Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của nano spinel nife2o4 pha tạp co2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

TRẦN THỊ MAI ANH

TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG
CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC
CỦA NANO SPINEL NiFe2O4 PHA TẠP Co2+

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

TRẦN THỊ MAI ANH

TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG
CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC
CỦA NANO SPINEL NiFe2O4 PHA TẠP Co2+
Ngành: Hóa vơ cơ
Mã số: 8 440 113

LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN THỊ TỐ LOAN

THÁI NGUYÊN - 2020

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng
dẫn của PGS.TS. Nguyễn Thị Tố Loan. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này
là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Trần Thị Mai Anh

i


LỜI CẢM ƠN
Luận văn đã đƣợc hoàn thành tại khoa Hóa học, trƣờng Đại học Sƣ
phạm, Đại học Thái Nguyên.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Thị Tố Loan
ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành
luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Ban giám hiệu, phịng
Đào tạo, khoa Hóa học - trƣờng Đại học Sƣ 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.
Luận văn đã nhận đƣợc sự giúp đỡ thực hiện các phép đo của phịng thí
nghiệm Hóa vơ cơ - trƣờng Đại học sƣ phạm Thái Nguyên, Khoa Hóa học trƣờng Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội, Phịng thí nghiệm siêu cấu trúc Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ƣơng, Viện Khoa học Vật liệu. Xin cảm ơn những
sự giúp đỡ quý báu này.
Xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ,
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình thực nghiệm và hoàn
thành luận văn. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến sự giúp đỡ nhiệt tình của
NCS Nguyễn Thị Thúy Hằng - trƣờng Đại học Công nghiệp Thái nguyên.
Sau cùng tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình tơi, bố mẹ tơi,

anh em và họ hàng đã cho tôi động lực và quyết tâm hoàn thành bản luận văn.
Thái Nguyên, tháng 9 năm 2020
Tác giả luận văn

Trần Thị Mai Anh

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC .......................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, 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. Vật liệu nano ................................................................................................. 2
1.1.1. Định nghĩa và phân loại vật liệu nano ....................................................... 2
1.1.2. Tính chất của vật liệu nano ........................................................................ 3
1.1.3. Ứng dụng của vật liệu nano ....................................................................... 4
1.1.4. Một số phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano ............................................. 7
1.1.5. Các phƣơng pháp nghiên cứu vật liệu nano ............................................ 15
1.2. Tổng quan về vật liệu nano spinel .............................................................. 21
1.2.1. Cấu trúc và phân loại spinel .................................................................... 21
1.2.2. Tính chất của spinel ................................................................................. 22
1.2.3. Một số kết quả nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng nano spinel
niken ferit .......................................................................................................... 23
1.3. Giới thiệu về metylen xanh ........................................................................ 25

Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM .......................................................................... 27
2.1. Dụng cụ, hóa chất, máy móc ...................................................................... 27
2.1.1. Dụng cụ, máy móc ................................................................................... 27
2.1.2. Hóa chất ................................................................................................... 27
2.2. Tổng hợp spinel CoxNi1-xFe2O4 (x = 0 ÷ 0,1) bằng phƣơng pháp đốt
cháy dung dịch ................................................................................................... 27

iii


2.3. Các phƣơng pháp nghiên cứu mẫu ............................................................. 28
2.4. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định nồng độ metylen xanh ........................... 29
2.5. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh của các nano
spinel CoxNi1-xFe2O4 .......................................................................................... 29
2.5.1. Khảo sát thời gian đặt cân bằng hấp phụ ................................................. 29
2.5.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các mẫu ........................................ 30
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 31
3.1. Kết quả nghiên cứu vật liệu bằng phƣơng pháp nhiễu xạ Rơnghen .......... 31
3.2. Kết quả nghiên cứu vật liệu bằng phƣơng pháp phổ hồng ngoại ............... 32
3.3. Kết quả nghiên cứu hình thái học của vật liệu ........................................... 33
3.4. Kết quả nghiên cứu vật liệu bằng phƣơng pháp phổ tán xạ năng lƣợng
tia X.................................................................................................................... 35
3.5. Kết quả nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh
của các mẫu........................................................................................................ 37
3.5.1. Kết quả xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ.................................... 37
3.5.2. Kết quả nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh
của các mẫu........................................................................................................ 38
3.5.3. Động học của phản ứng ........................................................................... 42
KẾT LUẬN....................................................................................................... 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 45

