nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano từ tính y1 xsrxfeo3 (x = 0 1 và 0 2) bằng phương pháp kết tủa hóa học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA HĨA HỌC

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
CỬ NHÂN HĨA HỌC
CHUN NGÀNH HĨA VƠ CƠ

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO
TỪ TÍNH Y 1-xSrx FeO3 (x = 0.1 và 0.2)
BẰNG PHƯƠNG PHÁP KẾT TỦA HÓA HỌC

Sinh viên thực hiện: Trần Thị Mai Xuân
Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Anh Tiến

TP. Hồ Chí Minh, 05/2013


NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................


LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Anh Tiến đã
tin tưởng giao đề tài và tận tình hướng dẫn cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp
em hồn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cơ trong và ngồi Khoa Hóa Trường Đại
học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền thụ những kiến
thức quý báu làm hành trang giúp em vững bước trên con đường tương lai.
Cảm ơn ba mẹ, những người thân, bạn bè đã luôn ở bên, ủng hộ, động viên, giúp
đỡ em trong suốt khoảng thời gian học ở giảng đường Đại học cũng như trong q
trình hồn thành đề tài này.
Lần đầu tiên làm quen với việc nghiên cứu khoa học và thời gian cịn hạn chế
nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng góp chân

thành của quý Thầy, Cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Tp. HCM, tháng 05 năm 2013
SVTH

Trần Thị Mai Xuân


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU .................................................................. 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI ...................... 7
1.1. GIỚI THIỆU VỀ NANO ...................................................................................... 7
1.1.1. Hạt nano, vật liệu nano và công nghệ nano .................................................... 7
1.1.2. Phương pháp điều chế vật liệu nano ............................................................... 9
1.1.3. Ứng dụng của công nghệ nano ..................................................................... 10
1.2. VẬT LIỆU NANO TỪ TÍNH ............................................................................. 13
1.2.1. Vật liệu từ tính .............................................................................................. 13
1.2.2. Phương pháp điều chế hạt nano từ tính ........................................................ 13
1.3. VẬT LIỆU PEROVSKITE ................................................................................. 15
1.3.1. Cấu trúc vật liệu perovskite .......................................................................... 15
1.3.2. Sự pha tạp và sự khuyết thiếu oxi ................................................................. 16
1.3.3. Vật liệu trên cơ sở YFeO 3 ............................................................................ 17
1.4. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ HỢP CHẤT CỦA YTTRI, STRONTI VÀ SẮT . 18
1.4.1. Hợp chất của yttri ......................................................................................... 18
1.4.2. Hợp chất của stronti ...................................................................................... 19
1.4.3. Oxit và hydroxit của sắt ................................................................................ 20
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................. 23
2.1. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT (TGA/DTA) ........................................ 23
2.2. PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X (XRD) ..................................................... 24

2.3. PHƯƠNG PHÁP PHỔ TÁN SẮC NĂNG LƯỢNG TIA X (EDS) ................... 25
2.4. KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM) .......................................................... 26
2.5. PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ TỪ HÓA ................................................................... 27
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM – KẾT QUẢ - THẢO LUẬN ................................ 29
3.1. HĨA CHẤT VÀ DỤNG CỤ .............................................................................. 29
3.1.1. Hóa chất ........................................................................................................ 29
3.1.2. Dụng cụ ......................................................................................................... 29
3.2. THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO TỪ TÍNH Y 1-x Sr x FeO 3 (x =
0.1 VÀ 0.2) ................................................................................................................. 29
3.3. KẾT QUẢ - THẢO LUẬN ................................................................................. 31
3.3.1. Kết quả tổng hợp vật liệu nano Y 0.9 Sr 0.1 FeO 3 .............................................. 31


3.3.2. Kết quả tổng hợp vật liệu nano Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 .............................................. 34
3.3.3. Cấu trúc tinh thể họ vật liệu nano Y 1-x Sr x FeO 3 (x= 0.1 và 0.2) .................. 37
3.3.4. Các đặc trưng từ tính của vật liệu nano Y 1-x Sr x FeO 3 (x= 0.1 và 0.2) .......... 38
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ......................................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 42
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 43


MỞ ĐẦU
Trong thời đại của nền khoa học và công nghệ đang phát triển như hiện nay, công
nghệ nano không cịn là lĩnh vực mang tính hồi nghi về sự khả thi như ở khoảng nửa
thế kỉ trước mà đang trở thành lĩnh vực lôi kéo các cường quốc vào cuộc chạy đua mới
để phát triển ứng dụng nó. Nhiều sản phẩm của công nghệ nano, đặc biệt là các loại
vật liệu nano đã xuất hiện và đang được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực
công nghiệp, nông nghiệp, y tế, bảo vệ môi trường, an ninh quốc phòng và đời sống.
Một trong những vât liệu nano được sử dụng rộng rãi hiện nay là vật liệu từ, loại
vật liệu này được ứng dụng trong các thiết bị như máy biến thế, máy phát điện, máy

ghi âm, ghi hình. Vật liệu nano từ tính trên cở sở YFeO 3 đã được ứng dụng nhiều trong
thực tế như làm chất xúc tác cho các q trình oxi hóa, làm vật liệu nhạy khí trong việc
chế tạo các dụng cụ cảm biến khí hoạt động ở nhiệt độ cao, làm điện cực,…
Có nhiều phương pháp điều chế vật liệu nano: phương pháp hóa ướt, phương
pháp cơ học, phương pháp bốc bay, phương pháp hình thành từ pha khí,.... Gần đây,
phương pháp hóa học với ưu điểm là thân thiện với môi trường được sử dụng rộng rãi
do nhiệt độ kết tinh thấp, q trình thí nghiệm đơn giản để thu được bột mịn có kích
thước hạt đồng nhất và cho giá trị kinh tế cao được coi là phương pháp kết tủa hóa
học.
Với những lí do trên, chúng tơi chọn nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu tổng hợp
vật liệu nano từ tính Y 1-x Sr x FeO 3 (x = 0.1 và 0.2) bằng phương pháp kết tủa hóa
học”.


