Nghiên cứu tổng hợp oxit nano NiAl2O4, ZnAl2O4 và bước đầu thăm dò ứng dụng của chúng (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

LƢƠNG THỊ LAN

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP OXIT NANO NiAl2O4, ZnAl2O4
VÀ BƢỚC ĐẦU THĂM DÕ ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

THÁI NGUYÊN – 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

LƢƠNG THỊ LAN

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP OXIT NANO NiAl2O4, ZnAl2O4
VÀ BƢỚC ĐẦU THĂM DÕ ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG

Chuyên ngành: HÓA VÔ CƠ
Mã số: 60 44 01 13

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Lê Hữu Thiềng

THÁI NGUYÊN – 2017

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS. Lê Hữu Thiềng. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Lƣơng Thị Lan

Ngƣời hƣớng dẫn

Xác nhận của khoa chuyên môn
Trƣởng khoa

PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền Lan

PGS.TS. Lê Hữu Thiềng

i


LỜI CẢM ƠN
Luận văn đã được hoàn thành tại khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm,
Đại học Thái Nguyên. Trước tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới
PGS.TS Lê Hữu Thiềng người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện
thuận lợi để em hoàn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Ban Giám hiệu,
Phòng Đào tạo, khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên
cứu thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn cán bộ các phòng máy của Viện Khoa học Vật

liệu, Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện Vệ
sinh Dịch tễ Trung ương, Khoa Hóa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên,
Khoa Hóa học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, các bạn bè đồng nghiệp đã
giúp đỡ, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực
nghiệm và hoàn thành luận văn.
Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến gia đình, những người đã không
ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời
gian học tập và thực hiện luận văn.
Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng
nghiên cứu của bản thân còn hạn chế nên luận văn của em có thể còn thiếu sót.
Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô, bạn bè đồng nghiệp
và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn để bản
luận văn được hoàn thiện hơn.
Thái Nguyên, tháng 04 năm 2017
Tác giả luận văn

Lƣơng Thị Lan

ii


MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ
Lời cam đoan ........................................................................................................ i
Lời cảm ơn ........................................................................................................... ii
Mục lục ...............................................................................................................iii
Danh mục các chữ viết tắt .................................................................................. iv
Danh mục các bảng.............................................................................................. v
Danh mục các hình ............................................................................................. vi

MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 2
1.1. Giới thiệu về oxit phức hợp kiểu spinel ....................................................... 2
1.1.1. Cấu trúc của oxit phức hợp kiểu spinel ..................................................... 2
1.1.2. Tính chất và ứng dụng của các spinel ....................................................... 3
1.2. Tính chất xúc tác của oxit kim loại .............................................................. 5
1.2.1. Động học của các phản ứng xúc tác .......................................................... 5
1.2.2. Xúc tác dị thể ............................................................................................. 8
1.3. Một số phương pháp tổng hợp đốt cháy ..................................................... 10
1.3.1. Giới thiệu về phương pháp đốt cháy ....................................................... 10
1.3.2. Đốt cháy trạng thái rắn ............................................................................ 12
1.3.3. Phương pháp đốt cháy dung dịch ............................................................ 12
1.3.4. Phương pháp đốt cháy gel polime ........................................................... 13
1.4. Giới thiệu về xanh metylen......................................................................... 15
1.5. Một số kết quả nghiên cứu tổng hợp oxit phức hợp kiểu spinel ................ 16
Chƣơng 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM .... 18
2.1. Phương pháp chế tạo các oxit nano ............................................................ 18
2.1.1. Hóa chất ................................................................................................... 18
2.1.2. Giới thiệu về ODH................................................................................... 18

iii


2.1.3. Tổng hợp các oxit nano NiAl2O4, ZnAl2O4 bằng phương pháp đốt
cháy dung dịch ................................................................................................... 19
2.2. Các phương pháp xác định đặc trưng của các oxit ..................................... 20
2.2.1. Phương pháp phân tích nhiệt ................................................................... 20
2.2.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen .............................................................. 20
2.2.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) ............. 22
2.2.4. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng ................................................... 23

2.2.5. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) ................................... 24
2.2.6. Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis ............................................. 25
2.3. Lập đường chuẩn xanh metylen ................................................................. 26
2.4. Nghiên cứu khả năng phân hủy xanh metylen bằng H 2O2 trên xúc tác
NiAl2O4 và ZnAl2O4 .......................................................................................... 28
2.4.1. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng ......................................................... 28
2.4.2. Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác .................................................. 28
2.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ xanh metylen .................................................... 29
2.4.4. Nghiên cứu động học phản ứng phân hủy xanh metylen bằng H2O2
trên xúc tác NiAl2O4, ZnAl2O4 .......................................................................... 29
2.4.5. Khả năng tái sử dụng của các chất xúc tác NiAl2O4, ZnAl2O4 ............... 29
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 30
3.1. Nghiên cứu tổng hợp oxit nano NiAl2O4 bằng phương pháp đốt cháy gel .... 30
3.1.1. Khảo sát lựa chọn nhiệt độ nung ............................................................. 30
3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung .................................................. 32
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel................................................. 33
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel ......................................................... 34
3.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol KL/ODH ........................................... 35
3.1.6. Kết quả đo phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) ...................................... 36
3.2. Nghiên cứu tổng hợp oxit nano ZnAl2O4 bằng phương pháp đốt cháy gel.... 37
3.2.1. Khảo sát lựa chọn nhiệt độ nung ............................................................. 37

iv


3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung .................................................. 39
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel................................................. 40
3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel ......................................................... 41
3.2.5. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol KL/ODH ........................................... 42
3.2.6. Kết quả đo phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) ...................................... 44