PHỤ LỤC

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tên đầy đủ

Tên viết tắt
CH

Cacbohydrazin

CS

Combustion Synthesis

EDX

Energy dispersive X-ray Spectroscopy

GPC

Gas Phase Combustion

IR

Infrared spectra

MB

Methylene xanh

MDH

Malonic dihydrazin axit

ODH

Oxalyl dihydrazin

PGC

Polimer Gel Combustion

RhB

Rhodamine B

SEM

Scanning Electron Microscopy

SHS

Self Propagating High Temperature Synthesis Process

SSC

Solid State Combustion

TC

Tetracycline

TEM

Transmission Electron Microscope

TFTA

Tetra formal trisazine

UV-Vis

Ultraviolet-Visible

XRD

X-Ray Diffraction

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Lƣợng chất ban đầu trong các mẫu CNF0 ÷CNF10 ......................... 28
Bảng 2.2. Số liệu xây dựng đƣờng chuẩn xác định nồng độ metylen xanh ...... 29
Bảng 3.1. Kích thƣớc tinh thể (r), hằng số mạng (a) và thể tích ơ mạng cơ
sở (V) của các mẫu CNF0 ÷ CNF10 ............................................... 32
Bảng 3.2. Số sóng đặc trƣng cho dao động của các liên kết M-O ở hốc tứ

diện (ν1) và bát diện (ν2) của các mẫu CNF0 ÷ CNF10................... 33
Bảng 3.3. Thành phần % khối lƣợng có trong mẫu CNF0 và CNF6 ................ 37
Bảng 3.4. Hiệu suất phân hủy MB khi có mặt H2O2 và các vật liệu CNF0 ÷
CNF10, sau 300 phút chiếu sáng ..................................................... 40
Bảng 3.5. Bảng giá trị ln(Co/Ct) theo thời gian khi có mặt H2O2 và các vật
liệu CNF0÷ CNF10.......................................................................... 42
Bảng 3.6. Giá trị hằng số tốc độ phản ứng phân hủy MB khi có mặt H 2O2
và vật liệu CNF0 ÷ CNF10 .............................................................. 43

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Một số ví dụ về vật liệu nano: hạt nano (a), ống nano (b), màng
nano (c) và vật liệu có cấu trúc nano (d) ........................................... 2
Hình 1.2. Hai phƣơng pháp cơ bản để điều chế vật liệu nano ............................ 9
Hình 1.3. Sơ đồ minh họa tam giác cháy........................................................... 13
Hình 1.4. Cấu trúc tinh thể của spinel ............................................................... 21
Hình 1.5. Cơng thức cấu tạo và phổ Uv-Vis của dung dịch metylen xanh ....... 26
Hình 2.1. Phổ UV-Vis của dung dịch MB (a) và đƣờng chuẩn xác định
nồng độ MB (b) ............................................................................... 29
Hình 3.1. Giản đồ XRD của mẫu CNF0 ÷ CNF10 khi nung ở 500oC ............... 31
Hình 3.2. Phổ IR của mẫu CNF0 ÷CNF10 ........................................................ 33
Hình 3.3. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của mẫu CNF0 ............................... 34
Hình 3.4. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của mẫu CNF6 ............................... 34
Hình 3.5. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của mẫu CNF0 .................... 35
Hình 3.6. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của mẫu CNF6 .................... 35
Hình 3.7. Phổ EDX của vật liệu CNF0 ............................................................. 36
Hình 3.8. Phổ EDX của vật liệu CNF6 ............................................................. 36
Hình 3.9. Phổ UV-Vis của dung dịch MB theo thời gian khi có mặt vật liệu

CNF0, ở trong bóng tối .................................................................... 37
Hình 3.10. Phổ UV-Vis của dung dịch MB theo thời gian khi chỉ có mặt
H2O2; CNF0 + chiếu sáng ................................................................ 38
Hình 3.11. Phổ UV-Vis của dung dịch MB theo thời gian chiếu sáng khi có
mặt đồng thời H2O2 và vật liệu CNF0; CNF2 ................................. 39
Hình 3.12. Phổ UV-Vis của dung dịch MB theo thời gian khi chiếu sáng có
mặt đồng thời H2O2 và vật liệu CNF4; CNF6 ................................. 39
Hình 3.13. Phổ UV-Vis của dung dịch MB theo thời gian chiếu sáng khi có
mặt đồng thời H2O2 và vật liệu CNF8; CNF10 ............................... 40

vi


Hình 3.14. Minh họa cơ chế quang xúc tác phân hủy hợp chất hữu cơ trên
các chất bán dẫn và ferit .................................................................. 41
Hình 3.15. Sự phụ thuộc ln(Co/Ct) vào thời gian khi có mặt H2O2 và vật liệu
CNF0 ÷ CNF10................................................................................ 43

vii


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vật liệu nano đã
phát triển một cách vô cùng nhanh chóng nhằm giải quyết các vấn đề về môi
trƣờng, sinh thái và con ngƣời. Mức sản xuất hiện nay của vật liệu nano đã lớn
và đƣợc dự báo sẽ tăng lên rất nhiều.
Trong số các oxit phức hợp kiểu spinel, nano ferit (MFe2O4) đã thu hút
đƣợc sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học do sự đa dạng về thành
phần, cấu trúc cũng nhƣ khả năng ứng dụng. Trong lĩnh vực xúc tác, chúng có
thể làm cho nhiều phản ứng đạt tốc độ tối đa và cho hiệu suất chuyển hóa lớn

nhất. Ngồi ra, các ferit còn là vật liệu quan trọng trong các thiết bị điện, từ …
Niken ferit (NiFe2O4) là một trong số các nano ferit có ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực. NiFe2O4 thuộc loại spinel đảo với các ion Fe3+ ở hốc tứ diện và
hốc bát diện chứa ion Fe3+ và Ni2+. Kết quả của nhiều nghiên cứu cho thấy, khi
pha tạp một số ion kim loại nhƣ Zn2+, Co2+, Mn2+, ... sự phân bố của các cation
trong hốc tứ diện và bát diện thay đổi, làm cho tính chất của NiFe2O4 thay đổi
đáng kể, nhất là hoạt tính quang xúc tác.
Nhằm mục đích nghiên cứu ảnh hƣởng của ion Co2+ đến cấu trúc, tính
chất của NiFe2O4, chúng tơi tiến hành thực hiện đề tài: “Tổng hợp, nghiên cứu
đặc trƣng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của nano spinel NiFe2O4 pha
tạp Co2+”.

1


Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu nano
1.1.1. Định nghĩa và phân loại vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thƣớc nano
mét [5]. Kích thƣớc nano đƣợc hiểu là phạm vi chiều dài khoảng từ 1nm đến
100nm. Các vật liệu có cấu trúc ở cấp độ nano thƣờng có các tính chất quang
học, điện hoặc cơ học độc đáo nên nó là đối tƣợng của hai lĩnh vực là khoa học
nano (nanoscience) và công nghệ nano (nanotechnology), đồng thời là sợi dây
liên kết hai lĩnh vực trên với nhau.

(b)
(a)

(c)

(d)

Hình 1.1. Một số ví dụ về vật liệu nano: hạt nano (a), ống nano (b), màng
nano (c) và vật liệu có cấu trúc nano (d)

2


Thông thƣờng vật liệu nano đƣợc phân ra thành nhiều loại, phụ thuộc
vào trạng thái, cấu trúc, bản chất, tính chất của vật liệu…[5,15].
Dựa vào trạng thái, ngƣời ta phân chia vật liệu thành ba dạng: rắn, lỏng
và khí. Vật liệu nano đƣợc tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu
rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí.
Dựa vào bản chất vật liệu, ngƣời ta phân thành: chấm lƣợng tử, hỗn hợp
nano, chất dẻo nano, gốm nano, giọt nano, chất lỏng nano.
Dựa vào tính chất của vật liệu, ngƣời ta phân thành các loại sau:
+ Vật liệu nano từ tính: Fe3O4, MFe2O4, Co3O4, NiO…
+ Vật liệu nano kim loại: Au, Ag, Pt, Pd…
+ Vật liệu nano bán dẫn: SiO2, TiO2, ZnO, Al2O3…
+ Vật liệu nano oxit: Mn2O3, MnO2, Fe2O3…
Dựa vào hình dạng vật liệu, ngƣời ta phân ra thành các loại sau:
+ Vật liệu nano không chiều (0D): các đám nano, hạt nano...
+ Vật liệu nano một chiều (1D): dây nano (sợi nano), ống nano…
+ Vật liệu nano hai chiều (2D): màng mỏng…
+ Ngồi ra cịn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó
chỉ có một phần của vật liệu có kích thƣớc nm, hoặc cấu trúc của nó có nano
khơng chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
1.1.2. Tính chất của vật liệu nano
Vật liệu nano nằm giữa tính chất lƣợng tử của nguyên tử và tính chất

khối của vật liệu [5].
Khi kích thƣớc của vật chất giảm tới kích thƣớc nanomet, các điện tử
khơng cịn di chuyển trong chất dẫn điện, mà đặc tính cơ lƣợng tử của các điện
tử biểu hiện ra ở dạng sóng. Kích thƣớc nhỏ dẫn đến những hiện tƣợng lƣợng
tử mới và tạo cho vật chất có thêm những đặc tính kỳ thú mới, chẳng hạn nhƣ:
hiệu ứng đƣờng hầm, sự thay đổi những tính chất của vật chất chẳng hạn nhƣ
tính chất điện và tính chất quang phi tuyến.

3


Mối liên hệ giữa tính chất của vật chất và kích thƣớc là chúng tuân theo
"định luật tỉ lệ" (scaling law). Những tính chất căn bản của vật chất, chẳng hạn
nhƣ nhiệt độ nóng chảy của một kim loại, từ tính của một chất, và năng lƣợng
vùng cấm của chất bán dẫn phụ thuộc rất nhiều vào kích thƣớc của tinh thể
thành phần nếu chúng nằm trong giới hạn của kích thƣớc nanomet. Nguyên
nhân là do sự thay đổi lớn diện tích bề mặt (hiệu ứng bề mặt) và kích thƣớc tới
hạn của vật liệu.
Hiệu ứng bề mặt: Ở kích thƣớc nano, tỉ lệ các nguyên tử trên bề mặt
thƣờng rất lớn so với tổng thể tích hạt. Do đó hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan
trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thƣớc nanomet khác biệt so với vật
liệu ở dạng khối và thƣờng có hoạt tính hóa học cao.
Hiệu ứng kích thƣớc: Khi kích thƣớc của vật rắn giảm xuống một cách
đáng kể theo 1, 2 hay 3 chiều, các tính chất vật lí nhƣ cơ, nhiệt, điện, từ, quang
của vật thay đổi một cách đột ngột, do sự thay đổi hình dạng và kích thƣớc
nano của chúng.
1.1.3. Ứng dụng của vật liệu nano
Do sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ nano mà vật liệu nano có
nhiều ứng dụng quan trọng trong các ngành y học, sinh học, xúc tác, quang
học, mỹ phẩm, dệt may…

