Chế tạo, nghiên cứu một số tính chất vật lí của vật liệu fe3o4 pha tạp nguyên tố zn

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn
PGS.TSTrần Minh Thi – Giảng viên Khoa Vật Lí - Trường Đại Học Sư Phạm Hà
Nội đã tin tưởng giao đề tài, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt
thời gian học tập và nghiên cứu để tôi hoàn thành khóa luận này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Bộ môn Vật Lí đại cương –
Khoa Vật Lí – Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
trong các quá trình làm thí nghiệm để hoàn thành khóa luận này.
Ngoài ra tôi cũng xin chân thành cảm ơn các anh, chị và các bạn cùng làm
thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Vật Lí Đại Cương – Khoa Vật Lí –
Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội đã cùng nhau chia sẻ kinh nghiệm, giúp đỡ tôi
trong lúc gặp khó khăn để hoàn thành thí nghiệm.
Để đạt kết quả trong khóa luận tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô, các anh chị
làm việc tại Trung tâm nano - Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội đã tận tình giúp đỡ
để tôi hoàn thành khóa luận này và cũng xin cảm ơn các thầy cô, các anh chị tại các
trung tâm, các viện khoa học đã nhiệt tình, cố gắng làm việc để cho kết quả tốt nhất.
Cuối cùng là sự biết ơn vô hạn tới gia đình – là nguồn động viên cả về tinh
thần lẫn vật chất, giúp tôi vượt qua khó khăn, để hoàn thành khóa luận này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng 4 năm 2015
Tác giả
Hoàng Thị Thâm


Khóa luận tốt nghiệp
MỞ ĐẦU
 Lí do chọn đề tài

Trong nhiều thập kỉ gần đây công nghệ nano đã và đang là một trong những bước

đột phá của khoa học hiện đại. Vật liệu nano được chế tạo với những tính năng vượt
trội mà vật liệu khối chưa có được đó là độ bền cơ học cao, khả năng xúc tác, sự
hấp phụ hiệu quả…Chính những tính chất mới này đã mở ra những triển vọng mới
cho ứng dụng vật liệu nano vào khoa học công nghệ và đời sống. Trong đó hạt nano
ferit spinel là một vật liệu từ được rất nhiều nhà khoa học quan tâm vì tính chất từ
của nó có rất nhiều ứng dụng trong thực tế. Đây là vật liệu từ mềm được biết tới với
nhiều ứng dụng như màng mỏng từ, băng ghi từ, xử lí ô nhiễm môi trường, đặc biệt
là chế tạo chất lỏng từ, ứng dụng trong y sinh [1].
Fe3O4 là một điển hình của vật liệu ferit spinel, nó mang đầy đủ tính chất của
vật liệu spinel. Tính chất quan trọng của hạt ferit spinel này là có từ tính rất cao.
Đối với vật liệu Fe3O4, tính chất từ quyết định rất nhiều đến khả năng ứng
dụng của vật liệu trong thực tế. Các nghiên cứu [1,17] gần đây cho thấy, Fe 3O4 thể
hiện tính chất siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng và từ độ bão hòa có thể lên tới
90emu/g, tính chất từ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như phương pháp chế tạo,
nồng độ tham gia phản ứng, hay môi trường chế tạo…Tuy nhiên, Fe 3O4 lại bị oxi
hóa mạnh thường biến đổi thành γ – Fe2O3 dẫn đến làm giảm từ độ (từ độ bão hòa
γ – Fe2O3 cỡ 60emu/g).
Để hạn chế sự oxi hóa của Fe3O4 có rất nhiều phương pháp được đưa ra như
bọc polime hay pha thêm kim loại chuyển tiếp vào vật liệu. Có tác giả [8], đã pha
Ni vào vật liệu Fe 3O4 cho thấy tính chất từ của mẫu pha tạp giảm theo nồng độ pha
tạp, tuy nhiên từ độ bão hòa suy giảm không đáng kể theo thời gian. Nghiên cứu
của nhóm tác giả [18] trong tài liệu cho thấy khi pha tạp Mn vào vật liệu Fe 3O4 thì
làm tính chất từ của vật liệu giảm theo nồng độ pha tạp. Tác giả [9] trong nghiên
cứu tính chất từ của mẫu Fe 3O4 pha tạp Cu, kết quả cho thấy từ độ bão hòa giảm khi
nồng độ Cu pha tạp tăng.
Như vậy, việc pha kim loại chuyển tiếp vào vật liệu có thể làm cho tính từ
của vật liệu thay đổi, tùy theo chất pha tạp khác nhau mà tính chất từ của vật liệu có
thể tăng hay giảm theo nồng độ pha tạp khác nhau. Vì vậy nghiên cứu để làm ổn
2

2
2


Khóa luận tốt nghiệp
định từ độ bão hòa của Fe3O4 là hết sức cần thiết. Dưới sự hướng dẫn của thầy cô và
tham khảo một số tài liệu, tôi đã chọn đề tài:
“ Chế tạo, nghiên cứu một số tính chất vật lí của vật liệu Fe3O4
pha tạp nguyên tố Zn”
 Mục đích khóa luận:
- Chế tạo vật liệu nano từ tính Fe 3O4 và Fe3O4 pha tạp kim loại chuyển
-

tiếp Zn bằng phương pháp khử không hoàn toàn Fe3+.
Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu bằng phương pháp đo
phổ nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM),
kính hiển vi điện tử quét (SEM), phương pháp đo từ kế mẫu rung
(VSM) và đo diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp bằng phương

pháp BET.
 Cấu trúc khóa luận
Ngoài phần mở đầu khóa luận còn được chia thành 3 chương sau:
Chương I. Tổng quan: Trình bày cấu trúc ferit spinel, sơ lược và tổng quan
tính chất và ứng dụng của vật liệu Fe 3O4, nguyên tố Kẽm (Zn), các phương pháp
chế tạo Fe3O4.
Chương II. Thực nghiệm: chế tạo mẫu Fe 3O4 và mẫu Fe3O4 pha tạp Zn với
các nồng độ khác nhau, giới thiệu các phép đo nghiên cứu: đo XRD, đo TEM, đo
SEM, đo độ từ hóa (VSM), đo diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp bằng phương
pháp BET.
Chương III. Kết quả và thảo luận: Trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo

luận.

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1MỘT VÀI NÉT VỀ FERIT SPINEL

3

3
3


Khóa luận tốt nghiệp
Ferit spinel là vật liệu từ có hai phân mạng từ không tương đương, các tương
tác giữa hai phân mạng là phản sắt từ [2]. Cấu trúc spinel có thể xem như được tạo
ra từ các mặt phẳng xếp chặt của các ion O 2- [2], các kim loại hóa trị II và III nằm
xem kẽ giữa các ion O2- và được chia làm 2 phân mạng tứ diện và bát diện.

Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể ferit spinel.
Xét 2 phân mạng:
-

Vị trí phân mạng 8A gọi là phân mạng tứ diện (A) trong phân

-

mạng này mỗi ion kim loại được bao bởi 4 ion .
Vị trí phân mạng 16B gọi là phân mạng bát diện (B) trong phân
mạng này mỗi ion kim loại được bao bởi 6 ion . Mô hình cấu
trúc hai phân mạng tứ diện (A) và bát diện (B) của ferit spinel
được biểu diễn trong hình dưới đây.

Hình 1.2 Vị trí tứ diện (A) và bát diện (B)[10].
4

4
4


Khóa luận tốt nghiệp
Tùy thuộc vào sự sắp xếp tùy thuộc của các kim loại trong phân mạng tứ
diện (A) và bát diện (B), chia ferit spinel làm [15]:
•

Spinel thường: công thức chung MeFe2O4 = (MeO).[Fe2O3], dấu móc
vuông được sử dụng để đại diện cho vị trí bát diện (B). Các cation
kim loại Me2+ chiếm các vị trí tứ diện (A) và các ion Fe 3+ chiếm các vị

trí bát diện (B). Như vậy, tỉ số ion bao quanh các vị trí A và B là 2/3.
• Spinel đảo: trong cấu trúc này một nửa số ion Fe 3+ đặt tại vị trí tứ diện
(A), phần còn lại cùng với Me2+ chiếm vị trí bát diện (B). Sự sắp xếp
này được biểu thị cho các hợp chất như Fe 3+[Me2+Fe3+], ở đây Me2+ =
Mn2+,Fe2+,Co2+,Cu2+,Ni2+, …
• Spinel hỗn hợp: Cation Me1-x2+Fe3+[Mex2+Fe2-x3+]O42- trong đó tham số
x biểu thị mức độ đảo của spinel.
1.1.1. Tính chất từ của ferit spinel
1.1.1.1.
Tương tác trao đổi[10].
Ở nhiệt độ phòng và ngay khi không có từ trường ngoài, trong spinel luôn
tồn tại momen từ tự phát. Theo lí thuyết trường phân tử, nguồn gốc tính chất từ
trong ferit là do tương tác trao đổi gián tiếp giữa các ion kim loại (ion từ tính) trong

hai phân mạng A, B thông qua các ion oxi.
+ Tương tác trao đổi trực tiếp làm cho các ion từ của một phân mạng này có
momen từ khác với momen từ của phân mạng kia hay các momen từ trong cùng
một phân mạng có giá trị khác nhau.
+ Tương tác trao đổi gián tiếp (tương tác siêu trao đổi) giữa hai ion trong
cùng một phân mạng hoặc khác phân mạng được thực hiện qua ion oxi mà khoảng
cách từ ion này đến ion oxi và góc tạo bởi đường nối tâm từ các ion từ với tâm của
ion oxi là khác nhau. Tương tác này đóng vai trò quyết định tính chất từ của ferit.
Hình dưới đây cho biết các góc liên kết trong tương tác siêu trao đổi giữa các
ion kim loại thông qua các ion oxi.

5

5
5


Khóa luận tốt nghiệp

Hình 1.3 Một vài dạng cấu hình sắp xếp ion trong mạng spinel [3]. Ion A và B là các
ion kim loại tương ứng với các vị trí tứ diện và bát diện, vòng tròn lớn là ion oxi.
Khi so sánh các tương tác trao đổi khác nhau, người ta thấy tương tác giữa
các ion 2 phân mạng A – B là lớn nhất. Trong tương tác này khoảng cách l và l ’ là
nhỏ, đồng thời góc φ khá lớn (φ ≈ 1250) nên năng lượng trao đổi là lớn nhất. Đối
với tương tác B – B năng lượng cực đại ứng với góc φ là 90 0. Tương tác trao đổi là
yếu nhất trong tương tác A – A vì khoảng cách r là tương đối lớn (r = 3.3 Å) và góc
φ cũng không phù hợp ( φ ≈ 800 ).
1.1.1.2.

Momen từ

Một đại lượng đặc trưng cho từ tính của vật liệu là độ từ hóa hay từ độ. Từ
độ là tổng các momen từ trong một đơn vị thể tích hoặc một đơn vị khối lượng của
vật liệu. Khi không có từ trường ngoài, các momen từ tự phát sắp xếp theo một trận
tự ổn định và vật liệu đạt đến trạng thái bão hòa trong từng đomen. Từ độ hóa cho
một đơn vị khối lượng được tính theo Magheton – Bo như sau:
Ms =
Trong đó:

(1.1)

là momen từ bão hòa.
là từ độ bão hòa.
là Magnheton – Bo.
số Avogadro.
khối lượng mol.
1.1.1.3.
Nhiệt độ Curie.

Từ độ của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ và từ trường hóa. Ở nhiệt độ thấp,
từ độ bão hòa thay đổi theo nhiệt độ T bởi công thức Bloch:
Ms(T) = Ms(0).(1- cT3/2)
Trong đó:
6

c là hệ số.
6
6

(1.2)

Khóa luận tốt nghiệp
Ms(0) là từ độ tại 0K.
Mặc dù tương tác trao đổi giữa các momen từ trong vật liệu ferit là lớn,
nhưng đến một giới hạn năng lượng nhiệt nào đó thì trận tự ferit bị phá vỡ. Điều đó
xảy ra tại một nhiệt độ đặc trưng gọi là nhiệt độ Curie, có ý nghĩa là dưới nhiệt độ
Curie tồn tại pha ferit từ, trên nhiệt độ Curie năng lượng nhiệt phá vỡ trận tự ferit
chuyển thành pha thuận từ. Tại nhiệt độ Curie momen từ bão hòa của vật liệu bằng
không. Nhiệt độ Curie thể hiện tính chất nội tại của vật liệu và có thể xác định bằng
các phép đo [2].
Bảng 1.1 Nhiệt độ Curie của một số ferit.

7

Ferit

Tc(K)

MnFe2O4

573

FeFe2O4

858

CoFe2O4

793

NiFe2O4

853

CuFe2O4

728

MgFe2O4

213

7
7


Khóa luận tốt nghiệp
1.1.1.4.

Dị hướng từ.

