Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát cấu trúc, tính chất của vật liệu nano ni fe2o4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA HÓA
----------
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
CỬ NHÂN HÓA HỌC
Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT
CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA
VẬT LIỆU NANO NiFe2O4
GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến
SVTH: Nguyễn Thị Kim Yến
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2013

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

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Anh
Tiến - người đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều
kiện tốt nhất để em hoàn thành bài khóa luận này.
Suốt 4 năm được học tập tại khoa Hóa- Trường Đại Học Sư Phạm thành phố
Hồ Chí Minh, em đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức và kinh nghiệm bổ ích để
trang bị cho con đường tương lai phía trước của mình. Em xin chân thành cảm ơn
các thầy cô trong và ngoài khoa, những người luôn ân cần, nhiệt huyết chỉ bảo và
hỗ trợ chúng em rất nhiều trong quá trình học tập.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, đặc biệt là bạn Liêu Diệp
Hân và Nguyễn Thị Ngọc Trinh. Nếu như gia đình là điểm tựa luôn động viên,
khuyến khích mỗi khi em gặp khó khăn thì các bạn là những người luôn bên cạnh
giúp đỡ, trao đổi kiến thức cùng em, đưa ra những lời khuyên hữu ích và kịp thời.
Vì thời gian và khả năng có hạn nên trong bài khóa luận này không tránh
được những thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp chân thành của thầy
cô và các bạn để bài khóa luận trở nên hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2013
SVTH
Nguyễn Thị Kim Yến

MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC ....................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 2
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU ........................................................... 5
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................. 9
1.1. Công nghệ nano và vật liệu nano.............................................................. 9
1.1.1. Khái niệm về công nghệ nano và vật liệu nano.............................. 9
1.1.2. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano oxit.............................. 10
1.1.3. Ứng dụng của vật liệu nano.......................................................... 14
1.2. Tổng quan tính chất các nguyên tố......................................................... 18
1.2.1. NIKEN.......................................................................................... 18
1.2.2. SẮT............................................................................................... 19
1.3. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất của bột nano.......... 24
1.3.1. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) và khối lượng nhiệt
(TGA) ...................................................................................................... 24
1.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)............................................. 25
1.3.3. Kính hiển vi điện tử quét (SEM).................................................. 27
1.3.4. Phương pháp đo độ từ hóa............................................................ 28
1.4. Cấu trúc tinh thể ferrite spinel dạng AB2O4 .......................................... 30
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM - KẾT QUẢ - THẢO LUẬN ....................... 32
2.1. Dụng cụ, thiết bị, hóa chất...................................................................... 32
2.1.1. Dụng cụ và thiết bị ....................................................................... 32

2.1.2. Hóa chất........................................................................................ 32
2.2. Tổng hợp vật liệu nano NiFe2O4 bằng phương pháp lòng trắng trứng.. 32
2.3. Tổng hợp vật liệu nano NiFe2O4 bằng phương pháp đồng kết tủa........ 33
2.4. Cấu trúc và tính chất của vật liệu nano NiFe2O4 tổng hợp bằng phương
pháp lòng trắng trứng ....................................................................................... 35
2.5. Cấu trúc và tính chất của vật liệu nano NiFe2O4 tổng hợp bằng phương
pháp đồng kết tủa ............................................................................................. 42
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT................................................................................. 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 51

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Danh mục hình vẽ
Hình 1. Phân loại theo cấu trúc vật liệu nano. .....................................................9
Hình 2. Thiết bị lọc ứng dụng công nghệ nano ...................................................17
Hình 3. Kim loại Niken........................................................................................17
Hình 4. Tinh thể niken (II) oxit............................................................................19
Hình 5. Kim loại sắt.............................................................................................19
Hình 6. Cấu trúc của ε-Fe2O3.............................................................................21
Hình 7. Nhiễu xạ tia X .........................................................................................25
Hình 8. Kính hiển vi điện tử quét ........................................................................27
Hình 9. Đường cong từ trễ của vật liệu sắt từ.....................................................28
Hình 10. Thiết bị đo từ tính MICROSENE EV11................................................30
Hình 11. Cấu trúc tinh thể ferrite spinel .............................................................30
Hình 12. Sơ đồ mô tả quy trình tổng hợp vật liệu nano NiFe2O4 bằng phương
pháp lòng trắng trứng ..........................................................................................33
pháp đồng kết tủa .................................................................................................34
Hình 14. Giản đồ phân tích nhiệt TGA/DTA của mẫu bột tổng hợp bằng phương
pháp lòng trắng trứng ..........................................................................................36
Hình 15. Giản đồ XRD của mẫu bột tổng hợp bằng phương pháp lòng trắng
trứng, sau khi nung ở 5500
C trong 3 giờ .............................................................37
C trong 3 giờ. ............................................................38
C trong 3 giờ. ............................................................38

Hình 18. Phổ XRD của bột tổng hợp bằng lòng trắng trứng sau khi nung ở các
nhiệt độ khác nhau trong 3 giờ: a - 5500
C; b - 6500
C; c - 7500
C .......................39
Hình 19. Ảnh SEM của mẫu bột sau khi nung 550°C (t = 3 giờ) với độ phóng
đại khác nhau .......................................................................................................40
Hình 20. Ảnh SEM bột NiFe2O4 tổng hợp bằng lòng trắng trứng sau khi nung
650°C (a) và 750°C (b) trong 3 giờ .....................................................................40
Hình 21. Đồ thị đường cong từ trễ của mẫu bột NiFe2O4 tổng hợp bằng phương
pháp lòng trắng trứng ở 2 nhiệt độ: 6500
C, 7500
C..............................................41
pháp đồng kết tủa .................................................................................................42
Hình 23. Giản đồ XRD của mẫu bột tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa,
sau khi nung ở 6500
C trong 3 giờ ........................................................................43
C trong 3 giờ ........................................................................44
C trong 3 giờ ........................................................................44
Hình 26. Phổ XRD của bột tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa sau khi
nung ở các nhiệt độ khác nhau trong 3 giờ: a - 6500
C; b - 7500
C; c - 8500
C.....45
Hình 27. Ảnh SEM bột NiFe2O4 tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa sau
khi nung 650°C (a) và 750°C (b) trong 3 giờ ......................................................46
pháp đồng kết tủa nung ở 3 nhiệt độ: 6500
C, 7500
C, 8500
C................................47
Hình 29. Đồ thị đường cong từ trễ của mẫu bột NiFe2O4 tổng hợp bằng 2
phương pháp nung cùng 1 nhiệt độ: 6500
C trong 3 giờ ......................................48
Danh sách bảng biểu
Bảng 1. Các đặc trưng từ tính của mẫu bột NiFe2O4 tổng hợp bằng phương
pháp lòng trắng trứng nung ở 2 nhiệt độ: 6500
C, 7500
C.....................................41

C, 7500
C, 8500
C................................46
Bảng 3. Các đặc trưng từ tính của mẫu bột NiFe2O4 tổng hợp bằng 2 phương
pháp nung ở nhiệt độ 6500
C trong 3 giờ.............................................................48

LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ nano là một bước tiến bộ vượt bậc trong lịch sử khoa học của
nhân loại. Công nghệ tiên tiến này đã góp phần mở ra những cơ hội mới thúc đẩy
sự phát triển của nhiều lĩnh vực khác nhau trong đời sống từ y học, hóa học, bảo
vệ môi trường đến sự phát triển về kinh tế và xa hơn là nâng cao chất lượng cuộc
sống con người. Tuy nhiên, chính bởi khả năng ứng dụng phong phú của mình,
công nghệ nano cũng đặt ra những thách thức lớn về khả năng phát triển vũ khí
loại mới với sức tàn phá kinh hoàng. Chính vì lẽ đó, việc nghiên cứu và sử dụng
đúng đắn những ứng dụng của công nghệ nano để phục vụ những mục đích cao
đẹp cho cuộc sống con người là điều hết sức cần thiết.
Tại Việt Nam, tuy công nghệ nano chỉ mới phát triển trong khoảng chục
năm trở lại đây, nhưng cũng đã kịp thời có được những kết quả đáng khích lệ,
đóng góp cho nền công nghệ nước nhà. Nắm bắt được xu thế đó, các nhà khoa
học cũng như các phòng nghiên cứu của các trường đại học trên khắp cả nước,
với sự hỗ trợ của chính phủ, đã đẩy mạnh việc nghiên cứu các ứng dụng của công
nghệ nano trong các lĩnh vực mang tính ứng dụng cao, như y học hay môi trường,
dựa trên chính những vật liệu nano phổ biến và dễ tổng hợp nhất.
Đáp ứng những tiêu chí đã nêu, có một vật liệu nano dễ dàng được tổng
hợp từ các phương pháp đơn giản như đồng kết tủa hay dùng lòng trắng trứng,
đồng thời vẫn bảo đảm được các ứng dụng thiết yếu, đó chính là ferrite NiFe2O4.
Với những phân tích trên, có thể nhận thấy tính khả thi và tiềm năng ứng
dụng lớn của vật liệu nano NiFe2O4 trong việc giảm trừ các kim loại nặng trong
môi trường cũng như sự cần thiết của việc nghiên cứu này đối với thực tiễn ứng
dụng ở Việt Nam, em đã lựa chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ
KHẢO SÁT CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO NiFe2O4”
với mong muốn những nghiên cứu của mình sẽ là một phần đóng góp nhỏ nhưng
mang lại được những lợi ích nhất định cho cuộc sống.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Công nghệ nano và vật liệu nano [11]
1.1.1. Khái niệm về công nghệ nano và vật liệu nano
Trong khoảng vài thập niên gần đây, khoa học đã xuất hiện một dãy các
từ mới gắn liền với hậu tố “nano” như: cấu trúc nano, công nghệ nano, vật liệu
nano, hoá học nano, vật lý nano, cơ học nano, công nghệ sinh học nano, hiệu ứng
kích thước nano... Người ta đã công bố hàng loạt các bài báo, các công trình khoa
học, các tạp chí và tổ chức nhiều hội nghị, hội thảo gắn liền với chủ đề công nghệ
nano; xuất hiện nhiều trung tâm, viện nghiên cứu, tổ bộ môn, khoa, chuyên
ngành về công nghệ nano và vật liệu nano. Chữ “nano” gốc Hy Lạp, được gắn
vào trước các đơn vị đo để tạo ra đơn vị ước giảm đi 1 tỷ lần (10-9
). Ví dụ:
nanogam = 1 phần tỷ gam, nanomet = 1 phần tỷ mét hay 1nm = 10-9
m.
Khoa học nghiên cứu về hạt nano đã và đang được quan tâm do chúng có
tính chất vật lý, hoá học và nhiều ứng dụng khác đặc biệt hơn so với khi nghiên
cứu về hạt micro.
Công nghệ nano là tổ hợp các quá trình chế tạo ra vật liệu, các thiết bị
máy móc và các hệ kỹ thuật mà chức năng của chúng được xác định bởi cấu trúc
nano, tức là các đơn vị cấu trúc có kích thước từ 1 đến 100 nm. Công nghệ nano
xuất hiện trên cầu nối của một số ngành khoa học (hoá học, vật lý, cơ học, khoa
học vật liệu, sinh học và nhiều lĩnh vực khác của khoa học), ngày càng đi sâu vào
nhiều lĩnh vực hiện đại của khoa học - kỹ thuật và thông qua chúng, nó đi vào đời
sống của chúng ta.
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano
mét. Thông thường vật liệu nano được phân ra thành nhiều loại, phụ thuộc vào
trạng thái, cấu trúc của vật liệu và kích thước của chúng v.v…
- Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái:
rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật
liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí.
- Về cấu trúc vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: (hình 1)

+ Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không
còn chiều tự do nào cho điện tử)
Ví dụ: các hạt nano từ tính sắt oxit (magnetite Fe3O4, maghemite α-Fe2O3)
có thể phá hủy các tế bào ung thư nhờ tác động của từ trường.
+ Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước
nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù).
Ví dụ: Silicat lớp (phyllosilicat) được kết hợp với các polime để tạo
nanocomposite có các tính chất chịu nhiệt, chống cháy, chịu mài mòn, biến đổi
các tính chất điện, quang... phụ thuộc vào dạng polime được sử dụng.
+ Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước
nano, hai chiều tự do.
Ví dụ: Ống nano cacbon được triển khai trong các hệ thống cơ điện nano,
bao gồm các thành phần bộ nhớ cơ học, motor điện cỡ nano...
+ Vật liệu nano ba chiều là vật liệu dạng khối được cấu tạo từ các hạt
nano tinh thể. Vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một
phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều,
một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Hình 1. Phân loại theo cấu trúc vật liệu nano
1.1.2. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano oxit
Hiện nay có rất nhiều phương pháp để tổng hợp hạt nano từ, có thể chia
thành 3 phương pháp cơ bản:
- Phương pháp Vật lý: nghiền bi, bốc bay nhiệt trong lò ủ, thủy nhiệt, bốc
bay nhiệt trong chân không, phản ứng pha rắn, nguội nhanh…

- Phương pháp Hóa học: đồng kết tủa, vi nhũ tương, sol-gel, hóa siêu âm…
- Phương pháp Hóa lý: ngưng tụ, điện hóa, điện hóa siêu âm, phản ứng
trong ống thép ở nhiệt độ cao…
Như ta đã thấy các phương pháp tổng hợp vật liệu từ nano rất đa dạng,
trong phạm vi bài khóa luận của mình, tôi chỉ trình bày một số phương pháp phổ
biến:
1.1.2.1. Phương pháp nghiền bi
Phương pháp nghiền bi là kỹ thuật dựa trên việc nghiền các vật liệu nhờ sự
va đập của các bi thép không gỉ với vật liệu khi được đặt vào buồng kín được
quay li tâm với tốc độ rất cao (có thể đạt 650 vòng/ phút đến vài ngàn vòng/
phút). Buồng chứa vật liệu được bao kín. Quá trình hợp kim hóa được diễn ra
nhờ sự va đập và nhào trộn khi buồng được quay với tốc độ cao. Nhờ quá trình
này, vật liệu khối được nghiền nhỏ tới kích thước nano.
Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, hạt từ có thể phân tán như
mong muốn, có thể sử dụng vật liệu từ khác (magie, coban, niken, sắt) với nhiều
bazơ khác và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn. Việc thay đổi chất hoạt
hóa bề mặt và dung môi không ảnh hưởng nhiều tới quá trình chế tạo.
Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng nhất của các hạt nano
không cao vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt nano. Hạt chế tạo
theo phương pháp này thường được dùng cho các ứng dụng vật lý.
1.1.2.2. Phương pháp âm hóa học
Phương pháp này liên quan đến quá trình tạo bọt trong chất lỏng. Sự tạo
bọt được mô tả như sự hình thành, phát triển và vỡ tan của các bọt dưới một áp
suất và nhiệt cao trong một khoảng thời gian rất ngắn để tạo ra các hạt nano.
Nhược điểm của phương pháp này là sản phẩm tạo ra thường bị kết tụ lại
gây khó khăn trong việc xác định được các đặc tính của hạt và khó kiểm soát
được kích thước theo ý muốn.
1.1.2.3. Phương pháp sol-gel
Từ Sol là từ đầu của danh từ “solution”, còn từ Gel là từ đầu của
“gelation”. Sử dụng phương pháp Sol-gel ta có thể chế tạo ra các hợp chất ở dạng

khối, siêu mịn, màng mỏng và sợi. Một cách đơn giản nhất, phương pháp này
được mô tả với hai loại phản ứng cơ bản là phản ứng thủy phân và polime hóa
ngưng tụ. Hạt được tạo thành tồn tại ở dạng gel.
Phương pháp sol-gel đã được biết đến từ rất lâu và được ứng dụng khá
rộng rãi vì phương pháp này có thể tạo ra những vật liệu có kích thước hạt rất
nhỏ, vật liệu nano.
Phương pháp sol-gel được thực hiện theo quy trình sau:
Quá trình tạo sol bao gồm sự hòa tan các ion kim loại hoặc các oxit kim
loại kiềm, các muối kim loại hữu cơ trong dung môi rượu hoặc các muối kim loại
vô cơ trong dung môi nước tạo thành thể huyền phù, sol sẽ hình thành khi các
huyền phù trở nên chất keo lỏng. Sol sau đó chuyển đổi thành gel thông qua sự
ngưng tụ. Gel sấy khô sẽ chuyển thành Xerogel, nhằm tách nước và nhiệt phân
các chất hữu cơ. Giai đoạn tiếp theo là nung xerogel để tạo thành tinh thể bột.
Ưu điểm của phương pháp này là có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác
nhau, có khả năng thích ứng với nhiều điều kiện phản ứng, tạo ra các hạt có kích
thước tương đối đều, đồng nhất, nhỏ, mịn… Tuy nhiên, phương pháp này còn tồn
tại nhiều hạn chế: do sự khác biệt về tốc độ thủy phân của các chất ban đầu có thể
dẫn đến tính không đồng nhất hóa học, có thể tồn tại các pha tinh thể không
mong muốn.
1.1.2.4. Phương pháp vi nhũ tương
Vi nhũ tương cũng là một phương pháp khá phổ biến để tạo hạt nano. Vi
nhũ tương là sự phân tán của chất lỏng trong một chất lỏng ổn định khác bằng
màng phân cách của các hoạt tính bề mặt. Vi nhũ tương là một chất lỏng không
màu, đẳng hướng và ổn định về mặt động lực học. Vi nhũ tương được chia làm
hai loại: vi nhũ tương nước trong dầu hay dầu trong nước.
Trong phương pháp này, các hạt dung dịch nước bị bẫy bởi các phân tử
hoạt hóa bề mặt phân tán trong môi trường dầu liên tục. Các hốc hoạt hóa bề mặt

tạo ra sự giới hạn về không gian, làm cho sự hình thành và phát triền các hạt nano
bị hạn chế. Do đó các hạt nano được tạo thành rất đồng nhất.
Tuy nhiên, nồng độ các chất hoạt tính bề mặt đòi hỏi phải cao để tạo ra
dung dịch phản ứng nano.
1.1.2.5. Phương pháp ngưng tụ
• Phương pháp Cacbonyl
Phương pháp cacbonyl dựa vào sự phân rã của cacbonyl kim loại.
Cacbonyl kim loại được đặt trong bình chứa, được pha loãng với khí trơ (Nitơ,
Argon) và được đun nóng đến nhiệt độ khoảng 2500
C. Khi đó quá trình rã ngưng
tụ diễn ra và nguyên tử kim loại hình thành nên hạt từ. Hạt từ thu được có kích
thước từ 2 đến 30 nm phụ thuộc vào nhiệt độ, tỉ số dung môi và chất hoạt động
bề mặt…
• Phương pháp ngưng tụ điện phân
Hạt từ được ngưng tụ điện phân từ dung dịch có nước của muối kim loại
được phân tán trong chất lỏng với sự có mặt của chất kích hoạt bề mặt. Quá trình
được chạy trong buồng điện phân hai tầng với catot quay ở tầng thấp chứa dung
dịch chất điện phân, tầng trên là dung dịch chất kích hoạt bề mặt trong chất lỏng.
Chất điện phân sau khi ngưng tụ vào đến bề mặt catot đang quay nhanh, hạt kim
loại rơi vào môi trường phân tán và được phủ bởi một lớp tạo bề mặt. Kích thước
của hạt kim loại thu được phụ thuộc vào tốc độ quay catot, nhiệt độ điện phân…
• Phương pháp ngưng tụ chân không
Để chế tạo hạt từ mịn, người ta cho ngưng tụ hơi kim loại được đun nóng
tới nhiệt độ cao trong chân không. Quá trình ngưng tụ diễn ra chủ yếu tại thành
của bình chứa luôn được giữ trong chân không, sẽ hình thành nên hạt keo từ.
Phương pháp này có thể thu được hạt có kích thước rất nhỏ.
1.1.2.6. Phương pháp đồng kết tủa
Phương pháp đồng kết tủa là phương pháp cực kỳ đa năng để chế tạo hạt
ferrite có kích thước rất nhỏ và tính chất từ có thể được điều chế đơn giản bằng
việc điều chỉnh điều kiện thí nghiệm. Với phương pháp đồng kết tủa: chất gốc là
các muối vô cơ như FeCl2, FeCl3, FeSO4… được hòa tan trong môi trường nước,
sau đó được cho phản ứng với dung dịch bazơ hydroxit như KOH, NaOH,

