Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt đến sự hình thành nano tinh thể ba2in2o5

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------------

TRẦN KHẮC ĐỊNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẤT HOẠT ĐỘNG
BỀ MẶT ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH NANO TINH THỂ Ba2In2O5

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------------

TRẦN KHẮC ĐỊNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẤT HOẠT ĐỘNG
BỀ MẶT ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH NANO TINH THỂ Ba2In2O5

Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
Mã số: 60440113

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS - TS. Phan Thị Ngọc Bích
TS. Tạ Quốc Tuấn

Hà Nội - năm 2015


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đƣợc luận văn thạc sỹ khoa học này, em xin đƣợc bày tỏ
lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy Tạ Quốc Tuấn - Viện AIST Trƣờng
Đại học Bách Khoa Hà Nội và cô Phan Thị Ngọc Bích- Viện Hàn Lâm Khoa
Học Việt Nam đã hƣớng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn
thành bản Luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Hoá học, ban lãnh đạo
Phòng Hóa học, Viện AIST Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ,
tạo điều kiện thuận trong quá trình học tập và bảo vệ luận văn tốt nghiệp.
Em muốn gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Bộ môn hóa vô cơ,
các thầy cô trong Khoa Hóa học đã tham gia giảng dạy và tạo điều kiện giúp
đỡ, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Bên cạnh đó, em cũng nhận đƣợc sự ủng hộ nhiệt tình và các ý kiến
đóng góp của các thành viên trong phòng thí nghiệm hóa học, viện tiên tiến
và công nghệ trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, em xin chân thành cảm ơn
sự giúp đỡ quý báu này.
Cuối cùng, em xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và ngƣời
thân đã luôn bên cạnh chia sẻ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em
học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn của em.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 02 năm 2015
Học viên

TRẦN KHẮC ĐỊNH

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
- XRD

: Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X

- TEM

: Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử truyền qua

- SEM
- TG-

: Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét
: Phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng – vi sai

DTA- DSC
- DTA

: Phƣơng pháp nhiệt lƣợng quét vi sai
: Phƣơng pháp phân tích nhiệt vi sai quét

- TGA

: Phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng

- AC
- PEG
- EDTA

: Axit citic ( C6H8O7.H2O )

poly (etylene glycol)
: Axit etylen diamin tetraaxetic (C10H16N2O8)

- AO

: Axit oxalic (C2H2O4.2H2O)

-D

: Kích thƣớc tinh thể

- EDS
- FTIR

: Phổ tán sắc năng lƣợng tia X
: Phƣơng pháp hồng ngoại

- HĐBM : Hoạt động bề mặt
- KL

: khối lƣợng

- M1

: Mẫu Ba2In2O5 chế tạo bằng chất tạo gel AC

- M2

: Mẫu Ba2In2O5 chế tạo bằng chất tạo gel EDTA

- M3

: Mẫu Ba2In2O5 chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: AC = 1:1)

- M4

: Mẫu Ba2In2O5 chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: AC = 1:1,5)

- M5

: Mẫu Ba2In2O5 chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure = 1:1)

- M6

: Mẫu Ba2In2O5 chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure = 1:2)

- M7

: Mẫu Ba2In2O5 chế tạo bằng chất tạo đồng kết tủa AO


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................. 2
1.1. Cấu trúc perovskite và các hệ thống liên quan đến perovskite .................. 2
1.1.1. Hệ thống perovskite ABO3...................................................................... 2
1.1.2. Các hợp chất brownmillerite loại A2B2O5 .............................................. 3
1.1.3. Cấu trúc tinh thể và sự chuyển pha cấu trúc của Ba2In2O5 ..................... 4
1.2. Tình hình nghiên cứu, chế tạo Ba2In2O5 .................................................... 6
1.3. Phƣơng pháp chế tạo vật liệu Ba2In2O5 ................................................... 10