Dị hướng từ là một đặc tính của vật liệu, có liên quan đến các dạng tương tác
từ trong tinh thể và có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng quan trọng. Nguyên
nhân gây ra dị hướng từ có thể do tính chất đối xứng của tinh thể, ứng suất, hình
dạng của mẫu hay trận tự của các cặp spin có định hướng khác nhau.
+ Dị hướng từ tinh thể.
Trong tinh thể, momen từ luôn có một định hướng ưu tiên dọc theo một
phương nào đó của tinh thể. Khi từ hóa theo hướng ưu tiên thì rất dễ dàng đạt được
trạng thái bão hòa hướng đó được gọi là trục từ hóa dễ. Ngược lại theo các hướng

khác nhau trạng thái bão hòa từ rất khó đạt được, các hướng này gọi là các trục từ
hóa khó. Hình dưới đây mô tả đường cong từ hóa của Fe3O4 theo các hướng khác
nhau ([111], [100]).
Theo các phương từ hóa dễ [111] từ độ nhanh chóng đạt giá trị bão hòa ngay
khi từ trường ngoài còn nhỏ (cỡ vài trăm Oe). Theo phương từ hóa khó [100] để đạt
giá trị bão hòa cần giá trị từ trường ngoài lớn hơn. Dị hướng từ tinh thể biểu thị qua
sự phụ thuộc của năng lượng từ hóa vào phương trình từ trường ngoài đối với trục
tinh thể. Năng lượng dị hướng từ tinh thể kí hiệu là EA.

Hình 1.4 Đường cong từ hóa theo các trục tinh thể của Fe3O4.
Theo lí thuyết Stoner – Wohlfarth năng lượng dị hướng EA của hạt đơn
đomen được tính theo công thức [17]:
8

8
8


Khóa luận tốt nghiệp
EA = K.V.sin2φ
Trong đó:

(1.3)

V là thể tích hạt nano.
φ là góc giữa trục dễ của hạt nano và từ trường ngoài.
K là hằng số dị hướng.
+ Dị hướng từ theo hình dạng mẫu.

Dị hướng từ do hình dạng phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của mẫu.

Dị hướng hình dạng có thể hiểu đơn giản là sự khác nhau về mặt năng lượng khi từ
hóa theo chiều dài nhất và theo chiều dài ngắn nhất của mẫu sắt từ.
Khi một vật thể có kích thước hữu hạn được từ hóa, các cực từ tự do được
cảm ứng ở hai đầu gây ra một từ trường ngược hướng có độ lớn tỉ lệ với M s. Từ
trường này gọi là trường khử từ H d. Trường khử từ có xu hướng chống lại sự từ hóa
của từ trường ngoài:
Hd = NMIS

(1.4)

Trong đó:
N là thừa số khử từ.
N phụ thuộc vào hình dạng và phương từ hóa mẫu. Với mẫu hình trụ năng
lượng tĩnh từ theo phương vuông góc với trục hình trụ lớn hơn với năng lượng tĩnh
dọc theo trục vì khi từ hóa theo phương vuông góc trường khử từ rất lớn còn theo
phương song song thì trường khử từ nhỏ hơn nhiều.
Nếu mẫu có dạng ellipsoid tròn xoay có thể xác định các thừa số khử từ
song song và vuông góc với phương từ hóa dễ N// và N﬩.
Năng lượng khử từ liên hệ với các thừa số khử từ theo công thức:
Ec = {N//Ms2 + (N﬩ - N//)Ms2sin2φ}.V
ở đây V là thể tích ellipsoid.
Đối với góc φ nhỏ ta thường có trường dị hướng hiệu dụng:
HD = (N﬩ - N//).MIS

(1.6)

Trong trường hợp một thanh dài hình kim ta có:
HD =

9

(1.7)

9
9

(1.5)


Khóa luận tốt nghiệp
Đối với mẫu có kích thước hữu hạn, đường cong từ hóa phải được bổ chính
để được từ độ hoặc cảm ứng từ là hàm của từ trường thật trong mẫu:
Hnội tại = H0 – Hd = H0 - NMs

(1.8)

Dị hướng hình dạng rất quan trọng trong trường hợp các hạt đơn đomen có
dạng hình kim hoặc đĩa dẹt.
1.2GIỚI THIỆU VỀ CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU

Fe3O4
1.2.1 Cấu trúc của Fe3O4
Các oxit sắt từ tồn tại trong tự nhiên dưới nhiều dạng, điển hình là Fe3O4,
γ-Fe3O4 và α-Fe3O4. Các thông số chung của các oxit sắt được thể hiện ở bảng 1.2:
Bảng 1.2. Một số thông số chung của các oxit sắt.
Tên oxit

α-Fe2O3

γ-Fe2O3

Fe3O4

Cấu trúc ô mạng

Lục phương

Kích
thước
ô
mạng(nm)
Đơn vị công thức /ô
mạng
Trọng
lượng
-3
riêng(g/cm )
Màu sắc

a = 0.50356
c = 1.37489
6

Lập phương
mặt
a = 0.83474
c = 2.501
8

5.26

4.87

5.18

Đỏ

Nâu đỏ sẫm

Đen

Từ tính

Sắt từ yếu hoặc Ferit từ
phản sắt từ

tâm Lập phương
mặt
a = 0.8396
8

Ferit từ

1.2.2 Cấu trúc tinh thể của Fe3O4

Oxit sắt từ Fe3O4 có thể viết thành Fe2+O2- (Fe3+)2(O2-)3, trong đó các ion Fe
tồn tại ở hai trạng thái hóa trị là Fe2+ và Fe3+ với tỉ lệ 1:2. Trong đó ion Fe3+ tồn tại
ở cả lỗ trống bát diện và tứ diện, Fe2+ chỉ có trong lỗ trống tứ diện.

10

10
10

tâm


Khóa luận tốt nghiệp

Hình 1.5 Cấu trúc spinel của Fe3O4.
Số phân tử trong một ô cơ sở của Fe3O4 là Z = 8, gồm 56 nguyên tử trong đó có
8 ion Fe2+, 16 ion Fe3+ và 32 ion O2-. Bán kính các nguyên tử oxi lớn cỡ 1.32A0 do đó
các ion O2- trong mạng gần như nằm sát nhau tạo thành mạng lập phương tâm mặt. Cấu
trúc spinel có thể xem như được tạo thành từ mặt phẳng xếp chặt của các ion O 2- với
các lỗ trống tứ diện và bát diện được lấp đầy bởi các ion kim loại Fe3+, Fe2+.
1.2.3 Tính chất từ của Fe3O4

Fe3O4 là một loại vật liệu ferit từ. Sự phân bố momen spin của ion Fe 3+ và ion
Fe2+ trong một ô cơ sở của Fe3O4 được trình bày trong bảng 1.3.
Bảng 1.3 Sự phân bố spin của ion Fe2+ và Fe3+ trong một ô cơ sở của Fe3O4
Ion

Vị trí B(bát diện)

Vị trí A(tứ diện)

Momen từ riêng

Fe3+

↑
↑
↑
↑

↓
↓

Triệt tiêu hoàn toàn

Fe2+

↑ ↑ ↑
↑ ↑ ↑
↑ ↑ ↑
↑ ↑ ↑

↓ ↓ ↓
↓ ↓ ↓

↑
↑

↑
↑

↑
↑

↑

↑

Mỗi phân tử Fe3O4 có momen từ tổng cộng là 4μ B (μB là Magneton Bohr
nguyên tử, μB = 9.274.10-24 J/T trong hệ SI).
Do momen từ của ion Fe3+ ở hai phân mạng khử nhau nên không đóng góp
vào sự từ hóa của vật liệu. Còn ion Fe2+ với các momen spin sắp xếp theo cùng một
hướng sẽ có momen từ tổng khác không. Như vậy độ từ hóa của ferit từ Fe 3O4 sẽ do
ion Fe2+ quyết định.
Về mặt cơ bản thì các vật liệu từ tính có từ độ phụ thuộc vào cấu trúc nguyên
tử và nhiệt độ của nó. Tính chất từ của vật liệu có thể được mô tả trong mối quan hệ
11

11
11


Khóa luận tốt nghiệp
giữa độ từ hóa của vật liệu (M) với từ trường ngoài (H) được mô tả bởi phương
trình: M =

(1.7)

Trong đó χ là độ cảm ứng từ của vật liệu.
Ta có thể phân loại các vật liệu từ như sau
10-5

Nghịch từ

Thuận từ
Χ tăng dần

Phản sắt từ

Ferit từ
10-6

Sắt từ
Vật liệu này tồn tại ở nhiệt độ chuyển pha T C khá cao cỡ 850K. Điều này

được giải thích bởi việc tồn tại đồng thời của các tương tác trao đổi sắt từ của của
ion B-B và tương tác phản sắt từ mạnh mẽ giữa ion A-B. Khi T > T C trận tự từ của
vật liệu bị phá vỡ và trở thành vật liệu thuận từ.

\

Hình 1.6 Sự phá vỡ trận tự từ và trở thành vật liệu thuận từ.
Ngoài ra, riêng đối với Fe3O4 còn tồn tại một nhiệt độ chuyển pha khác, đó là
nhiệt độ chuyển pha cấu trúc Verwey khoảng 118K. Dưới nhiệt độ này Fe 3O4
chuyển sang cấu trúc tam tà làm tăng điện trở suất của vật liệu. Nhiệt độ Verwey
thường được dùng để phân biệt Fe3O4 với các oxit sắt khác.
Đối với hạt ferit từ Fe3O4 hiệu ứng bề mặt có ảnh hưởng đến tính chất từ của
hạt Fe3O4. Sự sắp xếp không đồng bộ của các nguyên tử trên bề mặt dẫn đến các
spin không cộng tuyến và do đó làm giảm từ độ của các hạt nhỏ. Độ dày của lớp
này đã được xác định lên đến 1 nm[17]. Mômen từ bão hòa riêng giảm tuyến tính
với sự tăng bề mặt riêng và cũng bị ảnh hưởng bởi hình dạng hạt; đường từ trễ xác
12

12
12

Khóa luận tốt nghiệp
định một phần kích thước hạt. Vì cấu trúc của hạt cũng ảnh hưởng đến cấu trúc
đomen của vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến đường cong từ hóa của vật liệu.

Ms
Mr
Hc

M

H

Hình 1.7 Đường cong từ hóa sắt từ của vật liệu sắt từ.

DP

DC

D

Hình 1.8 Hc phụ thuộc vào đường kính hạt.
Khi hạt có kích thước lớn, Fe3O4 có cấu trúc đa đomen, mỗi đomen có vectơ
từ độ hướng theo các hướng khác nhau. Trong trường hợp này, quá trình từ hóa là
quá trình dịch chuyển và quay vách đomen. Tuy nhiên, khi kích thước của vật giảm
đến kích thước nano (khoảng 10nm) có nhiều tính chất vật lí khác biệt so với vật
13

13
13

Khóa luận tốt nghiệp
liệu khối do các hiệu ứng vi mô như hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng kích thước, hiệu
ứng bề mặt… đã ảnh hưởng và quyết định đến tính chất từ của vật liệu. Đó là vì khi
kích thước của hạt giảm xuống một giới hạn nhất định thì sự hình thành cấu trúc đa
đomen không được ưu tiên nữa, lúc này hạt sẽ tồn tại như các đơn đomen. Ở giới
hạn này năng lượng nhiệt có thể so sánh với năng lượng dị hướng.
Sự giảm kích thước trong quá trình hình thành những hạt đơn đomen gây ra
hiện tượng siêu thuận từ. Đặc điểm của vật liệu siêu thuận từ là có từ tính mạnh khi
có từ trường ngoài tác dụng và không có từ tính khi không có từ trường ngoài. Với
những hạt từ đơn đomen, có thể giả thiết rằng tất cả các momen từ nguyên tử đều
được sắp xếp thẳng hàng như một “momen” khổng lồ. Tính chất của mỗi hạt giống
như một nguyên tử thuận từ nhưng có một trận tự từ được sắp xếp bền vững trong
mỗi hạt nano.
Đối với vật liệu Fe3O4 ở dạng khối, momen từ bão hòa cỡ 90 emu/g. Đối với
hạt nano Fe3O4, momen từ bão hòa chỉ đạt khoảng từ 35 – 74 emu/g. Sự khác nhau
của momen từ bão hòa của hạt nano từ Fe 3O4 do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như:
nồng độ của các chất tham gia phản ứng, môi trường phản ứng, môi trường bảo
quản…
Vật liệu sắt từ Fe3O4 rất dễ bị oxi hóa trong không khí thành dạng γ – Fe 2O3
và có cấu trúc tinh thể và tính chất vật lí gần như nhau. γ – Fe 2O3 cũng là ferit từ
nhưng có giá trị từ độ bão hòa Ms nhỏ hơn Fe3O4.
Trên thực tế khi điều chế hạt sắt từ người ta thường thu được cả hai dạng
Fe3O4 và γ – Fe2O3. Các nhà khoa học đang nghiên cứu điều kiện tối ưu nhất để thu
được sản phẩm Fe3O4 tinh khiết. Đồng thời các nhà khoa học cũng nghiên cứu chế
tạo vật liệu Fe3O4 có pha thêm các ion kim loại chuyển tiếp hoặc bọc phủ các
polime dẫn để hạn chế tối đa sự chuyển hóa trị từ ion Fe 2+ lên thành ion Fe3+ trong
vật liệu, nâng cao tính ổn định của vật liệu trong các ứng dụng thực tế.
1.2.4 Ứng dụng của hạt nano.

1.2.4.1.

Ứng dụng làm chất lỏng từ.
Để ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, các hạt nano siêu thuận từ sau

khi chế tạo sẽ được phân tán trong chất lỏng mang (các dung môi) thích hợp. Sau
khi kích thước hạt nano nhỏ hơn một giới hạn xác định (cỡ vài chục nanomet) thì
14

14
14


Khóa luận tốt nghiệp
chúng sẽ nằm lơ lửng trong chất lỏng mang tạo thành một thể huyền phù và ta thu
được một loại chất lỏng có từ tính gọi là chất lỏng từ.
Chất lỏng từ có ứng dụng nhiều trong thực tiễn và khoa học kĩ thuật như:
•

Chất lỏng từ làm mực in trên các từ đô la. Trên tờ tiền này có pha một
lượng nhỏ các chất lỏng từ có kích thước và từ tính xác định. Khi đặt
tờ đô la gần một nam châm mạnh thì nó bị hút về phía nam châm,

hiện tượng này dùng để kiểm tra tiền thật [1].
• Chất lỏng từ được sử dụng rộng rãi để bôi trơn hay bịt kín khe hở giữa
các trục quay của mô tơ hay động cơ không có rò rỉ, đặc biệt là trong
việc bịt kín chống rò rỉ các chất có hại trong môi trường.
• Chất lỏng từ được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cấu trúc đomen
từ trong băng đĩa ghi âm, đĩa mềm, đĩa cứng, đĩa quang học, hợp kim
vô định hình [1]…

1.2.4.2.
Ứng dụng trong y sinh.
+ Phân tách và chọn lọc tế bào
Sự cô lập và phân tách tế bào ra khỏi vùng miễn dịch được thực hiện bằng
cách liên kết các tế bào bị bệnh. Các hạt nano từ được chức năng hóa bề mặt bằng
các nhóm amino, carboxyl, streptavidine… Các nhóm chức này không chỉ ghi nhận
tế bào mà còn chỉ ra các phần tử liên kết hiệu quả với chúng. Kết quả nghiên cứu
cho thấy các hạt nano được chức năng hóa bề mặt với các nhóm chức khác nhau sẽ
liên kết với một hoặc một số tế bào. Chính điều này gây nên các hạt nano từ tính
được ứng dụng để nhận biết tế bào.
Sau khi các tế bào bệnh được nhận biết ta dùng từ trường điều khiển các hạt
nano mang theo tế bào bệnh ra khỏi vùng miễn dịch với mục đích cô lập tế bào này.
Phương pháp này được ứng dụng để điều trị và cô lập tế bào ưng thư, virut HIV, các
hạt bạch cầu ra khỏi vùng miễn dịch.
+ Dẫn truyền thuốc
Một khả năng có nhiều triển vọng khác về ứng dụng của hạt nano từ tính là
dẫn truyền thuốc. Chất lỏng từ trong trường hợp này đóng vai trò như người vận
thuốc đến các vị trí cần thiết trong cơ thể dưới tác dụng của từ trường ngoài.
Để ứng dụng trong việc dẫn truyền thuốc thì kích thước, diện tích, bề mặt
hóa học của hạt nano từ tính là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến thời gian lưu
15

15
15


Khóa luận tốt nghiệp
thông trong máu. Hơn nữa, các đặc tính từ và tương tác giữa các hạt phụ thuộc rất
nhiều vào kích thước hạt từ, bất kì hạt nào lớn hơn 5 micromet đều bị loại bỏ để
tránh hiện tượng tắc mao mạch. Các hạt có đường kính từ 10 đến 100 nm là thích

hợp nhất để tiêm tĩnh mạch và có thời gian lưu thông được trong mạch máu kéo dài.
Trong giới hạn này các hạt đủ nhỏ để len lỏi vào các mao mạch và có thể đưa đến
các mô bị bệnh [16]. Dùng hạt nano từ để dẫn thuốc không những không làm giảm
liều lượng thuốc dùng mà còn tránh được những tác dụng phụ của thuốc đến tế bào
khỏe mạnh trong cơ thể. Sau đó dùng từ trường lắng đọng để đưa hạt nano ra ngoài.
+ Hiệu ứng đốt nhiệt
Một số ứng dụng khác của hạt nano Fe 3O4 là hiệu ứng đốt nhiệt nhằm ứng
dụng để chữa trị ưng thư. Năm 1993, hạt từ có kích thước nano đã được đề xuất ứng
dụng vào việc thụ nhiệt trong nội tế bào. Năm 1997 thử nghiệm đầu tiên để chữa trị
ưng thư trên cơ thể chuột bằng các hạt nano từ đã được thực hiện.
Các tế bào ung thư có khả năng chịu nhiệt kém hơn các tế bào thường và
thường bị tiêu diệt trong khoảng nhiệt độ từ 420C đến 450C .
Phương pháp đốt nhiệt nhằm nâng cao nhiệt độ vùng ung thư lên nhiệt độ
cần thiết. Các phương pháp thụ nhiệt đã được nghiên cứu và áp dụng như: lò vi
sóng, siêu âm, laser,…Tuy nhiên các phương pháp này gặp khó khăn trong vấn đề
khống chế nhiệt độ khi các tế bào khỏe mạnh cũng bị ảnh hưởng nếu khối u nằm
sâu trong cơ thể.
+ Tăng độ tương phản trong cộng hưởng từ hạt nhân.
Ảnh cộng hưởng từ hạt nhân được xem như là một trong những công nghệ
hữu hiệu nhất để chuẩn đoán và đều trị bệnh. Lợi thế của phương pháp này là không
dùng tia X hay bất kì loại tia phóng xạ nào cả mà là công nghệ kết hợp một từ
trường lớn và các sóng có tần số radio [2].
1.2.4.3.

Khả năng sử dụng Fe3O4 để xử lí ô nhiễm nước.

