intTypePromotion=1

Nghiên cứu chế tạo bột ruby bằng phương pháp nổ

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

0
15
lượt xem
0
download

Nghiên cứu chế tạo bột ruby bằng phương pháp nổ

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bột ruby (α-Al2O3:Cr3+) được chế tạo bằng phương pháp nổ bởi dung dịch urê-nitrat. Khảo sát giản đồ nhiễu xạ tia X thể hiện vật liệu có cấu trúc đơn pha, pha lục giác. Vật liệu ruby có màu hồng do hấp thụ và bức xạ của ion Cr3+ trong mạng nền α-Al2O3. Quá trình hấp thụ và bức xạ của bột ruby, được trình bày và giải thích bằng phương pháp huỳnh quang.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu chế tạo bột ruby bằng phương pháp nổ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘT RUBY BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỔ<br /> VÕ VĂN TÂN - NGUYỄN THỊ TỐ LOAN<br /> Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế<br /> Tóm tắt: Bột ruby (α-Al2O3:Cr3+) được chế tạo bằng phương pháp nổ bởi<br /> dung dịch urê-nitrat. Khảo sát giản đồ nhiễu xạ tia X thể hiện vật liệu có cấu<br /> trúc đơn pha, pha lục giác. Vật liệu ruby có màu hồng do hấp thụ và bức xạ<br /> của ion Cr3+ trong mạng nền α-Al2O3. Quá trình hấp thụ và bức xạ của bột<br /> ruby, được trình bày và giải thích bằng phương pháp huỳnh quang.<br /> Từ khóa: bột Ruby, phương pháp nổ, phương pháp huỳnh quang<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Ruby được biết đến là loại đá quý trong tự nhiên với tên gọi hồng ngọc và được dùng<br /> làm trang sức. Hồng ngọc có thành phần hóa học chính là α-Al2O3 có chứa một lượng<br /> bé ion Cr3+, có màu đỏ do sự hấp thụ và phát quang của ion Cr3+ trong mạng nền. Các<br /> tinh thể ruby nhân tạo cũng được chế tạo bằng phương pháp nuôi đơn tinh thể, được<br /> dùng để chế tạo laser ruby và dùng cho trang sức. Nó có giá tiền rẻ hơn so với ruby tự<br /> nhiên [1]. Ruby có độ cứng cao, chỉ sau độ cứng của kim cương, vì thế ruby còn được<br /> sử dụng làm vật liệu chống mài mòn trong công nghiệp và bột ruby dùng làm bột mài,<br /> hơn thế nữa ruby cho màu sắc rất hấp dẫn nên còn sử dụng để làm son môi, kem trang<br /> điểm cao cấp cho phụ nữ. Do đó, việc chế tạo bột ruby có ý nghĩa quan trọng không<br /> những về công nghệ mà còn có nhiều ứng dụng trong thực tiễn.<br /> Có nhiều phương pháp chế tạo bột ruby như phương pháp phản ứng pha rắn, phương<br /> pháp sol-gel, phương pháp đồng kết tủa [2], [3], [4] nhưng các phương pháp này đều<br /> thực hiện với nhiệt độ nung ủ rất cao (trên 1300 0C), trong khoảng thời gian dài (vài<br /> chục giờ), công nghệ phức tạp và đặc biệt tiêu tốn nhiều năng lượng.<br /> Gần đây, phương pháp nổ đang được quan tâm nghiên cứu [5], [6]. Trong báo cáo này,<br /> chúng tôi nghiên cứu chế tạo bột ruby bằng phương pháp nổ. Phương pháp này có nhiều<br /> ưu điểm như: công nghệ đơn giản, nhiệt độ phản ứng thấp, thời gian ngắn và tiết kiệm<br /> năng lượng điện và dễ dàng thực hiện ở trong phòng thí nghiệm. Bột ruby chế tạo được<br /> có cấu trúc đơn pha, phát quang màu đỏ có bước sóng cực đại ở 694 nm đặc trưng cho<br /> chuyển dời của ion Cr3+ trong mạng tinh thể.