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
 Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Phân loại vật liệu nano theo hình dáng
Hình 1.2. Mơ hình ứng dụng cơng nghệ nano trong việc điều trị bệnh
Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể perovskite ABO 3 thuần
Hình 1.4. Sự biến dạng cấu trúc perovskite khi góc B-O-B

180o

Hình 1.5. Tế bào đơn vị của YFeO 3
Hình 1.6. Oxit SrO trong tự nhiên (a) và mạng tinh thể của nó (b)
Hình 2.1. Đường cong DTA
Hình 2.2. Hiện tượng nhiễu xạ tia X từ hai mặt phẳng mạng tinh thể
Hình 2.3. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét
Hình 2.4. Đường cong từ trễ của 2 loại vật liệu sắt từ: vật liệu từ cứng và vật liệu từ
mềm

Hình 3.1. Mơ tả thí nghiệm
Hình 3.2. Sơ đồ thực nghiệm tổng hợp vật liệu nano Y 1-x Sr x FeO 3
Hình 3.3. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu bột Y 0.9 Sr 0.1 FeO 3
Hình 3.4. Phổ XRD của Y 0.9 Sr 0.1 FeO 3 ở 800oC (a) và giản đồ ghép phổ ở 3 nhiệt độ
(750, 800 và 850oC) (b)
Hình 3.5. Ảnh SEM của mẫu vật liệu Y 0.9 Sr 0.1 FeO 3 nung ở nhiệt độ 750 (a), 800 (b)
và 850oC (c) trong thời gian 30 phút
Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nung ở 800oC trong 30 phút
Hình 3.7. Giản đồ XRD của mẫu vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 ở nhiệt độ 800 (a) và 850oC
(b) (t = 1 giờ)
Hình 3.8. Ảnh SEM của mẫu vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 ở nhiệt độ 800 (a) và 850oC (b) (t
= 1 giờ)
Hình 3.9. Phổ tán sắc năng lượng tia X của mẫu vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3
Hình 3.10. Giản đồ chồng phổ từ trễ của các mẫu vật liệu Y 0.9 Sr 0.1 FeO 3 (a) và các
mẫu vật liệu Y 0.8 Sr 0.2 FeO 3 (b)

 Danh mục bảng biểu
Bảng 1. Kiểu mạng tinh thể và các thông số tế bào mạng của các mẫu vật liệu
Y1-xSrxFeO3 (x= 0.1 và 0.2)
Bảng2. Thơng số từ tính của các mẫu vật liệu


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÍ THUYẾT
CỦA ĐỀ TÀI
1.1. GIỚI THIỆU VỀ NANO
1.1.1. Hạt nano, vật liệu nano và cơng nghệ nano
Ngày nay, ta có thể tình cờ nghe được một vài vấn đề nào đó hoặc một sản phẩm
nào đó có liên quan đến hai chữ “nano”. Chữ nano, gốc Hi Lạp, được gắn vào trước
các đơn vị đo để tạo ra đơn vị ước giảm đi 1 tỉ lần (10-9). Ví dụ: nanogam = 1 phần tỉ
của gam, nanomet = 1 phần tỉ mét. Nanomet là điểm kì diệu trong kích thước chiều

dài, là điểm mà tại đó những vật liệu sáng chế nhỏ nhất do con người chế tạo ra ở cấp
độ nguyên tử và phân tử của thế giới tự nhiên.
Công nghệ nano (nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết
kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều
khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (từ 1 đến 100 nm).
Khoa học nano (nanoscience) là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng
và sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại
phân tử. Tại các quy mơ đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại
các quy mô lớn hơn.
Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy
nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu nano.
Vật liệu nano (nanomaterials) là các tổ chức, cấu trúc, thiết bị, hệ thống,… có
kích thước nano (khoảng từ 1 đến vài trăm nanomet, tức cỡ nguyên tử, phân tử, hay
đại phân tử - macromolecule). Các vật liệu với kích thước như vậy có những tính chất
hóa học, nhiệt, điện, từ, quang, xúc tác,… rất đặc biệt, khác hẳn các vật liệu có kích
thước lớn.
Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano, mỗi cách phân loại cho ra rất nhiều loại
nhỏ nên thường hay làm lẫn lộn các khái niệm. Sau đây là một vài cách phân loại
thường dùng:
 Phân loại theo hình dáng của vật liệu (hình 1.1): người ta đặt tên số chiều khơng
bị giới hạn ở kích thước nano:
-

Vật liệu nano khơng chiều là hạt có cả ba chiều đều có kích thước nano, thường

là hạt hình cầu, được tạo thành do q trình polyme hóa nhũ tương hay polyme hóa
mixen, các q trình sol-gel,… Ví dụ: các hạt chất phát quang kích thước nano


(Oxonica) dùng cho màn hình điện tử, xúc tác, dược phẩm, chấm lượng tử, các hạt từ,

TiO 2 , Fe 3 O 4 , ZnO,…
-

Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, chiều

thứ ba dài hơn. Ví dụ: dây nano, ống nano, sợi nano nitrua bo (BN), C,...
-

Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai

chiều kia dài hơn, thường có dạng tấm. Ví dụ: màng mỏng.
Ngồi ra cịn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một
phần của vật liệu có kích thước nanomet, hoặc cấu trúc của nó có nano khơng chiều,
một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Cũng theo cách phân loại theo hình dáng của vật liệu, một số tác giả đặt tên số
chiều bị giới hạn ở kích thước nano. Nếu như thế thì hạt nano là vật liệu nano ba chiều,
dây nano là vật liệu nano hai chiều và màng mỏng là vật liệu nano một chiều. Cách
phân loại này ít phổ biến hơn.

Hình 1.1. Phân loại vật liệu nano theo hình dáng
 Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano:
-

Vật liệu nano kim loại

-

Vật liệu nano bán dẫn

-

Vật liệu nano từ tính

-

Vật liệu nano sinh học,…
Đôi khi người ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái

niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới. Ví dụ: khái niệm “hạt nano kim loại’ trong đó
“hạt” được phân loại theo hình dáng, “kim loại” được phân loại theo tính chất hoặc
“vật liệu nano từ tính sinh học” trong đó cả “từ tính” và “sinh học” đều là khái niệm có
được khi phân loại theo tính chất.


1.1.2. Phương pháp điều chế vật liệu nano[1]
Dù điều chế vật liệu nano bằng phương pháp nào thì cũng đi theo một trong hai
hướng: phương thức từ trên xuống dưới (top-down) nghĩa là chia nhỏ một hệ thống lớn
để cuối cùng tạo ra được đơn vị có kích thước nano và phương thức từ dưới lên
(bottom-up) nghĩa là lắp những hạt cỡ phân tử, nguyên tử hay ion lại để thu kích thước
nano.
Có 4 nhóm phương pháp chính để điều chế vật liệu nano, mỗi phương pháp đều
có những ưu và nhược điểm riêng, có phương pháp chỉ có thể áp dụng để điều chế một
số vật liệu nhất định.
1.1.2.1. Phương pháp hóa ướt (wet chemical)
Phương pháp này bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo
(colloidal chemistry) như phương pháp thủy nhiệt, sol-gel và kết tủa. Theo phương
pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo một thành phần
thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu nano được kết tủa từ
dung dịch. Sau các q trình lọc, sấy khơ, ta thu được các vật liệu nano.
Ưu điểm của phương pháp hóa ướt là có thể chế tạo các vật liệu khác nhau như