Y dƣợc là thị trƣờng lớn nhất tiêu thụ vật liệu nano, nó chiếm khoảng
30% lƣợng tiêu thụ vật liệu nano hàng năm. Hạt nano từ tính có các ứng dụng
cả ngoài cơ thể và trong cơ thể. Phân tách và chọn lọc tế bào bằng việc sử dụng
hạt nano từ tính là một phƣơng pháp tiên tiến. Các thực thể sinh học cần nghiên
cứu sẽ đƣợc đánh dấu thơng qua các hạt nano từ tính. Các hạt từ tính đƣợc bao
phủ bởi các chất hoạt hóa, tƣơng tự các phân tử trong hệ miễn dịch, có thể tạo
ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thƣ, vi khuẩn… Một từ
trƣờng bên ngoài sẽ tạo lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào đƣợc đánh
dấu và giữ chúng lại, các tế bào khơng đƣợc đánh dấu sẽ thốt ra ngồi.

4


Hạt nano đƣợc ứng dụng để dẫn truyền thuốc đến một vị trí nào đó trên
cơ thể là ứng dụng nổi bật nhất. Trong ứng dụng này, thuốc đƣợc liên kết với
hạt nano có tính chất từ (thƣờng sử dụng là oxit sắt (magnetite Fe3O4,
maghemite γ - Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có
tính tƣơng hợp sinh học nhƣ PVA, silica), bằng cách điều khiển từ trƣờng để
hạt nano cố định ở một vị trí trong một thời gian đủ dài để thuốc có thể
khuyếch tán vào các cơ quan mong muốn, giúp thu hẹp phạm vi phân bố của
các thuốc trong cơ thể làm giảm tác dụng phụ của thuốc và giảm lƣợng thuốc
điều trị [11]. Phƣơng pháp này rất thuận lợi trong điều trị u não vì việc dẫn
truyền thuốc vào u não rất khó khăn. Nhờ sự trợ giúp của hạt nano, việc dẫn
truyền thuốc hiệu quả hơn rất nhiều.
Ngoài ra, những hạt nano phát quang khi đi vào cơ thể và khu trú tập trung
tại các vùng bệnh, kết hợp với kỹ thuật thu nhận tín hiệu phản xạ quang học giúp
con ngƣời có thể phát hiện các mầm bệnh và có biện pháp điều trị kịp thời.
Ứng dụng trong sinh học: Nano-bio đang hình thành, sẽ tạo ra những
vật liệu mới tạo mô xƣơng, các bộ phận thay thế y sinh học dùng cho con ngƣời
nhƣ da, băng thông minh, tăng độ sắc nét hình ảnh trong cộng hƣởng từ hạt

nhân (MRI contrast enhancement), phân tách tế bào (magnetic cell
separation)…[15].
Ngành phỏng sinh học nano hƣớng đến việc chế tạo những vật liệu mô
phỏng các khả năng đặc biệt của các lồi động thực vật trong tự nhiên. Ví dụ
hiện tƣợng lá sen luôn sạch sẽ và không bao giờ ƣớt là do cấu trúc bề mặt có
các cột nhỏ cỡ nanomet, cách nhau khoảng vài micromet tạo nên bề mặt khơng
thấm nƣớc. Từ đó, các nhà khoa học đã sản xuất ra vật liệu polyme mô phỏng
cấu trúc của lá sen, có khả năng khơng thấm nƣớc, mang lại nhiều ứng dụng
trong y tế và đời sống.

5


Trong lĩnh vực năng lƣợng, đặc biệt là năng lƣợng tái tạo [10], ứng
dụng của các vật liệu cấu trúc nano ngày càng trở nên quan trọng nhằm nâng
cao hiệu suất của các thiết bị chuyển đổi năng lƣợng đó nhƣ:
+ Trong thiết bị quang điện: các pin mặt trời đƣợc tối ƣu hóa bằng vật
liệu và cấu trúc nano (polymer, chất nhuộm, chấm lƣợng tử, màng mỏng, cấu
trúc đa chuyển tiếp, các lớp chống phản xạ).
+ Năng lƣợng gió: các vật liệu nanocomposite và các lớp phủ nano
chống ăn mịn ứng dụng vào các cánh quạt của turbine gió nhằm giảm khối
lƣợng và nâng cao độ bền của chúng.
+ Địa nhiệt: các lớp phủ nano và nanocomposite ứng dụng cho các thiết
bị khoan sâu.
+ Năng lƣợng sinh khối: cung cấp sự tối ƣu hóa bằng nơng nghiệp chính
xác sử dụng công nghệ nano (sử dụng các nanosensor nhằm kiểm soát chặt chẽ
việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật và phân bón).
+ Nhiên liệu hóa thạch: các lớp chống ăn mịn cho các thiết bị thăm dị
dầu khí. Sử dụng hạt nano nhằm tăng lƣợng dầu khai thác đƣợc.
+ Năng lƣợng hạt nhân: các vật liệu nanocomposite sử dụng cho việc che