<br /> 2. THỰC NGHIỆM<br /> 2.1. Hóa chất, dụng cụ và tính toán nguyên vật liệu<br /> Các hóa chất được sử dụng để thực hiện thí nghiệm, nghiên cứu là các hóa chất tinh<br /> khiết loại PA bao gồm: Al(NO3)3, Cr(NO3)3, B2O3, (NH2)2CO, nước cất 2 lần…<br /> <br /> Tạp chí Khoa học và Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Huế<br /> ISSN 1859-1612, Số 03(31)/2014: tr. 41-46<br /> <br /> 42<br /> <br /> VÕ VĂN TÂN – NGUYỄN THỊ TỐ LOAN<br /> <br /> Thiết bị sử dụng bao gồm: cân phân tích, máy khuấy từ gia nhiệt, tủ sấy, lò nung và các<br /> dụng cụ thủy tinh khác. Phổ phát quang của vật liệu được đo tại phòng thí nghiệm Vật<br /> lý, trường Đại học Khoa học-Đại học Huế.<br /> Nguyên liệu để thực hiện phương pháp nổ gồm có 2 thành phần: chất oxy hóa và nhiên<br /> liệu. Urê (NH2)2CO được chọn làm nhiên liệu và vừa là chất khử. Chất ôxi hóa là các<br /> muối nitrat Al(NO3)3, Cr(NO3)3 và một tỉ lệ nhỏ B2O3 đóng vai trò chất chảy. Tỉ lệ chất<br /> khử và chất oxi hóa được xác định sao cho phản ứng xảy ra hoàn toàn và sản phẩm tạo<br /> ra là α-Al2O3: Cr3+ với nồng độ ion pha tạp Cr3+ mong muốn.<br /> Tỉ lệ giữa chất khử và chất oxi hóa xác định dựa trên nguyên tắc: nhiệt của phản ứng tỏa<br /> ra sẽ đạt cực đại khi tỉ số giữa tổng hóa trị của chất oxi hóa và chất khử (O/K) là 1. Hóa<br /> trị của các thành phần C, H, B và các kim loại được xem là thành phần khử. Hóa trị của<br /> C, H, B là 4+, 1+, 3+ (cũng là hóa trị của các ion kim loại) còn O là chất oxi hóa có hóa<br /> trị 2-. Nitơ có hóa trị 0, vì N chuyển thành phân tử N2 trong suốt quá trình phản ứng [7].<br /> Theo cách tính toán trên thì hóa trị của các chất oxi hóa và chất khử của các chất có thể<br /> được tính theo bảng 1.<br /> Bảng 1. Hóa trị của một số chất khử và chất oxi hóa<br /> Thành phần<br /> Al(NO3)3<br /> Cr(NO3)3<br /> (NH2)2CO<br /> <br /> Hóa trị của chất khử và chất oxi hóa<br /> 15156+<br /> <br /> Nếu hợp thức của sản phẩm có công thức Al2(1-x)O3: (x% mol)Cr3+, khi đó lượng urê<br /> được xác định như sau:<br /> 2(1 – x)Al(NO3)3 + 2xCr(NO3)3 + n(NH2)2CO = Al2O3+ xCr2O3+ Khí.<br /> Với x = 0.01, tỉ lệ mol urê được xác định:<br /> 2 . (1 - 0.01) . (15-) + 2 . 0.01 . (15-) + n . (6+) = 0<br /> Vậy n = 5 (mol)<br /> Tuy nhiên, đặc trưng phát quang bột ruby (α-Al2O3: Cr3+) chế tạo bằng phương pháp nổ<br /> không chỉ phụ thuộc hàm lượng urê, nhiệt độ nổ, khối lượng B2O3 mà còn phụ thuộc<br /> vào hàm lượng Cr3+. Qua việc tham khảo ảnh hưởng của các thông số trên đến đặc<br /> trưng phát quang của ruby, chúng tôi đã chọn phương án chế tạo vật liệu α-Al2O3: Cr3+<br /> với các điều kiện công nghệ như sau: khối lượng B2O3: 4%msản phẩm, hàm lượng urê:<br /> 7nsản phẩm, nhiệt độ nổ: 560 oC [4].<br /> 2.2. Phương pháp nổ chế tạo bột ruby<br /> Các muối kim loại: Al(NO3)3.9H2O, Cr(NO3)3.6H2O được cân chính xác rồi hòa tan vào<br /> nước cất hai lần để thu được dung dịch muối có nồng độ 0,1M. Sau đó dung dịch các<br /> muối nitrat kim loại được đong theo tỉ lệ hợp thức, chất chảy B2O3 cùng nhiên liệu urê<br /> được đưa thêm vào. Toàn bộ hỗn hợp cho phản ứng trên máy khuấy gia nhiệt trong<br /> khoảng 5 ÷ 15 phút thì bắt đầu tạo gel có màu xanh lá cây-đục. Tiếp theo, gel được sấy<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘT RUBY BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỔ<br /> <br /> 43<br /> <br /> khô ở nhiệt độ 80 0C trong khoảng 2 giờ. Gel khô được nung ở 540-560 oC trong 5 phút.