3.3. Kết quả nghiên cứu khả năng xúc tác của NiAl2O4, ZnAl2O4 cho phản
ứng phân hủy MB bằng H2O2 ............................................................................ 46
3.3.1. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian .......................................... 46
3.3.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác .................. 48
3.3.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ xanh metylen .................... 49
3.3.4. Kết quả nghiên cứu động học phản ứng phân hủy MB bằng H2O2
trên xúc tác NiAl2O4, ZnAl2O4 .......................................................................... 50
3.3.5. Tái sử dụng các oxit................................................................................. 58
KẾT LUẬN....................................................................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 62
PHỤ LỤC

v


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tên đầy đủ

Tên viết tắt

Brunauer - Emmett - Teller
BET

Tên riêng của ba nhà khoa học
(Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng)

CH

Cacbohydrazide

CS

Combustion Synthesis (Tổng hợp đốt cháy)

DTA

EDS

Differential Thermal Analysis
(Phân tích nhiệt vi sai)
Energy Dispersive X - ray Spectroscopy
(Phổ tán xạ năng lượng tia X)

MB

Methylen Blue (Xanh metylen)

NOx

NO và NO2

ODH

Oxalyl đihyđrazin

PVA

Polyvinyl ancol

SC

Solution Combustion (Đốt cháy dung dịch)

SEM

SHS
SSC
TEM

TGA

XRD

Scanning Electron Microscope
(Phương pháp hiển vi điện tử quét)
Self Propagating High Temperature Synthesis Process
Tổng hợp tự lan truyền nhiệt độ cao
Solid State Combustion (Đốt cháy trạng thái rắn)
Transnission Electron Microscope
(Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua)
Thermo Gravimetric Analysis
(Phân tích nhiệt trọng lượng)
X-Ray Diffraction
(Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen)

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Tính chất của một số spinel................................................................. 4

Bảng 1.2. Một số oxit được điều chế bằng đốt cháy dung dịch ........................ 13
Bảng 1.3. Một số hợp chất được điều chế theo phương pháp đốt cháy
gel polyme......................................................................................... 14
Bảng 2.1. Sự phụ thuộc của độ hấp thu quang vào nồng độ xanh metylen ...... 27
Bảng 3.1. Kích thước hạt tinh thể NiAl2O4 ở các nhiệt độ nung khác nhau ..... 31
Bảng 3.2. Kích thước hạt tinh thể NiAl2O4 ở các thời gian nung khác nhau .... 32
Bảng 3.3. Kích thước hạt tinh thể NiAl2O4 ở các nhiệt độ tạo gel khác nhau....... 33
Bảng 3.4. Kích thước hạt tinh thể NiAl2O4 ở các pH tạo gel khác nhau........... 34
Bảng 3.5. Kích thước hạt tinh thể NiAl2O4 ở các tỷ lệ mol KL/ODH khác nhau ... 35
Bảng 3.6. Thành phần (%) các nguyên tố trong mẫu NiAl2O4 ......................... 36
Bảng 3.7. Kích thước hạt tinh thể ZnAl2O4 ở các nhiệt độ nung khác nhau ..... 39
Bảng 3.8. Kích thước hạt tinh thể ZnAl2O4 ở các thời gian nung khác nhau ... 40
Bảng 3.9. Kích thước hạt tinh thể ZnAl2O4 ở các nhiệt độ tạo gel khác nhau ........ 41
Bảng 3.10. Kích thước hạt tinh thể ZnAl2O4 ở các pH tạo gel khác nhau ........ 42
Bảng 3.11. Kích thước hạt tinh thể ZnAl2O4 ở các tỷ lệ mol KL/ODH
khác nhau ........................................................................................ 43
Bảng 3.12. Thành phần (%) các nguyên tố trong ZnAl2O4 ............................... 44
Bảng 3.13. Hiệu suất phân hủy MB theo thời gian trong trường hợp
không có và có xúc tác NiAl2O4 và ZnAl2O4 ................................. 47
Bảng 3.14. Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác đến hiệu suất phân
hủy MB ........................................................................................... 48
Bảng 3.15. Ảnh hưởng của nồng độ MB đến hiệu suất phân hủy MB khi
có mặt NiAl2O4 và ZnAl2O4 ........................................................... 49
Bảng 3.16. Hiệu suất phân hủy MB ở các nhiệt độ khác nhau khi có mặt
NiAl2O4 ........................................................................................... 52

v


Bảng 3.17. Hiệu suất phân hủy MB ở các nhiệt độ khác nhau khi có mặt

ZnAl2O4 .......................................................................................... 53
Bảng 3.18. Bảng giá trị ln(Co/C) theo thời gian ở các nhiệt độ khác nhau
khi có mặt NiAl2O4 ......................................................................... 54
Bảng 3.19. Bảng giá trị ln(Co/C) theo thời gian ở các nhiệt độ khác nhau
khi có mặt ZnAl2O4 ........................................................................ 55
Bảng 3.20. Quan hệ giữa lnk và 1/T trên oxit NiAl2O4..................................... 57
Bảng 3.21. Quan hệ giữa lnk và 1/T trên oxit ZnAl2O4 .................................... 57
Bảng 3.22. Hiệu suất phân hủy MB ứng với chất xúc tác mới và chất xúc
tác tái sử dụng ................................................................................. 58

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của spinel ................................................................. 2
Hình 1.2. Cấu trúc ô mạng spinel thuận .............................................................. 2
Hình 2.1. Công thức cấu tạo của ODH .............................................................. 18
Hình 2.2. Sơ đồ tổng hợp oxit bằng phương pháp đốt cháy dung dịch ODH ... 19
Hình 2.3. Đường chuẩn xác định nồng độ MB ................................................. 27
Hình 2.4. Phổ UV-Vis của MB nồng độ 10ppm ............................................... 27
Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt của gel Ni2+- Al3+ - ODH ............................ 30
Hình 3.4. Giản đồ XRD của mẫu NiAl2O4 ở các nhiệt độ tạo gel khác nhau ... 33
Hình 3.5. Giản đồ XRD của mẫu NiAl2O4 ở các pH tạo gel khác nhau ........... 34
Hình 3.6. Giản đồ XRD của mẫu NiAl2O4 ở các tỷ lệ mol KL/ODH khác nhau.... 35
Hình 3.7. Phổ EDS của oxit NiAl2O4 ................................................................ 36
Hình 3.8. Giản đồ XRD của NiAl2O4 ................................................................ 37
Hình 3.9. Ảnh SEM của NiAl2O4 ...................................................................... 37
Hình 3.10. Ảnh TEM của NiAl2O4 .................................................................... 37
Hình 3.11. Giản đồ phân tích nhiệt của gel Zn2+ - Al3+ - ODH ......................... 38
Hình 3.12. Giản đồ XRD của mẫu ZnAl2O4 ở các nhiệt độ nung khác nhau ... 39

Hình 3.13. Giản đồ XRD của mẫu ZnAl2O4 ở các thời gian nung khác nhau ...... 40
Hình 3.14. Giản đồ XRD của mẫu ZnAl2O4 ở các nhiệt độ tạo gel khác nhau ..... 41
Hình 3.15. Giản đồ XRD của mẫu ZnAl2O4 ở các pH tạo gel khác nhau ......... 42
Hình 3.16. Giản đồ XRD của ZnAl2O4 ở các tỷ lệ mol KL/ODH khác nhau ... 43
Hình 3.17. Phổ EDS của oxit ZnAl2O4.............................................................. 44
Hình 3.18. Giản đồ XRD của mẫu ZnAl2O4 ..................................................... 45
Hình 3.19. Ảnh SEM của ZnAl2O4.................................................................... 45
Hình 3.20. Ảnh TEM của ZnAl2O4 ................................................................... 45
Hình 3.21. Phổ UV-Vis của sản phẩm phản ứng phân hủy MB bởi H2O2
khi không có xúc tác ở các thời gian khác nhau ............................. 46

vi


Hình 3.22. Phổ UV-Vis của sản phẩm phản ứng phân hủy MB bởi H2O2
khi có xúc tác NiAl2O4 ở các thời gian khác nhau ......................... 46
Hình 3.23. Phổ UV-Vis của sản phẩm phản ứng phân hủy MB bởi H2O2
khi có xúc tác ZnAl2O4 ở các thời gian khác nhau ......................... 47
Hình 3.24. Sự phụ thuộc của hiệu suất phản ứng phân hủy MB vào khối
lượng chất xúc tác ........................................................................... 49
Hình 3.25. Sự phụ thuộc của hiệu suất phản ứng phân hủy MB vào
nồng độ MB khi có mặt NiAl2O4 và ZnAl2O4 ................................ 50
Hình 3.26. Sự phụ thuộc của hiệu suất phân hủy MB vào thời gian ở các
nhiệt độ khác nhau khi có mặt NiAl2O4 ......................................... 52
Hình 3.27. Sự phụ thuộc của hiệu suất phân hủy MB vào thời gian ở các
nhiệt độ khác nhau khi có mặt ZnAl2O4 ......................................... 53
Hình 3.28. Sự phụ thuộc ln(Co/C) vào thời gian phản ứng khi có mặt
NiAl2O4 ........................................................................................... 54
Hình 3.29. Sự phụ thuộc ln(Co/C) vào thời gian phản ứng khi có mặt
ZnAl2O4 .......................................................................................... 55

Hình 3.30. Biểu diễn mối quan hệ lnk phụ thuộc vào 1/T cúa oxit NiAl2O4 .... 57
Hình 3.31. Biểu diễn mối quan hệ lnk phụ thuộc vào 1/T cúa oxit ZnAl2O4.... 58
Hình 3.32. Khảo sát khả năng tái sử dụng của oxit NiAl2O4 ........................... 59
Hình 3.33. Khảo sát khả năng tái sử dụng của oxit ZnAl2O4 ............................ 59

vii


MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển công nghiệp hóa và đô thị hóa, ô nhiễm môi trường
nước do hóa chất ngày càng gia tăng liên tục. Các chất hữu cơ gây ô nhiễm độc
hại trong môi trường nước chủ yếu là các hyđrocacbon đa nhân thơm và
polychlorobyphenyl. Đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm giảm thiểu sự ô
nhiễm môi trường nước bởi các chất hữu cơ độc hại. Hiện nay phương pháp
được quan tâm nhiều đó là thực hiện sự chuyển hóa các chất hữu cơ độc hại
thành chất không độc hại hoặc ít độc hại hơn. Nhằm làm gia tăng hiệu quả của
quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ, nhiều chất xúc tác có kích thước nano
mét đã được quan tâm và sử dụng nhiều.
Các oxit kích thước nano mét kiểu spinel có nhiều tính chất lí thú, đặc biệt
là tính xúc tác cao đã được biết đến và ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ trong
môi trường nước. Để tổng hợp các oxit kiểu spinel, người ta có thể sử dụng
nhiều phương pháp hóa học khác nhau, trong đó tổng hợp đốt cháy có nhiều ưu
điểm nên đã được ứng dụng rộng rãi và đem lại hiệu quả cao. Hình thái và cấu
trúc các nano spinel có ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của nó. Các đặc trưng
này phụ thuộc vào các yếu tố như chất nền, nhiệt độ và thời gian nung, tỷ lệ
mol các cấu tử,…
Trên cơ sở đó chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp oxit
nano NiAl2O4, ZnAl2O4 và bước đầu thăm dò ứng dụng của chúng”
Mục tiêu của đề tài là:
- Tổng hợp các oxit NiAl2O4, ZnAl2O4 có hoạt tính xúc tác cho quá trình

phân hủy xanh metylen bằng phương pháp đốt cháy trong chất nền oxalyl
đihyđrazin (ODH).
- Nghiên cứu đặc trưng của các oxit tổng hợp được bằng các phương pháp
vật lý, hóa lý.
- Thăm dò khả năng xúc tác của các oxit trong phản ứng phân hủy xanh
metylen bằng H2O2.

1


Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về oxit phức hợp kiểu spinel
1.1.1. Cấu trúc của oxit phức hợp kiểu spinel
Các spinel có công thức tổng quát là AB2O4, trong đó A và B là cation
kim loại có hóa trị II và III tương ứng. Mạng lưới spinel được hình thành từ các
oxi có cấu trúc xếp chặt tạo thành ô mạng cơ sở chứa 8 phân tử AB2O4. Mỗi ô
mạng cơ sở chứa 64 lỗ trống tứ diện và 32 lỗ trống bát diện. Để trung hòa điện
tích với các ion oxi, chỉ có 8 lỗ trống tứ diện và 16 lỗ trống bát diện chứa các
cation kim loại. Các lỗ trống này lần lượt được kí hiệu là A (tứ diện) và B (bát
diện) [7].
8 cation A nằm trong 8 hốc trống tứ diện, còn 16 cation B nằm vào hốc
bát diện thì tạo thành mạng lưới spinel thuận, ký hiệu A[BB]O4.
8 cation A nằm trong 8 hốc trống bát diện, còn 16 cation B phân làm hai:
8 cation nằm vào hốc tứ diện, 8 cation nằm vào hốc bát diện tạo thành spinel
nghịch đảo, ký hiệu B[AB]O4.
Nếu 24 cation A và B được phân bố một cách ngẫu nhiên vào các hốc tứ
diện và hốc bát diện thì gọi là spinel trung gian.
với 0

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của spinel

2

Hình 1.2. Cấu trúc ô mạng spinel thuận


Sự phân bố các cation A2+, B3+ vào vị trí tứ diện, bát diện được quyết định bởi
các yếu tố sau:
- Bán kính ion: Hốc tứ diện có thể tích nhỏ hơn hốc bát diện do đó chủ yếu
các cation có kích thước nhỏ hơn được phân bố vào hốc tứ diện. Thông thường
lớn hơn

nghĩa là xu hướng tạo thành spinel nghịch là chủ yếu.

- Cấu hình electron: tùy thuộc vào cấu hình electron của cation mà chúng
thích hợp với một kiểu phối trí nhất định.
- Năng lượng tĩnh điện: năng lượng tĩnh điện của mạng spinel tạo nên bởi
các ion lân cận khi tạo thành cấu trúc spinel. Sự phân bố sao cho các cation
A2+ nằm vào hốc tứ diện, B3+ nằm vào hốc bát diện là thuận lợi về mặt năng
lượng [7].
1.1.2. Tính chất và ứng dụng của các spinel
Số tinh thể kết tinh theo mạng lưới spinel khá phổ biến trong hợp chất vô
cơ. Trong công thức tổng quát AB2O4 thì ion A2+ có thể là ion của các kim loại
như Cu, Zn, Fe, Co, Ni… ion B3+ có thể là ion của các kim loại như Al, Cr, Fe,
Mn. Do khả năng thay thế đồng hình, đồng hoá trị hoặc không đồng hoá trị các
cation trong spinel làm cho số lượng hợp chất spinel tăng lên rất lớn. Tuy
nhiên, không phải tất cả các hợp chất có công thức AB2O4 đều kết tinh theo hệ
lập phương như spinel [7]. Ví dụ như BeAl2O4, CaCr2O4 thuộc hệ hình thoi,
còn SrAl2O4 thuộc hệ tứ phương. Trong khi đó một số hợp chất oxit ứng với

công thức A2BO4 (ứng với A2+, B4+), ví dụ Mg2TiO4, Co2TiO4, Fe2TiO4 lại kết
tinh theo hệ lập phương và được sắp xếp vào nhóm spinel. Ngoài các oxit phức
tạp ra, còn có các spinel có anion là chalcogen (S2-, Se2-, Te2-) hoặc halogen
như Li2NiF4.
Spinel là vật liệu điện môi có độ rộng vùng cấm lớn, chúng hấp thụ các
bức xạ thuộc vùng tử ngoại. Chúng có nhiệt nóng chảy, độ cứng cao, có khả
năng chống lại sự ăn mòn của tất cả các loại axit. Tính chất vật lí của một số
spinel được đưa ra ở bảng 1.1.