1.3.1. Phƣơng pháp sol- gel............................................................................. 10
1.3.1. Phƣơng pháp đồng kết tủa ..................................................................... 13
1.4. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu Ba2In2O5 ............................................. 13
CHƢƠNG 2: MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƢƠNG
PHÁP THỰC NGHIỆM……………………………………………………..15
2.1. Mục đích và nội dung nghiên cứu…………………………………..…..15
2.1.1. Mục đích nghiên cứu………..…………………………………….…..15
2.1.2. Nội dung nghiên cứu…………..………………..…………………….15
2.2. Phƣơng pháp thực nghiệm……………………..………………..………15
2.2.1. Dụng cụ và hoá chất thí nghiệm……………………………………....1 5
2.2.2. Phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano tinh thểBa2In2O5 ........................... 16
2.2.2.1. Chế tạo Ba2In2O5 theo phƣơng pháp sol-gel......................................17
2.2.2.2. Chế tạo Ba2In2O5 theo phƣơng pháp đồng kết tủa ............................20
2.2.3. Các phƣơng pháp khảo sát tính chất của vật liệu..................................21
2.2.3.1. Phƣơng pháp phân tích nhiệt (TA)..................................................... 21
2.2.3.2. Phƣơng pháp phân hồng ngoại (FTIR) .............................................. 22
2.2.3.3. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................... 23
2.2.3.4. Phƣơng pháp xác định thành phần nguyên tố (EDS) ......................... 24
2.2.2.5. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) .......................................... 25


CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 28
3.1. Chế tạo vật liệu Ba2In2O5bằng phƣơng pháp sol - gel ............................. 28
3.1.1. Xác định chế độ nung cho quá trình chế tạo vật liệu Ba2In2O5 bằng
phƣơng pháp phân tích nhiệt...........................................................................28
3.1.2. Kết quả chế tạo Ba2In2O5 với các chất tạo gel khác nhau.....................29
3.1.2.2. Chế tạo vật liệu Ba2In2O5dùng chất tạo gel AC ................................. 29
3.1.2.2. Chế tạo vật liệu Ba2In2O5dùng chất tạo gel EDTA............................ 32
3.1.2.3. Chế tạo vật liệu Ba2In2O5dùng chất tạo gel (EDTA: AC=1:1) .......... 34
3.1.2.4. Chế tạo vật liệu Ba2In2O5dùng chất tạo gel (EDTA: AC =1:1,5). ..... 37

3.1.2.5. Chế tạo vật liệu Ba2In2O5dùng chất tạo gel (EDTA: Ure = 1:1)...…39
3.1.2.6. Chế tạo vật liệu Ba2In2O5dùng chất tạo gel (EDTA: Ure = 1: 2…...41
3.2. Kết quả chế tạo Ba2In2O5 bằng chất tạo đồng kết tủa với AO ................. 44
3.3. Tổng kết, đánh giá kết quả các mẫu Ba2In2O5 đã chế tạo ........................ 46
3.3.1. Kết quả kích thƣớc tinh thể của các mẫu .............................................. 47
3.3.2. Kết quả ảnh EDS của các mẫu .............................................................. 48
3.3.3. Kết quả ảnh SEM của các mẫu ............................................................. 49
3.3.4. Kết quả mật độ tƣơng đối của các mẫu ................................................. 51
3.3.5. Kết quả chụp phổ FTIR ......................................................................... 52
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 55
PHỤ LỤC CÁC HÌNH.................................................................................... 58


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Tỷ lệ mol giữa Ba và In với các chất tạo gel khác nhau để chế tạo
Ba2In2O5 ……………………………………………………………………18
Bảng 2.2. Hóa chất để chế tạo Ba2In2O5, dùng chất tạo gel AC ....................18
Bảng 2.3. Hóa chất để chế tạo Ba2In2O5, dùng chất tạo gel EDTA................18
Bảng 2.4. Hóa chất để chế tạo Ba2In2O5, dùng chất tạo gel: EDTA, AC.......19
Bảng 2.5. Hóa chất để chế tạo Ba2In2O5, dùng chất tạo gel: EDTA, URE.....19
Bảng 2.6. Hóa chất để chế tạo Ba2In2O5,dùng chất tạo đồng kết tủa AO.......20
Bảng 3.1. Kích thƣớc tinh thể Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel với AC…30
Bảng 3.2. Kích thƣớc tinh thể Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel EDTA ....33
Bảng 3.3. Kích thƣớc tinh thể Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: AC
là 1:1)...………………………………………………………………………36
Bảng 3.4. Kích thƣớc tinh thể Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: AC
là 1:1,5)……………………………………………………………….……...38
Bảng 3.5. Kích thƣớc tinh thể Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure
là 1:1)……………...……………………………………………….………...40

