ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KHOA HỌC TỰ NHIÊN
|
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN HOÁ HỌC
|
VŨ THẾ NINH
ĐIỀU CHẾ NiO, NiFe2O4 KÍCH THƯỚC NANOMET VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - năm 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KHOA HỌC TỰ NHIÊN
|
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN HOÁ HỌC
|
Vũ Thế Ninh
Điều chế NiO, NiFe2O4 kích thước nanomet và định hướng ứng dụng
Chuyên ngành: Hoá vô cơ
Mã số: 60.44.25
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Lưu Minh Đại
Hà Nội – năm 2009
Lời cảm ơn!
Trước tiên, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Lưu Minh Đại đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản Luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Hoá học đã giúp đỡ trong quá trình học tập và bảo vệ luận văn tốt nghiệp.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh, chị đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm việc nghiên cứu, tại Phòng Vật liệu Vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu.
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài luận văn tác giả đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của Phòng thí nghiệm Hoá lý, Đai Học Sư Phạm Hà Nội I. Xin chân thành cảm ơn.
Cuối cùng, Tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, và người thân trong gia đình đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu!
Tác giả Luận văn
Mục lục
|
|
Trang
|
Lời cảm ơn
|
|
Mục lục
|
i
|
Mục lục các bảng
|
ii
|
Mục lục các hình
|
iii
|
Mục lục các ký hiệu, chữ viết tắt
|
viii
|
Mở đầu
|
1
|
Chương 1. Tổng quan
|
2
|
1.1. Giới thiệu về công nghệ nano
|
2
|
1.1.1. Một số khái niệm |
2
|
1.1.2. Ứng dụng của công nghệ nano
|
5
|
1.2. Một số phương pháp điều chế vật liệu nano
|
8
|
1.2.1. Phương pháp gốm truyền thống
|
8
|
1.2.2. Phương pháp đồng tạo phức
|
9
|
1.2.3. Phương pháp đồng kết tủa
|
9
|
1.2.4. Phương pháp sol – gel
|
10
|
1.2.5. Tổng hợp đốt cháy gel polyme
|
11
|
1.3. Vật liệu NiO và NiFe2O4 kích thước nanomet
|
12
|
1.3.1. Tổng hợp vật liệu
|
12
|
1.3.1.1. Vật liệu NiO
|
12
|
1.3.1.2. Vật liệu NiFe2O4
|
13
|
1.3.2. Ứng dụng của NiO, NiFe2O4 kích thước nanomet
|
14
|
1.3.2.1. Oxi hoá CO
|
15
|
1.3.2.2. Xử lí H2S
|
16
|
1.3.2.3. Oxi hoá các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
|
16
|
Chương 2. Các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
|
17
|
2.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu
|
17
|
2.1.1. Lựa chọn phương pháp tổng hợp vật liệu
|
17
|
2.1.2. Tổng hợp NiO và NiFe2O4 kích thước nano
|
18
|
2.2. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu
|
19
|
2.3. Phương pháp nghiên cứu hoạt tính xúc tác
|
23
|
2.3.1. Sơ đồ thiết bị phản ứng
|
23
|
2.3.2. Điều kiện thực hiện phản ứng
|
25
|
2.3.3. Các tham số cần xác định
|
25
|
2.3.3.1. Tốc độ không gian thể tích
|
25
|
2.3.3.2. Thông số động học
|
26
|
2.4. Phương pháp hấp phụ
|
27
|
2.4.1. Khái niệm chung
|
27
|
2.4.2. Cân bằng hấp phụ và dung lượng hấp phụ
|
28
|
2.4.3. Phương trình động học hấp phụ
|
29
|
2.4.4. Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ langmuir
|
30
|
2.5. Phương pháp xác định ion kim loại trong dung dịch
|
32
|
Chương 3. Kết quả và thảo luận
|
34
|
3.1. Tổng hợp vật liệu NiO
|
34
|
3.1.1. Kết quả phân tích nhiệt
|
34
|
3.1.2. Lựa chọn nhiệt độ nung
|
35
|
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel
|
37
|
3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel
|
38
|
3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol PVA/KL
|
40
|
3.1.5. Khảo sát nhiệt độ tạo gel
|
41
|
3.1.6. Một số đặc trưng của mẫu NiO tối ưu
|
41
|
3.2. Tổng hợp vật liệu NiFe2O4
|
42
|
3.2.1. Kết quả phân tích nhiệt
|
43
|
3.2.2. Lựa chọn nhiệt độ nung
|
45
|
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel
|
46
|
3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol PVA/KL
|
48
|
3.2.5. Khảo sát nhiệt độ tạo gel
|
49
|
3.2.6. Phân tích thành phần hoá học
|
49
|
3.2.7. Một số đặc trưng của mẫu NiFe2O4 tối ưu
|
49
|
3.3. Định hướng ứng dụng NiO, NiFe2O4 kích thước nano
|
50
|
3.3.1. Xúc tác oxi hoá VOCs
|
50
|
3.3.2. Khả năng hấp phụ As (III) trên vật liệu
|
56
|
3.3.2.1. Vật liệu hấp phụ NiO
|
56
|
3.3.2.1.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ asen
|
56
|
3.3.2.1.2. Khả năng hấp phụ asen của NiO theo mô hình Langmuir
|
57
|
3.4.2. Vật liệu hấp phụ NiFe2O4
|
59
|
3.4.2.1. Xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ asen
|
59
|
3.4.2.2. Khả năng hấp phụ asen của NiFe2O4 theo mô hình Langmuir
|
60
|
Kết luận chính
|
63
|
Danh mục các công trình của tác giả
|
64
|
Tài liệu tham khảo
|
65
|
Phụ lục
|
70
|
Mục lục các bảng
|
|
Trang
|
Bảng 3.1. Phần trăm về khối lượng của các nguyên tố trong mẫu NiFe2O4
|
49
|
Bảng 2.3. Độ chuyển hoá etanol của vật liệu NiO theo thời gian và nhiệt độ
|
51
|
Bảng 3.3. Độ chuyển hoá etanol của vật liệu NiFe2O4 theo thời gian và nhiệt độ
|
52
|
Bảng 3.4. Độ chuyển hoá etanol trên NiO và NiFe2O4 theo nhiệt độ
|
54
|
Bảng 3.5. Thành phần (% thể tích) của các khí có trong hỗn hợp khí sản phẩm
|
55
|
Bảng 3.6. Nồng độ asen còn lại theo thời gian hấp phụ trên vật liệu NiO
|
56
|
Bảng 3.7. Dung lượng hấp phụ asen trên vật liệu NiO ở nồng độ khác nhau
|
57
|
Bảng 3.8. Nồng độ asen còn lại theo thời gian hấp phụ trên vật liệu NiFe2O4
|
59
|
Bảng 3.9. Dung lượng hấp phụ asen trên vật liệu NiFe2O4 ở nồng độ khác nhau
|
60
|
Mục lục các hình
|
|
Trang
|
Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo vật liệu
|
18
|
Hình 2.2. Sơ đồ hệ phản ứng vi dòng đo xúc tác
|
23
|
Hình 2.3. Đường cong động học biểu thị sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào thời gian và nồng độ chất bị hấp phụ (C1 > C2)
|
30
|
Hình 2.4. Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc Cf/q vào Cf
|
32
|
Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt DTA, TGA và DTG của mẫu NiO
|
34
|
Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo nhiệt độ nung tổng hợp NiO
|
36
|
Hình 3.3. Phổ FTIR các mẫu theo nhiệt độ nung tổng hợp NiO
|
37
|
Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo pH tạo gel Ni-PVA nung ở 600oC
|
38
|
Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X các mẫu theo tỉ lệ mol tạo gel Ni-PVA nung ở 600oC
|
39
|
Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu theo nhiệt độ tao gel Ni-PVA nung ở 600oC
|
40
|
Hình 3.7. Ảnh SEM của mẫu NiO
|
41
|
Hình 3.8. Giản đồ phân tích nhiệt DTA, TGA và DTG của mẫu NiFe2O4
|
42
|
Hình 3.9. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo nhiệt độ nung tổng hợp NiFe2O4
|
43
|
Hình 3.10. Phổ FTIR các mẫu theo nhiệt độ nung tổng hợp NiFe2O4
|
44
|
Hình 3.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X theo pH tạo gel
|
46
|
Hình 3.12. Giản đồ nhiễu xạ tia X các mẫu theo tỉ lệ mol tạo gel (Ni2++Fe3+)-PVA nung ở 500oC
|
47
|
Hình 3.13. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu theo nhiệt độ tao gel (Ni2++Fe3+)-PVA nung ở 500oC
|
48
|
Hình 3.14. Ảnh SEM của mẫu NiFe2O4
|
49
|
Hình 3.15. Độ chuyển hoá etanol trên NiO theo thời gian và nhiệt độ
|
51
|
Hình 3.16. Độ chuyển hoá etanol trên NiFe2O4 theo thời gian và nhiệt độ
|
52
|
Hình 3.17. Độ chuyển hoá etanol trong 150 phút trên vật liệu xúc tác theo nhiệt độ
|
54
|
Hình 3.18. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ trên vật liệu NiO
|
57
|
Hình 3.19. Đường đẳng nhiệt hấp phụ asen trên vật liệu NiO
|
58
|
Hình 3.20. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ trên vật liệu NiFe2O4
|
60
|
Hình 3.21. Đường đẳng nhiệt hấp phụ asen trên vật liệu NiFe2O4
|
61
|
Các chữ, ký hiệu viết tắt
|
XRD
|
Phương pháp nhiễu xạ tia X
|
TEM
|
Kính hiển vi điện tử truyền qua
|
SEM
|
Kính hiển vi điện tử quét
|
SPM
|
Kính hiển vi đầu dò quét
|
ASM
|
Kính hiển vi nguyên tử lực
|
CS
|
Tổng hợp đốt cháy
|
SHS
|
Quá trình lan truyền nhiệt độ cao phát sinh trong phản ứng
|
VOCs
|
Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
|
PVA
|
Poly vinyl alcohol
|
TGA
|
Phân tích nhiệt trọng lượng
|
FTIR
|
Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
|
BET
|
Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ
|
IR
|
Phương pháp phổ hồng ngoại
|
GHSV
|
Tốc độ không gian thể tích
|
KL/PVA
|
Tỉ lệ kim loại lấy theo tỉ lượng trên Poly vinyl alcohol theo mol
|
MỞ ĐẦU
Khoa học nano đã bắt đầu từ thập kỷ 60 của thế kỷ trước và trong những năm gần đây khoa học và công nghệ nano phát triển, bùng nổ. Các chuyên gia dự báo rằng, công nghệ nano sẽ là một trong những nghành công nghệ đột phá, có tác dụng tích cực nhất trong vòng 25 năm tới đối với nền kinh tế thế giới.
Rất nhiều phương pháp nghiên cứu hiện đại ra đời để phục vụ cho lĩnh vực này như : phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM) … Điều này sẽ tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano và đưa hướng nghiên cứu vật liệu nano thành nhiệm vụ hàng đầu.
Vật liệu nano có những tính năng ưu việt như có độ bền cơ học cao, tính chất điện quang nổi trội, hoạt tính xúc tác cao … Vì vậy, vật liệu nano được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như điện tử, quang điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông cũng như sinh học, y học và môi trường.
NiO và NiFe2O4 (spinen) có nhiều ứng dụng trong thực tế như làm xúc tác chuyển hoá trong hữu cơ, các quá trình Reforming, vật liệu từ, làm sensor đo khí, … NiO, NiFe2O4 có diện tích bề mặt lớn với kích thước cỡ vài chục nm nên có khả năng làm vật liệu xúc tác, hấp phụ cho các quá trình chuyển hoá hoàn toàn các khí độc hai CO, VOCs …
Vì NiO, NiFe2O4 có nhiều ứng dụng cho nên việc tìm ra một phương pháp tổng hợp hiệu quả với cách thức tiến hành đơn giản cho sản phẩm có kích thước mong muốn là hết sức cần thiết. Trong khuôn khổ bản luận văn này, chúng tôi tiến hành tổng hợp NiO, NiFe2O4 kích thước nanomet và nghiên cứu khảo sát hoạt tính của vật liệu nano này.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về công nghệ nano