S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

ii
2.3. Sử dụng CeO
2
làm xúc tác trong phản ứng quang hóa khử màu
metylen xanh 25
2.4. Các phương pháp nghiên cứu 26
2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia Rơngen 26
2.4.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua 28
2.4.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét 30
2.4.4. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng 32
2.4.5. Phương pháp phổ UV – VIS 33
2.4.6. Xúc tác quang hóa 35
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37
3.1. Tổng hợp CeO
2
nano 37
3.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo thành pha tinh
thể và kích thước hạt CeO
2

38
3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung mẫu 38
3.2.2. Ảnh hưởng của pH đến sự tạo thành pha tinh thể 41
3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel 42
3.2.4. Ảnh hưởng của thời gian nung mẫu 43
3.2.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Ce
4+
/alanin 45
3.2.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Ce
4+
/ NH
4
NO
3
46
3.3. Hình thái học, diện tích bề mặt riêng của mẫu tối ưu 48
3.4. Kết quả sử dụng CeO
2
nano làm xúc tác trong phản ứng quang hóa
khử màu metylen xanh (MB) 51
3.4.1. Dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh 51
3.4.2. Đánh giá khả năng xúc tác quang hóa của CeO
2
52
KẾT LUẬN 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO 56
PHỤ LỤC 61


ii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Một số thông số của metylen xanh 25
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến kích thước hạt 40
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của pH đến kích thước hạt 42
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel đến kích thước hạt 43
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của thời gian nung mẫu đến kích thước hạt 44
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Ce
4+
/alanin đến kích thước hạt 46
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Ce
4+
/ NH
4
NO
3
đến kích thước hạt 47
Bảng 3.7. Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh 51
Bảng 3.8. Hiệu suất phân hủy metylen xanh theo thời gian chiếu xạ 52
Bảng 3.9. Hiệu suất phân hủy metylen xanh theo thời gian 53




iii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể CeO
2
3
Hình 1.2. Cơ chế hình thành và phát triển hạt nano trong dung dịch 6
Hình 1.3. Cấu trúc hiển vi của vi nhũ ở một nồng độ chất hoạt động bề mặt

cho trước 9
Hình 2.1. Sơ đồ điều chế vật liệu 22
Hình 2.2. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể chất rắn khi tia X lan
truyền trong chất rắn 27
Hình 2.3. Sơ đồ cấu tạo máy TEM 30
Hình 2.4. Sơ đồ cấu tạo máy SEM 31
Hình 2.5. Cường độ tia sáng trong phương pháp đo UV – VIS 33
Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo của phổ kế tử ngoại khả kiến 34
Hình 2.7. Mức năng lượng electron 36
Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu 39
Hình 3.2. Giản đồ XRD của các mẫu khảo sát nhiệt độ nung 40
Hình 3.3. Giản đồ XRD của các mẫu khảo sát pH tạo gel 41
Hình 3.4. Giản đồ của các mẫu khảo sát nhiệt độ tạo gel 42
Hình 3.5. Giản đồ XRD của các mẫu khảo sát thời gian nung 44
Hình 3.6. Giản đồ XRD của các mẫu khảo sát tỷ lệ mol Ce
4+
/ alanin 45
Hình 3.7. Giản đồ XRD của các mẫu khảo sát tỷ lệ mol Ce
4+
/NH
4
NO
3
47
Hình 3.8. Giản đồ nhiễu xạ tia Rơngen của mẫu tối ưu 48
Hình 3.9. Ảnh TEM của CeO
2
49
Hình 3.10. Ảnh SEM của vật liệu. 50
Hình 3.11. Đường chuẩn metylen xanh 51

Hình 3.12. Hiệu suất phân hủy metylen xanh theo thời gian chiếu xạ 53
Hình 3.13. Hiệu suất phân hủy metylen xanh theo thời gian (Sử dụng ánh
sáng tự nhiên) 54


1

MỞ ĐẦU
Vào những năm đầu của thế kỷ XX, sự ra đời của thuyết lượng tử đã tạo
điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của nhiều ngành khoa học tự nhiên, cho
phép đi sâu vào nghiên cứu cấu tạo chất. Trên tiền đề đó, sang thế kỷ XXI,
ngành khoa học công nghệ nano ra đời đã nhanh chóng hấp dẫn các nhà khoa
học và thực tế đã khẳng định được vai trò hết sức quan trọng trong xã hội.
Trong những năm gần đây, vật liệu nano là một trong những lĩnh vực
nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất, khoa học và công nghệ nano là một trong
những thuật ngữ được sử dụng rộng rãi nhất trong khoa học vật liệu. Sở dĩ như
vậy là bởi vật liệu nano có những tính chất kỳ lạ khác hẳn so với các tính chất
của vật liệu khối đã được người ta nghiên cứu trước đó. Tính chất thú vị của vật
liệu nano bắt nguồn từ kích thước rất nhỏ bé có thể so sánh với các kích thước
tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu nghĩa là kích thước của vật liệu
nano đủ nhỏ để so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất. Vật
liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật
liệu. Nguyên nhân khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối
là do hai hiện tượng: Hiệu ứng bề mặt và kích thước tới hạn.
Vật liệu nano đóng vai trò quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực như:
Vật lý, hóa học, đặc biệt trong sinh học vì kích thước nano so sánh được với
kích thước của tế bào (10-100nm), virus (20-450nm), protein (5-50nm), gen
(2nm rộng và 10-100nm chiều dài). Với kích thước nhỏ bé, cộng với việc
“ngụy trang” giống như các thực thể sinh học khác và có thể thâm nhập vào các
tế bào hoặc virus (phân tách tế bào,…), y dược , công nghệ cao cục bộ, tăng độ

sắc nét hình ảnh trong cộng hưởng từ hạt nhân và nhiều ứng dụng khác. Ngoài
ra các nhà khoa học còn tìm cách đưa công nghệ nano vào việc giải quyết các
vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi trường ngày càng gia
tăng. Việc cải tiến các thiết bị quân sự vũ khí nano rất tối tân có sức công phá
rất mạnh cũng đã và đang được các nhà khoa học chú ý. Trên thế giới hiện nay


2
đang quan tâm tới việc chế tạo các vật liệu nano xúc tác vì loại vật liệu này có
thể làm cho phản ứng đạt được tốc độ lớn nhất và hiệu quả sản phẩm cao nhất.
Trong các vật liệu nano, nano CeO
2
là một trong những vật liệu có nhiều
ứng dụng quan trọng và thiết thực như: xúc tác chuyển đổi cho khí thải ô tô, tế bào
nhiên liệu oxit rắn, hấp thụ tia cực tím, các thiết bị quang học và đánh bóng vật
liệu Gần đây nhất, các hạt nano oxit CeO
2
đã được sử dụng như gốc tự do mạnh
để bảo vệ thần kinh, chống phóng xạ và đặc tính kháng viêm. Những tính chất của
nano oxit CeO
2
có thể mở ra triển vọng mới trong y học và công nghệ sinh học.
Hiện nay có các phương pháp tổng hợp nano oxit CeO
2
siêu mịn như:
Phương pháp thủy nhiệt sol – gel; Phương pháp lắng đọng đồng thể; Phương
pháp lắng đọng phun; Phương pháp đốt cháy. Trong các phương pháp trên,
phương pháp đốt cháy là phương pháp được các nhà khoa học quan tâm nhất
hiện nay vì phương pháp này có kỹ thuật đơn giản, có thể sản xuất lượng lớn,
tạo ra bột CeO

2
nano siêu nhỏ, đồng thể, và có hoạt tính cao. Từ nhận định trên,
chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu tổng hợp, thăm dò khả năng ứng
dụng của CeO
2
kích thước nanomet”.
Nhiệm vụ chính của đề tài:
- Tổng hợp oxit CeO
2
kích thước nano. Quá trình tổng hợp đi từ chất
đầu là muối (NH
4
)
2
Ce(NO
3
)
6
đóng vai trò như là nguồn cung cấp ion
xeri và chất oxi hóa, alanin đóng vai trò nhiên liệu.
- Xác định các đặc trưng của mẫu điều chế ở điều kiện tối ưu và thử
khả năng xúc tác quang hóa của vật liệu tổng hợp được.
Bố cục của luận văn bao gồm các phần:
- Mở đầu
- Chương I: Tổng quan
- Chương II: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu.
- Chương III: Kết quả và thảo luận
- Kết luận
- Tài liệu tham khảo

3
NỘI DUNG LUẬN VĂN
Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu khái quát về cấu trúc và tính chất của CeO
2

CeO
2
là chất bột màu vàng nhạt, có cấu trúc mạng tinh thể kiểu fluorit
[25], hằng số mạng 0,5411nm với tỷ trọng cao 7,215g/cm. Cấu trúc mạng tinh
thể ở đây mô tả là liên kết hình khối với nhiều ion dương trong đó các khoảng
trống tứ diện được lấp đầy bởi các ion âm. Kết quả là một khối lập phương có
số phối trí gấp tám lần của các ion dương được sinh ra. Liên kết mở rộng thống
nhất trong cả ba kích thước dẫn đến tính chất cộng hóa trị mạnh mẽ. Do đó, loại
cấu trúc fluorit như CeO
2
xu hướng là vật liệu chịu nhiệt và có nhiệt độ nóng
chảy cao khoảng 2100
0
C. CeO
2
có cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc
canxiflorit (CaF
2
) trong đó các nguyên tử kim loại tạo thành mạng lập phương
tâm mặt, xung quanh là các nguyên tử oxi tạo thành tứ diện (Hình 1.1)

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể CeO

2

Khi bị khử trong không khí ở nhiệt độ cao, CeO
2
tạo thành các oxit thiếu
oxi dạng CeO
2 – x
(0 ≤ x ≤ 0,5), đặc biệt sau khi thiếu một lượng lớn nguyên tử oxi
trong mạng lưới tinh thể và tạo nên một lượng lớn lỗ trống tại những vị trí nguyên
tử oxi đã mất, CeO
2
vẫn có cấu trúc của canxiflorit và những oxit xeri thiếu oxi
này sẽ dễ dàng bị oxi hóa thành CeO
2
nhờ tác dụng của các chất khử [7].


4
Quá trình oxi hóa khử đó có thể được biểu diễn bằng các phương trình
phản ứng như sau:
Ce
+3
→ Ce
+4
+ 1e
Ce
+4
+ 1e → Ce
+3

Ví dụ: 2Ce
2
O
3
+ O
2
→ 4CeO
2

2CeO
2
+ CO → Ce
2
O
3
+ CO
2

Giống như các hạt vật liệu nano khác, CeO
2
kích thước nano có kích
thước hạt bé, chỉ lớn hơn kích thước của các nguyên tử 1 – 2 bậc. Hầu hết các
nguyên tử được phơi ra bề mặt hoặc được che chắn không đáng kể, mỗi nguyên
tử được tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình trong tương tác với môi
trường xung quanh. Trong khi ở vật liệu thông thường chỉ một số ít các nguyên
tử nằm trên bề mặt được thể hiện tính chất, còn phần lớn các nguyên tử còn lại
nằm sâu trong thể tích của vật bị các nguyên tử lớp ngoài che chắn. Do đó
CeO
2
kích thước nano thể hiện một số tính chất khác thường như tính chất

quang, điện, từ [21], [35].
1.2. Một số phƣơng pháp tổng hợp CeO
2
kích thƣớc nanomet
CeO
2
kích thước nano là một trong những vật liệu nano đang được chú ý
nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng bởi nó có tiềm năng ứng dụng giá trị trong
nhiều lĩnh vực như trong sản xuất gốm sứ thủy tinh, làm xúc tác hay chất mang
xúc tác, bột huỳnh quang,… Do đó việc nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng
CeO
2
nano đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Tuy nhiên,
tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng, đặc điểm cấu trúc của mỗi dạng tập hợp và bản
chất của tiền chất mà có các phương pháp tổng hợp khác nhau. Yếu tố quan
trọng nhất trong quá trình tổng hợp các vật liệu nano nói chung và CeO
2
nano
nói riêng là kiểm soát được kích thước của các phần tử và sự phân bố chúng.
Do đó khác với các phản ứng tổng hợp hóa học truyền thống, ở đây việc tạo ra
không gian thích hợp cho phản ứng và bền hóa các phần tử tạo thành có vai trò
quan trọng hàng đầu.


5
1.2.1. Phƣơng pháp gốm truyền thống
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 gốm 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 [20].
1.2.2. Phƣơng pháp đồng tạo phức
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 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.


6
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 [19], [20].
1.2.3. Phƣơng pháp đồng kết tủa
Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến
một trạng thái bão hòa tới hạn, dung dịch sẽ đột ngột xuất hiện những mầm
kết tụ. Những mầm kết tụ đó sẽ phát triển thông qua quá trình khuếch tán
của vật chất từ dung dịch lên bề mặt của các mầm cho đến khi các mầm trở
thành hạt nano (Hình 1.2).
Để thu được hạt có độ đồng nhất cao người ta cần phân tách hai giai
đoạn hình thành và phát triển mầm.

Hình 1.2. Cơ chế hình thành và phát triển hạt nano trong dung dịch
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 [19], [20].

7
1.2.4. Phƣơng pháp sol – gel
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
vẫn 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 oxit 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 [20].
1.2.5. Phƣơng pháp vi nhũ
Ý tưởng sử dụng vi nhũ trong điều chế xúc tác được Gault đề cập đầu
tiên khi cộng tác với Friberg. Khi đó Gault đang nghiên cứu sự liên hệ giữa
kích thước của xúc tác kim loại chuyển tiếp và sự chọn lọc trong phản ứng thủy
phân và isome hóa hexan. Phương pháp thường được ứng dụng thời đó và tận
tới ngày nay để điều chế xúc tác kim loại là kĩ thuật tẩm. Với phương pháp này,
có thể tạo được những hạt kim loại nhỏ mặc dù rất khó để phân bố vào trong
những hạt có kích thước nhỏ. Dùng phương pháp tẩm, dạng của chất mang xúc
tác có ảnh hưởng tới cấu trúc và kích thước hạt kim loại. Thêm vào đó, việc

tổng hợp vật liệu lưỡng kim loại lại càng khó hơn. Do cấu trúc đặc biệt của vi


8
nhũ, người ta hy vọng nó hình thành môi trường thích hợp cho việc tạo ra
những hạt nano kim loại trên chất hệ phân bố kích thước hẹp cũng tốt như hạt
nhiều kim loại. Tổng hợp hạt nano kim loại được Boutonnet thông báo đầu thập
niên 80 của thế kỷ XX.
Một hệ vi nhũ được định nghĩa là một hệ của nước, dầu và chất hoạt
động bề mặt. Hệ này là một dung dịch đẳng quang và thuộc tính nhiệt động ổn
định. Quan sát bằng kính hiển vi, một vi nhũ trông như một dung dịch đồng
thể, nhưng ở kích thước phân tử nó lại là hệ dị thể. Cấu trúc bên trong cùa một
vi nhũ ở một nhiệt độ cho trước được quyết định bởi tỉ lệ hợp phần của nó. Cấu
trúc này gồm cả những giọt nano nhỏ hình cầu đơn kích thước hoặc 1 pha
chuyển tiếp. Cấu trúc khác nhau của một vi nhũ ở một nồng độ cho trước của
chất hoạt động bề mặt được trình bày khái quát trong hình 1.3.
Có hai cách chính để tạo hạt nano từ vi nhũ:
- Trộn lẫn hai vi nhũ, một chứa tiền chất và một chứa chất keo tụ.
- Thêm chất keo tụ trực tiếp vào vi nhũ chứa kim loại tiền chất.
Hạt nano CeO
2
được điều chế thành công trong hệ vi nhũ đảo. Kích
thước hạt có thể khống chế trong khoảng 2-5nm bởi nồng độ khác nhau của
chất phản ứng, xeri nitrat và amoni hiđroxit. Hoạt tính xúc tác của CeO
2
trên
Al
2
O
3