Hiện nay, tài nguyên nước ở rất nhiều khu vực đã và đang bị ô nhiễm nặng nề
trong đó có nhiễm độc asen (As). Từ hiện trạng này, các nhà khoa học đã nghiên
cứu việc sử dụng nano oxit sắt từ để xử lí nguồn nước nhiễm độc asen. Bằng việc
phân tán những hạt nano oxit sắt vào nước, các hạt nano này sẽ hấp phụ asen có

trong nước, từ đó ta có thể loại bỏ đáng kể asen trong nước.
16

16
16


Khóa luận tốt nghiệp
Vấn đề khử asen trong nước là vấn đề cấp thiết được nhiều nhà khoa học trong
và ngoài nước quan tâm. Có rất nhiều cách để khử asen trong nước như quá trình
mềm hóa nước bằng vôi, trao đổi ion, lọc màng, hấp phụ,… Trong đó quá trình hấp
phụ là quá trình có ưu điểm hơn các phương pháp khác bởi tính kinh tế, khả năng
xử lí dễ dàng và an toàn. Hấp phụ là quá trình làm cho chất ô nhiễm có trong nước
bám dính vào bề mặt của chất hấp phụ mà giảm nồng độ của chất ô nhiễm. Oxit sắt
có tính phản ứng mạnh với hợp chất của asen để hình thành hợp chất sắt – asen trên
bề mặt của oxit sắt. Trong số các oxit sắt thì Fe 3O4 lại có từ tính mạnh, do đó vật
liệu sau khi hấp phụ asen lại có thể lọc ra khỏi nước dễ dàng bằng cách lắng đọng
bằng từ trường.
Các tài liệu [5,6] đã nghiên cứu khả năng lọc asen của vật liệu nano Fe 3O4. Kết
quả cho thấy, với một lượng nhỏ chất hấp phụ đã làm cho asen trong nước giảm trên
10 lần cho phép về dưới mức tiêu chuẩn.
Dưới đây là một số kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả [19] khảo sát ảnh
hưởng của các yếu tố như độ pH, nồng độ ban đầu, tốc độ rung, các ion cạnh tranh
đến sự hấp phụ asen của Fe3O4...
 Ảnh hưởng của pH

Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ asen (III) trong nước ngầm phụ thuộc độ
pH của dung dịch, giá trị tối ưu pH = 7. Hiệu suất khử As (III) ở pH = 3,5,7,9 lần
lượt là: 59%, 77%, 82%, 39%. Phản ứng xảy ra trong một thời gian ngắn ở tất cả
pH. Khoảng 90% asen (III) đã được hấp phụ ở những phút đầu tiên của phản ứng

trong khi đó chỉ có 1 phần rất nhỏ được hấp phụ bổ sung ở 14 phút sau. Sự nhanh
chóng hấp phụ asen (III) bằng các hạt nano từ được cho bởi khả năng hấp phụ bề
mặt ngoài khác với hấp phụ vi xốp. Vì gần như tất cả các vị trí hấp phụ của các hạt
nano từ đều tồn tại trên bề mặt ngoài của vật liệu hấp phụ, nó dễ dàng cho chất hấp
phụ bị truy nhập vào các vị trí hoạt tính, dẫn đến sự nhanh chóng đạt trạng thái cân
bằng. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hiệu quả loại bỏ asen (III) tăng lên khi giá
pH tăng trên 7. Khi tăng pH, có nhiều nhóm trên bề mặt các oxit sắt nên có sự tăng
cường lực đẩy tĩnh điện. Khi pH < pHzpc, bề mặt các oxit sắt tích điện dương và sự
hấp phụ của phần tử tích điện asen (V) so với phân tử tích điện asen (III). Do đó ở

17

17
17


Khóa luận tốt nghiệp
độ pH thấp hơn (chẳng hạn như pH = 4) tỉ lệ asen (V) thường bị hấp phụ cao hơn
asen (III).
 Ảnh hưởng của của nồng độ ban đầu.

Các nồng độ asen ban đầu được sử dụng là 10, 50, 100, 200 mg/l, pH = 7,
rung với tốc độ 250 rpm, nồng độ hạt nano là 5g/l, hiệu quả loại bỏ asen lần lượt là
79%, 58%, 27%, 16% tương ứng. Như vậy nồng độ asen bị loại bỏ tương ứng với
nồng độ asen ban đầu. Nguyên nhân do đối với một nồng độ hấp phụ cố định có
trong các vị trí hấp phụ giới hạn. Do đó với một nồng độ asen ban đầu thích hợp,
các vị trí của vật liệu hấp phụ trở nên bão hòa với lượng asen bị hút bám.
 Ảnh hưởng của các ion thông thường.

Nồng độ của các ion trong dung dịch và ái lực của chúng với bề mặt oxit sắt

ảnh hưởng đến sự hấp phụ asen. Sự hiện diện đồng thời của các ion thông thường
cùng với asen (III) dẫn đến sự cạnh tranh các vị trí hấp phụ sẵn có. Mặc dù các vị trí
hấp phụ chỉ có thể hấp phụ các chất hòa tan nhất định và không phải tất cả các chất
tan cạnh tranh cho chính xác các vị trí tương đương, do đó sự hiện diện cả các chất
hòa tan khác sẽ làm giảm sự hấp phụ ở một mức nào đó. Trong nước thải cation chủ
yếu là Na+, Cu+, Ni2+ và các anion , và . Trên cho thấy sự cạnh tranh các vị trí hấp
phụ trên bề mặt oxit sắt của là đáng kể. Vì vậy các ion nitrat đóng vai trò quan
trọng trong việc hấp phụ asen.
 Ảnh hưởng của tốc độ rung.

Các điều kiện bao gồm pH = 7, với 0.1g Fe3O4, nồng độ dung dịch là
100mg/l. Kết quả cho thấy tỉ lệ asen (III) bị hấp phụ được điều khiển bằng tốc độ
rung. Tỉ lệ asen bị hấp phụ tăng lên với sự gia tăng tốc độ rung 50 – 300 rpm. Điều
này có thể giải thích rằng với tốc độ rung nhỏ, hệ thống bị xáo trộn không đầy đủ,
do đó các hạt nano bị phân tán kém trong dung dịch, dẫn tới chỉ một phần diện tích
bề mặt của vật liệu hấp phụ được tiếp xúc và hấp phụ asen (III).
 Ảnh hưởng nồng độ của các hạt nano từ.

Kết quả nghiên cứu cho thấy khi nồng độ hạt nano từ tăng thì lượng asen bị
hấp phụ cũng tăng lên. Kết quả là do sự gia tăng các vị trí bề mặt hấp phụ để hấp
phụ, do đó có thể hấp phụ được nhiều asen (III) trên bề mặt hơn.
18

18
18


Khóa luận tốt nghiệp
Như vậy, các nghiên cứu đều cho thấy vật liệu Fe 3O4 là vật liệu có tiềm năng
trong việc hấp phụ asen (III) trong nước, vật liệu này có từ tính cao, thân thiện với

môi trường, do đó khả năng ứng dụng để xử lí nguồn nước trên thực tế rất cao.
1.3NGUYÊN TỐ KẼM.