Bảng 3.6. Kích thƣớc tinh thể Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure
là 1:2)…...…...…………………….…………………………………...…….42
Bảng 3.7. Kích thƣớc tinh thể Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo đồng kết tủa
với AO……………………………………………………………..………...45
Bảng 3.8. Tổng hợp kết quả EDS của các mẫu Ba2In2O5 đã chế tạo…..……48
Bảng 3.9. Bảng tỷ trọng và mật độ tƣơng đối của 7 mẫu ............................... 51


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu trúc perovskite lý tƣởng.………………………………………2
Hình 1.2. Cấu trúc brownmillerite lý tƣởngcủa Ba2In2O5……..……………..4
Hình 1.3. Sự chuyển pha cấu trúc Ba2In2O5.. …………………………………4
Hình 1.4. Sự chuyển pha có trật tự-mất trật tự trong tinh thểBa2In2O5 ............ 5
Hình 2.1. Quy trình chế tạo vật liệu Ba2In2O5, bằng phƣơng pháp sol - gel .. 17
Hình 2.2. Quy trình chế tạo vật liệu Ba2In2O5, bằng phƣơng pháp đồng kết tủa
......................................................................................................................... 21
Hình 2.3. Nguyên lý thiết bị đo SEM ……………………………………….26
Hình 3.1. Giản đồ DTA– DSC của gel có tỷ lệ mol Ba2+: In3+: AC là 1:1:1..28
Hình 3.2. Giản đồ XRD của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel AC………30
Hình 3.3. Phổ EDS của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel AC………..…..31
Hình 3.4. Giản đồ XRD của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel EDTA…...32
Hình 3.5. Phổ EDS của mẫu Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel EDTA…...34
Hình 3.6. Giản đồ XRD của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: AC
là 1:1)………………………………………………………………………...35
Hình 3.7. PhổEDS của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel EDTA, AC là
1:1………………………………………………………………………...….36
Hình 3.8. Giản đồ XRD của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel(EDTA, AC là
1:1,5)……………………………..………………………………………..37
Hình 3.9. Phổ EDS của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel(EDTA, AC là
1:1,5)…………………………………………………………………………38

Hình 3.10. Giản đồ XRD của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure
là 1:1) …………..……...…………………...………………………………..39
Hình 3.11. Phổ EDS của mẫu Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA:
Ure là 1:1) ..………………...……………………...……..………………….41


Hình 3.12. Giản đồ XRD của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure
là 1:2)………………………..…………………………………………….…42
Hình 3.13. PhổEDS của mẫu Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure
là 1:2)………………………….…………………………….…………. 43
Hình 3.14. Giản đồ XRD của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo đồng kết tủa với
AO ……………………………………………………..............................…44
Hình 3.15. Phổ EDS của mẫu Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo đồng kết với
AO………………………………………………………………………….. 46
Hình 3.16. Giản đồ XRD của 7 mẫu đã tổng hợp…………………………...47
Hình 3.17. Ảnh SEM của mẫu Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel …..……49
Hình 3.18. Ảnh SEM của mẫu Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo đồng kết tủa
với AO........................................................................……………………….50
Hình 3.19. Phổ FTIR của Ba2In2O5chế tạo bằng chất tạo đồng kết với
AO...................................................................................................................52
Hình 3.20. Phổ FTIR củaBa2In2O5 chế tạo bằng chất tạo gel AC…….….…53
Hình 3.21. Phổ FTIR của Ba2In2O5, chế tạo bằng chất tạo gel (EDTA: Ure là
1:1)…………………………...………………………………………………53