cho sự oxi hóa CO được thử nghiệm cho cả 2 loại được điều chế bằng kĩ
thuật vi nhũ và kĩ thuật đồng keo tụ. Kết quả của Masui và cộng sự cho thấy
một khả năng hoạt động hơn ở xúc tác được điều chế bằng phương pháp vi nhũ
dù thực tế diện tích bề mặt thu được từ hai phương pháp điều chế là bằng nhau.
Tác giả này không giải thích rõ ràng biểu hiện đó. Tuy nhiên, các tính chất như
kích thước đồng đều, vô định hình và khả năng chứa oxi cao được gợi ý có sự
ảnh hưởng tới hoạt tính [34].


9

Hình 1.3. Cấu trúc hiển vi của vi nhũ ở một nồng độ
chất hoạt động bề mặt cho trước
1.2.6. Tổng hợp đốt cháy gel polyme
Ngay từ khi ra đời, tổng hợp đốt cháy đã trở thành một trong những kỹ
thuật quan trọng trong điều chế các vật liệu gốm mới (về cả cấu trúc và chức
năng), vật liệu composit, vật liệu nano.
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 gian ngắn
và có thể đạt 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
khác. 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.

10
Trong phương pháp đốt cháy gel polime, để ngăn ngừa sự tách pha cũng
như tạo ra sự đồng nhất cao cho sản phẩm 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 trộn 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 [16], [24].
1.2.7. Phƣơng pháp nghiền bi
Phương pháp này thích hợp để tạo ra bột nano oxit kim loại. Bột này
có thể dùng làm mực in, bột màu, tụ điện, Tuy nhiên các hạt nano được tạo
ra có thể bị biến dạng do va đập mạnh. Nhược điểm này được khắc phục
bằng cách ủ nhiệt.
Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu có kích
thước lớn về kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng
rất hiệu quả, có thể chế tạo được một lượng lớn vật liệu nhưng tính đồng nhất
của vật liệu không cao. Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được
trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một
cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn
gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ
bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các
hạt nano).
Trong quá trình nghiền bi cần chú ý đến những phản ứng hóa học có thể
xảy ra. Có những phản ứng sẽ làm hư hại chất lượng bột nano, nhưng cũng có
phản ứng tạo ra sản phẩm phụ có lợi [33].

11
1.3. Vật liệu CeO
2
kích thƣớc nanomet
Là oxit đất hiếm có nhiều ứng dụng quan trọng, CeO
2
cấu trúc nano đã
được nghiên cứu rộng rãi, sớm nhất là vào năm 1988, khi đó Matijecvic và
cộng sự đã công bố tổng hợp thành công các chất tán xạ có chứa đa tinh thể
CeO
2
hình cầu với kích thước micromet bằng quá trình thủy phân muối xeri
trong môi trường axit. Năm 1987, Chane – Ching thu được dung dịch các chất
tán xạ có chứa CeO
2
kích thước nanomet bằng cách thủy phân muối Ce
4+
ở pH
rất thấp [32].
Bột CeO
2
nano có kích thước khoảng 10nm đã được tổng hợp bởi Jin –
Seoklee và cộng sự bằng phương pháp thủy nhiệt sol – gel. Tác giả đã dùng
H
2
O
2
oxi hóa Ce(NO
3

)
3
, phản ứng trong môi trường NH
4
OH, sản phẩm được
nung ở 200
0
C trong khoảng 6 giờ [20].
Srilanth Gopalan và cộng sự đã tổng hợp CeO
2
nano bằng phương pháp
cơ hóa từ các chất đầu là CaO và CeCl
3
. Hỗn hợp đầu được nghiền nhỏ và nung
ở 400
0
C trong thời gian 6 giờ. Hạt CeO
2
thu được có kích thước 19nm [37].
Purohit R.D. và cộng sự, bằng phương pháp tổng hợp đốt cháy đã sử
dụng Ce(NO
3
)
3
.6H
2
O với vai trò là chất oxi hóa và glyxin với vai trò nhiên liệu
để tổng hợp oxit nano CeO
2
. Hỗn hợp glyxin và Ce(NO

3
)
3
.6H
2
O được trộn lẫn
theo tỷ lệ cần thiết trong môi trường nước khử ion hóa để thu được dung dịch
trong suốt. Làm mất nước ở 80
0
C, sau đó nung ở 510
0
C trong 1 giờ thu được
CeO
2
tinh khiết. Tương ứng với tỷ lệ glyxin : nitrat bằng 0,3; 0,55 và 1,0 đã cho
sản phẩm CeO
2
có kích thước là 11; 12 và 22nm [31]
Yen – PaiFu và các cộng sự đã tổng hợp thành công bột CeO
2
có kích
thước 20 – 30nm bằng phương pháp đốt cháy hỗn hợp ceri nitrat và ure (nhiên
liệu) trong lò vi sóng với thời gian 15 phút. Các tác giả cũng đã điều chế CeO
2

nano bằng phương pháp kết tủa muối ceri nitrat trong môi trường amoniac ở
pH = 8 và dung dịch được nung ở nhiệt độ 85 – 90
0
C trong 2 giờ. Kết tủa được