vật liệu vơ cơ, hữu cơ, kim loại. Ngồi ra phương pháp này rẻ tiền và có thể chế tạo
được một khối lượng lớn vật liệu. Nhược điểm chính là các hợp chất có thể liên kết
bền với phân tử nước gây khó khăn trong việc nhiệt phân chúng. Bên cạnh đó phương
pháp sol-gel có hiệu suất khơng cao.
1.1.2.2. Phương pháp cơ học (mechanical)
Bao gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học. Theo phương pháp này,
vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn. Ngày nay, các máy nghiền
thường dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay.
Phương pháp cơ học có ưu điểm là đơn giản, dụng cụ chế tạo khơng đắt tiền và
có thể chế tạo với một lượng lớn vật liệu. Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là các hạt bị
kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt khơng đồng nhất, dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng
cụ chế tạo và thường khó có thể đạt được hạt có kích thước nhỏ. Phương pháp này
thường được dùng để chế tạo vật liệu không phải là hữu cơ như là kim loại.
1.1.2.3. Phương pháp bốc bay
Gồm các phương pháp quang khắc (lithography), bốc bay trong chân khơng
(vacuum deposition) vật lí, hóa học. Các phương pháp này áp dụng hiệu quả để chế tạo


màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt nhưng người ta cũng có thể dùng nó để chế tạo
hạt nano bằng cách cạo vật liệu từ đế. Tuy nhiên phương pháp này không cho hiệu quả
ở quy mô thương mại.
1.1.2.4. Phương pháp hình thành từ pha khí (gas-phase)
Gồm các phương pháp nhiệt phân (flame pyrolysis), nổ điện (electro-explosion),
đốt laser (laser ablation), bốc bay nhiệt độ cao, plasma. Nguyên tắc của các phương
pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí. Nhiệt phân là phương pháp có từ rất
lâu, được dùng để tạo các vật liệu đơn giản như cacbon, silicon. Phương pháp đốt laser
có thể tạo được nhiều loại vật liệu nhưng lại chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm vì
hiệu suất của chúng thấp. Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thể dùng
để tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại khơng thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì
nhiệt độ của nó có thể đến 9000oC.

Phương pháp hình thành từ pha khí dùng chủ yếu để tạo lồng cacbon (fullerene)
hoặc ống cacbon, rất nhiều các công ty dùng phương pháp này để chế tạo mang tính
thương mại.
1.1.3. Ứng dụng của cơng nghệ nano
Công nghệ nano được nghiên cứu lần đầu tiên trên thế giới vào năm 1959 bởi
nhà vật lí học người Mĩ Richard Feynman, song chỉ bắt đầu thu được thành quả trong
vòng hai thập kỉ trở lại đây nhưng đã tạo ra một cuộc cách mạng đối với khoa học
nhân loại. Những hạt phân tử nano với kích thước bé nhỏ đã và đang được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực và công nghệ nano được báo trước sẽ là công nghệ của một vài
thập kỉ tới.
1.1.3.1. Công nghệ nano trong y học
Tại rất nhiều quốc gia đang phát triển, việc thiếu các trang thiết bị xét nghiệm,
chẩn đoán và điều trị bệnh gây nhiều khó khăn cho các bệnh viện. Tập đồn Micronics
của Mĩ đã ứng dụng cơng nghệ nano phát triển một bộ test có tên gọi DxBox, có tác
dụng như một thiết bị kiểm tra, chỉ có kích cỡ lớn hơn kích cỡ của một tấm card. Trên
bề mặt của DxBox có chứa thuốc thử ở dạng khơ và một hệ thống các ống dẫn nhỏ tạo
từ các phân tử nano. Các bác sĩ có thể tiến hành một thử nghiệm máu đơn giản bằng
thiết bị này mà không cần tới hệ thống giữ lạnh để bảo quản thuốc thử mà có thể phát
hiện dịch bệnh sốt rét và dịch tả một cách nhanh chóng, dễ dàng; từ đó các bác sĩ có


thể đưa ra pháp đồ điều trị bệnh đạt hiệu quả cao và hạn chế được nguy cơ tử vong cao
cho bệnh nhân.
Công nghệ nano hứa hẹn sẽ mang lại
cho y học một bước tiến vượt bậc. Đó là sự
ra đời của những rơbốt siêu nhỏ có thể đi
sâu vào trong cơ thể, đến từng tế bào để hàn
gắn, chữa bệnh cho các mơ xương bị gãy và
thậm chí là tiêu diệt những virut gây bệnh
đang ở trong cơ thể. Với công nghệ phân tử

nano, các bác sĩ tin rằng họ có thể kiểm sốt
q trình điều trị ung thư, sử dụng các
rôbốt nano mang thuốc đến từng tế bào ung
thư trong cơ thể, giúp tiêu diệt chính xác

Hình 1.2. Mơ hình ứng dụng
cơng nghệ nano trong việc điều trị bệnh

các khối u này mà không gây hại cho tế bào lành (hình 1.2).
1.1.3.2. Cơng nghệ nano và triển vọng mang lại nguồn năng lượng sạch
Các nhà khoa học Mĩ đã đưa ra ý tưởng về việc ứng dụng công nghệ nano làm
thay đổi vật liệu bằng cách tác động vào nồng độ nguyên tử của chúng. Cách làm này
giúp các nhà khoa học tạo ra các pin mặt trời với hiệu quả khai thác năng lượng lớn
gấp 5 lần so với loại pin mặt trời truyền thống làm từ silicon hiện nay. Trong khi pin
mặt trời truyền thống chỉ thu được khoảng 6% năng lượng mặt trời, thì cơng nghệ mới
cho phép pin mặt trời có thể thu được 30% năng lượng mặt trời.
1.1.3.3. Công nghệ nano với lĩnh vực vật liệu
Vật liệu nano composite gồm các vật liệu khác nhau về cấu trúc và thành phần,
sử dụng các hạt nano trong vật liệu composite 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 composite được sử dụng làm lớp mạ trong điều kiện cơ,
nhiệt khắc nghiệt. Các lớp mạ tạo bởi các hạt nano có các tính chất khác thường như
thay đổi màu khi có dịng điện đi qua. 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.


1.1.3.4. Công nghệ nano với lĩnh vực điện tử, quang điện tử, cơng nghệ thơng
tin và truyền thơng
Khơng có một lĩnh vực nào mà cơng 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 lí 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 mở ra cho ngành công nghệ thông tin một triển vọng mới chế tạo linh kiện 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 1 nm thì một linh kiện
cỡ 1 cm3 sẽ lưu trữ được 1000 tỉ tỉ bit, tức là tồn bộ thơng tin của tất cả các thư viện
trên thế giới này có thể lưu giữ trong đó.
Quang điện tử cũng là một lĩnh vực chủ chốt của cuộc cách mạng công nghệ
thơng tin. Lĩnh vực này đang có xu thế giảm tối đa kích thước, ví dụ như một số linh
kiện của thiết bị phát tia laser năng lượng lượng tử, các màn hình tinh thể lỏng địi hỏi
được chế tạo với độ chính xác cỡ vài nanomet.
1.1.3.5. Ứng dụng trong làm sạch môi trường
Một trong những ứng dụng nữa của cơng nghệ nano đó là dùng để chế tạo các
thiết bị, chẳng hạn như các lưới lọc nước nano với cấu tạo đủ rộng để cho các phân tử
nước đi qua, song cũng đủ hẹp để ngăn chặn các phân tử chất bẩn gây ô nhiễm.
Để lọc nước bị nhiễm bẩn, q trình ứng dụng cơng nghệ nano sẽ cần tới các hạt
phân tử nano từ – nanomagnets. Ngoài lọc sạch nước, các hạt phân tử nano từ cịn có
tác dụng giữ lại các phân tử thạch tín – arsenic trong nước, loại bỏ một lượng lớn chất
clo, thủy ngân và thậm chí là các phân tử phóng xạ radon trong nước (khả năng làm
sạch thành phần arsenic của phân tử nano từ có thể lên tới 99%), do đó nước được lọc
bằng cơng nghệ nano cịn có thể uống được ngay sau khi lọc.
Cùng với công nghệ nano, nước và cả khơng khí cịn có thể giảm được nồng độ ô
nhiễm một cách đáng kể do tác động của khống chất zeolites, đặc biệt là những ơ
nhiễm do nhiễm dầu và các nhiên liệu hóa thạch khác.


1.2. VẬT LIỆU NANO TỪ TÍNH[2]
1.2.1. Vật liệu từ tính

Bất cứ vật liệu nào cũng có sự hưởng ứng với từ trường ngồi (H), thể hiện bằng
độ từ hóa (từ độ - M). Tỉ số c = M/H được gọi là độ cảm từ. Tùy thuộc vào giá trị độ
cảm từ có thể phân ra làm các loại vật liệu từ khác nhau:
-

Vật liệu có c < 0 (~ -10-6) được gọi là vật liệu nghịch từ.

-

Vật liệu có c > 0 (~ 10-6) được gọi là vật liệu thuận từ.

-

Vật liệu có c > 0 với giá trị rất lớn có thể là vật liệu sắt từ, ferrit từ.
Vật liệu từ tính ngụ ý là vật liệu sắt từ, ferrit từ hoặc siêu thuận từ. Ngoài độ cảm

từ, một số thông số khác cũng rất quan trọng trong việc xác định tính chất của vật liệu,
ví dụ như: từ độ bão hòa (từ độ đạt cực đại tại từ trường lớn), từ dư (từ độ còn dư sau
khi ngừng tác động của từ trường ngoài), lực kháng từ (từ trường ngoài cần thiết để
một hệ, sau khi đạt trạng thái bão hịa từ, bị khử từ). Nếu kích thước của hạt giảm đến
một giá trị nào đó (thơng thường từ vài cho đến vài chục nanomet), phụ thuộc vào từng
vật liệu cụ thể, tính sắt từ và ferrit từ biến mất, chuyển động nhiệt sẽ thắng thế và làm
cho vật liệu trở thành vật liệu siêu thuận từ. Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực
kháng từ bằng khơng. Điều đó có nghĩa là, khi ngừng tác động của từ trường ngồi, vật
liệu sẽ khơng cịn từ tính nữa.
1.2.2. Phương pháp điều chế hạt nano từ tính
Hạt nano từ tính có thể được chế tạo theo hai nguyên tắc top-down và bottom-up
như đã trình bày ở mục 1.1.2, những phương pháp phổ biến nhất là:
1.2.2.1. Phương pháp nghiền
Phương pháp nghiền được phát triển từ rất sớm để chế tạo chất lỏng từ dùng cho

các ứng dụng vật lí như truyền động từ mơi trường khơng khí vào buồng chân không,
làm chất dẫn nhiệt trong các loa công suất cao,... Trong những nghiên cứu đầu tiên về
chất lỏng từ, vật liệu từ tính oxit sắt Fe 3 O 4 , được nghiền cùng với chất hoạt hóa bề mặt
(axit oleic) và dung môi (dầu, hexan). Chất hoạt hóa bề mặt giúp cho q trình nghiền
được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với nhau. Sau khi nghiền, sản phẩm
phải trải qua một quá trình phân tách hạt rất phức tạp để có được các hạt tương đối
đồng nhất.
Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu với khối
lượng lớn. Việc thay đổi chất hoạt hóa bề mặt và dung môi không ảnh hưởng nhiều


đến quá trình chế tạo. Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt
nano khơng cao vì khó có thể khống chế q trình hình thành hạt nano. Chất lỏng từ
chế tạo bằng phương pháp này thường được dùng cho các ứng dụng vật lí.
1.2.2.2. Phương pháp hóa học
Phương pháp hóa học để chế tạo các hạt nano từ cũng được phát triển từ lâu.
Phương pháp hóa học có thể tạo ra các hạt nano với độ đồng nhất khá cao, rất thích
hợp cho phần lớn các ứng dụng sinh học.
Nguyên tắc tạo hạt nano bằng phương pháp hóa học là kết tủa từ một dung dịch
đồng nhất dưới các điều kiện nhất định hoặc phát triển hạt từ thể hơi khi một hóa chất
ban đầu bị phân rã.
Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến một trạng
thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ. Các
mầm kết tụ đó sẽ phát triển thơng qua q trình khuếch tán của vật chất từ dung dịch
lên bề mặt của các mầm cho đến khi mầm trở thành hạt nano. Để thu được hạt có độ
đồng nhất cao, người ta cần phân tách hai giai đoạn hình thành mầm và phát triển
mầm. Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình thành của những mầm mới.
Các phương pháp sau đây là những phương pháp kết tủa từ dung dịch: đồng kết tủa,
nhũ tương, polyol, phân li nhiệt,...
Phương pháp đồng kết tủa: người ta thực hiện khuếch tán các chất tham gia

phản ứng ở mức độ phân tử (precursor phân tử).
Cách tiến hành: chuẩn bị hỗn hợp dung dịch chứa các muối tan có tỉ lệ các ion
kim loại đúng theo hợp thức của hợp chất mà ta cần tổng hợp rồi thực hiện phản ứng
đồng kết tủa (dưới dạng hydroxit, cacbonat, oxalat,…). Cuối cùng tiến hành nhiệt phân
sản phẩm rắn đồng kết tủa đó.
Nhũ tương (microemulsion) cũng là một phương pháp được dùng khá phổ biến
để tạo hạt nano. Các hạt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử chất hoạt hóa bề mặt
trong dầu (các mixen). Do sự giới hạn về không gian của các phân tử chất hoạt hóa bề
mặt, sự hình thành, phát triển các hạt nano bị hạn chế và tạo nên các hạt nano rất đồng
nhất. Kích thước hạt có thể từ 4 - 12 nm với độ sai khác khoảng 0.2 - 0.3 nm. Cũng
bằng phương pháp này, người ta có thể chế tạo hạt oxit sắt bao phủ bởi một lớp vàng
để tránh oxi hóa và tăng tính tương hợp sinh học.