NH4OH, … để tạo kết tủa. Sản phẩm kết tủa được lọc rửa sạch bằng nước cất và
được làm khô ở nhiệt độ 600
C trong chân không. Các hạt được tổng hợp có kích
thước từ vài nanomét đến vài chục nanomét. Kích thước hạt có thể được kiểm
soát thông qua nhiều yếu tố như tỉ lệ vật liệu ban đầu, trạng thái oxy hóa, độ pH
dung dịch …
Mặc dù đồng kết tủa là phương pháp đơn giản nhưng khi các hạt nano
hình thành chúng kết tụ rất mạnh do nhiều yếu tố như diện tích tiếp xúc trực tiếp
nhau tăng, ảnh hưởng của lực trọng trường, môi trường lưu giữ hạt dễ bị oxy
hóa… và gây ra sự xen lẫn nhiều pha khác nhau. Các hạt kết tụ này làm hạn chế
khả ăng ứng dụng tiếp theo, do đó đòi hỏi phải có sự biến đổi bề mặt.
Phương pháp này có những ưu điểm khá quan trọng: chế tạo đơn giản,
phản ứng xảy ra nhanh, có thể tạo ra hạt nano với độ đồng nhất, độ phân tán khá
cao. Nhưng phương pháp này có nhược điểm là độ từ hóa thấp, các hạt nano sau
khi hình thành sẽ kết tụ mạnh. Tuy nhiên, còn tùy thuộc vào những ứng dụng cụ
thể, những nhược điểm này thì không đáng kể so với những thuận lợi mà phương
pháp mang lại. Vì thế, nó được sử dụng khá phổ biến.
1.1.3. Ứng dụng của vật liệu nano
- Dược học, thuốc chữa bệnh: Có khả năng chế tạo các phân tử sinh học mà
chuyển dược phẩm trong tế bào. Điều này có thể giải phóng các hạt nano hoặc
hóa chất chống ung thư đáp lại tín hiệu nguy hiểm từ tế bào bệnh’’.
- Gắn DNA và chip DNA : Xét nghiệm kim loại xác định DNA có thể thực
hiện bằng lớp phủ hạt nano vàng với chuỗi sợi DNA. Khi các hạt này được ghép
vào DNA sẽ xảy ra liên kết (sự lai tạo). Quá trình này sẽ làm cho keo vàng kết tụ,
và kết quả là diễn ra sự thay đổi màu trên thân chip.
- Lưu trữ thông tin: Các hạt màu siêu mịn thường tạo ra chất lượng cao hơn
về màu sắc, độ bao phủ và chất bền màu. Trên thực tế, các hạt nano thường được
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 người
càng chế tạo các loại vật liệu lưu trữ thông tin có dung lượng lớn nhưng kích
thước ngày càng nhỏ gọn.

- Máy tính hóa học/quang học: Các mạng hai hay ba chiều có trật tự của
kim loại hoặc nano bán dẫn có tính chất từ và quang riêng biệt. Các vật liệu này
hứa hẹn có nhiều ứng dụng trong công nghiệp điện tử, bao gồm cả máy tính
quang học.
- Gốm và các chất cách điện cải tính: Việc nén các hạt gốm kích thước
nano tạo ra các vật rắn mềm dẻo, dường như là do vô số ranh giới hạt tồn tại. Sau
khi phát triển thêm các phương pháp nén, các vật không xốp, độ đặc cao sẽ được
điều chế. Những vật liệu mới này có thể được sử dụng như chất thay thế cho kim
loại trong rất nhiều ứng dụng.
- Kim loại cứng hơn: Kim loại nano khi nén vào trong vật rắn sẽ có bề mặt
đáng chú ý, có độ cứng của kim loại vi tinh thể thông thường.
- Pin mặt trời: Hạt nano bán dẫn, có kích thước điều chỉnh được, có tiềm
năng đối với pin mặt trời với hiệu suất cao hơn.
- Chất xúc tác: Tầm quan trọng của vật liệu cấu trúc nano là sự xúc tác
không đồng nhất phụ thuộc vào các hạt nano của kim loại và nghiên cứu về tác
động của kích thước hạt. Đây là lĩnh vực đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm
của các nhà khoa học.
- Công nghệ sản xuất sơn: Người ta đã chứng minh được rằng sơn được
thêm chất phụ gia bằng các hạt nano hấp phụ ánh sáng, ví dụ như TiO2 thì sơn sẽ
tự lau sạch. Cơ chế khiến điều này xảy ra liên quan đến oxy hóa quang chất gây
bẩn bằng TiO2 trong nước. Vật liệu hữu cơ béo mà bám chặt vào bề mặt sơn có
thể bị oxy hóa bằng cặp lỗ điện tử tạo thành khi nano TiO2 hấp thụ ánh sáng mặt
trời. Vì vậy, vật liệu hữu cơ bị loại khỏi lớp màng sơn.
- Các chất xúc tác bảo vệ môi trường: Việc sử dụng vật liệu nano với thành
phần là các kim loại đất hiếm cho phép điều chế các lớp xúc tác hoạt tính mỏng
hơn, nhờ đó tiết kiệm được kim loại quý. Các vật liệu nano này cũng giúp ích
trong việc điều chế các huyền phù có độ đặc cao, rất bền, nhờ đó giảm số bước
phủ và giảm mất mát nguyên liệu do sự phân tán kết bông khi sản xuất các lớp
xúc tác.
- Nâng cao an ninh quốc phòng: Công nghệ nano đóng vai trò quan trọng
trong việc chế tạo trang thiết bị quân sự cho quốc phòng. Các loại vật liệu hấp

phụ, phá hủy các tác nhân sinh học và hóa học đã được chứng minh là khá hiệu
quả và cho phép đối phó nhanh với một số vấn đề hậu cần.
- Ngoài ra, các nhà khoa học đã tìm cách đưa công nghệ nano vào việc giải
quyết các vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng ô nhiễm môi trường ngày
càng gia tăng.
* Tính hấp phụ ion kim loại nặng của vật liệu nano
+ Hiện tượng hấp phụ
Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha (khí – rắn, lỏng
– rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp phụ được
gọi là chất hấp phụ, còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị
hấp phụ.
Ngược với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ. Đó là quá trình đi
ra của chất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt chất hấp phụ.
Hiện tượng hấp phụ xảy ra do lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị
hấp phụ. Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ
là hấp thụ vật lý và hấp phụ hóa học.
+ Hấp phụ trong môi trường nước
Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phức tạp
hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất là ba thành phần gây tương tác: nước, chất
hấp phụ và chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra
quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất
hấp phụ. Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó. Tính chọn
lọc của cặp tương tác phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong
nước, tính ưa hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của các chất bị hấp
phụ trong môi trường nước.
Trong nước, các ion kim loại bị bao bọc bởi một lớp vỏ các phân tử nước
tạo nên các ion bị hidrat hoá. Bán kính (độ lớn) của lớp vỏ hidrat ảnh hưởng
nhiều đến khả năng hấp phụ của hệ do lớp vỏ hidrat là yếu tố cản trở tương tác
tĩnh điện. Với các ion cùng điện tích thì ion có kích thước lớn sẽ hấp phụ tốt hơn
do có độ phân cực lớn hơn và lớp vỏ hidrat nhỏ hơn. Với các ion có điện tích

khác nhau, khả năng hấp phụ của các ion có điện tích cao tốt hơn nhiều so với ion
có điện tích thấp.
Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiều bởi pH. Sự thay
đổi pH không chỉ dẫn đến sự thay đổi về bản chất của chất bị hấp phụ (các chất
có tính axit yếu, bazơ yếu hay trung tính phân li khác nhau ở các giá trị pH khác
nhau) mà còn làm ảnh hưởng đến các nhóm chức trên bề mặt chất hấp phụ.
+ Nguyên lí hoạt động của thiết bị lọc ứng dụng vật liệu nano
Nhờ tồn tại với kích thước nano nên các vật liệu có độ rỗng xốp, diện tích
bề mặt, điện tích hấp phụ vô cùng lớn có khả năng tăng lực hấp phụ lôi kéo các
hạt vật chất ô nhiễm bám dính trên các lỗ mao quản của vật liệu hấp phụ.
Nước được đưa vào ống dẫn nước của máy lọc, sau đó nước được đẩy vào
phía trong lõi lọc nano theo chiều hướng đi từ dưới lên, phía trên của lõi lọc nano
có nhiều khe hở để dòng nước sau xử lý chảy tràn qua không gian giữa thân máy
và lõi nano. Nước sạch chảy vào lỗ thu nước ra và theo vòi ra để có thể sử dụng.
Hoạt động của thiết bị khá đơn giản và tiện sử dụng để có thể lắp đặt vào các vị
trí khác nhau.
Hình 2. Thiết bị lọc ứng dụng công nghệ nano

1.2. Tổng quan tính chất các nguyên tố [18]
1.2.1. NIKEN
1.2.1.1. Niken
Hình 3. Kim loại Niken
Ký hiệu nguyên tố, số thứ tự Ni, 28
Cấu hình electron hóa trị [Ar]3d8
4s2
Bán kính nguyên tử (A0
) 1,24
Nhiệt nóng chảy (0
C) 1455
Nhiệt độ sôi (0
C) 2913
Nhiệt lượng nóng chảy(kJ.mol-1
) 17,48
Nhiệt lượng bay hơi (kJ.mol-1
) 377,5
Độ cứng (thang Moxơ) 4
Trạng thái tự nhiên Hình 3