chắn phóng xạ (các thiết bị cá nhân, thùng chứa, …), là phƣơng án dài hạn cho
các lò phản ứng nhiệt hạch…
Đối với lĩnh vực lƣu trữ thông tin: Các hạt màu siêu mịn thƣờng tạo ra
chất lƣợng cao hơn về màu sắc, độ bao phủ và chất bền màu. Trên thực tế, các
hạt nano thƣờng đƣợc ứng dụng trong audio, băng video và đĩa hiện đại, chúng
phụ thuộc vào tính chất quang và tính chất từ của hạt mịn. Với các tiến bộ kĩ
thuật, càng ngày con ngƣời càng chế tạo các loại vật liệu lƣu trữ thơng tin có
dung lƣợng lớn nhƣng kích thƣớc ngày càng nhỏ gọn.
Trong lĩnh vực điện tử - cơ khí: chế tạo các linh kiện điện tử nano có tốc
độ xử lý cực nhanh, chế tạo các thế hệ máy tính nano, sử dụng vật liệu nano để
làm các thiết bị ghi thơng tin cực nhỏ, màn hình máy tính, điện thoại, tạo ra các
vật liệu nano siêu nhẹ siêu bền sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ…
6


Pin nano trong tƣơng lai sẽ có cấu tạo theo kiểu ống nanowhiskers, khiến
các cục pin có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều lần, từ đó lƣu trữ đƣợc nhiều
điện năng hơn trong khi kích thƣớc của pin ngày càng đƣợc thu nhỏ.
Đối với các vật liệu gốm và các chất cách điện cải tính: Việc nén các
hạt gốm kích thƣớc nano tạo ra các vật rắn mềm dẻo, dƣờng nhƣ là do vô số
ranh giới hạt tồn tại. Sau khi phát triển thêm các phƣơng pháp nén, các vật
không xốp, độ đặc cao sẽ đƣợc điều chế. Những vật liệu mới này có thể đƣợc
sử dụng nhƣ chất thay thế cho kim loại trong rất nhiều ứng dụng.
Trong lĩnh vực xúc tác: Các vật liệu nano có thể làm cho nhiều phản
ứng đạt tốc độ tối đa và hiệu suất chuyển hóa của sản phẩm là lớn nhất do diện
tích bề mặt riêng cao, độ phản ứng cao và độ đặc hiệu cao. Đây là lĩnh vực đã
và đang thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học. Các ống nano carbon
và nanocomposite, tinh thể nano TiO2, hạt nano sắt và các hạt nano kim loại
khác là một trong những hạt nano đƣợc sử dụng và nghiên cứu rộng rãi nhất để
xử lý nƣớc bị nhiễm asen [24].

Hạt nano MnWO4 đã đƣợc ứng dụng trong việc xử lý chất thải chứa
metylen xanh. Kết quả cho thấy, khi dùng 10 mg hạt nano MnWO4 và 0,1 mol
H2O2 cho 50 mL dung dịch nƣớc thải có nồng độ xanh metylen đạt 10mg/l thì
hiệu suất phân huỷ đạt tới 90% sau 120 phút [22].
Đối với công nghệ sản xuất sơn: Ngƣời ta đã chứng minh đƣợc rằng
sơn đƣợc thêm chất phụ gia bằng các hạt nano hấp phụ ánh sáng nhƣ TiO 2 thì
sơn có khả năng tự lau sạch [13].
1.1.4. Một số phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano
Vào những năm đầu của thập niên 90 của thế kỷ trƣớc, nhờ vào sự thành
công vƣợt bậc trong lĩnh vực công nghệ vi điện tử mà các nhà vật lí, hố học đã
nghiên cứu ra hai phƣơng thức cơ bản để chế tạo vật liệu nano là phƣơng pháp từ
trên xuống (top-down) và phƣơng pháp từ dƣới lên (bottom-up) (hình 1.2) [5].

7


Phƣơng pháp từ trên xuống là phƣơng pháp mà các nhà vật lí hay sử
dụng dùng kỹ thuật nghiền và “biến dạng” để biến vật liệu thể khối với tổ chức
hạt thơ thành hạt có kích thƣớc nano. Đây là phƣơng pháp đơn giản, rẻ tiền
nhƣng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thƣớc khá
lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu). Kết quả thu đƣợc là các vật liệu nano
không chiều, một chiều hoặc hai chiều.
Phƣơng pháp từ dƣới lên là phƣơng pháp đƣợc các nhà khoa học ƣu tiên
lựa chọn nhất hiện nay dùng để chế tạo phần lớn các vật liệu nano. Đây là
phƣơng pháp đi theo hƣớng ngƣợc lại phƣơng pháp “top - down”, lắp ghép các
nguyên tử, phân tử thơng thƣờng để thu đƣợc các hạt mới có kích thƣớc nano.
Phƣơng pháp này đƣợc phát triển rất mạnh mẽ và ƣu tiên sử dụng vì tính linh
động và chất lƣợng của sản phẩm cuối cùng. Phƣơng pháp từ dƣới lên có thể là
phƣơng pháp vật lý, phƣơng pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai phƣơng pháp trên.
Một số phƣơng pháp vật lý thƣờng dùng để chế tạo vật liệu nano nhƣ

phƣơng pháp bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang...), phƣơng
pháp chuyển pha (kết tinh, phƣơng pháp nguội nhanh). Phƣơng pháp vật lý
thƣờng đƣợc dùng để tạo các hạt nano, màng nano.
Điều chế vật liệu nano bằng phƣơng pháp hóa học đƣợc chia thành hai
loại là hình thành từ pha lỏng (phƣơng pháp kết tủa, sol-gel...) và từ pha
khí (nhiệt phân...). Phƣơng pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống
nano, màng nano, bột nano...
Một số phƣơng pháp điều chế vật liệu nano là sự kết hợp của phƣơng
pháp vật lý và hóa học nhƣ điện phân, ngƣng tụ từ pha khí...