12
đun nóng ở 200 – 400
0
C trong 2 giờ với tốc độ gia nhiệt 4
0
/phút. Bột CeO
2
thu
được có kích thước 30 – 50nm [42].
Kamruddin M. và cộng sự đã tổng hợp được oxit CeO
2
nano có kích
thước 6 – 16nm theo phương pháp phân hủy nhiệt trong các điều kiện khác
nhau. Dung dịch Ce(NO
3
)
3
.6H
2
O được khuấy mạnh trong môi trường amoniac
ở pH = 8, hỗn hợp được làm lạnh ở 2
0
C. Kết tủa vàng nhạt được sấy khô ở
80
0
C trong 24 giờ và nung ở 800
0
C. Cũng trong môi trường amoniac hỗn hợp
H

2
O
2
: Ce(NO
3
)
3
.6H
2
O lấy theo tỷ lệ mol 1 : 3 được khuấy ở 80
0
C trong vòng
30 phút, bột CeO
2
thu được bằng cách phân hủy chân không có kích thước 6 –
9nm và 6 – 16nm khi phân hủy trong khí quyển heli [22].
Chyi – Ching Hwang và cộng sự đã sử dụng phương pháp tổng hợp đốt
cháy từ hai loại vật liệu là ure (NH
2
)
2
CO – đóng vai trò nhiên liệu và amoni
xeri nitrat (NH
4
)
2
Ce(NO
3
)
6

– nguồn cung cấp ion Ce
4+
và chất oxi hóa. Hỗn
hợp gồm 50g (NH
2
)
2
CO và 50g (NH
4
)
2
Ce(NO
3
)
6
được trộn đều mà không cần
thêm nước, sau đó đốt cháy trong không khí ở nhiệt độ phòng trong khoảng 3
phút. Sản phẩm thu được đem nung ở 1250
0
C trong vòng 1 giờ với tốc độ nâng
nhiệt 10
0
/phút trong không khí tĩnh. Bột CeO
2
thu được có kích thước xấp xỉ
25nm, diện tích bề mặt xấp xỉ 50m
2
/g [12].
Hyunchelo và Sangsoo Kim đã tổng hợp nano CeO
2

bằng ngọn lửa nhiệt
phân phun điện. Ce(NO
3
)
3
.6H
2
O được hòa tan trong hỗn hợp etanol và dietilen
glycol butyl ete CH
3
(CH
2
)
3
OCH
2
CH
2
OCH
2
CH
2
OH. Hỗn hợp dung dịch được
đưa vào các mao quản bằng bình phun với tốc độ 0,2 – 0,5ml/giờ. Hỗn hợp
phản ứng được phân hủy nhiệt ở 1000
0
C, sản phẩm thu được là các hạt oxit
CeO
2
nano có kích thước 29,9nm [18].

Bedekar V. và cộng sự đã tổng hợp bột CeO
2
từ Ce(NO
3
)
3
.6H
2
O và sử
dụng riêng rẽ các loại thuốc thử sau: glyxin, axit xitric, hidrazin, amoni hidroxit
và axit oxalic như là nhiên liệu. Ngoài ra bột CeO
2
còn được chuẩn bị bằng
cách phân hủy xeri nitrat. Các quá trình này bao gồm: đốt cháy, phân hủy và


13
kết tủa. Trong quá trình đốt cháy gel, xeri nitrat được sử dụng như là chất oxi
hóa, glyxin và axit xitric lần lượt được sử dụng làm nhiên liệu. Hỗn hợp oxi
hóa và nhiên liệu sau khi mất nước ở 80
0
C thu được gel nhớt. Tiếp tục tăng
nhiệt độ lên 300
0
C và nung ở 500
0
C. Kết quả, bột CeO
2
thu được khi sử dụng
glyxin có kích thước 12nm và axit citric là 10nm. Bột CeO

2
chuẩn bị bằng sự
kết tủa: hidrazin và amoni hidroxit lần lượt được thêm vào dung dịch xeri nitrat
cho đến khi kết tủa xảy ra; Sau đó rửa sạch kết tủa, phân hủy ở 300
0
C và nung
tiếp ở 500
0
C. Bột CeO
2
thu được từ kết tủa của hidrazin có kích thước 10nm và
kết tủa từ amoni hidroxit là 15nm. Cuối cùng, bột CeO
2
thu được khi phân hủy
xeri nitrat ở 300
0
C và nung ở 500
0
C có kích thước 13nm [9].
Dos Santos M.L. và cộng sự đã tổng hợp CeO
2
nano bằng phương pháp
thủy nhiệt lò vi sóng. Hỗn hợp (NH
4
)
2
Ce(NO
3
)
6

và PEG (Poli etilen glycol)
được hòa tan trong nước. Dùng NH
4
OH đưa dung dịch về môi trường pH = 9.
Chuyển toàn bộ dung dịch vào trong một nồi hấp kín và đặt trong lò vi sóng ở
nhiệt độ 130
0
C trong 20 phút. Bột thu được đem rửa khô và sấy ở 80
0
C. Bột
CeO
2
được nung ở 500
0
C trong 1 giờ, 2 giờ và 4 giờ lần lượt có kích thước
4,7nm; 5,8nm và 9,1nm [15].
Jian – Chih Chen và cộng sự đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ
nung đến kích thước của oxit nano CeO
2
bằng phương pháp đồng kết tủa đi từ
nguyên liệu ban đầu là Ce(NO
3
)
3
.6H
2
O được hòa tan trong nước khử ion hóa,
thêm NH
4
OH cho đến khi đạt tới giá trị pH = 8 và pH = 9. Trong quá trình kết

tủa gel được rửa và lọc bằng nước khử ion hóa. Bột được làm khô ở 218K trong
không khí và nung ở các nhiệt độ khác nhau trong 300 phút, gel kết tinh dạng
bột ở nhiệt độ phòng. Khi gel được chuẩn bị ở pH = 8 và nung ở 673K trong
thời gian từ 10 – 300 phút, kích thước bột CeO
2
tăng nhẹ theo thời gian từ 11,3
– 11,9nm. Kích thước bột CeO
2
tăng từ 11,7 – 13nm khi nung ở 773K. Ở nhiệt
độ 873K, kích thước CeO
2
tăng từ 12,7 – 16,7nm. Ở nhiệt độ cao hơn 1073K,
kích thước bột tăng từ 24,3 – 32,6nm. Khi gel được chuẩn bị ở pH = 9 và nung


14
ở 673K kích thước CeO
2
thu được là 10,8nm. Ở 773K là 13,3nm và 16,9nm khi
nung ở 873K. Khi tăng nhiệt độ lên 1073K bột CeO
2
thu được có kích thước
29,3nm [19].
Kadkhodaie A. và Pouretedal H.R. đã tổng hợp CeO
2
bằng phương pháp
kết tủa. Hỗn hợp dung dịch (NH
4
)
2

Ce(NO
3
)
6
và NH
4
OH được khuấy ở nhiệt độ
phòng, thu được kết tủa khi thêm vào dung dịch một lượng vừa đủ nước khử
ion hóa. Kết tủa thu được đem rửa nhiều lần với nước sau đó rửa với etanol, sấy
ở 80 – 120
0
C trong khoảng thời gian 4 – 6 giờ. Tiếp tục nung ở 200 – 900
0
C
trong 2 – 4 giờ. Kích thước CeO
2
thu được khi nung ở 200, 400, 600 và 900
0
c
lần lượt là 3,2 – 4,0 – 8,8 và 26,6nm [21].
Genli Shen và cộng sự đã tổng hợp CeO
2
bằng phương pháp thủy nhiệt.
Hỗn hợp Ce(NO
3
)
3
.6H
2
O và ure được hòa tan hoàn toàn trong 150ml nước khử

ion hóa. Dung dịch thu được được chuyển vào bình teflon trong 24 giờ ở
160
0
C. Bột CeO
2
thu được có cấu trúc hình khối tám mặt vào chiều dài cạnh
tám mặt khoảng 300nm, khoảng cách mạng tinh thể hai chiều của mỗi đỉnh là
0,322 và 0,323nm [17].
Sara Samiee và cộng sự đã khảo sát ảnh hưởng của chất đầu tới kích
thước của oxit nano CeO
2
bằng phương pháp hỗ trợ vi sóng. Các chất đầu lần
lượt được hòa tan trong nước khử ion hóa, dung dịch tạo kết tủa khi thêm
NaOH. Hỗn hợp được đưa vào lò vi sóng và kết tủa đem sấy ở 60
0
C. Khi chất
đầu là các muối Ce(IV) như Ce(SO
4
)
2
.4H
2
O và (NH
4
)
2
Ce(NO
3
)
6

oxit CeO
2
thu
được có kích thước lần lượt là 3,4 và 3,5nm. Khi chất đầu là muối Ce(III) như
Ce(NO
3
)
3
.6H
2
O oxit CeO
2
thu được có kích thước 7,9nm [35].
Weifan Chen và cộng sự bằng phương pháp đốt cháy elilen glycol –
nitrat đã tổng hợp oxit nano CeO
2
từ hỗn hợp Ce(NO
3
)
3
.6H
2
O và etilen glycol ở
150 - 250
0
C. Bột CeO
2
thu được khi nung ở 500
0
c trong 2 giờ có kích thước

14,3nm và diện tích bề mặt riêng là 46m
2
/g [41].


15
Cũng bằng phương pháp đốt cháy đi từ nguyên liệu ban đầu là glyxin,
amoni xeri nitrat và amoni nitrat Patil K. C và cộng sự đã tổng hợp oxit nano
CeO
2
theo tỷ lệ về khối lượng là 10g (NH
4
)
2
Ce(NO
3
)
6
+ 5,48g glyxin + 8,77g
NH
4
NO
3
. Kết quả oxit CeO
2
nano thu được có kích thước 105nm và diện tích
bề mặt riêng là 14,0m
2
/g [29].
Chatchai Veranitisagul và cộng sự đã tổng hợp CeO

2
kích thước nano
từ nguyên liệu ban đầu là Ce(III)-benzoxazin bằng phương pháp phân hủy
nhiệt phức hợp ở 600
0
C trong thời gian 2 giờ. Bột CeO
2
thu được có kích
thước 20nm [11].
Ponnusamy Nachimuthu và cộng sự đã tổng hợp oxit CeO
2
nano bằng
phương pháp kết tủa đi từ Ce(SO
4
)
2
.2H
2
O 1M và NH
3
, hỗn hợp được điều
chỉnh để đạt được pH = 9. Sản phẩm gel được làm già trong thời gian 7 ngày
sau đó rửa sạch bằng nước và đem sấy khô trong lò vi sóng. Kết quả thu được
kích thước hạt là 2,3nm; 4,6nm; 15,4nm và 75,6nm tương ứng với nhiệt độ
nung là 150; 400; 600 và 800
0
C [30].
Bằng phương pháp tổng hợp đốt cháy và phương pháp nghiền bi đi từ
xeriamoni nitrat, glyxin và axit xitric, Raijan Sen và cộng sự đã tổng hợp được
CeO

2
kích thước nano. Bằng phương pháp tổng hợp đốt cháy, kích thước hạt
CeO
2
thu được là 17nm ứng với mạng lưới 2,58 x 10
-4
; bằng phương pháp
nghiền bi kích thước hạt CeO
2
thu được lớn hơn (42nm) với mạng lưới
13,35x10
-4
[33].
Bằng phương pháp đồng kết tủa với chất hoạt động trung gian là dung
môi axeton và nước, đi từ chất đầu là Ce(NO
3
)
3
.6H
2
O, hỗn hợp được điều
chỉnh pH = 10 bởi dung dịch NH
3
, tác giả M.G. Sujana và cộng sự đã tiến
hành nung mẫu thu được trong thời gian 2 giờ ở khoảng nhiệt độ từ 200 đến
800
0
C, sản phẩm CeO
2
nano thu được có kích thước tương ứng từ 3 đến

13nm. Diện tích bề mặt riêng theo phương pháp BET của mẫu nung ở 400
0
C
là 133m
2
/g. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao của mẫu cho


16
thấy hạt có kích thước 4,5nm, các hạt có hình dạng đồng đều, phân phối kích
thước hạt hẹp, các hạt nano có cấu trúc fluorit [25].
1.4. Các ứng dụng của CeO
2

Trong vài năm gần đây, CeO
2
nano và các vật liệu chứa CeO
2
nano được
coi là chất xúc tác và chất xúc tiến về cả mặt điện tử và cấu trúc đối với các
phản ứng xúc tác dị thể. Oxit nano CeO
2
đóng vai trò như là một chất tăng
cường để cải thiện hoạt tính hoặc độ chọn lọc của xúc tác hoặc để tăng cường
tính ổn định của xúc tác. Việc ứng dụng CeO
2
làm tác nhân chính trong ba
hướng đối với vấn đề xử lý khí thải từ các động cơ ô tô cho thấy triển vọng tốt
về cả mặt công nghệ và mặt kinh tế đã kích thích những nỗ lực nghiên cứu của
nhiều nhà khoa học và đã có nhiều công trình nghiên cứu về khả năng ứng

dụng của CeO
2
trong chuyển hóa SO
x
từ quá trình cracking và các khí thải từ
nhà máy công nghiệp hoặc là việc sử dụng nó làm một số vật liệu xúc tác oxi
hóa [8]. Bên cạnh đó, với cấu trúc tinh thể fluorit, CeO
2
nano đã được coi là
một vật liệu cho các ứng dụng trong tế bào nhiên liệu rắn oxit, chất xúc tác,
tài liệu dự trữ hidro, hấp thụ tia cực tím,… [8], [38].
Ngày nay CeO
2
nano được sử dụng rộng rãi như một chất đánh bóng cho
gương thủy tinh dùng làm kính quang học; nó được dùng cho bộ lọc hồng
ngoại phủ lên lớp chống phản chiếu và được tìm thấy trong các ống truyền hình
màu [10]. Cùng với coban, nó được sử dụng để sản xuất nam châm. CeO
2
phát
sáng mạnh mẽ ngay sau khi nó nóng lên nên nó cũng được sử dụng cho áo
choàng sợi đốt khi kết hợp với các oxit đất hiếm khác. CeO
2
nano được sử dụng
như một phương tiện quan trọng cho các bộ phận của máy tính, ống kính máy
ảnh điện thoại, CD laze. Trong ngành công nghiệp ô tô, CeO
2
được sử dụng
rộng rãi nhằm tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm lượng khí thải [27],
[28]. CeO
2

được dùng để làm sạch và đánh bóng tấm silicon – một yêu cầu
quan trọng của ngành công nghiệp điện tử cho hệ thống chip cực kỳ hiện đại và