Polyol là phương pháp thường dùng để tạo các hạt nano kim loại như Ru, Pd,
Au, Co, Ni, Fe,... Các hạt nano kim loại được hình thành trực tiếp từ dung dịch muối
kim loại có chứa polyol. Polyol có tác dụng như một dung môi hoặc trong một số
trường hợp như một chất khử ion kim loại. Dung dịch được điều khiển nhiệt độ để làm
tăng giảm động học của q trình kết tủa thu được các hạt có hình dạng và kích thước
xác định.
Một phương pháp khác nữa là phân li nhiệt. Sự phân li của các hợp chất chứa sắt
với sự có mặt của một chất hoạt hóa bề mặt ở nhiệt độ cao cải thiện đáng kể chất lượng
của các hạt nano.
1.2.2.3. Phương pháp tạo hạt từ thể hơi
Nguyên tắc của phương pháp nhiệt phân bụi hơi là chất rắn được hình thành khi
chất lỏng dung dịch được phun vào một chuỗi các bình phản ứng, ở đó, q trình chất
lỏng bốc bay, chất rắn ngưng tụ, q trình làm khơ và nhiệt phân xảy ra ở mỗi hạt chất
lỏng. Kết quả thu được là chất rắn xốp. Phương pháp nhiệt phân laser sử dụng laser
CO 2 để khởi động và duy trì phản ứng hóa học. Khi áp suất và năng lượng laser vượt
quá ngưỡng nhất định, quá trình hình thành hạt nano sẽ xảy ra. Kết quả là các hạt nano

có kích thước rất nhỏ, độ đồng nhất cao và không bị kết tụ.

1.3. VẬT LIỆU PEROVSKITE[3, 4, 5]
1.3.1. Cấu trúc vật liệu perovskite
Cấu trúc perovskite lí tưởng ABO 3 được mơ tả ở hình 1.3, trong đó A là các
nguyên tố đất hiếm thuộc họ lantanit (La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd) và B là các kim loại
chuyển tiếp (Mn, Co, Fe,...). Trường hợp chung, bán kính của cation A lớn hơn bán
kính của cation B.
Việc thay thế một phần các cation ở vị trí A và B bằng một nguyên tố thứ ba là
một kĩ thuật cơ bản để thay đổi cấu trúc các hợp chất perovskite, nhằm khám phá ra
các tính chất mới. Loại vật liệu này còn được gọi là vật liệu perovskite biến tính.
Vật liệu ABO 3 biến tính có công thức (A 1-x A’ x )(B 1-y B’ y )O 3 (0 ≤ x, y ≤ 1),
trong đó ion A hoặc B được thay thế một phần bởi các ion khác. Với A có thể là các
nguyên tố họ đất hiếm Ln như La, Nd, Pr,… ; A’ là các kim loại kiềm thổ như Sr, Ba,
Ca,… hoặc các nguyên tố như Ti, Ag, Bi, Pb,…; B có thể là Mn, Co; B’ có thể là Fe,
Ni,… Khi pha tạp, tùy theo ion và nồng độ pha tạp mà cấu trúc tinh thể sẽ bị thay đổi
khơng cịn là cấu trúc lí tưởng, sẽ tạo ra trạng thái hỗn hợp hóa trị và sai lệch cấu trúc


làm cho hợp chất nền trở thành vật liệu có nhiều hiệu ứng lí thú như hiệu ứng nhiệt
điện, hiệu ứng từ trở khổng lồ, hiệu ứng từ nhiệt,…
Trong cấu trúc perovskite lí tưởng, ơ mạng cơ sở là một hình lập phương tâm
khối với các thơng số mạng a = b = c và α = β = γ = 90o. Vị trí tám đỉnh của hình lập
phương là vị trí của các cation A, tâm của sáu mặt hình lập phương là vị trí của ion
phối trí, thường là vị trí của ion oxi và tâm của hình lập phương là vị trí của ion B.
Nghĩa là xung quanh ion B có sáu ion oxi (hình 1.3a) và quanh ion A có mười hai ion
oxi phối trí (hình 1.3b). Như vậy cấu trúc perovskite là một siêu cấu trúc với một
khung kiểu ReO 3 được xây dựng bởi sự kết hợp cation A vào trong bát diện BO 6 .
z

y
x

a)
b)
Vị trí cation A2+(A3+)

Vị trí cation B4+(B3+)

Vị trí cation O2-

Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể perovskite ABO 3 thuần
Đặc trưng quan trọng nhất trong cấu trúc tinh này là sự tồn tại các bát diện BO 6
nội tiếp trong ô mạng đơn vị với sáu ion O2- tại đỉnh của bát diện và một ion dương B
tại tâm của đỉnh bát diện. Ta thấy, các góc B-O-B bằng 180o và độ dài liên kết B-O
bằng nhau theo mọi phương. Điều này cho phép ta hình dung một cách rõ ràng hơn khi
có sự biến dạng của cấu trúc perovskite khi hệ tinh thể khơng cịn là lập phương, độ
dài liên kết B-O theo các trục sẽ không bằng nhau và góc liên kết B-O-B sẽ khác 180o.
1.3.2. Sự pha tạp và sự khuyết thiếu oxi
Tính khơng hợp thức dư oxi trong các oxit perovskite thường không phổ biến do
việc gộp oxi vào mạng tinh thể như “oxi ngoài nút” về mặt nhiệt động học là không
thuận lợi. Hơn nữa, cấu trúc ABO 3 gồm một mạng AO 3 xếp chặt với các cation B
trong các bát diện BO 6 . Do đó, sẽ có các nút khuyết ở các vị trí cation. Nhiều cơng
trình nghiên cứu cho thấy các nút khuyết vị trí cation thường chiếm ưu thế ở vị trí


nguyên tố đất hiếm (vị trí A). Các nút khuyết vị trí B trong perovskite thường khơng
phổ biến do cation B có điện tích lớn và kích thước nhỏ nên các nút khuyết vị trí B là
khơng thích hợp về động học, cation A lớn hơn, ở vị trí phối trí 12 dễ bị thiếu hụt từng
phần. Hơn nữa, dãy BO 3 trong cấu trúc perovskite tạo nên một mạng lưới ba chiều bền

vững.