8


Hình 1.2. Hai phƣơng pháp cơ bản để điều chế vật liệu nano
Sau đây chúng tôi giới thiệu một số phƣơng pháp hóa học để tổng hợp
vật liệu nano oxit.
1.1.4.1. Phương pháp đồng kết tủa
Phƣơng pháp này bảo đảm tính đồng nhất hóa học và hoạt tính cao của
bột ferrit tạo thành [15]. Thực nghiệm cho thấy, các hạt bột sản phẩm đều có
thể chế tạo theo phƣơng pháp đồng kết tủa thƣờng có sự kết tụ, gây ảnh hƣởng
đến tính chất vật liệu sản xuất chúng. Vì vậy, ngƣời ta thực hiện khuếch tán các
chất tham gia phản ứng ở mức độ phân tử (precursor phân tử). Hỗn hợp ban
đầu đƣợc gọi là precursos có tỉ lệ ion kim loại đúng theo hợp thức của chất cần
tổng hợp, chuẩn bị hỗn hợp dung dịch chứa 2 muối tan rồi thực hiện phản ứng
đồng kết tủa ở dạng hiđroxit, cacbonat, oxalate…Cuối cùng tiến hành phản ứng
nhiệt phân chất rắn đồng thời kết tủa đó, ta thu đƣợc sản phẩm. Quá trình tổng
hợp cần bảo đảm 2 yếu tố:
Thứ nhất là lựa chọn đƣợc đúng giá trị pH để quá trình kết tủa các ion
kim loại trong dung dịch xảy ra đồng thời.

9


Thứ hai là cần bảo đảm đúng tỷ lệ ion trong precursor. Tuy nhiên để thực
hiện yêu cầu này không phải dễ dàng, do tích số tan của các chất là khác nhau.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là các chất tham gia phản ứng đã đƣợc
phân tán ở mức độ phân tử, tỷ lệ các ion kim loại đúng theo hợp thức của hợp
chất cần tổng hợp.
Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến khả
năng kết tủa của các hiđroxit nhƣ nồng độ, pH của dung dịch, tỷ lệ các chất
tham gia phản ứng, nhiệt độ.
1.1.4.2. Phương pháp thủy nhiệt
Thuỷ nhiệt đƣợc định nghĩa là bất cứ quá trình xảy ra phản ứng dị thể
nào với sự có mặt của dung mơi (nƣớc hoặc dung môi khác) trong điều kiện
nhiệt độ cao, áp suất cao, trong đó có sự hồ tan và tái kết tinh những vật liệu
mà không tan trong dung môi ở điều kiện bình thƣờng [15].
Phƣơng pháp thủy nhiệt là một phƣơng pháp độc đáo và đƣợc nhiều nhà
khoa học ngày này chọn lựa để tổng hợp vật liệu có kích thƣớc nhỏ nhƣ kích
thƣớc cỡ micromet, nanomet do những ƣu điểm vƣợt trội của phƣơng pháp này
so với các phƣơng pháp truyền thống.
Phƣơng pháp thuỷ nhiệt có nhiều ƣu điểm nhƣ thao tác đơn giản, có thể
tạo ra sản phẩm với độ tinh khiết cao, kích thƣớc sản phẩm ổn định và đồng
đều kích cỡ hạt từ sub - micron tới nano, tiêu tốn ít năng lƣợng, thời gian phản
ứng nhanh, dễ dàng kiểm sốt q trình,…Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là
tạo ra tạp chất không mong muốn, thiết bị tiến hành tƣơng đối phức tạp và độ
chọn lọc vật liệu chế tạo cao [15].
1.1.4.3. Phương pháp sol-gel
Phƣơng pháp sol-gel là một kỹ thuật để tạo ra một số sản phẩm có
hình dạng mong muốn ở cấp độ nano [15] . Quá trình sol-gel thƣờng diễn
ra nhƣ sau:

10


Tiền chất




Sol

g e l h o ùa

  

Gel

  
g ia h o a

Xerogel     sản phẩm
th ie u k e t

Sol là sự phân tán của các hạt rắn có kích thƣớc khoảng 0,1 đến 1μm
trong chất lỏng, trong đó chỉ có chuyển động Brown làm lơ lửng các hạt.
Sol có các thuộc tính sau:
+ Kích thƣớc hạt nhỏ nên lực hút là khơng đáng kể.
+ Lực tƣơng tác giữa các hạt là lực Van der Waals.
+ Các hạt chuyển động ngẫu nhiên Brown do trong dung dịch các hạt va
chạm lẫn nhau.