3


Bảng 1.1. Tính chất của một số spinel
Công thức

ZnAl2O4

Tinh thể
Lập
phương

d

tonc (oC)

Giãn nở

a (Å)

Độ cứng

8,1

7,5-8,0

4,58

1930

0,596

(g/cm3)

(-105)

NiAl2O4

-nt-

8,0

-

4,45

2020

-

CoAl2O4

-nt-

8,1

>7,0

4,37

1960

-

MnAl2O4

-nt-

-

-

4,12

-

-

Mg2TiO4

-nt-

-

>6,0

3,56

-

1,12

MnFe2O4

-nt-

-

6,0

4,9

-

-

BeAl2O4

Hình thoi

-

8,5

3,72

1870
phân hủy

0,573

(-) không xác định
Theo độ dẫn điện, có thể đánh giá được cấu tạo bên trong của spinel. Ví
dụ Fe3O4 và Mn3O4 đều có cấu trúc spinel, nhưng trong khi Mn3O4 là chất điện
môi (không dẫn điện) còn Fe3O4 lại có độ dẫn điện cao như kim loại. Đó là do
Fe3O4 có cấu trúc spinel nghịch, còn Mn3O4 là spinel thuận.
Một trong các đặc tính quan trọng của spinel là dễ dàng tạo thành dung
dịch rắn thay thế với nhau do thông số mạng của chúng gần bằng nhau.
Ví dụ, các hệ spinel MgAl2O4-MgCr2O4, FeCr2O4- FeFe2O4 có giản đồ
trạng thái thuộc kiểu tính tan không hạn chế. Cromit cũng dễ trộn lẫn với ferit.
Một số spinel có thể tạo dung dịch rắn với nhôm oxit, đặc biệt với γ-Al2O3 có
mạng lưới giống với mạng lưới tinh thể của spinel. Vì vậy, tính chất của spinel
được quyết định bởi tính chất và hàm lượng của các oxit hợp phần. Khi tổng
hợp spinel hoặc khi hình thành dung dịch kiểu spinel đều có sự tăng thể tích
của pha tinh thể. Một nét đặc trưng cần quan tâm là phản ứng thay thế trong
spinel, ví dụ các aluminat với oxit có 3 kiểu tương tác:

4


1) MgO + BeAl2O4 →MgAl2O4 + BeO

2) MgO + NiAl2O4 → (Ni,Mg)O + (Mg,Ni)Al2O4
3) Các aluminat trộn lẫn hoàn toàn còn các oxit thì trộn lẫn không hoàn
toàn [7].
Các hợp chất spinel có giá trị rất lớn trong kỹ thuật. Chúng được sử dụng
làm bột màu, vật liệu chịu lửa, vật liệu kỹ thuật điện tử, đá quý. Chúng bền với
các tác nhân oxi hoá cũng như tác nhân khử… Do vậy, việc tổng hợp và nghiên
cứu ứng dụng vật liệu spinel được nhiều nhà khoa học quan tâm.
1.2. Tính chất xúc tác của oxit kim loại
1.2.1. Động học của các phản ứng xúc tác
Phản ứng xúc tác có thể thực hiện theo hai phương pháp:
- Phương pháp tĩnh: trong đó các chất tham gia phản ứng được chứa trong
một không gian (thể tích) xác định. Sự diễn biến của phản ứng được theo dõi qua
sự giảm nồng độ (hoặc áp suất) của chất tham gia phản ứng; hoặc sự tăng nồng độ
(hoặc áp suất) của các chất sản phẩm phản ứng với thời gian.
- Phương pháp động: các chất tham gia phản ứng ở trạng thái khí chuyển
qua một lớp hạt xúc tác của một thiết bị phản ứng dòng liên tục. Tỉ số giữa tốc
độ thể tích của dòng và thể tích của lớp xúc tác được định nghĩa là tốc độ
không gian, có thứ nguyên [thời gian]-1. Nghịch đảo của tốc độ không gian gọi
là thời gian tiếp xúc. Trong thiết bị dòng, nồng độ sản phẩm tăng theo độ dày
lớp xúc tác. Độ dày lớp xúc tác có giá trị tương đương với thời gian phản ứng
trong thiết bị phản ứng tĩnh.
1.2.1.1. Tốc độ và bậc phản ứng
Tốc độ và bậc phản ứng là các thông số động học quan trọng của một
phản ứng hóa học vì :
- Nhờ đó mà chúng ta biết được một hay toàn bộ cơ chế phản ứng và từ đó
có thể điều khiển các phản ứng một cách khoa học và hợp lí nhất.

5

- Dựa vào tốc độ phản ứng, bậc phản ứng người ta có thể thiết kế tối ưu
các thiết bị phản ứng, tính toán hợp lí kích thước, hình dáng của thiết bị.
- Thông qua mối quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ phản ứng, người ta có
thể dự đoán được các yếu tố vật lí, hóa học, bề mặt... ảnh hưởng đến tốc độ quá
trình; cũng như có thể dự đoán giai đoạn nào là giai đoạn chậm nhất trong toàn
bộ quá trình phản ứng [4].
Xét phản ứng : Ai →Di
Theo định luật tác dụng khối lượng, tốc độ phản ứng được biểu diễn:
v  k.PAa1 .PAb2 .PAc3 ...

(1.1)

Trong đó: k là hằng số tốc độ
P là áp suất
a, b, c... là bậc của A1, A2, A3...
Bậc chung của phản ứng là : a + b +c ...
Trong các phản ứng xác tác dị thể thì biểu thức (1.1) có thể thêm các đại
lượng đại diện cho sản phẩm phản ứng.
v  k.PAa1 .PAb2 .PAc3 ...PDm1 .PDn2 ...