17
các tế bào năng lượng mặt trời. Cùng với Al
2
O
3
, CeO
2
nano được ưu tiên lựa
chọn hàng đầu để tạo thành vật liệu trong đánh bóng cơ khí hóa chất [27].
Hạt nano CeO
2
có thể được sử dụng như chất phụ gia trong dầu diezel và
pha trộn diezel – diezel sinh học – etanol để cải thiện quá trình đốt cháy hoàn
toàn nhiên liệu và giảm đáng kể lượng khí thải. CeO
2
hoạt động như một chất
xúc tác, đặc biệt là việc cho oxi của quá trình oxi hóa CO và hấp thụ oxi cho
quá trình giảm lượng NO
x
. Năng lượng kích hoạt của CeO
2
hoạt động để đốt
cháy hết hợp chất cacbon trong xilanh động cơ ở nhiệt độ cao và ngăn chặn sự
lắng đọng của các hợp chất hữu cơ không phân cực, giảm thiểu thể tích khí thải
ra môi trường [40]. Hiện nay, xeri oxit thu hút được nhiều sự quan tâm do được
sử dụng như bộ lọc than hoạt tính ba chiều (làm giảm khí CO, hidrocacbon,

NO
x
) trong động cơ ô tô, xe máy. Sở dĩ như vậy là bởi CeO
2
có một số đặc tính
quan trọng sau:
- Khả năng lưu trữ oxi cao do dễ dàng thực hiện nhưng chu trình oxi hóa
khử, chuyển hóa giữa hai dạng CeO
2
và Ce
2
O
3
.
- Có khả năng nâng cao sự phân tán của các kim loại.
- Ổn định nhiệt của thiết bị định vị bằng nhôm oxit.
- Thúc đẩy phản ứng chuyển dịch khí – nước.
-Tương tác trực tiếp với kim loại, thúc đẩy quá trình oxi hóa CO và
hidrocacbon.
Trong những đặc trưng kể trên, khả năng lưu trữ oxi là một trong những
đặc trưng nổi trội. Khả năng lưu trữ oxi của CeO
2
được sử dụng như là một
thành phần của một số hệ thống chất xúc tác quan trọng trong các ngành công
nghệ và công nghiệp hiện nay. Trong quá trình hoạt động bộ lọc than hoạt tính
ba chiều thường chuyển hóa đồng thời ba khí thải chính vào ống thải với tỉ lệ
xăng gió thấp, giá trị hệ số tỉ lượng xấp xỉ 14,6. Trong khi một xe ô tô vận hành
tỉ lệ xăng gió có thể dao động lớn quanh giá trị tối ưu kể trên thậm chí với cả bộ
điều khiển tại chỗ. Vì vậy một trong những mục tiêu chính của bộ lọc than hoạt
tính ba chiều là mở rộng cải gọi là “cửa sổ hoạt động”. Phản ứng oxi hóa khử là

18
thước đo tỉ lệ xăng gió, sẽ điều chỉnh sự tiêu thụ quá nhiều oxi, dưới hỗn hợp
nhiên liệu khí nghèo và thải ra hỗn hợp nhiên liệu khí giàu.
Những tính chất có lợi của hạt CeO
2
nano đối với động cơ đốt trong:
- Có thể oxi hóa muội than và các hidrocacbon có trong khí thải của
động cơ ở vùng nhiệt độ thấp.
- Khi sử dụng nó làm phụ gia trong nhiên liệu, nó có thể làm sạch muội
than trên thành buồng đốt của động cơ tạo điều kiện cho động cơ hoạt động
hiệu quả hơn.
- Khi động cơ làm việc trong điều kiện ít nhiên liệu và dư oxi nó sẽ thu
hồi lượng oxi dư trong khí thải và khí NO
x
dưới tác dụng xúc tác có trong thành
phần hỗn hợp nhiên liệu, biến NO
x
thành N
2
không gây độc hại.
- Trong điều kiện dư nhiên liệu và ít oxi, CeO
2
nhả oxi để đốt cháy
nhiên liệu làm cho nhiên liệu cháy hoàn toàn hơn, ít tạo sản phẩm phụ CO
x
và
CH
x

dư, làm tăng hiệu suất động cơ.
Những tính chất đặc biệt trên cho phép chế tạo phụ gia cho nhiên liệu
diesel trên cơ sở hạt nano CeO
2
, để giảm tiêu hao nhiên liệu và thành phần phát
thải độc hại cho động cơ đốt trong, CeO
2
đóng vai trò quan trọng trong quá
trình xúc tác ba hướng ứng dụng để làm giảm ô nhiễm động cơ. Tính chất
khiến CeO
2
trở thành vật liệu triển vọng cho những ứng dụng xúc tác chủ yếu
do khả năng dễ chuyển đổi giữa cặp oxi hóa khử (ví dụ: Ce
4+
/Ce
3+
) và khả năng
chứa oxi cao. Trên cơ sở đó, tác giả [5] thử nghiệm thành công việc sử dụng hạt
CeO
2
nano trong phụ gia cho nhiên liệu diesel để giảm tiêu hao nhiên liệu và
thành phần phát thải của động cơ cụ thể với phụ gia nano điều chế cho phép
hiệu suất tiêu hao nhiên liệu giảm tới 7%, NO
x
giảm tới 22,26%, CH
x
giảm tới
34,61%, CO giảm tới 28%, CO
2
giảm tới 5,5%, độ khói giảm tới 25%. Những

chỉ tiêu đánh giá này có thể cải thiện nhiều hơn nếu động cơ sử dụng nhiên liệu
có phụ gia nano CeO
2
làm việc trong thời gian dài.