MỞ ĐẦU
Hiện nay trên thế giới khi xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng
năng lƣợng càng lớn, trong khi đối với nhiên liệu hóa thạch đóng, một vài trò
quan trọng trong việc đƣa xã hội đến mức phát triển nhƣ ngày nay, cũng tồn
tại những vấn đề nhức nhối lớn: Ô nhiễm không khí, biến đổi khí hậu toàn cầu

cùng với sự nóng lên của trái đất. Ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch chỉ là nguồn
tài nguyên hữu hạn không thể đƣợc tái tạo, và nền kinh tế dựa trên nhiên liệu
hóa thạch còn làm cho một số nƣớc không có nhiều tài nguyên sẽ bị phụ
thuộc vào những nƣớc vốn có nguồn dầu dồi dào ở vùng Trung Đông, từ đó
dẫn đến nhiều hậu quả chính trị và kinh tế khác, thậm chí cả những cuộc
chiến tranh giành dầu mỏ. Trong công cuộc đi tìm nguồn năng lƣợng mới
này, con ngƣời đã đạt đƣợc những thành công nhất định: đó là sự ra đời của
các trung tâm phát điện dùng năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời với công
suất lên tới hàng mêga oát. Tuy nhiên những nguồn năng lƣợng đó còn phụ
thuộc nhiều vào tự nhiên.Việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lƣợng
mớiđặc biệt là công nghệ thân thiện với môi trƣờngđã trở thành nghiên cứu
mũi nhọn của nhiều quốc gia, đặc biệt là các nƣớc phát triển.
Trong những năm gần đây, một hƣớng nghiên cứu mới đầy triển vọng
đã đƣợc tìm ra, đó là việc sử dụng pin nhiên liệu.Pin nhiên liệu hiện nay đang
dần đƣợc phổ biến trên thị trƣờng, dự đoán pin nhiên liệu có thể sử dụng
hydrogen làm nhiên liệu, cung cấp cho thế giới một nguồn điện năng sạch và
bền vững sẽ tạo nên cuộc cách mạng năng lƣợng trên thế giới trong tƣơng lai.
Vật liệu dẫn ion Ba2In2O5có ứng dụng làm pin nhiên liệu oxit rắn hứa
hẹn sẽ mang lại nhiều tiềm năng do tính chất điện của loại vật liệu này.Đây
cũng chính là lý do chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hƣởng của các
chất hoạt động bề mặt đến sự hình thành nano tinh thể Ba2In2O5” cho luận văn
thạc sỹ khoa học chuyên ngành hóa vô cơ của mình.

1


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. S.A. Speakman, J.W. Richardson, B.J. Mitchell, S.T. Misture, “In-situ
diffraction study of Ba2In2O5”, Solid State Ionics. 149 (2002) 247-259.
2. P. Berastegui, S. Hull, F. J. GarcmHa-GarcmHa, S.-G. Eriksson,“The Crystal

Structures, Microstructure and Ionic Conductivity of Ba2In2O5 and Ba2(InxZn1x)O3-0,5x”,

J. Solid. State. Chem. 164 (2002) 119-130.

3. Stuart B. Adler, Jeffrey A. Reimer, Jay Baltisberger, and Ulrike Werner,
“

Chemical Structure and Oxygen Dynamics in Ba2In2O5”, J. Am. Chem. Soc.

116 (1994) 675-681.
4. Takuya Hashimoto, Yoshikatsu Inagaki, Akira Kishi, Masayuki Dokiya
“