Kẽm là một kim loại lưỡng tính, kí hiệu là Zn, số hiệu nguyên tử là Z = 30.
Kẽm về một số phương diện, có tính chất hóa học giống Magie, vì ion của chúng
bán kính giống nhau và trạng thái oxi hóa ở trạng thái thường là +2. Kẽm là nguyên
tố phổ biến thứ 24 trong lớp vỏ Trái Đất và có 5 đồng vị bền.
•

Tính chất vật lí
Kẽm có màu trắng xanh óng ánh và nghịch từ. Kẽm nhẹ hơn sắt và có cấu
trúc lập phương. Kẽm cứng và giòn nhưng có thể uốn được ở nhiệt độ 1001500C. Trên 2100C kẽm lại giòn và bị phân tán nhỏ bằng ái lực. Kẽm dẫn
điện khá, nhiệt độ nóng chảy 419,5 0C điểm sôi 9070C là điểm sôi thấp nhất

trong nhóm kim loại chuyển tiếp cao hơn thủy ngân và cadimi.
• Khả năng phản ứng
Kẽm có cấu hình electron là [Ar] 3d104s2, thuộc chu kì 4, nguyên tố nhóm IIB
trong bảng tuần hoàn. Là kim loại hoạt động trung bình và là chất oxi hóa
mạnh. Bề mặt của kim loại kẽm xỉn nhanh và hình thành lớp kẽm cacbonat.
Kẽm cháy trong không khí cho ngọn lửa màu xanh lục tạo ra oxit kẽm.
Tính chất hóa học của kẽm tương tự như tính chất hóa học của các kim loại
chuyển tiếp như niken và đồng. Bán kính ion của kẽm và magie giống nhau
nên nhiều trường hợp bán kính ion quyết định thì tính chất hóa học của
•

magie và kẽm rất giống nhau.
Ứng dụng chủ yếu là chống ăn mòn và pin.
Kẽm là kim loại sử dụng chủ yếu để chống ăn mòn dưới dạng mạ.
1.4
TỔNG HỢP HẠT NANO Fe3O4.

1.4.1 Các phương pháp tổng hợp hạt nano.
Về nguyên tắc, có thể tổng hợp hạt nano oxit sắt từ theo 2 phương pháp là

phương pháp từ trên xuống (top – down) và từ dưới lên (bottom – up). Phương pháp
thứ nhất gồm các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền hành tinh, nghiền
rung. Phương pháp thứ hai được phân loại thành phương pháp vật lí (phun xạ, bốc
bay...) và phương pháp hóa học (phương pháp kết tủa từ dung dịch, hình thành từ
pha khí).
19

19
19


Khóa luận tốt nghiệp
1.4.1.1

Phương pháp từ trên xuống (top – down).

Là phương pháp tạo hạt nano từ vật liệu khối ban đầu bằng cách sử dụng kĩ
thuật nghiền và biến dạng. Đây là phương pháp đơn giản rẻ tiền chế tạo được hạt
nano với một lượng lớn. Tuy nhiên, vì phản ứng xảy ra trong pha rắn nên sản phẩm
thu được có tính đồng nhất và độ tinh khiết hóa học không cao, bề mặt riêng nhỏ,
tốn nhiều năng lượng, gây ô nhiễm môi trường khi tổng hợp, khó thực hiện khi
trong hệ phản ứng có chất bay hơi do phản ứng xảy ra trong pha rắn.
1.4.1.2

Phương pháp từ dưới lên (bottom – up).

Phương pháp từ dưới lên là phương pháp tạo hạt nano từ các ion hoặc các

nguyên tử kết hợp lại với nhau. Phương pháp từ dưới lên được phát triển mạnh mẽ
vì tính linh động và chất lượng sản phẩm cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà
chúng ta dùng hiện nay đều chế tạo bằng cách này. Phương pháp từ dưới lên có thể
chia thành 2 loại: Phương pháp vật lí và phương pháp hóa học hoặc kết hợp cả 2
phương pháp hóa – lí.
Trong khóa luận này chúng tôi thực hiện tổng hợp oxit sắt từ kích thước
nano theo phương pháp hóa học.
1.4.2 Phương pháp hóa học tổng hợp hạt nano từ tính Fe3O4.
1.4.2.1
Phương pháp vi nhũ tương.

Từ năm 1982, phương pháp vi nhũ tương được đề cập đến bởi Boutonnet,
dùng để tổng hợp các hạt nano Pt, Pd, Rh, Ir có kích thước 3 5 nm. Từ đó đến nay,
phương pháp vi nhũ tương đã được sử dụng để tổng hợp những kim loại tinh khiết
và hạt nano bán dẫn với kích thước nhỏ.
Phương pháp này thích hợp cho việc tổng hợp nhiều loại hạt nano khác hoặc
sự kết hợp của bột oxit với nước – dung dịch có khả năng hòa tan được. Dung dịch
có khả năng hòa tan này được nhũ tương hóa một số chất hữu cơ, đồng nhất và
không tích tụ lại. Bằng sự thay đổi những điều kiện tổng hợp ta có thể điều khiển
được kích thước của hạt được tạo ra.

20

20
20


Khóa luận tốt nghiệp

Hình 1.9 Phương pháp vi nhũ tương.

Phương pháp vi nhũ tương có thể phân loại hai loại:
•

Phương pháp mixen (trộn) bình thường hay còn gọi là phương

pháp dầu trong nước (oil/water).
• Phương pháp mixen đảo còn được gọi là phương pháp nước trong
dầu (water/oil).
Trong cả hai trường hợp này đều sử dụng chất hoạt động bề mặt với nồng độ
ở trên nồng độ giới hạn của mixen. Tổng bề mặt của những phân tử hình thành
mixen có kích thước trung bình 10100 nm. Phương pháp mixen bình thường được
sử dụng trên một phạm vi rộng để tổng hợp các hạt nano ferit spinel như Fe3O4,
CoFe3O4 có pha tạp nhiều cation kim loại khác như là Cr, Zn và các nguyên tố họ
La. Các ferit như CoFe3O4, CoFe2O4, CoCrFeO4, Fe3O4 có thể được tổng hợp từ cả
hai phương pháp nhưng có một số ferit chỉ có thể tổng hợp từ phương pháp mixen
đảo như: MnFe3O4, CuFe3O4.
1.4.2.2

Phương pháp đồng kết tủa[10]

Phản ứng tạo kết tủa phụ thuộc vào tích số tan, khả năng tạo phức giữa các
ion kim loại và ion kết tủa, lực ion và độ pH của dung dịch. Giá trị pH và lực ion có
ảnh hưởng tới sự hình thành bề mặt hóa học của hạt và khi tăng hay giảm các giá trị
này ta có thể khống chế được kích thước của hạt. Tính đồng nhất hóa học của oxit
21

21
21

Khóa luận tốt nghiệp
thu được phụ thuộc vào tính đồng nhất của kết tủa từ dung dịch, vì vậy chọn điều
kiện để các ion kim loại cùng kết tủa là một công việc hết sức khó khăn và phức
tạp.