<br /> Trong thời gian này gel sôi, mất nước hoàn toàn và phản ứng xảy ra kèm theo tiếng nổ,<br /> cùng với đó là sự phân li các chất tạo ra một lượng lớn khí CO, N2 và NH3, ... Sản phẩm<br /> sau khi nổ được làm lạnh nhanh xuống nhiệt độ phòng, có dạng xốp, màu hồng; rồi<br /> nghiền mịn, thu được bột ruby.<br /> 2.3. Các phương pháp kiểm tra đánh giá vật liệu<br /> Giản đồ nhiễu xạ tia X của bột ruby được đo bằng nhiễu xạ kế D8 Advance Bruker; phổ<br /> huỳnh quang và kích thích huỳnh quang được đo bằng phổ kế huỳnh quang FL3-22.<br /> 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Vật liệu Al2O3 pha tạp ion Cr3+ được chế tạo với nồng độ ion Cr3+ là 0,5 %mol, nồng độ<br /> chất chảy B2O3 là 4% khối lượng, hàm lượng urê 7 lần mol sản phẩm. Hỗn hợp được nổ<br /> ở nhiệt độ 560 oC, trong khoảng thời gian 5 phút. Giản đồ XRD của mẫu Al2O3:<br /> Cr3+(0,5 %mol) được mô tả trên hình 1.<br /> F a culty <br />  of <br />  C he mis try, <br />  H US , <br />   VN U, <br />  D8 <br />  A DV A NC E -­‐B ruke r <br />  -­‐ <br />  Mau <br />  Al2O 3-­‐C rU 7<br /> <br /> 1700<br /> <br /> d=2.081<br /> <br /> 1600<br /> 1500<br /> <br /> 1300<br /> <br /> d=1.599<br /> <br /> d=2.543<br /> <br /> 1400<br /> <br /> 1200<br /> 1100<br /> <br /> 900<br /> <br /> d=1.737<br /> <br /> d=2.374<br /> <br /> 700<br /> <br /> d=1.403<br /> <br /> 600<br /> <br /> d=1.372<br /> <br /> 800<br /> <br /> d=3.464<br /> <br /> Lin (Cps)<br /> <br /> 1000<br /> <br /> 500<br /> 400<br /> <br /> d=1.510<br /> <br /> d=1.961<br /> <br /> d=2.160<br /> <br /> 100<br /> <br /> d=2.816<br /> <br /> d=3.251<br /> <br /> 200<br /> <br /> d=1.544<br /> <br /> 300<br /> <br /> 0<br /> 20<br /> <br /> 30<br /> <br /> 40<br /> <br /> 50<br /> <br /> 60<br /> <br /> 70<br /> <br /> 2-Theta - Scale<br /> File: Trac Hue mau Al2O3-CrU7.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - T emp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - T heta: 10.000 °<br /> 00-042-1468 (D) - Corundum, syn - Al2O3 - Y: 56.02 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 4.75880 - b 4.75880 - c 12.99200 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3c (167)<br /> 00-007-0247 (D) - Chromium Oxide - Cr2O5 - Y: 2.81 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 -<br /> <br /> Hình 1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bột ruby (α- Al2O3: Cr3+)<br /> <br /> Từ giản đồ XRD cho thấy, mẫu ruby chế tạo được có cấu trúc đơn pha α- Al2O3, pha lục<br /> giác với các thông số mạng: a = b = 4,75880 Å, c = 12,9920 Å, α = β = 90o, γ = 120o.<br /> Phổ phát quang của bột ruby được trình bày trên hình 2.<br /> <br /> 44<br /> <br /> VÕ VĂN TÂN – NGUYỄN THỊ TỐ LOAN<br /> <br /> C êng <br />   ® é <br />   P Q <br />   ( ®vt®)<br /> <br /> 3<br /> <br /> 694,3nm<br /> <br /> 692,9nm<br /> <br /> 2<br /> <br /> 1<br /> <br /> 701,6nm 704,7nm<br /> 0<br /> 680<br /> <br /> 685<br /> <br /> 690<br /> <br /> 695<br /> <br /> 700<br /> <br /> 705<br /> <br /> 710<br /> <br /> B -­‐ í c <br />  sãng <br />  (nm)<br /> <br /> Hình 2. Phổ phát quang của bột ruby kích thích bởi bức xạ 365 nm<br /> <br /> Từ hình 2, có thể thấy, phổ phát quang của mẫu ruby chế tạo được có dạng phổ hẹp, có<br /> hai đỉnh cực đại ở 694,3 nm và 692,9 nm, thường gọi là vạch R1 và R2 tương ứng với<br /> chuyển dời bức xạ 2E - 4A2. Ngoài ra, trong phổ bức xạ còn quan sát được các đỉnh yếu<br /> ở bước sóng 704,7 nm và 701,6 nm. Các vạch này thường được gọi là vạch N1 và vạch<br /> N2, tương ứng.