Niken là một kim loại màu trắng bạc, bề mặt bóng láng. Niken nằm trong
nhóm sắt từ. Đặc tính cơ học: cứng, dễ dát mỏng và dễ uốn, dễ kéo sợi. Trong tự
nhiên, niken xuất hiện ở dạng hợp chất với lưu huỳnh trong khoáng millerit,
với asen trong khoáng niccolit, và với asen cùng lưu huỳnh trong quặng niken.
Niken là một trong năm nguyên tố sắt từ. Khoảng 65% khối lượng niken
được tiêu thụ ở phương Tây dùng làm thép không rỉ. 12% còn lại được dùng làm
"siêu hợp kim", 23% còn lại được dùng trong luyện thép, pin sạc, chất xúc tác,
vật liệu từ mềm và các hóa chất khác, đúc tiền, sản phẩm đúc và bảng kim loại.
Niken có rất nhiều ứng dụng quan trọng như: làm thép không gỉ và hợp
kim chống ăn mòn, nam châm, vật liệu từ mềm, chất xúc tác cho quá trình hidro
hóa.
1.2.1.2. Niken (II) oxit
Hình 4. Tinh thể niken (II) oxit
- Màu sắc: xanh lá cây
- Dạng tinh thể rắn (hình 4)
- Điểm nóng chảy: 1960 ° C
Niken (II) oxit có nhiều ứng dụng trong thực tiễn: sử dụng trong ngành
công nghiệp gốm sứ, sản xuất hợp kim thép niken, sản xuất pin sạc, làm xúc tác
linh hoạt.
1.2.2. SẮT
1.2.2.1. Sắt

Sắt có màu trắng xám, dễ
rèn và dễ dát mỏng. Trong tự nhiên tồn tại 4 đồng vị bền 54
Fe, 56
Fe, 57
Fe và 58
Fe,
trong đó đồng vị 56
Fe chiếm 91,68 %, có tính sắt từ: chúng bị nam châm hút và
dưới tác dụng của dòng điện chúng trở thành nam châm. Từ tính của sắt đã được
phát hiện từ thời cổ xưa, cách đây hơn hai ngàn năm. Nguyên nhân của tính sắt từ
không phải chỉ là ở nguyên tử hay ion mà chủ yếu là ở mạng lưới tinh thể của
chất.
Sắt có 4 dạng thù hình bền ở những khoảng nhiệt độ xác định:
α - Fe β - Fe γ - Fe δ -Fe Fe lỏng
Những dạng α và β có cấu trúc tinh thể kiểu lập phương tâm khối nhưng
cấu trúc electron khác nhau nên α-Fe có tính sắt từ và β-Fe có tính thuận từ, α-Fe
khác với β-Fe là không hòa tan cacbon, γ-Fe có cấu trúc lập phương tâm diện và
có tính thuận từ, δ- Fe có cấu trúc lập phương tâm khối như α-Fe nhưng tồn tại
đến nhiệt độ nóng chảy.
Sắt là kim loại được tách ra từ các mỏ quặng sắt và rất khó tìm thấy nó ở
dạng tự do. Để thu được sắt tự do, các tạp chất phải được loại bỏ bằng phương
pháp khử hóa học. Ứng dụng của sắt là dùng để sản xuất gang và thép.
1.2.2.2. Sắt (III) oxit
Nguyên tố, số thứ tự Fe, 26
Cấu hình electron hóa trị [Ar]3d6
4s2
Bán kính nguyên tử (A0
) 1,26
Nhiệt nóng chảy (0
C) 1538
Nhiệt độ sôi (0
C) 2862
Nhiệt lượng nóng chảy (kJ.mol-1
) 13.81
Nhiệt lượng bay hơi (kJ.mol-1
) 340
Độ cứng (thang Moxơ) 4
Trạng thái tự nhiên Hình 5

Hình 6. Cấu trúc của ε-
Fe2O3
Chất bột không tan trong nước, có màu nâu đỏ, có các dạng đa hình
giống nhôm oxit: α- Fe2O3 là tinh thể lục phương giống với corudum và tồn tại
trong thiên nhiên dưới dạng khoáng vật hematite, γ- Fe2O3 là tinh thể lập phương
giống với γ-Al2O3, ngoài ra còn có β-Fe2O3, ε -Fe2O3. Dạng α có tính thuận từ
còn dạng γ có tính sắt từ.
α-Fe2O3 được nghiên cứu và tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng quặng
hematite. Hematite có dạng hình thoi ở trung tâm và có cấu trúc lục giác giống
như hình dạng của những viên corodum (α-Al2O3) trong mạng lưới oxi trong đó
ion sắt (III) chiếm 2/3 thể tích bát diện.
Hematite là một trong những sản
phẩm cuối cùng của sự biến đổi nhiệt của các
hợp chất sắt (II) và sắt (III). Ngoài phương
pháp xử lý nhiệt thì một loạt các phương pháp
khác để tổng hợp hematite đã được biết đến
chẳng hạn như phương pháp ướt. Hematite
được điều chế bằng cách thuỷ phân muối sắt
trong môi trường axít mạnh (pH=1÷2), ở nhiệt
độ (100°C).
β-Fe2O3 có từ tính không ổn định là
một điểm riêng để phân biệt nó với các dạng α,
γ, ε, β-Fe2O3 siêu bền với nhiệt và được chuyển
đổi thành hematite ở nhiệt độ khoảng 500°C.
γ-Fe2O3 tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng maghemite. γ-Fe2O3
không bền với nhiệt và được chuyển thành hematite ở nhiệt độ cao hơn. Nhiệt độ
và cơ chế của sự thay đổi cấu trúc phụ thuộc vào điều kiện thí nghiệm và đặc biệt
là kích thước của các hạt maghemite. Trong trường hợp cấu trúc hạt bé thì ε -
Fe2O3 là chất trung gian trong sự chuyển đổi cấu trúc từ γ-Fe2O3 →α-Fe2O3,
cơ chế chuyển đổi thành hematite phụ thuộc nhiều vào mức độ các hạt tích tụ. γ-
Fe2O3 (maghemite) đã thu hút được nhiều sự nghiên cứu do nó có tính từ và được
sử dụng làm chất xúc tác.

ε -Fe2O3 có thể được xem là chất mới nhất trong hợp chất sắt (III) oxit,
cấu trúc của nó được biết đến vào năm 1988 bởi Tronc et al.ε-Fe2O3 có hình dạng
trực thoi với 8 tế bào đơn vị ( Hình 6).
ε-Fe2O3 được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel hoặc đun nóng dung
dịch kali ferricyanide với hypochlorite natri và kali hydroxit, sau đó nung kết tủa
ở 400°C. Nhiệt độ chuyển dạng thù hình từ ε-Fe2O3 →α-Fe2O3 nằm trong
khoảng từ 500°C ÷ 750°C. Kích thước của các hạt ε -Fe2O3 điều chế theo những
phương pháp khác nhau là khoảng 30÷80nm.
Fe2O3 được hình thành trong quá trình nhiệt phân của FeO(OH) ở 170°C
trong chân không. Năm 1975 Howe và Gallagher đã biết được cơ chế mất nước
và cấu trúc của oxit sắt. Họ thấy rằng các oxit có cấu trúc khuyết tật đều có tất cả
các đặc tính của các hợp chất ban đầu. Bốn mô hình phân phối các anion chỗ
trống trong mạng tinh thể oxit đã được đưa ra. Sắt oxit có cấu trúc dạng ống thì
được giữ lại trong quá trình mất nước, ion sắt (III) có số phối trí là 4.
*Ứng dụng
- Sắt (III) oxit không chỉ là một vật liệu dùng trong chiến lược công nghiệp
mà nó còn là một hợp chất được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu tính đa
hình và sự thay đổi hình dạng trong các hạt nano. Bốn loại thù hình của Fe2O3 có
kích thước nano đã được tổng hợp và nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần
đây.
- Các màu sắc tự nhiên cũng như tổng hợp được của Fe2O3 như màu đỏ,
nâu và đen thì được sử dụng trong ngành sản xuất sơn, phụ gia và trong sản xuất
kính màu. Sắt (III) oxit còn được sử dụng làm chất xúc tác của nhiều phản ứng
quan trọng của ngành công nghiệp sản xuất hoá chất, nó là chất xúc tác của phản
ứng khử ethylbenzen để sản xuất styren. Chúng được chứng minh là chất xúc tác
có hiệu quả trong quá trình ôxi hoá các hydrocacbon polyaromatic, xúc tác đốt
nhiên liệu, than hoá lỏng và pha hơi trong quá trình oxi hoá của axit benzoic.
- Fe2O3 cũng là nguyên liệu đầu vào để sản xuất ferrite. Ngoài ra, nó còn
được sử dụng trong công nghệ sản xuất gốm sứ, nam châm vĩnh cửu, trong kỹ
thuật lưu trữ phương tiện truyền thông.

- Oxit sắt là thành phần quan trọng nhất của một số quặng dùng để sản xuất
sắt và thép. Mặt khác khi nhiệt độ cao, sự ăn mòn sắt thép cũng liên quan đến
một số giai đoạn trong việc hình thành oxit sắt. Chúng luôn được hình thành trên
bề mặt của sắt thép và đôi khi nó cũng là nguyên nhân gây ra những vấn đề
nghiêm trọng trong quy trình chế tạo. Các oxit sắt cũng có thể được kết hợp xen
vào hợp chất như là một chất bán dẫn để từ đó ta sẽ thấy được khả năng xúc tác
hiệu quả của oxit sắt.
- Do các oxit sắt cứng nên chúng được sử dụng để làm tác nhân mài mòn và
đánh bóng. Hematite khi được nung nóng nhẹ được dùng làm để đánh bóng vàng
và bạc, trong khi đó hematite nung ở nhiệt độ cao hơn thì lại được dùng để đánh
bóng những vật bằng đồng và thép. Fe2O3 đã được sử dụng như lớp phủ mật độ
cao cho đường ống dẫn dầu bằng bê tông dưới đáy biển để mang dầu và khí đốt
vào bờ. Lớp sơn phủ này nhằm ổn định các đường ống dẫn dầu dưới đáy biển và
bảo vệ đường ống chống lại những tác hại vật lý ở những vùng nước nông.
- Tính điện từ và khả năng quang học của các hạt nano siêu thuận từ có tầm
quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp ứng dụng bao gồm cả việc phát triển
mới các thiết bị điện và thiết bị quang học. Lợi thế của việc sử dụng các hạt
Fe2O3 kích thước nano là do chúng có tính ổn định hoá học.
1.2.2.3. Sắt (III) hidroxit
Được tạo ra do tác dụng của bazơ với muối sắt (III). Sản phẩm có màu đỏ
gỉ, màu nâu đỏ hay màu ánh tím, được sử dụng làm bột màu. Ngoài ra nó được sử
dụng ở trạng thái tinh khiết để làm thuốc giải độc asen.
Fe(OH)3 không tan trong nước và có tính lưỡng tính: tan dễ trong dung
dịch axit và tan được trong dung dịch kiềm đặc nóng hoặc Na2CO3 hay K2CO3
nóng chảy.
Các kết tủa hydroxit được biết là có hệ số lọc thấp và do đó khó rửa các
ion tự do của tạp chất. Các đặc điểm của kết tủa hydroxit phụ thuộc chủ yếu vào
pH và nhiệt độ tạo thành kết tủa.

1.3. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất của
bột nano [3]
1.3.1. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) và khối lượng nhiệt
(TGA)
Phân tích nhiệt vi sai (DTA) là phương pháp phân tích nhiệt trong đó mẫu
và chất tham khảo được nung đồng thời trong lò. Chất tham khảo không bị biến
đổi trong khoảng nhiệt độ đang khảo sát nên nhiệt độ của nó biến thiên tuyến tính
với nhiệt độ của lò. Các phản ứng xảy ra trong mẫu luôn kèm theo sự thu nhiệt hay
toả nhiệt nên sẽ làm nhiệt độ của mẫu thay đổi không tuyến tính với nhiệt độ của
lò.
Phân tích nhiệt thường được tiến hành trong môi trường khí trơ thường là
Nitơ. Lượng nhiệt được hấp thụ (thu nhiệt) hay giải phóng (tỏa nhiệt) khi trong
mẫu có những thay đổi lý hoá nhất định.
Kết quả đo DTA phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
- Các yếu tố phụ thuộc thiết bị như hình dáng và kích thước lò, khí
quyển của lò, vị trí cặp nhiệt, vật liệu làm chén nung, tốc độ nung …
- Các yếu tố phụ thuộc mẫu và chất tham khảo như lượng, kích thước
hạt, độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số giãn nở nhiệt… của mẫu và chất tham
khảo.
Đường cong DTA còn dùng để xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng.
Hiệu ứng nhiệt của phản ứng được tính toán thông qua diện tích peak, ngoài ra
phương pháp phân tích nhiệt vi sai còn dùng để xác định độ tinh khiết của mẫu.
Phương pháp phân tích khối lượng nhiệt (TGA) là phương pháp khảo sát
sự thay đổi khối lượng của chất theo nhiệt độ khi chất được đặt trong lò nung có
chương trình thay đổi nhiệt độ được kiểm soát một cách chặt chẽ. Nhiệt độ nung
có thể lên đến 1600°C.
Mẫu được nối với một cân nhiệt để cân mẫu liên tục trong quá trình nung.
Để liên tục phát hiện sự thay đổi của mẫu trong quá trình nung, chén đựng mẫu
phải được nối kết với một cân nhiệt.

Hình 7. Nhiễu xạ tia X
Đường cong TG giúp ta có thể xác định được độ bền nhiệt của chất, các
phản ứng xảy ra trong quá trình phân hủy nhiệt của chất và đồng thời xác định
được độ tinh khiết của chất.
Trong bài khóa luận này, các quá trình hóa lý xảy ra khi nung mẫu được
nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nhiệt TGA/DTA tại phòng thí nghiệm
Hóa lý, khoa Hóa, trường Đại Học Sư Phạm 1 Hà Nội.
1.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Nguyên tắc
Khi chiếu một chùm electron có
năng lượng lớn vào bề mặt của đối
âm cực (anot), các electron ở bề mặt
của đối âm cực bị bứt ra và làm xuất
hiện lỗ trống. Các electron ở mức
năng lượng cao hơn nhảy về mức
năng lượng thấp hơn để lấp đầy chỗ
trống đồng thời làm phát ra năng
lượng thừa và năng lượng đó được
gọi là tia X. (Hình 7)
Định luật Bragg
Giả sử có một chùm tia X đơn sắc đến gặp tinh thể và phản xạ trên các
mặt phẳng mạng.
Để có sự giao thoa của sóng phản xạ, các sóng này phải cùng pha, nghĩa
là hiệu quang trình của chúng phải bằng một số nguyên lần bước sóng.
Hiệu quang trình: ∆ = 2dsinθ (1)
Đối với nhiều góc tới θ giá trị ∆ không phải bằng một số nguyên lần bước
sóng λ nên các tia X phản xạ có giao thoa giảm.

Khi ∆ = nλ thì các sóng phản xạ sẽ cùng pha và ta có sự giao thoa tăng.
Như vậy ta sẽ thu được cường độ sóng phản xạ tăng mạnh khi góc tới θ thoả mãn
điều kiện:
2dsinθ = nλ (2)
Đây chính là nội dung của định luật Bragg.
Ứng dụng của định luật Bragg là để xác định khoảng cách mạng d khi đã
biết λ và góc tới θ tương ứng với vạch thu được.
Ta có thể tính kích thước trung bình của tinh thể theo công thức Scherrer
như sau:
Φ =EE
AkλA
AβcosθA
(3)
Trong đó: Φ: kích thước tinh thể
λ: bước sóng của bức xạ tia X (Fe-KR
αR=1,7 AP
0
P, Cu-KR
αR=1,5
AP
0
P, W-KR
αR =0,5 AP
0
P, U-KR
αR=0,14 AP
0
P...)
k: hệ số (0.89)
β: độ rộng ở ½ chiều cao của peak sau khi trừ đi độ rộng do
thiết bị.
Ứng dụng
Phương pháp XRD được dùng để xác định cấu trúc, thành phần pha dựa
trên số lượng, vị trí và cường độ các peak trên phổ nhiễu xạ tia X để suy đoán
kiểu mạng từ đó xác định bản chất của vật liệu.
Trong bài khóa luận này, thành phần pha của bột tạo thành được kiểm tra
bằng phương pháp nhiễu xạ tia X trên máy D8 Advance – Bruker tại Trung tâm
thiết bị khoa học và phân tích Hoá lý – Viện Khoa học vật liệu ứng dụng
Tp.HCM.

1.3.3. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét (SEM): là loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh
có độ phân giải cao của bề mặt mẫu. (Hình 8)
Ưu điểm
Không cần phá mẫu khi phân tích và có thể hoạt động trong môi trường chân
không thấp.
Nguyên lý hoạt động
Một chùm điện tử đi qua các thấu
kính điện tử để hội tụ thành một điểm rất
nhỏ chiếu lên bề mặt của mẫu nghiên cứu.
Nhiều hiệu ứng xảy ra khi các hạt điện tử
của chùm tia va chạm với bề mặt của vật
rắn. Từ điểm chùm tia va chạm với bề mặt
của mẫu có nhiều loại hạt, nhiều loại tia
phát ra (tín hiệu). Mỗi loại tín hiệu phản ánh một đặc điểm của mẫu tại điểm
được điện tử chiếu vào. Ví dụ:
- Số điện tử thứ cấp (điện tử Auger) phát ra phụ thuộc độ lồi lõm ở bề mặt
mẫu.
- Số điện tử tán xạ ngược phát ra phụ thuộc điện tích hạt nhân Z.
- Bước sóng tia X phát ra phụ thuộc nguyên tử ở mẫu là nguyên tố nào (phụ
thuộc Z)...
Cho chùm điện tử quét trên mẫu, đồng thời quét một tia điện tử trên màn
hình của đèn hình một cách đồng bộ, thu và khuếch đại một tín hiệu nào đó của
mẫu phát ra để làm thay đổi cường độ sáng của tia điện tử quét trên màn hình và
ta thu được ảnh.
Cho tia điện tử quét trên ảnh với biên độ d nhỏ (cỡ mm hay µm) còn tia
điện tử quét trên màn hình với biên độ D lớn (bằng kích thước của màn hình) khi
đó ảnh có độ phóng đại D/d.
Hình 8. Kính hiển vi điện tử quét

Hình 9. Đường cong từ trễ
của vật liệu sắt từ
Độ phóng đại của kính hiển vi điện tử quét thông thường từ vài ngàn đến
vài trăm ngàn lần. Năng suất phân giải phụ thuộc vào đường kính của chùm tia
điện tử hội tụ chiếu lên mẫu.
Với súng điện tử thông thường (sợi đốt là dây vonfram uốn hình chữ V),
năng suất phân giải là 5 nm đối với kiểu ảnh điện tử thứ cấp. Như vậy chỉ thấy
được những chi tiết thô trong công nghệ nano.
Những kính hiển vi điện tử tốt có súng phát xạ trường, kích thước chùm
điện tử chiếu vào mẫu nhỏ hơn 0,2 nm, có thể lắp thêm bộ nhiễu xạ điện tử tán xạ
ngược để quan sát các hạt cỡ 1 nm và theo dõi được cách sắp xếp nguyên tử
trong từng hạt nano đó.
Ứng dụng
Loại hiển vi này có nhiều chức năng nhờ khả năng phóng đại và tạo ảnh
rất rõ nét, chi tiết. Hiển vi điện tử quét SEM được sử dụng để nghiên cứu bề mặt
vật liệu cho phép xác định kích thước và hình dạng của vật liệu
Trong bài khóa luận này, kích thước và hình thái hạt được quan sát bằng
kính hiển vi điện tử quét - FE SEM Model S4800 Hitachi tại Viện Hóa học Tp.
HCM và Viện Công nghệ cao Tp. HCM.
1.3.4. Phương pháp đo độ từ hóa
Bất cứ vật liệu nào đều có sự cảm ứng với từ trường ngoài (H), thể hiện
bằng độ từ hóa (từ độ - M). Tỷ số c = M/H được gọi là độ từ cảm. Tùy thuộc vào
giá trị, độ cảm từ có thể phân ra làm các loại vật liệu từ khác nhau. Vật liệu có
c<<0 (~10P
-6
P) được gọi là vật liệu thuận từ. Vật liệu có c > 0 với giá trị rất lớn có
thể là vật liệu sắt từ, ferrite từ. Ở đây, vật liệu từ tính ngụ ý là vật liệu sắt từ,
ferrite từ hoặc siêu thuận từ.
Ngoài độ cảm từ, một số thông số khác
cũng rất quan trọng trong việc xác định tính
chất của vật liệu. Ví dụ như: độ bão hòa từ MR
sR
(độ từ tính đạt cực đại tại từ trường lớn), từ dư
MR
rR (độ từ tính còn dư sau khi ngừng tác động

của từ trường ngoài), lực kháng từ HR
cR (từ trường ngoài cần thiết để một hệ, sau
khi đạt trạng thái bão hòa từ, bị khử từ). Nếu kích thước của hạt giảm đến một giá
trị nào đó (thông thường từ vài cho đến vài chục nanomet), phụ thuộc vào từng
vật liệu cụ thể, tính sắt từ và ferrite từ biến mất, chuyển động nhiệt sẽ thắng thế
và làm cho vật liệu trở thành vật liệu siêu thuận từ. Đối với vật liệu siêu thuận từ,
từ dư và lực kháng từ bằng không. Điều đó có nghĩa là: khi ngừng tác động của
từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan
trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học. Hạt nano từ tính dùng
trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tính đồng nhất của các hạt
cao, độ bão hòa từ lớn và vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc
tính).Vật liệu sắt từ được phân thành hai nhóm chính là vật liệu từ mềm và vật
liệu từ cứng.
Vật liệu từ mềm là các vật liệu được từ hóa và khử từ dễ dàng. Vật liệu từ
mềm thường được dùng làm vật liệu hoạt động trong trường ngoài, ví dụ như lõi
biến thế, lõi nam châm điện, các lõi dẫn từ... Thông số quan trọng đầu tiên để nói
lên tính chất từ mềm của vật liệu từ mềm là lực kháng từ HR
cR. Lực kháng từ của
các vật liệu từ mềm phải nhỏ cỡ 100 Oe. Những vật liệu có tính từ mềm tốt, thậm
chí có lực kháng từ rất nhỏ (tới cỡ 0,01 Oe). Độ từ thẩm ban đầu (µ = B/H) là
thông số rất quan trọng để nói lên tính từ mềm của vật liệu từ mềm. Vật liệu từ
mềm có độ từ thẩm ban đầu từ vài trăm, đến vài ngàn, các vật liệu có tính từ
mềm tốt có thể đạt tới vài chục ngàn, thậm chí hàng trăm ngàn. Các vật liệu từ
mềm như hợp kim Fe – Si, hợp kim Ni – Fe, hợp kim vô định hình và nano tinh
thể… Đối với vật liệu từ cứng có những tính chất trái ngược với vật liệu từ mềm.
Vật liệu từ cứng có lực kháng từ cao, điều kiện tối thiểu là trên 1000T 0TOe, nhưng
vật liệu từ cứng phổ biến thường có lực kháng từ cỡ hàng ngàn Oe trở lên. Nguồn
gốc của lực kháng từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị
hướng từ tinh thể lớn trong vật liệu. Các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc0T 0Ttinh
thể có tính đối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm và chúng có dị hướng từ
tinh thể rất lớn.
Mẫu bột sau khi được điều chế được dồn vào cốc thủy tinh nhỏ, cân mẫu.
Sau đó, cốc thủy tinh chứa mẫu trên được đặt vào khe từ của máy. Tiếp theo,
nhập các dữ liệu nhằm giúp máy đưa ra kết quả chính xác nhất (mẫu ở dạng nào:

rắn hay lỏng, khối lượng mẫu, thông số cần lấy sau khi đo: Hc và Ms), theo dõi từ
trường của máy sao cho bão hòa với độ kháng từ của bột. Cuối cùng, cho máy
hoạt động và đưa ra biểu đồ đường cong từ trễ và kết quả theo yêu cầu.
Các đặc trưng từ tính của mẫu được đo ở phòng Vật liệu từ và siêu dẫn
thuộc phân viện Vật lý thành phố Hồ Chí Minh, loại máy Microsene EV11.
Hình 10. Thiết bị đo từ tính MICROSENE EV11
1.4. Cấu trúc tinh thể ferrite spinel dạng AB2O4
[17]
Ferrite spinel có cấu trúc tương tự khoáng vật spinel MgO.Al2O3
(AB2O4). Công thức hóa học chung của ferrite spinel là MO.Fe2O3 hay MFe2O4,
trong đó M là ion kim loại hóa trị 2. Mặc dù phần lớn ferrite spinel chứa ion hóa
trị 3 là Fe3+
nhưng vẫn có thể thay thế một phần hay hoàn toàn bằng các ion hóa
trị 3 khác như Al3+
, Cr3+
, Mn3+
… Các ion kim loại hóa trị 2 thường là sự kết hợp
giữa các ion Mn2+
, Ni2+
, Cu2+
, Mg2+
, Co2+
, Fe2+
, Zn2+
… Mặc dù các ion kim loại
hóa trị 2 như Mg2+
hay Zn2+
không thuận từ nhưng được sử dụng để thay thế ion
Fe3+
tại các vị trí trong mạng tinh thể để làm tăng moment từ.

Hình 11. Cấu trúc tinh thể ferrite spinel
Ferrite 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).
Quy luật phân bố của các cation hóa trị 2 và 3 vào các lỗ trống tứ diện và
bát diện phụ thuộc vào bán kính ion, kích thước lỗ trống, nhiệt độ, xu hướng phối
trí và điều kiện tổng hợp. Khi chỉ xét theo bán kính thì các ion hóa trị 2 có kích
thước lớn hơn các ion hóa trị 3 và lỗ trống bát diện cũng lớn hơn lỗ trống tứ diện
nên các cation hóa trị 3 sẽ chiếm các lỗ trống tứ diện và các cation hóa trị 2 sẽ
chiếm các lỗ trống bát diện. Tuy nhiên, đối với các cation như Zn2+
, Cd2+
sự việc
xảy ra ngược lại. Sự phân bố vừa nêu dẫn đến sự tương tác trao đổi giữa các phân
mạng và tạo nên trật tự từ đặc trưng của ferrite.
- Các loại spinel
+ Ferrite spinel thuận
 Trong cấu trúc spinel thuận, cation hóa trị 2 nằm ở vị trí tứ diện
(A), cation hóa trị 3 nằm ở vị trí bát diện (B). Ví dụ: đối với ferrite kẽm
ZnFe2O4, ion Zn2+
sẽ chiếm lỗ trống tứ diện, còn Fe3+
sẽ nằm ở lỗ trống bát diện.
+ Ferrite spinel nghịch
 Trong spinel nghịch, các ion A2+
nằm ở vị trí bát diện, một số nửa
B3+
phân bố ở vị trí tứ diện, nửa còn lại phân bố ở vị trí bát diện. Ví dụ: đối với
ferrite niken NiFe2O4 thì một ô mạng cơ sở sẽ gồm 8 phân tử NiFe2O4, các ion
Fe3+
ưu tiên chiếm lỗ trống tứ diện. Do số lỗ trống này chỉ đủ cho 8 ion Fe3+
nên
số ion Fe3+
còn lại và 8 ion Ni2+
sẽ nằm ở lỗ trống bát diện. Các moment từ của
Ni2+
và Fe3+
ở vị trí bát diện sẽ đối song với các moment từ của Fe3+
ở vị trí tứ
diện. Kết quả là các moment của Fe3+
bị triệt tiêu, song moment của ion niken lại
làm tăng độ từ hóa. Rất nhiều ferrite quan trọng trong kĩ thuật có cấu trúc spinel
nghịch.

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM - KẾT QUẢ -
THẢO LUẬN
2.1. Dụng cụ, thiết bị, hóa chất
2.1.1. Dụng cụ và thiết bị
- Cốc thủy tinh loại 50 ml, 100 ml, 500 ml
- Pipet loại 1 ml, 2 ml, 5 ml, 10 ml, 25 ml
- Đũa thủy tinh, nhiệt kế thủy ngân
- Cân phân tích Fartorius
- Máy khuấy từ
- Bếp điện, tủ sấy, lò nung
- Ống đong, bình hút ẩm
- Chén sứ, chày sứ
- Chén nung Niken
2.1.2. Hóa chất
- Lòng trắng trứng gà
- Dung dịch KOH
- Ni(NO3)2.6 H2O, Fe(NO3)3.9 H2O
- Nước cất
- Giấy đo pH
2.2. Tổng hợp vật liệu nano NiFe2O4 bằng phương pháp lòng
trắng trứng [15]
Vừa nhỏ vừa khuấy hỗn hợp đương lượng muối Ni(NO3)2 và Fe(NO3)3
vào cốc đựng 60 ml lòng trắng trứng có pha nước cất. Sau khi cho hết dung dịch
muối vào cốc thì đun cách thủy trên máy khuấy từ ở nhiệt độ khoảng 800
C đến
khi thu được bột precursor có màu nâu sậm. Sơ đồ tổng hợp được mô tả ở hình
12.

pháp lòng trắng trứng

2.3. Tổng hợp vật liệu nano NiFe2O4 bằng phương pháp đồng
kết tủa [7]
Nhỏ từ từ vào một cốc nước đang sôi dung dịch đương lượng muối
Ni(NO3)2 và Fe(NO3)3. Sau khi cho hết dung dịch muối vào cốc thì tiếp tục đun
sôi thêm 7-10 phút. Để nguội dung dịch thu được đến nhiệt độ phòng rồi cho từ
từ dung dịch KOH 10% vào hệ trên. Kết tủa tạo thành được khuấy đều trong
khoảng 15-20 phút. Sau đó lọc rửa kết tủa và phơi khô ở nhiệt độ phòng đến khối
lượng không đổi. (xem sơ đồ hình 13)
pháp đồng kết tủa

Quá trình hình thành hạt spinel NiFe2O4 có thể minh họa bằng các quá trình phản
ứng sau:
Giai đoạn 1: quá trình kết tủa các hidroxit Ni(OH)2 và Fe(OH)3 bằng tác
nhân kết tủa là dung dịch KOH :
Ni(NO3)2 + 2KOH  2KNO3 + Ni(OH)2
Fe(NO3)3 + 3KOH  3KNO3 + Fe(OH)3
Giai đoạn 2: quá trình phân hủy các hidroxit Ni(OH)2 và Fe(OH)3 khi
nung mẫu ở nhiệt độ cao :
Ni(OH)2  NiO + H2O
2Fe(OH)3  Fe2O3 + 3H2O
Giai đoạn 3: quá trình kết hợp giữa hai oxit sắt (III) và niken tạo thành
ferrite:
NiO + Fe2O3  NiFe2O4
2.4. Cấu trúc và tính chất của vật liệu nano NiFe2O4 tổng
hợp bằng phương pháp lòng trắng trứng
Kết tủa thu được sau khi được phơi khô và nghiền thành bột, mẫu bột
được tiến hành phân tích nhiệt để tìm khoảng nhiệt độ nung cho sự hình thành
pha spinel. Giản đồ phân tích nhiệt được biễu diễn ở hình 14.

pháp lòng trắng trứng
Từ giản đồ phân tích nhiệt TGA/DTA ta thấy có 3 bước nhảy mất khối
lượng chính:
Giai đoạn 1 xảy ra ở nhiệt độ phòng đến khoảng 1200
C tương ứng với sự
mất khối lượng gần 33,5 %. Ở khoảng nhiệt độ này xuất hiện một peak thu nhiệt
ở khoảng nhiệt độ 660
C, tương ứng với các quá trình giải hấp phụ, mất hơi nước
bề mặt và một peak tỏa nhiệt tương ứng với nhiệt độ khoảng 1150
C. Trên 1000
C,
các hợp chất hữu cơ trong lòng trắng trứng đã bắt đầu phân hủy và cháy. Quá
trình đốt cháy các hợp chất hữu cơ trong lòng trắng trứng và phân hủy nhiệt các
phức chất hữu cơ của sắt (III) và niken (II) kéo dài cho đến khoảng 5000
C. Mặc
dù sự phân hủy các phức chất và nitrat phải là thu nhiệt nhưng như ta thấy xuất
hiện liên tiếp các peak tỏa nhiệt ở các nhiệt độ 2720
C, 5020
C. Điều này có thể
giải thích là do thiêu nhiệt (nhiệt cháy) các hợp chất hữu cơ trong hệ quá lớn đã
bao phủ lên các peak thu nhiệt khi phân hủy các phức chất hay nitrat. Điều này
cũng giải thích vì sao sự mất khối lượng trong khoảng nhiệt độ này lại xảy ra
nhanh và nhiều (khoảng 53,1 % ). Ở nhiệt độ 516,38 0
C ta thấy một peak tỏa

nhiệt rất lớn, có thể đây là nhiệt độ chuyển pha tạo thành spinel NiFe2O4 từ các
oxit tương ứng:
NiO + Fe2O3  NiFe2O4
Từ nhiệt độ chuyển pha ta thấy đường phân tích khối lượng nhiệt hầu như
nằm ngang. Do đó, chúng tôi chọn nhiệt độ nung mẫu ở các khoảng 5500
C,
6500
C và 7500
C để nghiên cứu các phương pháp tiếp theo như XRD, SEM và
khảo sát từ tính của vật liệu.
Kết quả phân tích mẫu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X được biểu diễn ở
hình 15, 16, 17, 18.
C trong 3 giờ

C trong 3 giờ.
Hình 17. Giản đồ XRD của mẫu bột tổng hợp theo phương pháp lòng trắng
C trong 3 giờ.

Hình 18. Phổ XRD của bột tổng hợp bằng lòng trắng trứng sau khi nung ở các
nhiệt độ khác nhau trong 3 giờ: a - 5500
C; b - 6500
C; c - 7500
C
Quan sát giản đồ XRD của sản phẩm thu được ở 3 nhiệt độ nung khác
nhau, chúng tôi nhận thấy:
- Khi nung ở nhiệt độ 5500
C, các peak của sản phẩm mong muốn bắt đầu
xuất hiện với cường độ còn bé, các peak nhỏ của các loại tạp chất xuất hiện rất
nhiều, độ tinh khiết chưa cao. Như vậy, khi nung ở nhiệt độ 5500
C, nhiệt độ nung
chưa đủ để hình thành pha spinel hoàn chỉnh.
- Khi nâng nhiệt độ lên 6500
C, chúng tôi thấy các peak của sản phẩm đã
được hình thành rõ rệt, mẫu nung là chất chuẩn đơn pha đồng nhất nhưng vẫn
còn lẫn tạp chất.
- Ở nhiệt độ 7500
C, chúng tôi thấy các peak của sản phẩm hình thành với
cường độ cao hơn khi nung ở 6500
C, mẫu nung là chất chuẩn đơn pha đồng nhất
vẫn còn lẫn tạp chất nhưng ít hơn nhiều so với nung ở 6500
C.
Nghiên cứu các mẫu bột trên bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), kết
quả thu được như sau:

Hình 19. Ảnh SEM của mẫu bột sau khi nung 550°C (t = 3 giờ) với độ phóng đại
khác nhau
Hình 20. Ảnh SEM bột NiFe2O4 tổng hợp bằng lòng trắng trứng sau khi nung
650°C (a) và 750°C (b) trong 3 giờ
Từ kết quả thu được, ta thấy rằng sau khi nung mẫu 5500
C (t = 3 giờ) các
hạt tạo thành có kích thước và hình thái hạt rất đa dạng (hình 19). Đặc biệt, ở đây
ta thấy xuất hiện các tinh thể nano hình kim với chiều dài có thể đạt tới vài trăm
nanomet nhưng đường kính chỉ vài nanomet, rất có thể là do lòng trắng trứng bao
phủ các hạt nano NiFe2O4 chưa cháy hết và có sự tạo thành các dây hay ống
nano cacbon.
Khi tăng nhiệt độ nung lên 6500
C và 7500
C dạng hạt hình kim không còn
nữa, ở nhiệt độ này bột tạo thành có kích thước và hình thái hạt tương đối đồng

nhất (kích thước chỉ khoảng 25 – 35 nm) (hình 20). Tuy nhiên, bột nano NiFe2O4
tạo thành sau khi nung ở 650°C có sự kết tụ thành từng đám nằm riêng biệt nhau.
Để đo các tính chất từ của vật liệu nano NiFe2O4, ta sử dụng từ kế mẫu
rung. Kết quả được biểu diễn ở bảng 1 và hình 21.
pháp lòng trắng trứng nung ở 2 nhiệt độ: 6500
C, 7500
C
Mẫu 6500
C – 3 giờ 7500
C – 3 giờ
Từ dư (Mr) (emu/g) 4.539 4.196
Độ từ hóa bão hòa (emu/g) 30.076 28.569
Lực kháng từ (Hc) (Oe) 96.36 79.76
pháp lòng trắng trứng ở 2 nhiệt độ: 6500
C, 7500
C
Dựa vào bảng số liệu các thông số đặc trưng từ tính của vật liệu và đồ thị
đường cong từ trễ, ta thấy khi tăng nhiệt độ nung mẫu từ 6500
C lên 7500
C thì các

giá trị độ từ dư, độ từ hóa bão hòa và lực kháng từ của vật liệu giảm dần vì khi ta
tăng nhiệt độ thì kích thước các hạt cấu trúc giảm (hình 20), dẫn đến các đặc
trưng từ tính của vật liệu cũng giảm theo.
Thêm một điểm nữa là ta thấy rằng bột nano NiFe2O4 điều chế theo
phương pháp lòng trắng trứng khi nung ở 2 nhiệt độ 6500
C và 7500
C có giá trị
lực kháng từ Hc tương đối nhỏ ( < 100 Oe ), đồng thời độ từ hóa khá cao, chu
trình từ trễ tương đối hẹp. Vì vậy, chúng tôi kết luận đây là vật liệu sắt từ mềm,
thường được dùng làm vật liệu hoạt động trong trường ngoài. Ví dụ như lõi biến
thế, lõi nam châm điện, các lõi dẫn từ …
2.5. Tổng hợp vật liệu nano NiFe2O4 bằng phương pháp đồng
kết tủa
Tương tự như phương pháp 1, mẫu bột sau khi phơi khô được tiến hành
phân tích nhiệt để theo dõi các quá trình hóa lý xảy ra khi nung mẫu. Kết quả
được biểu diễn ở hình 22.
pháp đồng kết tủa
Nếu như mẫu bột được điều chế bằng phương pháp lòng trắng trứng mất
90% khối lượng thì mẫu bột được điều chế bằng phương pháp đồng kết tủa sau
khi nung chỉ mất khoảng 34,4 %. Điểm khác biệt thứ hai là sau khi nung mẫu

điều chế bằng phương pháp lòng trắng trứng xuất hiện liên tiếp các peak tỏa nhiệt
do đốt cháy các hợp chất hữu cơ và nhiệt chuyển pha thì khi nung mẫu bột bằng
phương pháp đồng kết tủa chỉ quan sát được các peak thu nhiệt ở các khoảng
nhiệt độ 68,660
C, 152,910
C và 261,670
C. Các quá trình xảy ra với hiệu ứng thu
nhiệt đặc trưng cho quá trình giải hấp phụ, bay hơi nước, phản ứng nhiệt phân
hidroxit Ni(OH)2 và Fe(OH)3. Điểm khác biệt thứ ba là trong mẫu điều chế theo
phương pháp lòng trắng trứng, đường đẳng khối tương ứng với nhiệt độ từ 5200
C
trở lên thì trong mẫu này sự mất khổi lượng lại xảy ra ở nhiệt độ cao hơn (>
6300
C). Do đó, đối với mẫu vậy liệu này chúng tôi bắt đầu khảo sát mẫu từ nhiệt
độ nung 6500
C.
Sau khi nung mẫu niken ferrite tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa
bởi dung dịch KOH ở các nhiệt độ như trên, chúng tôi bắt đầu khảo sát cấu trúc
pha bằng phương pháp nhiễu xạ Ronghen.
C trong 3 giờ