(1.2)

Bởi vì các sản phẩm phản ứng có thể bị hấp phụ trên bề mặt xúc tác và do
đó ảnh hưởng đến giá trị tốc độ phản ứng. Các sản phẩm phản ứng không hấp
phụ thì biểu thức tốc độ phản ứng lại có dạng như (1.1).
1.2.1.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến tốc độ của phản ứng xúc tác
Mối quan hệ giữa nhiệt độ và hằng số tốc độ k tuân theo phương trình
Arhenius:
(1.3)
Trong đó:

k0 là hằng số tỉ lệ
R là hằng số khí
T là nhiệt độ tuyệt đối

6


E là năng lượng hoạt hóa
Như vậy, năng lượng hoạt hoá E càng nhỏ thì tốc độ phản ứng k càng lớn.
Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng bằng cách làm giảm năng lượng
hoạt hóa của hệ [4].
1.2.1.3. Hiện tƣợng chuyển khối trong phản ứng xúc tác
Cho đến nay, khi nghiên cứu về động học chúng ta đều cho rằng phản ứng
giữa các chất bị hấp phụ; hoặc giữa các phân tử khí và phân tử chất bị hấp phụ
là giai đoạn quyết định tốc độ chung của toàn bộ phản ứng. Tuy nhiên, trong
thực tế không hoàn toàn như vậy. Tốc độ của một quá trình nói chung phụ
thuộc vào 5 giai đoạn cơ bản sau đây và một trong số chúng sẽ là giai đoạn
quyết định tốc độ của quá trình [4].
(1) Vận chuyển chất phản ứng đến bề mặt chất xúc tác
(2) Hấp phụ chất phản ứng trên bề mặt xúc tác
(3) Phản ứng xảy ra trên bề mặt chất xúc tác
(4) Khử hấp phụ (giải hấp) sản phẩm khỏi bề mặt xúc tác
(5) Vận chuyển sản phẩm phản ứng khỏi bề mặt xúc tác
Các giai đoạn (2), (3), (4) có bản chất hóa học và được xem như các giai
đoạn tạo nên một phản ứng xúc tác. Giai đoạn (1) và (5) ngược lại không liên
quan đến biến đổi hóa học. Giai đoạn (1) là quá trình thuần túy vật lí, chuyển
chất từ pha khí hay lỏng đến các tâm phản ứng trên bề mặt xúc tác. Đó là một
quá trình khuếch tán và thường được gọi là quá trình chuyển khối.
Khi các giai đoạn (1) và (5) là giai đoạn chậm hơn so với các giai đoạn của
phản ứng hóa học thì tốc độ của phản ứng xúc tác dị thể được quyết định bởi tốc

độ khuếch tán hoặc tốc độ chuyển chất. Trong thực tế, điều quan trọng cần biết
làm sao nhận ra khi nào phản ứng xúc tác bị hạn chế bởi các khuếch tán, bởi vì
trong điều kiện đó, chất xúc tác không thể làm việc hết khả năng của mình.
Một số dấu hiệu sau đây biểu thị sự hạn chế do khuếch tán ở bề mặt ngoài
của các hạt xúc tác:

7


- Tốc độ phản ứng tỉ lệ với khối lượng chất xúc tác (hoặc tỉ lệ với nồng độ
của chất hoạt động xúc tác) theo bậc nhỏ hơn 1.
- Tốc độ phản ứng tăng do cải thiện điều kiện vận chuyển chất trong pha
lỏng hoặc khí (khuấy, thay đổi lưu lượng…).
Ngược lại, phản ứng xúc tác dị thể mà tốc độ của nó được quyết định
thuần túy hóa học có các biểu hiện sau đây:
- Tốc độ tăng tỉ lệ chính xác bậc 1 theo khối lượng chất xúc tác hoặc nồng
độ của chất hoạt động xúc tác.
- Tốc độ không bị ảnh hưởng bởi sự khuấy trộn.
Trong nghiên cứu phản ứng xúc tác dị thể, người ta thường sử dụng các
thuật ngữ sau:
- Miền động học: đó là trường hợp khi tốc độ của phản ứng thuần túy hóa
học là chậm nhất và nó quyết định tốc độ chung của toàn bộ phản ứng xúc tác
dị thể.
- Miền khuếch tán: đó là trường hợp tốc độ phản ứng được quyết định bởi
giai đoạn khuếch tán.
- Miền quá độ: là trường hợp khi tốc độ khuếch tán và tốc độ phản ứng
hóa học xấp xỉ nhau [4].
1.2.2. Xúc tác dị thể
Phản ứng xúc tác dị thể xảy ra trên bề mặt phân cách pha, thông thường
chất xúc tác nằm ở pha rắn còn chất phản ứng nằm ở pha lỏng hoặc pha khí.

Trong phản ứng xúc tác dị thể, sự tham gia của bề mặt vào phản ứng làm cho
hiện tượng trở nên phức tạp hơn; hợp chất trung gian chỉ tồn tại trên bề mặt với
nồng độ rất bé khó phát hiện. Chỉ trong một số trường hợp, bằng phương pháp
hồng ngoại và cộng hưởng từ electron có thể khám phá trạng thái hấp thụ hóa
học của phân tử trên bề mặt.
Phản ứng xúc tác dị thể xảy ra trên bề mặt nên nhất thiết phải đi qua các
giai đoạn sau đây:

8


1. Khuếch tán chất phản ứng từ ngoài thể tích đến bề mặt chất xúc tác;
2. Hấp phụ chất phản ứng trên bề mặt;
3. Phản ứng trên bề mặt;
4. Giải hấp sản phẩm phản ứng khỏi bề mặt;
5. Khuếch tán sản phẩm từ bề mặt ra ngoài thể tích.
Tốc độ quá trình bị khống chế bởi giai đoạn chậm nhất gọi là giai đoạn
quyết định tốc độ. Tùy theo giai đoạn chậm nhất là giai đoạn khuếch tán, hấp
phụ hay phản ứng mà người ta phân biệt miền khuếch tán, hấp phụ hay động học
của phản ứng. Đối với nghiên cứu động học, điều quan trong nhất là tiến hành
phản ứng trong miền động học khi tốc độ phản ứng trên bề mặt là chậm nhất.
Về hệ không gian, có thể chia hệ phản ứng - chất xúc tác thành các lớp
khác nhau theo sơ đồ:
(IV) Lớp khuếch tán
(III) Lớp hấp phụ
(II) Lớp bề mặt xúc tác
(I) Lớp thể tích chất xúc tác
Trong việc nghiên cứu chất xúc tác lớp (IV) không đóng vai trò đặc biệt,
lớp (III) là đối tượng nghiên cứu của các thuyết hấp phụ, lớp (II) là đối tượng
nghiên cứu của các thuyết về trung tâm xúc tác, còn lớp (I) là đối tượng nghiên

cứu của vật lý chất rắn.
Phân loại xúc tác dị thể
Tuy phản ứng xúc tác dị thể phức tạp nhưng chúng có thể chia ra thành hai
loại khác nhau: xúc tác oxi hóa khử và xúc tác axit bazơ.
- Xúc tác oxi hóa khử hay xúc tác electron thực hiện trên các chất dẫn
điện: kim loại và bán dẫn. Thuộc loại này thường là các phản ứng đồng li: oxi
hóa, khử, hiđro đehiđro hóa…

9


- Xúc tác axit bazơ hay xúc tác ion thực hiện trên các chất tĩnh điện.
Thuộc lớp này thường là các phản ứng dị li: đồng phân hóa, kết tủa (hiđrat hóa,
amin hóa), thế (thủy phân), giải amin…
Bề mặt riêng, độ xốp, hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc là những đặc trưng cơ
bản của chất xúc tác dị thể. Diện tích bề mặt riêng được đo bằng các phương pháp
hấp phụ, diện tích quy về một đơn vị khối lượng (1 gam) gọi là bề mặt riêng.
Hoạt tính xúc tác tỉ lệ với bề mặt riêng, vì vậy chất xúc tác công nghiệp
thường xốp. Hoạt tính xúc tác là một đặc trưng quan trọng nhưng không có tiêu
chuẩn xác định thống nhất. Tự nhiên nhất có thể dùng là hằng số tốc độ phản
ứng quy về một đơn vị bề mặt ở nhiệt độ cho sẵn làm thước đo hoạt tính.
Nhưng vì việc xác định hằng số tốc độ và diện tích bề mặt thường khó chính
xác nên phương pháp này khó áp dụng. Thông thường người ta dùng tốc độ
phản ứng quy về một đơn vị thể tích hoặc khối lượng chất xúc tác ở áp suất và
nhiệt độ cho sẵn để làm thước đo hoạt tính.
Về mặt nhiệt động học, từ một hệ chất phản ứng có thể xảy ra nhiều phản
ứng theo nhiều hướng khác nhau. Khả năng chất xúc tác điều khiển phản ứng đi
theo một hướng nhất định gọi là độ chọn lọc của nó. Độ chọn lọc được xác định
bằng tỉ số giữa tốc độ hoặc hiệu suất của phản ứng mong muốn so với tốc độ
hoặc hiệu suất chung của quá trình.

Độ chọn lọc không những phụ thuộc vào bản chất bề mặt mà còn phụ thuộc
cấu trúc xốp của chất xúc tác. Đối với những phản ứng xảy ra qua nhiều giai
đoạn kế tiếp thì độ chọn lọc phản ứng hình thành sản phẩm trung gian giảm khi
độ xốp tăng, đặc biệt khi kích thước lỗ bé, nguyên nhân là do trong quá trình
khuếch tán ra khỏi lỗ xốp, các sản phẩm trung gian có cơ hội phản ứng tiếp [4].
1.3. Một số phƣơng pháp tổng hợp đốt cháy
1.3.1. Giới thiệu về phƣơng pháp đốt cháy
Trong những năm gần đây, tổng hợp đốt cháy (CS - Combustion
synthesis) trở thành một trong những kỹ thuật quan trọng trong điều chế và xử

10


lý các vật liệu gốm mới (về cấu trúc và chức năng ), composit, vật liệu nano và
chất xúc tác.
Trong số các phương pháp hóa học, tổng hợp đốt cháy tạo ra bột tinh thể
nano oxit phức hợp ở nhiệt độ thấp hơn trong một thời gian ngắn và có thể đạt
ngay đến sản phẩm cuối cùng mà không cần phải xử lý nhiệt thêm nên hạn chế
được sự tạo pha trung gian và tiết kiệm được năng lượng.
Quá trình tổng hợp đốt cháy xảy ra phản ứng oxi hóa khử tỏa nhiệt mạnh
giữa phần hợp kim chứa kim loại và phần hợp kim không kim loại, phản ứng
trao đổi xảy ra giữa các chất hoạt tính hoặc phản ứng chứa hợp chất hỗn hợp
oxi hóa khử… Những đặc tính này làm cho tổng hợp đốt cháy trở thành một
phương pháp hấp dẫn cho sản xuất các vật liệu mới với chi phí thấp so với các
phương pháp truyền thống. Một số ưu điểm khác của phương pháp đốt cháy là:
- Thiết bị công nghệ tương đối đơn giản.
- Sản phẩm có độ tinh khiết cao.
- Có thể dễ dàng điều khiển được hình dạng và kích thước của sản phẩm.
Sự thông dụng của phương pháp được phản ánh qua số lượng công trình
về CS trên các tạp chí khoa học vật liệu. Số lượng công trình và sản phẩm tổng

hợp bằng phương pháp này tăng rất nhanh trong những năm gần đây.
Phương pháp đốt cháy được biết như sản phẩm của sự lan truyền nhiệt độ
cao SHS (self propagating high-temperature synthesis process). Merzhanov là
người tiên phong về nghiên cứu tổng hợp đốt cháy. Tổng hợp đốt cháy đã trở
thành một nhánh riêng trong nghiên cứu khoa học và có thể dùng điều chế hợp
chất của kim loại như cacbua, nitro, oxi. Tùy thuộc và trạng thái của các chất
phản ứng, tổng hợp đốt cháy có thể được chia thành: Đốt cháy pha rắn (SSCsolid state combustion), đốt cháy dung dịch (SC- Solution combustion) và đốt
cháy pha khí (Gas phare combustion) [35].

11


1.3.2. Đốt cháy trạng thái rắn
Trong phương pháp đốt cháy pha rắn, chất ban đầu, chất trung gian và sản
phẩm đều ở pha rắn. Tổng hợp đốt cháy trạng thái rắn được sử dụng để tổng
hợp nhiều loại vật liệu mới. Varma [32] đã sử dụng phương pháp SSC để tổng
hợp các vật liệu AlNi (vật liệu làm tuabin trong hàng không), TiB2, SiC, TiC
(dụng cụ cắt), La0,8Sr0,2CrO3 (dùng trong pin nhiên liệu).
Sự đổi mới gần đây trong điều chế vật liệu liên quan đến việc thực hiện
đốt cháy pha rắn trong sự có mặt trường tĩnh điện, trường điện từ. Tổng hợp đốt
cháy được kích hoạt bằng trường điện từ (FACS-Field activated combustion
synthesis) đã được tác giả Maglia và cộng sự [22] sử dụng để tổng hợp vật liệu
có entanpy bé chẳng hạn như silixua của các kim loại (V, Cr, W, Nb, Ta),
composit (TiB2-TiAl3)… Hạn chế chính của phương pháp FACS là quá trình
không được sử dụng cho phản ứng điều chế vật liệu với độ dẫn cao (Nb5Si3) có
mật độ dòng giảm khi đun nóng dẫn đến sự dập tắt sóng (extinction of wave).
1.3.3. Phƣơng pháp đốt cháy dung dịch
Phương pháp đốt cháy dung dịch điều chế oxi hiện nay đang được phát
triển và sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tác giả Patil và cộng sự [26] đã
giới thiệu một số vật liệu được điều chế bằng phương pháp này đi từ dung dịch

chứa lượng hợp thức muối nitrat, các kim loại (chất oxi hóa) và nhiên liệu. Qua
đó cho thấy có thể điều chế các oxit phức hợp (spinel, perovkit) bằng phương
pháp đốt cháy dung dịch .
Tổng hợp đốt cháy dung dịch thường sử dụng các hợp chất hữu cơ làm
nhiên liệu. Vai trò của nhiên liệu có 2 mục đích:
- Là nguồn C và H khi cháy cho CO2, H2O và nhiệt tỏa ra.
- Tạo phức với ion kim loại thành môi trường dung dịch đồng nhất.
Nhiệt độ tạo ra trong phản ứng oxi hóa khử biến đổi từ 1000 đến 1800K.

12


Bảng 1.2. Một số oxit đƣợc điều chế bằng đốt cháy dung dịch
Oxit

Chất nền

Kích thước hạt (nm)

Tài liệu tham khảo

LaCrO3

Ure

20

[26]

Ba(Mg1/3Nb2/3)O3

Glyxin

40

[30]

La0,7Ca0,3MnO3

Glyxin

50

[20]

Glyxin

50 - 54

[11]

ODH

30 - 50

[23]

La1-xCdxFeO3
(0 ≤ x ≤ 0,3)
La1-xCaxFeO3

(0 ≤ x ≤ 0,5)

Tổng hợp đốt cháy nhôm nitrat - ure với sự có mặt của muối halogenua
của Pt, Pd, Ag và Au tạo ra xúc tác M/Al2O3 có hoạt tính xúc tác cao hơn đối
với phản ứng oxi hóa CO, hydrocacbon và khử NOx so với phương pháp truyền
thống. Các vật liệu chứa Ce đã được điều chế bằng phương pháp đốt cháy dung
dịch sử dụng nhiên liệu ODH : CeO2-ZrO2 , Mn+ / CeO2 (M = Pt, Pd, Ag, Au),
Ce1-xPtxO2. CeO2 được sử dụng làm chất mang xúc tác và Pt/CeO2 làm xúc tác
ba hướng trong khí thải động cơ. Hoạt tính xúc tác của Mn+/CeO2 cao hơn
nhiều so với hệ được điều chế bằng phương pháp truyền thống [12].
1.3.4. Phƣơng pháp đốt cháy gel polime
Để ngăn ngừa cũng như tách ra tạo độ đồng nhất cho sản phẩm, phương
pháp hóa học ướt thường sử dụng các tác nhân tạo gel. Một số polyme hữu cơ
được sử dụng làm tác nhân tạo gel như polyetylen glycol, polyacrylic axit
(PAA- polyacrylic acid) [18]. Phương pháp sử dụng các polyme này được gọi
là phương pháp tiền chất các polyme (Polyme – precursor method). Một số
polyme có vai trò nhiên liệu như polyvinyl alcol (PVA), PAA, gelatin nên
phương pháp được gọi là phương pháp đốt cháy gel polyme (Polyme gel
combustom method). Trong phương pháp này dung dịch tiền chất gồm dung
dịch các muối kim loại (thường là muối nitrat) được trộn với polyme hòa tan
trong nước tạo thành hỗn hợp nhớt. Làm bay hơi nước hoàn toàn hỗn hợp này
13