Hình 1.10 Phương pháp đồng kết tủa.
Trong phương pháp đồng kết tủa, nếu khống chế tốt với các điều kiện nhân
tạo kết tủa thì có thể làm giảm quá trình khuếch tán khi xảy ra phản ứng pha rắn. Ở
phương pháp này, các chất muốn khuếch tán sang nhau thì chỉ cần vượt qua quãng
đường từ 10 50 lần kích thước mạng cơ sở. Mặt khác, kích thước của hạt có thể
kiểm soát được bằng vận tốc phản ứng và sự tập trung nhiệt. Nếu các ion kim loại
có thể tách ra đúng thời điểm tại một nhiệt độ giới hạn thì sẽ thu được hạt có kích
thước nanomet. Tuy nhiên trong quá trình rửa để thu được hạt sẽ kéo theo một cách
chọn lọc cấu tử nào đó làm cho sản phẩm thu được có tính đồng nhất cao, bề mặt
riêng lớn, độ tinh khiết hóa học cao và tiết kiện năng lượng. Chính vì những lí do
trên mà hiện nay phương pháp đồng kết tủa là sự lựa chọn của rất nhiều phòng thí
nghiệm để tổng hợp hạt nano.
Cơ chế của phản ứng:
Cơ chế tổng hợp hạt nano Fe3O4 như sau: với tỉ phần mol hợp lí Fe 3+/Fe2+ = 2/1
trong môi trường kiềm có pH = 9 14 và trong điều kiện thiếu oxy.
Phương trình phản ứng xảy ra:
Fe2+ + Fe3+ + 8O Fe3O4 + 4H2O
Nếu có oxy thì Fe3O4 có thể bị oxy hóa thành hidroxit theo phản ứng:
Fe3O4 + 0.25 O2 + 4.5 H2O 3 Fe(OH)3
1.4.2.3
Phương pháp khử không hoàn toàn
Phương pháp này tương tự như phương pháp đồng kết tủa, tuy nhiên sử dụng
hóa chất ban đầu là dung dịch muối sắt ion Fe 3+. Cho dung dịch muối chứa Fe 3+ tác
22

22
22


Khóa luận tốt nghiệp
dụng với muối trong môi trường axit với tỉ lệ thích hợp sao cho Fe 3+ sẽ bị khử một
phần thành Fe2+.
Theo cơ chế:
Fe3+ + e Fe2+
Dung dịch thu được chứa đồng thời hai muối sắt Fe 3+ và Fe2+ với tỉ lệ 2 : 1,
cho dung dịch tác dụng với bazơ trong môi trường pH từ 9 – 11 theo phản ứng:
2Fe3+ + Fe2+ + 8O Fe3O4 + 4H2O
Phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình chế tạo thành Fe3O4:
2FeCl3 + Na2SO3 + H2O 2FeCl2 + Na2SO4 +2HCl
2FeCl3 + FeCl2 + 8NH3 + 4H2O Fe3O4 + 8NH4Cl
Trong luận văn này chúng tôi sử dụng phương pháp khử không hoàn toàn Fe 3+ để
tổng hợp Fe3O4.

23

23
23


Khóa luận tốt nghiệp
CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM
2.1.
TẠO MẪU
2.1.1 Hóa chất và dụng cụ
 Hóa chất:

• Dung dịch HCl 37%
• Natri sunfit Na2SO3, FeCl3.6H2O, nước cất (1 lần và 2 lần), axeton độ
•
•

•
•

sạch 99%.
Kẽm axetat (CH3COO)2Zn.2H2O độ sạch 99%.
Dung dịch NH3 25%.
Dụng cụ:
Máy khuấy từ, con từ.
Cốc thủy tinh 250ml,50ml, 40 ml; các pipet; đĩa thủy tinh; giấy bọc;

dán nhãn…
• Máy lọc, nam châm, giấy lọc, giấy hút ẩm.
• Tủ Host.
• Máy lọc chân không.
• Máy sấy chân không.
2.1.2 Chế tạo Fe3O4.
- Hút 0,85 ml dung dịch HCl 1M pha vào trong 100 ml nước cất đựng trong
cốc 250 ml.
-Lấy 20,25 g FeCl3.6H2O pha vào 0,85 ml HCl 1M trong 100ml nước cất,
khuấy tan ta được dung dịch 1 (dd1).
-Lấy 1,575 g Na2SO3 pha vào 50 ml nước cất, khuấy tan ta được dung dịch 2
(dd2).
-Trộn 2 dung dịch trên ta được dung dịch 3 (dd3) màu nâu, khuấy từ đến khi
dung dịch chuyển sang màu vàng tươi.
-Cho NH3 vào (dd3) sao cho pH = 9-10 và khuấy từ đều trong 30 phút ở

nhiệt độ 800C, kết thúc ta thu được hỗn hợp màu đen.
-Đem hỗn hợp đó đặt lên trên đế nam châm, các hạt nano Fe 3O4 sẽ lắng
xuống rất nhanh, gạt bỏ phần nước, và tiếp tục cho H2O vào để lắng và gạt nước. Cứ
như vật đến 3 lần thì cho axeton lọc 2 lần nữa, sau đó cho vào máy lọc chân không
để lọc lấy các hạt nano từ.
-Đem sản phẩm thu được có màu đen để trong ngăn đá tủ lạnh trong 1 ngày.
Sau đó lấy ra để đá tan chảy hết rồi lại cho vào máy lọc chân không 1 tiếng để lọc
lấy các hạt nano từ. Đem sản phẩm thu được sấy khoảng 4-5 tiếng ở nhiệt độ 40 0C.

24

24
24


Khóa luận tốt nghiệp
Sản phẩm khô thu được chúng ta đem đi nghiền nhỏ ta thu được sản phẩm là hạt
nano Fe3O4. Sau đó cất vào tủ hút ẩm bảo quản.
Quá trình tạo Fe3O4 bằng phương pháp khử không hoàn toàn ion Fe 3+ dựa
vào phản ứng hóa học sau: Fe3+ + e => Fe2+
2Fe3+ + Fe2+ +8OH- => Fe3O4↓ + 4H2O

25

25
25