C trong 3 giờ
C trong 3 giờ

Hình 26. Phổ XRD của bột tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa sau khi
nung ở các nhiệt độ khác nhau trong 3 giờ: a - 6500
C; b - 7500
C; c - 8500
C
Dựa vào kết quả thu được, chúng tôi nhận thấy:
- Khi nung ở 6500
C, ta thấy các peak của sản phẩm mong muốn đã xuất
hiện nhưng vẫn lẫn các tạp chất. Độ tinh khiết chưa cao
- Khi nung ở 7500
C, ta thấy các peak chuẩn NiFe2O4 đã xuất hiện rõ rệt với
cường độ cao hơn, tuy nhiên vẫn còn một số tạp chất xuất hiện.
- Khi nung ở 8500
C, ta thấy các peak của sản phẩm cũng đã được hình
thành nhưng cường độ đã giảm so với ở 7500
C, các peak nhỏ của tạp chất xuất
hiện khá nhiều.
Nghiên cứu các mẫu bột nung trên bằng phương pháp kính hiển vi điện tử
quét (SEM), kết quả thu được như sau:
b)
a)
c)

a b
Hình 27. Ảnh SEM bột NiFe2O4 tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa sau
khi nung 650°C (a) và 750°C (b) trong 3 giờ
Bột ferrite NiFe2O4 tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa trong nước
sôi với tác nhân kết tủa là KOH, sau khi nung ở 6500
C (t = 3 giờ) có cấu tạo là
những hạt đồng nhất về hình thái với kích thước hạt cấu trúc 20 – 30 nm. Khi
tăng nhiệt độ nung lên 7500
C cũng trong khoảng thời gian 3 giờ thì kích thước
hạt phát triển không đáng kể.
Các đặc trưng từ tính của vật liệu NiFe2O4 được biểu diễn ở bảng 2 và
hình 28.
C, 7500
C, 8500
C
Mẫu 6500
C – 3 giờ 7500
C – 3 giờ 8500
C – 3 giờ
Từ dư (Mr) (emu/g) 1.061 2.817 4.812
Độ từ hóa bão hòa (emu/g) 14.944 17.506 24.355
Lực kháng từ (Hc) (Oe) 61.57 156.83 198.37

C, 7500
C, 8500
C
Từ bảng số liệu các đặc trưng từ tính và đồ thị đường cong từ trễ ta thấy,
khi tăng nhiệt độ nung mẫu thì các giá trị độ từ hóa bão hòa, độ từ dư và lực
kháng từ của vật liệu tăng theo. Điều này có thể giải thích là do khi tăng nhiệt độ
nung mẫu, kích thước hạt cấu trúc tăng theo làm tăng các đặc trưng từ tính của
vật liệu NiFe2O4.
Điểm đáng chú ý là: bột nano NiFe2O4 điều chế theo phương pháp đồng
kết tủa khi nung ở 6500
C có độ từ hóa khá cao và bền, đồng thời giá trị độ kháng
từ Hc tương đối nhỏ (<100 Oe), chu trình từ trễ tương đối hẹp. Vì vậy, chúng tôi
kết luận đây là vật liệu sắt từ mềm, thường được dùng làm vật liệu hoạt động
trong trường ngoài. Ví dụ như lõi biến thế, lõi nam châm điện, các lõi dẫn từ...
Trong khi đó, bột nano khi nung ở nhiệt độ 7500
C và 8500
C có giá trị lực kháng
từ cao hơn (>100 Oe) nên chúng tôi kết luận đây là vật liệu sắt từ cứng có thể
ứng dụng tốt trong lĩnh vực làm nam châm vĩnh cửu, môi trường ghi từ cho các
đĩa cứng...

Nghiên cứu từ tính của bột nano NiFe2O4 tổng hợp theo 2 phương pháp
lòng trắng trứng và đồng kết tủa, tôi nhận thấy từ tính của vật liệu cũng phụ thuộc
vào phương pháp điều chế. (bảng 3 và hình 29 )
Bảng 3. Các đặc trưng từ tính của mẫu bột NiFe2O4 tổng hợp bằng 2 phương
pháp nung ở nhiệt độ 6500
C trong 3 giờ
Mẫu LTT - 6500
C - 3 giờ ĐKT- 6500
C - 3 giờ
Từ dư (Mr) (emu/g) 4.539 1.061
Độ từ hóa bão hòa (emu/g) 30.076 14.944
Lực kháng từ (Hc) (Oe) 96.36 61.87
Hình 29. Đồ thị đường cong từ trễ của mẫu bột NiFe2O4 tổng hợp theo 2
phương pháp nung cùng 1 nhiệt độ: 6500
C trong 3 giờ

Nếu so sánh các đặc trưng từ tính của bột nano tổng hợp theo 2 phương
pháp khác nhau khi nung ở cùng 1 nhiệt độ 6500
C trong cùng 1 khoảng thời gian
nung 3 giờ thì ta thấy phương pháp điều chế cũng ảnh hưởng rất lớn lên độ từ hóa
và lực kháng từ của chúng.
Ta nhận thấy rằng độ từ hóa bão hòa và lực kháng từ của mẫu bột tổng
hợp theo phương pháp lòng trắng trứng lớn hơn nhiều so với mẫu bột tổng hợp
theo phương pháp đồng kết tủa. Sự khác biệt về từ tính của một chất tổng hợp
theo hai phương pháp khác nhau có thể giải thích theo sự khác nhau về hình dạng
và kích thước hạt nano tạo thành. Nếu như mẫu bột NiFe2O4 tổng hợp theo
phương pháp đồng kết tủa sau khi nung ở 6500
C là các hạt tương đối đồng nhất
với kích thước đồng nhất khoảng 20-30 nm (xem hình 27) thì mẫu bột NiFe2O4
tổng hợp theo phương pháp lòng trắng trứng có kích thước từ 25-35 nm (xem
hình 20) và có sự kết tụ thành từng đám riêng biệt.

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
Trên cơ sở nội dung và kết quả thu được của đề tài, tôi có các kết luận sau:
- Tổng hợp thành công vật liệu spinel NiFe2O4 bằng 2 phương pháp: vi cấu
trúc, hình thái học của hai mẫu vật liệu đều cho thấy các hạt kích thước nanomet,
đường kính trung bình < 40 nm, đáp ứng tốt các yêu cầu nghiên cứu của bài luận
văn.
- Bột nano NiFe2O4 tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa trong nước
sôi với tác nhân kết tủa là kiềm có kích thước hạt bé hơn và đồng nhất hơn về
hình thái hạt so với mẫu bột NiFe2O4 tổng hợp bằng lòng trắng trứng sau khi
nung trong cùng một khoảng thời gian.
- Độ từ tính của vật liệu spinel NiFe2O4 được tổng hợp theo phương pháp
đồng kết tủa bằng KOH và phương pháp lòng trắng trứng cho kết quả ban đầu
tương đối tốt.
Vì thời gian nghiên cứu đề tài còn hạn chế và còn bỡ ngỡ trong việc
nghiên cứu khoa học nên tôi chưa thể nghiên cứu sâu hơn về đề tài này. Nếu có
cơ hội học tập và nghiên cứu tiếp tục, tôi sẽ phát triển đề tài theo các hướng sau:
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ của các ion kim loại nặng trên vật liệu
NiFe2O4 được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa và phương pháp lòng
trắng trứng.
- Tổng hợp vật liệu NiFe2O4 theo những phương pháp khác: phương pháp
sol-gel…
- Khảo sát tính chất vật liệu tại những điều kiện khác nhau về nồng độ,
pH…

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Anh Tiến, Tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu
nano La(Y)FeO3, Luận án Tiến sĩ Hoá học, Trường ĐHTH Voronezh, Liên bang
Nga. 2009. 153 tr.
2. Lê Hải Đăng, Tổng hợp vật liệu kiểu perovskit kích thước nanomet và
nghiên cứu hoạt tính xúc tác oxi hoá của chúng. Luận án Tiến sĩ Hoá học,
Trường ĐHSP Hà Nội. 2011. 150 tr.
3. TS. Phan Thị Hoàng Oanh, Chuyên đề Phân tích cấu trúc vật liệu vô cơ,
Khoa Hóa - Trường Đại học Sư Phạm TP. HCM.
4. Lưu Minh Đại, Nghiên cứu tổng hợp CoFe2O4 kích thước nanomet bằng
phương pháp đốt cháy gel, Tạp chí Hóa học Việt Nam (2010), T.48 (4), trang
404-408.
5. Trần Yến My, Dương Hiếu Đẩu, Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ tiền
chất lên kích thước và từ tính hạt nano oxit sắt từ Fe3O4, Tạp chí Khoa học
(2011), trang 272-280, Đại học Cần Thơ.
6. Hoàng Nhâm (2001), Hoá học vô cơ (tập2, tập 3), NXB Giáo dục, 294 tr.
7. Nguyễn Thị Nhung, Nguyễn Thị Kim Thường, Nghiên cứu tổng hợp Nano
sắt bằng phương pháp hóa học, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN., Khoa học Tự
nhiên và Công nghệ 23 (2007), tr. 253-256.
8. Hồ Viết Quý, Các phương pháp phân tích công cụ trong hóa học hiện đại,
NXB Đại học Sư phạm, 2007, 598 trang.
9. PGS. TS Nguyễn Hoàng Hải (2007), Các hạt nano kim loại, Trung tâm
Khoa học Vật liệu, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
10. PGS. TS Nguyễn Hoàng Hải, Ứng dụng hạt nano từ tính oxit sắt, Khoa
Vật Lý – Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
11.Trương Văn Tân, Khoa học và công nghệ nano, NXB Tri thức Tp HCM,
2007, 188 trang.

12.Nguyễn Hữu Đức, Trần Mậu Danh, Trần Thị Dung, Chế tạo và nghiên
cứu tính chất từ của các hạt nano Fe3O4 ứng dụng trong y sinh học, Tạp chí
Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 23, trang 231-237, 2007.
13.PGS.TS. Nguyễn Thị Hà, Ứng dụng phương pháp quang phổ hấp thụ
nguyên tử (AAS) trong phân tích đất và các đối tượng khác, Hà Nội, 2008.
14.Nguyen Anh Tien, Mittova I. Ya. Preparation of lanthanum ferrite
nanopowders doped with strontium by the sol–gel method // Sviridov Readings
2008–international conference on chemistry and chemical education. Conference
materials. Minsk, Belarus, 2008.
15.Santi Maensiri, Chivalrat Masingboon, Banjong Boonchomb and Supapan
Seraphin, A simple route to synthesize nickel ferrite (NiFe2O4) nanoparticles
using egg white, Thailand, 2007.
16.Shen Hai, Xu Jiayue, Wu Anhua (2009), Preparation and
characterization of perovskite REFeO3 nanocrystalline powders, Journal of Rare
Earths.
17.Wikipedia.com.vn
18.http://www.wiredchemist.com/chemistry/data/metallic-radii

Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát cấu trúc, tính chất của vật liệu nano ni fe2o4

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Mehr von https://www.facebook.com/garmentspace

Mehr von https://www.facebook.com/garmentspace (20)

Kürzlich hochgeladen

Kürzlich hochgeladen (20)

Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát cấu trúc, tính chất của vật liệu nano ni fe2o4