Hình 1.4. Sự biến dạng cấu trúc perovskite khi góc B-O-B

180o

Điển hình là sự thay thế Sr cho Y trong YFeO 3 được thực hiện một cách dễ dàng.
Thứ nhất là các ion Y3+ và Sr2+ có bán kính ion gần bằng nhau (R Y 3+ = 1.04 Å, R Sr 2+ =
1.26 Å), do đó sự thay thế vị trí sẽ hầu như khơng gây ra sự méo mạng. Thứ hai, sự
phân bố vị trí của các ion âm O2- quanh Y3+ hoặc Sr2+ là tương đương nhau, cho phép
sự thay thế giữa Y3+ và Sr2+ trong mạng. Thứ ba, sự thay thế Sr2+ cho Y3+ sẽ tạo ra sự
bù điện tích cục bộ, nhưng các hạt tải cục bộ loại p được cân bằng bởi các sự biến đổi
một phần Fe3+ thành Fe4+. Cuối cùng, sự mất điện tích cục bộ do thế chỗ Y3+ bởi Sr2+
được cân bằng bằng cách tạo ra sự khuyết thiếu oxi. Do đó, chúng tơi có được cơng
thức hóa học là Y 1-x Sr x FeO 3 .
1.3.3. Vật liệu trên cơ sở YFeO3
Tinh thể YFeO 3 có cấu trúc trực thoi
hoặc lục giác (giống với YAlO 3 ) tùy thuộc
vào điều kiện tổng hợp nên nó. Mỗi tế bào
đơn vị YFeO 3 chứa 4 ion sắt ở mỗi đỉnh
nhưng các trục của 4 ion sắt hơi nghiêng so
với bát diện (hình 1.5). Các hiện tượng biến
dạng của perovskite chủ yếu là ở vị trí Y3+
trong khi đó các ion Fe3+ cơ bản vẫn được
giữ nguyên trong thể bát diện.

Hình 1.5. Tế bào đơn vị của YFeO3


Một số cơng trình nghiên cứu về tổng hợp YFeO 3 đã được cơng bố. Yttrium

orthoferrite có thể được tổng hợp bằng phản ứng pha rắn thông thường giữa các oxit
nhưng q trình này cũng gặp khá nhiều khó khăn do sự hình thành pha Y 3 Fe 5 O 12
(yttri-iron garnet) và Fe 3 O 4 [9]. Một số phương pháp khác cũng đã được đề xuất bao
gồm phương pháp sol-gel của một hỗn hợp kim loại với oxit kiềm Y-Fe; phương pháp
Pechini - phương pháp tương tự như phương pháp sol-gel, quá trình này lấy tên của
nhà phát minh người Mĩ Maggio Pechini; phương pháp tổng hợp bước sóng; phương
pháp hóa cơ học và phương pháp quy nạp plasma; phương pháp phân hủy nhiệt;…
Yttrium orthoferrite đơn tinh thể được sử dụng trong bộ cảm biến và các thiết bị
truyền động, nó có nhiệm vụ như bộ chuyển đổi quang và từ trường, ở đó những tinh
thể này hoạt động như trong định luật cảm ứng điện từ của Faraday; dùng để chế tạo
màng mỏng.
Tinh thể YFeO 3 có kích thước nano có khả năng ứng dụng trong chiếu xạ quang
xúc tác dưới ánh sáng nhìn thấy do cấu trúc của nó thuộc loại perovskite và nó có
thuộc tính quang phổ hấp thụ. YFeO 3 là chất xúc tác cơ bản đã được nghiên cứu trong
q trình oxi hóa của thuốc nhuộm hữu cơ. Ngồi ra YFeO 3 có cấu trúc lục giác có
hoạt tính xúc tác cao cịn được sử dụng trong q trình oxi hóa CO.

1.4. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ HỢP CHẤT CỦA YTTRI, STRONTI VÀ
SẮT
1.4.1. Hợp chất của yttri
1.4.1.1. Oxit của yttri
Y 2 O 3 là chất rắn màu trắng và ổn định trong không khí. Y 2 O 3 có một số tính chất
vật lí khá thú vị đó là điểm nóng chảy cao (2450oC), độ bền cơ học cao, tính dẫn nhiệt
tốt (0.13Wcm-1K-1), giá trị hằng số điện môi khá cao trong khoảng 14 – 18, chỉ số khúc
xạ gần bằng 2[10]. Nhờ các đặc tính trên mà nó được sử dụng như là một nguyên liệu
đầu vào phổ biến cho các ngành khoa học vật liệu cũng như trong tổng hợp vô cơ.
Oxit yttri (III) là hợp chất quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi để tạo ra các
chất lân quang YVO 4 :Eu và Y 2 O 3 :Eu để tạo ra màu đỏ trong các ống tia âm cực dùng
cho truyền hình màu, sử dụng làm đèn huỳnh quang trong các loại kính hiển vi điện tử
truyền, làm vật liệu phát sáng màu đỏ trong các loại đèn huỳnh quang.

Dùng để chế tạo các dạng ngọc hồng lựu: ngọc hồng lựu yttri sắt làm các bộ lọc
vi sóng hiệu suất cao; ngọc hồng lựu yttri nhôm, Y 2 O 3 , florua yttri liti, vanadat yttri