Sol có thời gian bảo quản giới hạn vì các hạt sol hút nhau dẫn đến đông
tụ các hạt keo. Các hạt sol đến một thời điểm nhất định thì hút lẫn nhau để trở
thành những phân tử lớn hơn, đến kích thƣớc cỡ 1 - 100 nm
Gel là 1 trạng thái mà chất lỏng và rắn phân tán vào nha. Tăng nồng độ
dung dịch, thay đổi độ pH hoặc tăng nhiệt độ nhằm hạ hàng rào cản tĩnh điện
cho các hạt tƣơng tác để các hạt kết tụ với nhau, tạo thành gel.
Về cơ chế hố học: Q trình sol - gel hình thành với 2 dạng phản ứng
chính là phản ứng thủy phân và phản ứng ngƣng tụ bao gồm phản ứng ngƣng tụ
rƣợu và phản ứng ngƣng tụ nƣớc.
Phản ứng thủy phân thay thế nhóm alkoxide (-OR) trong liên kết kim
loại - alkoxide bằng nhóm hydroxyl (-OH) để tạo thành liên kết kim loại hydroxyl. Theo phƣơng trình phản ứng sau:
Thủy phân

M(OR)x + nH2O

(RO)x-n - M - (OH)n + nROH.

este hóa

Thủy phân

M(OR)x + xH2O

este hóa

x là hóa trị của kim loại.

11

M(OH)x + xROH.

Các thơng số ảnh hƣởng chủ yếu đến q trình thủy phân là pH, bản chất
và nồng độ của chất xúc tác, nhiệt độ, dung môi, tỉ số H2O/M.
Phản ứng ngƣng tụ tạo nên liên kết kim loại - oxi - kim loại, là cơ sở cấu
trúc cho các màng oxit kim loại. Hiện tƣợng ngƣng tụ diễn ra liên tục làm cho
liên kết kim loại - oxi - kim loại không ngừng tăng lên, cho đến khi tạo ra một
mạng lƣới kim loại - oxi - kim loại trong khắp dung dịch. Phản ứng ngƣng tụ
đƣợc thực hiện theo phƣơng trình sau:
MOR + MOH

M-O-M + ROH

MOH + MOH

M-O-M + H2O

Trong điều kiện thích hợp, sự ngƣng tụ xảy ra liên tục và phá huỷ
polime, tái tạo thành những hạt keo lớn, từ đó tạo thành các polime lớn hơn.
Các thơng số ảnh hƣởng chủ yếu đến q trình ngƣng tụ: độ pH, bản chất
và nồng độ của chất xúc tác, nhiệt độ, dung môi, tỉ số H2O/M.
Phƣơng pháp này có một số ƣu điểm sau:
- Tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao.
- Có thể điều chỉnh đƣợc các tính chất vật lí nhƣ sự phân bố kích thƣớc
mao quản, số lƣợng mao quản của sản phẩm.
- Tạo ra sự đồng nhất trong pha ở mức độ phân tử.
- Có thể điều chế mẫu ở nhiệt độ thấp và bổ sung dễ dàng một số thành phần.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ đồng nhất của sản phẩm là dung môi, nhiệt
độ, bản chất của precursor, pH, xúc tác, chất phụ gia.
Phƣơng pháp sol-gel rất đa dạng tùy thuộc vào tiền chất tạo gel và có

thể qui về ba hƣớng sau: thủy phân các muối, thủy phân các ancolat và solgel tạo phức.
Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là:
- Sol - gel không tiện lợi cho việc tổng hợp vật liệu khối lƣợng lớn.
- Hoá chất ban đầu thƣờng nhạy cảm với độ ẩm.

12


- Vấn đề thay đổi hình dạng khi ngƣng tụ, co ngót và ứng suất khi xử lý
nhiệt, địi hỏi quá trình chế tạo phải hết sức cẩn thận.
- Chi phí cao đối với vật liệu thơ và hao hụt nhiều trong quá trình tạo màng.
- Dễ bị rạn nứt khi xử lý ở nhiệt độ cao.
1.1.4.4. Phương pháp tổng hợp đốt cháy
Trong những năm gần đây, phƣơng pháp tổng hợp đốt cháy hay tổng hợp
bốc cháy (Combustion Synthesis - CS) trở thành một trong những kĩ thuật quan
trọng trong điều chế và xử lí các vật liệu gốm mới (về cấu trúc và chức năng),
composit, vật liệu nano và chất xúc tác [20,21].
Tổng hợp đốt cháy đƣợc biết nhƣ là quá trình tổng hợp tự lan truyền
nhiệt độ cao phát sinh trong quá trình phản ứng (Self Propagating High
Temperature Synthesis Process) hay cịn gọi là q trình SHS. Để tạo ra ngọn
lửa cần có một chất oxy hóa, một nhiên liệu và nhiệt độ thích hợp, tạo nên một
tam giác đốt cháy (hình 1.3).