Absorption and secession of H2O and CO2 on Ba2In2O5 and their effects on

crystal structure”, Solid State Ionics 128 (2000) 227–231
5. Takuya Hashimoto, Yohichi Ueda, Masashi Yoshinaga, Katsumi Komazaki,
Kyohko Asaoka, and Shaorong Wang, “Observation of Two Kinds of
Structural Phase Transitionsin the Ba2In2O5 System”, J. Electrochemical.
Soc. 149 (2002) A1381-A1384.
6. J.B. Goodenough, J.E. Ruiz-Diaz and Y.S. Zhen, “Oxide-ion conduction
in Ba2In2O5and Ba3In2O8 (M=Ce, Hf, or Zr)”, Solid State Ionics. 44 (1990)
21–31.
7. G.B. Zhang, D.M. Smyth,“Protonic conduction in Ba2In2O5”, Solid State
Ionics 82 (1995) 153-160.
8. T. Schober, J. Friedrich, F. Krug,“Phase transition in the oxygen and proton
conductor Ba2In2O5 in humid atmospheres below 3008C”, Solid State Ionics
99 (1997) 9–13.
9. J.F.Q. Rey, F.F. Ferreira, E.N.S. Muccillo, “Primary particle size effect on
phase transition in Ba2In2O5”, Solid State Ionics. 179 (2008) 1029 – 1031.

10.Xiaogan Li, K. T. Jacob, Girish M. Kale, “La-Doped Ba2In2O5 Electrolyte:
Pechini Synthesis, Microstructure, Electrical Conductivity, and Application
2


for CO Gas Sensing”, Journal of The Electrochemical. Society. 157 (2010) J
285-J 292.
11.Jasna Jankovic, David P. Wilkinson, Rob Hui,

“

Preparation

and

characterization of Ce and La-doped Ba2In2O5 as candidates for intermediate
temperature

(100–500oC) solid

proton

conductors”, Journal of Power

Sources. 201 (2012) 49–58.
12.Rob Hui, Radenka Maric, Cyrille Dec`es-Petit, Edward Styles, Wei Qu,
Xinge Zhang, Justin Roller, Sing Yick, Dave Ghosh, Ko Sakata, Murata
Kenji, “Proton conduction in ceria-doped Ba2In2O5nanocrystalline ceramic at
low temperature”, Journal of Power Sources 161 (2006) 40–46.
13.Chris E. Mohn, Neil L. Allan, Colin L. Freeman, P. Ravindran, Svein Stølen,

“Order in the disordered state:local structural entities in the fast ion conductor
Ba2In2O5”, Journal of Solid State Chemistry 178 (2005) 346–355.
14.Chris E. Mohn, Neil L. Allan, Svein Stølen, “Sr and Ga substituted Ba2In2O5:
Linking ionic conductivity and the potential energy surface”, Solid State
Ionics 177 (2006) 223 – 228.
15.Masashi Yoshinaga, Makoto Yamaguchi, Tatsuya Furuya, Shaorong Wang,
Takuya Hashimoto, “The electrical conductivity and structural phase
transitions of cation-substituted Ba2In2O5”,
Solid State Ionics 169 (2004) 9 – 13.
16.T. Yao , Y. Uchimoto , M. Kinuhata , T. Inagaki , H. Yoshida, “Crystal
structure of Ga-doped Ba2In2O5and its oxide ion conductivity”, Solid State
Ionics 132 (2000) 189–198.
17. T. Schober, J. Friedrich, F. Krug, “Phase transition in the oxygen and proton
conductor Ba2In2O5in humid atmospheres below 300oC”, Solid State Ionics
99 (1997) 9–13.

3


18.N. A. Tarasovaz and I. E. Animitsa, “Effect of Anion Doping on Mobility of
Ionic Charge Carriers in Solid Solutions Based on Ba2In2O5”, Russian Journal
of Electrochemistry, (2013) Vol. 49, No. 7, pp. 698–703.
19.Jasna Jankovic, David P. Wilkinson, and Rob Hui, “Electrochemical
Impedance Spectroscopy of Ba2In2O5: Effect of Porosity, Grain Size, Dopant,
Atmosphere and Temperature”, Journal of The Electrochemical Society,
(2012) B109 0013-4651.
20.C. A. J. Fisher, M. S. Islam, and R. J. Brook, “A Computer Simulation
Investigation of Brownmillerite-Structured Ba2In2O5”, Journal of Solid State
Ionics chemistry. 128,137Ð141 (1997).
21. J.F. Shin, P.R. Slater, “Enhanced

CO2stability

of

oxyanion

doped

Ba2In2O5systems Co-doped with La, Zr”, Journal of Power Sources 196
(2011) 8539– 8543.

4