được dùng trong tổ hợp với các tác nhân kích thích (dopant) như terbi, ytterbi trong
các laser cận - hồng ngoại.
Oxit yttri (III) được dùng như là phụ gia kết dính trong sản xuất nitrua silic xốp,
là chất phụ gia trong sơn, nhựa, nam châm vĩnh cửu.
Y 2 O 3 có thể được sử dụng làm vật liệu thay thế cho SiO 2 trong các transitor và
các thiết bị nhớ. Yttri oxit còn được dùng làm lớp phủ chống ăn mịn các vật liệu có
nền là urani hoặc các kim loại dễ hoạt động khác, nó cũng khá ổn định với graphit ở
nhiệt độ 1600oC.
1.4.1.2. Yttri cacbonat
Muối yttri cacbonat là chất ở dạng kết tủa, thực tế không tan trong nước. Khi đun
nóng trong nước nó chuyển thành cacbonat bazơ:
Y 2 (CO 3 ) 3 + H 2 O  2Y(OH)CO 3 + CO 2 
Y 2 (CO 3 ) 3 được tạo nên khi cho muối yttri (III) tác dụng đủ với dung dịch
cacbonat kim loại kiềm hay amoni. Khi cho dư cacbonat kim loại kiềm hay amoni sẽ
thu được muối cacbonat kép M 2 CO 3 .Y 2 (CO 3 ) 3 .nH 2 O (trong đó M là cation kim loại
kiềm hay NH 4 +).
Các cacbonat kép của đất hiếm nhóm xeri hầu như khơng tan trong dung dịch
bão hòa của cacbonat kim loại kiềm hay amoni. Cịn các cacbonat kép của đất hiếm
hay Y có độ tan tăng dần đều.
Được dùng làm chất đầu để điều chế các oxit và hợp chất khác của lantanoit.
1.4.2. Hợp chất của stronti
1.4.2.1. Oxit stronti
Oxit SrO ở dạng bột màu trắng (hình 1.6a), khi nấu chảy trong lị điện rồi để
nguội, chúng ở dạng tinh thể, mạng tinh thể lập phương kiểu muối ăn (hình 1.6b). Vì
SrO có năng lượng mạng lưới rất lớn nên rất khó nóng chảy và rất bền nhiệt, có thể bị
sơi mà khơng phân hủy. Bởi vậy, một trong những công dụng lớn nhất của SrO là làm

vật liệu chịu nhiệt.


a)

b)

Hình 1.6. Oxit SrO trong tự nhiên (a) và mạng tinh thể của nó (b)
SrO dễ dàng tan trong nước tạo thành hydroxit và phản ứng tỏa nhiều nhiệt:
SrO + H 2 O  Sr(OH) 2
Ngồi ra, SrO cịn có tính hút ẩm mạnh khi để trong khơng khí và có khả năng
hấp thụ khí CO 2 giống như oxit kim loại kiềm tạo thành muối cacbonat:
SrO + CO 2  SrCO 3 
Ở nhiệt độ cao, nó có thể bị kim loại kiềm, nhôm, silic khử đến kim loại. Oxit
stronti được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp thủy tinh và lên men.
Phương pháp điều chế chủ yếu là nhiệt phân muối cacbonat, nitrat hoặc oxalat
hay axetat của kim loại stronti ở khoảng nhiệt độ 900oC.
900 C
Ví dụ: 2Sr(NO 3 ) 2 
→ 2SrO + 4NO 2  + O 2 
o

1.4.2.2. Stronti cacbonat
Stronti cacbonat tồn tại dạng bột trắng mịn, khơng màu, khơng mùi, có tính chất
tương tự như đá vôi.
Stronti cacbonat được sử dụng để tạo màu trong chế tạo pháo hoa, được ứng
dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử. Bên cạnh đó, nó cịn được dùng để điều chế
stronti ferrit dùng trong sản xuất nam châm vĩnh cửu. Ngồi ra người ta có thể sử dụng
SrCO 3 để sản xuất kính cho các ống tia âm cực do stronti có bán kính ngun tử tương
đối lớn, nên dễ dàng hấp thụ bức xạ tia X xảy ra trong các ống tia âm cực.

1.4.3. Oxit và hydroxit của sắt
1.4.3.1. Oxit sắt
Fe 2 O 3 có tính thuận từ, màu nâu đỏ. Trong các hợp chất oxit sắt, Fe(III) là chất
có trạng thái spin cao (có các electron thuộc phân lớp d). Fe (III) với 5 electron d lớp
ngồi cùng nên có năng lượng mạng lưới trường tinh thể ổn định.
Fe 2 O 3 có hình dạng vơ định hình và tồn tại 4 loại hình dạng (alpha, beta, gamma
và epsilon).

α-Fe 2 O 3 được nghiên cứu và tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng quặng hematite.
Hematite có dạng hình thoi ở trung tâm giống như hình dạng của những viên
corondum (α-Al 2 O 3 ), trong đó ion sắt (III) chiếm 2/3 thể tích bát diện.

β-Fe 2 O 3 có từ tính khơng ổn định là một điểm riêng để phân biệt nó với các dạng
gamma, alpha và epsilon. β-Fe 2 O 3 siêu bền với nhiệt và được chuyển đổi thành
hematite ở nhiệt độ khoảng 500°C.

γ-Fe 2 O 3 tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng maghemite. γ-Fe 2 O 3 không bền
với nhiệt và được chuyển thành hematite ở nhiệt độ cao hơn. Nhiệt độ và cơ chế của sự
thay đổi cấu trúc phụ thuộc vào điều kiện thí nghiệm và đặc biệt là kích thước của các
hạt maghemite.

ε-Fe 2 O 3 có thể được xem là chất mới nhất trong hợp chất sắt (III) oxit, cấu trúc
của nó được biết đến vào năm 1988 bởi Tronc et al. ε-Fe 2 O 3 có hình dạng trực thoi với
tám tế bào đơn vị. ε-Fe 2 O 3 được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel hoặc đun nóng
dung dịch kali ferricyanide với hypochlorite natri và kali hydroxit, sau đó nung kết tủa
ở 400°C. Nhiệt độ chuyển dạng thù hình từ ε-Fe 2 O 3  α-Fe 2 O 3 nằm trong khoảng từ
500 - 750°C. Kích thước của các hạt ε-Fe 2 O 3 vào khoảng 30 - 80 nm phụ thuộc vào
phương pháp điều chế.

Màu sắc tự nhiên cũng như tổng hợp của Fe 2 O 3 như màu đỏ, nâu và màu đen
được sử dụng trong ngành sản xuất sơn, phụ gia và trong sản xuất kính màu. Sắt (III)
oxit còn được sử dụng làm chất xúc tác cho nhiều phản ứng quan trọng trong cơng
nghiệp sản xuất hố chất, nó là chất xúc tác của phản ứng khử ethylbenzen để sản xuất
styren. Người ta đã chứng minh Fe 2 O 3 là chất xúc tác có hiệu quả trong q trình oxi
hố các hydrocacbon polyaromatic, xúc tác đốt nhiên liệu, than hố lỏng và pha hơi
trong q trình oxi hoá của axit benzoic.


Fe 2 O 3 cũng là nguyên liệu đầu vào để sản xuất ferrit, ngồi ra nó cịn được sử
dụng trong công nghệ sản xuất gốm sứ, nam châm vĩnh cửu, trong kĩ thuật lưu trữ
phương tiện truyền thông.
Fe 3 O 4 có màu đen xám, nó là hỗn hợp của FeO và Fe 2 O 3 . Fe 3 O 4 (magnetite) là
loại có từ tính mạnh nhất trong tất cả các khống vật có mặt trong tự nhiên. Magnetite
có vai trị quan trọng trong việc tìm hiểu các điều kiện mơi trường hình thành đá.
Magnetite phản ứng với oxi để tạo ra hematite và cặp khống vật hình thành một vùng
đệm có thể khống chế sự phá hủy của oxi. Magnetite là nguồn quặng sắt có giá trị, nó
hịa tan chậm trong axit clohidric.
Các hạt Fe 3 O 4 có đường kính trung bình nhỏ hơn 10 nm và có kích thước phân
bố hẹp. Các dạng huyền phù của magnetite có thể trực tiếp bị oxi hóa trong khơng khí
để tạo thành γ-Fe 2 O 3 .
2Fe 3 O 4 + 1/2O 2  3Fe 2 O 3
Quá trình oxi hóa Fe 3 O 4 thành γ-Fe 2 O 3 được thực hiện bằng cách điều chỉnh giá
trị pH của hydrosol của Fe 3 O 4 trong khoảng 3.5, các hydrosol được khuấy trong thời
gian 30 phút ở 100°C. Dung dịch chuyển từ màu xanh đen sang màu nâu đỏ.
1.4.3.2. Hydroxit sắt (III)
Được tạo ra do tác dụng của bazơ với muối sắt (III). Sản phẩm có màu đỏ gỉ, nâu
đỏ hay màu ánh tím, được sử dụng làm bột màu, ngồi ra nó được sử dụng ở trạng thái
tinh khiết để làm thuốc giải độc arsenic.
Fe(OH) 3 khơng tan trong nước và có tính lưỡng tính yếu: tan dễ trong dung dịch

axit và tan được trong dung dịch kiềm đặc nóng hoặc Na 2 CO 3 hay K 2 CO 3 nóng chảy.
Hydroxit sắt (III) có cơng thức Fe(OH) 3 .nH 2 O. Kết quả XRD cho ta thấy chúng
có cấu trúc hình lập phương với cạnh bằng 0.7568 nm.


CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT (TGA/DTA)[6]
TGA là phương pháp khảo sát sự thay đổi khối lượng của chất theo nhiệt độ khi
chất được đặt trong lị nung có chương trình thay đổi nhiệt độ được kiểm soát một
cách chặt chẽ, nhiệt độ nung có thể lên đến 1600°C.
Từ giản đồ phân tích nhiệt, ta có thể xác định độ bền nhiệt của chất, các q trình
hóa lí xảy ra trong q trình phân hủy nhiệt của chất và đồng thời xác định được độ
tinh khiết của chất.
Phương pháp phân tích nhiệt là phương pháp phân tích mà trong đó các tính chất
vật lí, hóa học của mẫu được đo một cách liên tục như những hàm của nhiệt độ (nhiệt
độ được thay đổi có quy luật). Trên cơ sở lí thuyết về nhiệt động học, từ sự thay đổi
các tính chất đó ta có thể xác định được các thơng số u cầu của việc phân tích. Hiện
nay, kĩ thuật này được ứng dụng khá phổ biến trong nhiều lĩnh vực như cho biết thông
tin về cấu trúc, độ bền, độ ổn định của phản ứng hóa học, tính chất động học, nhiệt độ
chuyển pha, khối lượng mất đi, xác định thành phần khối lượng các chất có trong mẫu.
Phương pháp phân tích này được dùng để xác định tính chất vật lí và hóa học của
polyme, những vật liệu có dạng tinh thể.
Trong phương pháp TGA, mẫu được đặt trên đĩa, cân liên tục và nung nóng đến
nhiệt độ bay hơi. Nguyên tắc hoạt động của máy đo TGA dựa vào quá trình tăng nhiệt
độ và các q trình lí hóa xảy ra làm thay đổi khối lượng của mẫu, nhờ đó bộ cảm biến
(sensor) khối lượng chuyển tín hiệu về máy tính và chuyển đổi thành phần phần trăm
khối lượng của vật liệu bị mất đi.
DTA là phương pháp phân tích nhiệt dựa trên việc thay đổi nhiệt độ của mẫu đo
và chất tham khảo trơ được xem như là một hàm của nhiệt độ mẫu. Chất tham khảo trơ
không bị biến đổi trong khoảng nhiệt độ đang khảo sát nên nhiệt độ của nó biến thiên

tuyến tính với nhiệt độ của lị. Các phản ứng xảy ra trong mẫu ln kèm theo sự thu
nhiệt hay toả nhiệt nên sẽ làm nhiệt độ của mẫu thay đổi khơng tuyến tính với nhiệt độ
của lị.
Đường cong DTA có dạng như hình 2.1b. Trong đó, sự chênh lệch nhiệt độ (∆T)
thường được vẽ trên trục tung với quy ước: phản ứng thu nhiệt hướng xuống dưới,
nhiệt độ hay thời gian được vẽ trên trục hoành và tăng dần từ trái qua phải.


Từ đường cong DTA, ta có thể xác định nhiệt độ tại đó các q trình hóa học hay
vật lí bắt đầu xảy ra và biết q trình đó là thu nhiệt hay tỏa nhiệt.

Hình 2.1. Đường cong DTA
Kết quả đo DTA phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
-

Các yếu tố phụ thuộc thiết bị, như hình dáng và kích thước lị, khí quyển của lị,

vị trí cặp nhiệt, vật liệu làm chén nung, tốc độ nung,…
-

Các yếu tố phụ thuộc mẫu và chất tham khảo như lượng, kích thước hạt, độ dẫn

nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số giãn nở nhiệt,… của mẫu và chất tham khảo.
Đường cong DTA còn dùng để xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng, hiệu ứng
nhiệt của phản ứng được tính tốn thơng qua diện tích peak. Ngồi ra phương pháp
phân tích nhiệt vi sai còn dùng để xác định độ tinh khiết của mẫu.
Trong đề tài này, chúng tơi khảo sát q trình phân hủy nhiệt của mẫu trên máy
phân tích nhiệt Labsystearam đặt tại Viện H57 – Bộ công an, Hà Nội.

2.2. PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X (XRD)

Nhiễu xạ tia X là thiết bị dùng để nghiên cứu, xác định pha cấu trúc tinh thể của
vật liệu. Nó là một trong những công cụ quan trọng nhất được sử dụng trong nghiên
cứu hóa học chất rắn và khoa học vật liệu.
Ngun lí hoạt động của nó dựa trên hiện tượng nhiễu xạ tia X. Khi chiếu chùm
tia X vào vật liệu kết tinh, nó sẽ bị phản xạ bởi các mặt phẳng tinh thể (hình 2.2). Họ
mặt phẳng tinh thể nào có giá trị d thõa mãn điều kiện phản xạ theo định luật Bragg:
nλ = 2dsinθ, trong đó:

n – bậc nhiễu xạ (n là số nguyên)
λ – bước sóng của tia X