Hình 1.3. Sơ đồ minh họa tam giác cháy
So với một số phƣơng pháp hóa học khác, tổng hợp đốt cháy có thể tạo ra
oxit nano ở nhiệt độ thấp hơn trong một thời gian ngắn và có thể đạt ngay sản
phẩm cuối cùng mà khơng cần phải xử lí nhiệt thêm nên hạn chế đƣợc sự tạo pha
trung gian và tiết kiệm đƣợc năng lƣợng. Trong quá trình tổng hợp đốt cháy xảy
13

ra phản ứng oxi hóa khử tỏa nhiệt mạnh giữa hợp phần chứa kim loại và hợp
phần không kim loại, phản ứng trao đổi giữa các hợp chất hoạt tính hoặc phản
ứng chứa hợp chất hay hỗn hợp oxi hóa khử… Những đặc tính này làm cho
tổng hợp đốt cháy trở thành một phƣơng pháp hấp dẫn để sản xuất vật liệu
mới với chi phí thấp nhất so với các phƣơng pháp truyền thống. Một số ƣu
điểm của phƣơng pháp đốt cháy là thiết bị công nghệ tƣơng đối đơn giản,
sản phẩm có độ tinh khiết cao, có thể dễ dàng điều khiển đƣợc hình dạng
và kích thƣớc của sản phẩm.
Tùy thuộc vào trạng thái của các chất phản ứng, tổng hợp đốt cháy có thể
chia thành: đốt cháy trạng thái rắn (Solid State Combustion - SSC), đốt cháy
dung dịch (Solution Combustion - SC), đốt cháy gel polime (Polimer Gel
Combustion - PGC) và đốt cháy pha khí (Gas Phase Combustion - GPC).
* Phƣơng pháp đốt cháy dung dịch (SC)
Phƣơng pháp này thƣờng sử dụng một số chất nền nhƣ ure, glyxin,
cacbohydrazin (CH), oxalyl dihydrazin (ODH), malonic dihydrazin axit
(MDH), tetra formal tris azine (TFTA)… theo tỉ lệ của phƣơng trình phản ứng
tƣơng ứng [20]. Ví dụ:
10Ni(NO3)2.6H2O + 20Fe(NO3)3.9H2O + 24C2H5NO2 → 10NiFe2O4 + 52N2 +
48CO2 + 300H2O
Trong quá trình tổng hợp, chất nền có các vai trị sau:
1. Là nhiên liệu để đốt cháy tạo ra các phân tử khí đơn giản nhƣ CO2, H2O...
2. Làm cho quá trình phân bố các cation kim loại đƣợc đồng đều trong
dung dịch do chúng có khả năng tạo phức với các ion kim loại.
Một nhiên liệu đƣợc coi là lý tƣởng thƣờng phải thỏa mãn các điều kiện
sau đây:
- Dễ hòa tan trong nƣớc.
- Có nhiệt độ cháy thấp (<500oC).
- Phản ứng với các muối nitrat kim loại êm dịu và không dẫn đến nổ.

14


- Tạo ra một lƣợng lớn khí có khối lƣợng phân tử thấp và vơ hại trong
q trình cháy.
- Kết thúc quá trình đốt cháy chỉ thu đƣợc các oxit.
Trong các chất nền, ure và glixin đƣợc coi là nhiên liệu có nhiều tiềm
năng. Các hợp chất này có chứa liên kết C-N, có tác dụng hỗ trợ q trình đốt
cháy tốt hơn.
Ƣu điểm nổi bật của phƣơng pháp đốt cháy dung dịch là tổng hợp dễ
dàng và nhanh chóng, sử dụng các thiết bị tƣơng đối đơn giản. Thành phần, cấu
trúc, tính đồng nhất, độ tinh khiết cao của sản phẩm có thể đƣợc kiểm sốt.
1.1.5. Các phƣơng pháp nghiên cứu vật liệu nano
1.1.5.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen
Phƣơng pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-Ray Diffraction - XRD) là một
phƣơng pháp hiệu quả dùng để xác định các đặc trƣng của vật liệu và đƣợc sử
dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ [3,6]. Phƣơng pháp này dùng
để phân tích pha (kiểu và lƣợng pha có mặt trong mẫu), ơ mạng cơ sở, cấu trúc
tinh thể, kích thƣớc tinh thể. Tinh thể bao gồm một cấu trúc trật tự theo ba
chiều với tính tuần hồn đặc trƣng dọc theo trục tinh thể học. Khoảng cách giữa
các nguyên tử hay ion trong tinh thể chỉ vài Å xấp xỉ bƣớc sóng của tia X. Khi
chiếu một chùm tia X vào mạng tinh thể sẽ có hiện tƣợng nhiễu xạ khi thỏa
mãn phƣơng trình Vulf-Bragg:
2dsinθ = n.λ

(1.1)

Trong đó: d là khoảng cách giữa hai mặt phẳng tinh thể song song; θ là
góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ; λ là bƣớc sóng của tia X; n là bậc
phản xạ, n = 1, 2, 3…

Đây là phƣơng trình cơ bản trong nghiên cứu cấu trúc bằng tia X.
Tùy thuộc vào mẫu nghiên cứu ở dạng bột tinh thể hay đơn tinh thể mà
phƣơng pháp nhiễu xạ Rơnghen đƣợc gọi là phƣơng pháp bột hay phƣơng pháp
đơn tinh thể.

15