<br /> Phổ kích thích của mẫu bột ruby với bước sóng bức xạ ở 694 nm được trình bày trên<br /> hình 3.<br /> 559 <br />  nm<br /> <br /> 408 <br />  nm<br /> <br /> C êng <br />   ® é <br />   K T <br />   ( ®vt®)<br /> <br /> 6.00E+008<br /> <br /> 4.00E+008<br /> <br /> 2.00E+008<br /> <br /> 254 <br />  nm<br /> <br /> 472 <br />  nm<br /> <br /> 0.00E+000<br /> 200<br /> <br /> 300<br /> <br /> 400<br /> <br /> 500<br /> <br /> 600<br /> <br /> 700<br /> <br /> B -­‐ í c <br />  sãng <br />  (nm)<br /> <br /> Hình 3. Phổ kích thích của bột ruby ở bước sóng bức xạ 694 nm<br /> <br /> Từ hình 3, có thể thấy, phổ kích thích của bột ruby ở bước sóng bức xạ 694 nm gồm hai<br /> dải rộng cường độ mạnh tại bước sóng 408 nm và 559 nm và một dải có cường độ yếu<br /> hơn ở 254 nm. Bên cạnh đó, một vạch nhọn được quan sát ở 472 nm.<br /> Quá trình phát quang của bột ruby được giải thích như sau: Bức xạ của bột ruby là do<br /> bức xạ của ion Cr3+ trong mạng nền α-Al2O3. Ion Cr3+ thuộc nhóm ion kim loại chuyển<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘT RUBY BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỔ<br /> <br /> 45<br /> <br /> tiếp có cấu hình điện tử 3d3. Theo giản đồ năng lượng của Tanabe-Sugano [7], Ion Cr3+<br /> thay thế cho ion Al3+ trong mạng nền, có giản đồ năng lượng mô tả trên hình 4.<br /> Quá trình hấp thụ bức xạ xảy ra ứng với các chuyển dời điện tử từ trạng thái cơ bản 4A2<br /> đến các trạng thái kích thích 4T2(4F), 4T1(4F), 4T1(4P) hình thành các dải rộng ứng với<br /> các cực đại ở bước sóng 559 nm, 408 nm và 254 nm, tương ứng và các vạch hẹp ở bước<br /> sóng 475 nm, 668nm và 694 nm ứng với chuyển dời 4A2 đến 2T2,1 và 2E (các vạch hẹp<br /> này thường không quan sát thấy trong phổ kích thích phát quang). Sau đó, các điện tử<br /> hồi phục không bức xạ từ các trạng thái kích thích cao về trạng thái kích thích thấp 2E,<br /> mức 2E bị tách thành 2 mức với khe năng lượng là 29 cm-1 và trở về trạng thái cơ bản<br /> 4<br /> A2, phát ra vạch bức xạ R1 ứng với bước sóng 694,3nm và vạch bức xạ R2 ở bước<br /> 692,9 nm. Các đỉnh có cường độ yếu ở bước sóng 704,7 nm và 701,6 nm được gọi là<br /> vạch N1 và vạch N2, tương ứng. Chúng xuất hiện trong các mẫu ruby có nồng độ ion<br /> Cr3+ cao, các vạch “bổ sung” này là do sự kết cặp và đám Cr3+- Cr3+ khi nồng độ ion<br /> Cr3+ cao trong mạng.<br /> <br /> Hình 4. Giản đồ các mức năng lượng và các chuyển dời hấp thụ<br /> và bức xạ của ion Cr3+ trong ruby [7]<br /> <br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Đã chế tạo thành công bột ruby (α-Al2O3:Cr3+) bằng phương pháp nổ, giản đồ nhiễu xạ<br /> tia X cho biết vật liệu ruby có cấu trúc đơn pha, pha lục giác.<br /> Các kết quả nghiên cứu về phổ phát quang và phổ kích thích phát quang đã giải thích rõ<br /> ràng cơ chế phát quang của bột ruby, đó là sự dịch chuyển hấp thụ và bức xạ của ion<br /> Cr3+ trong mạng nền α- Al2O3 của tinh thể ruby.<br /> <br />

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản