Nghiên cứu tổng hợp Nano sắt bằng phương pháp hoá học

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 23 (2007) 253-256<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Nghiên cứu tổng hợp Nano sắt bằng phương pháp hoá học<br /> <br /> Nguyễn Thị Nhung*, Nguyễn Thị Kim Thường<br /> Viện ðịa chất, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 84 Chùa Láng, ðống ða, Hà Nội<br /> Nhận ngày 29 tháng 5 năm 2007<br /> <br /> <br /> Tóm tắt. In this article, iron nanoparticles were synthesized by reduction of FeCl3.6H2O<br /> 0,045M using NaBH4 0,25M. Characteristics of obtained iron particales were studied by<br /> Transmission Electron Microscopy (TEM), X-ray diffraction method (XRD) and BET<br /> specific surface area, and maximum benzen adsorption. The TEM results of synthesized<br /> iron nanoparticales show that iron particles are spherical in shape and connected in chains,<br /> the particale size is about 3 - 50nm. The X-ray results show that synthesized nanoparticles<br /> is iron at 44.720. The specific surface area of the iron nanoparticles is approximately<br /> 26m2/g and maximum benzen adsorption is 0.206mmol/g.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1. Mở ñầu∗ bằng nano sắt phủ kim loại [4]. Nano sắt ñược<br /> các nhà khoa học gọi là “thần dược vạn năng”<br /> Trong lĩnh vực khoa học công nghệ nano, trong xử lý môi trường. Vì vậy, trong những<br /> sắt kim loại kích thước nano ñược quan tâm năm gần ñây hướng nghiên cứu chế tạo nano sắt<br /> nghiên cứu rất nhiều, vì nó có ứng dụng rất ña và ứng dụng trong xử lý chất thải ñộc hại ñược<br /> dạng trong sản xuất và ñời sống. Nano sắt ñược nhiều trường phái khoa học quan tâm ñặc biệt<br /> dùng nhiều công nghệ thông tin và truyền thông [5,6]. Nano sắt ñược tổng hợp bằng nhiều cách<br /> làm vật liệu chế tạo linh kiện ñiện tử và cảm khác nhau: phương pháp kết tủa [1]; phương<br /> biến. Ngày càng có nhiều thông tin về ứng dụng pháp cơ học [7]; phương pháp phân huỷ nhiệt<br /> các sensor trên cơ sở nano sắt trong y học. Gần [8]; phương pháp ngưng tụ bay hơi [9,10]...<br /> ñây nano sắt và nano sắt phủ kim loại ñược ứng Tính chất ñặc trưng của nano sắt về cấu trúc,<br /> dụng rộng rãi và rất hiệu quả ñể xử lý nước và kích thước hạt, diện tích bề mặt, dung lượng<br /> các chất thải ñộc hại [1]. Wei-Xian Zhang là hấp phụ... ñược nghiên cứu bằng các phương<br /> một trong những nhà khoa học ñi ñầu trong lĩnh pháp Vật lý và Hoá lý hiện ñại [1,4]. Trong bài<br /> vực nghiên cứu tổng hợp nano sắt và ứng dụng báo này, ñã nghiên cứu tổng hợp nano sắt bằng<br /> ñể xử lý các hợp chất clo hữu cơ như: TCE, phương pháp hoá học. Các tính chất ñặc trưng của<br /> PCBs, CCl4...[2]. Ông cũng ñã thành công trong nano sắt ñược xác ñịnh bằng các phương pháp<br /> việc xử lý các dẫn xuất clo của etylen bằng nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp kính hiển vi<br /> nano sắt [3] và xử lý các hợp chất clo hữu cơ ñiện tử truyền qua (TEM). Diện tích bề mặt riêng<br /> và ñộ hấp phụ của nano sắt tổng hợp ñược xác<br /> _______ ñịnh bằng phương pháp Brunauer, Emmett,<br /> ∗<br /> Tác giả liên hệ. ðT: 84-4-7754724<br /> E-mail: nguyenthinhung1951@yahoo.com Teillor (BET).<br /> 253<br /> 254 N.T. Nhung, N.T.K. Thường / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 23 (2007) 253-256<br /> <br /> <br /> <br /> 2. Thực nghiệm trường nước, phương trình phản ứng xảy ra<br /> theo sơ ñồ sau:<br /> 2.1. Hoá chất và thiết bị 4Fe3+ + 3BH4 - + 9H2O = 4Fe0 + 3 H2BO3 -<br /> Các hoá chất sử dụng trong quá trình tổng + 12H+ + 6 H2<br /> hợp thuộc loại tinh khiết hoá học. Sau khi nghiên cứu khảo sát tỷ mỷ các ñiều<br /> - Dung dịch FeCl3.6H2O 0.045M kiện về nồng ñộ dung dịch, tỉ lệ các chất tham<br /> - Dung dịch NaBH4 0.25M gia phản ứng, tốc ñộ khuấy và nhỏ giọt, ñã chọn<br /> - Nước cất deion ñược các thông số tối ưu: nồng ñộ dung dịch<br /> NaBH4 là 0,25M, dung dịch FeCl3 là 0,045M,<br /> - Máy khuấy từ<br /> tỉ lệ các tác nhân theo thể tích là 1:1. Nhờ có<br /> NaBH4 dư, các tinh thể nano sắt ñược tạo thành<br /> 2.2. Phương pháp nghiên cứu nhanh, ñồng ñều và tránh ñược sự oxy hoá sắt<br /> trong quá trình tổng hợp.<br /> Nano sắt ñược tổng hợp trên cơ sở phương<br /> pháp khử dung dịch FeCl3 .6H2 O trong môi Quy trình tổng hợp ñược tiến hành như sau:<br /> trường nước bằng NaBH4 . Thêm từ từ dung dịch NaBH4 0,25M (tốc ñộ<br /> - Các tính chất ñặc trưng của nano sắt kim nhỏ giọt 50 giọt/1phút) vào dung dịch<br /> loại ñược xác ñịnh bằng phương pháp nhiễu xạ FeCl3.6H2O 0,04 M với tỉ lệ thể tích 1:1. Phản<br /> tia X (XRD) trên máy D8 Advance của hãng ứng ñược khuấy liên tục. Tinh thể nano sắt tạo<br /> Bruker (ðức) tại phòng thí nghiệm hoá Vật thành ñược rửa (gạn) bằng nước cất deion 3 - 5<br /> liệu, Khoa Hoá học, ðại học Khoa học Tự lần, lọc nhanh qua giấy lọc ñịnh lượng và sấy<br /> nhiên, ðHQGHN với bước sóng tia X tới từ trong tủ sấy chân không ở nhiệt ñộ 400C trong 5<br /> bức xạ Kα của anode Cu là λcu = 1,54056 A0. giờ. Sản phẩm ñược cho vào lọ kín, giữ ở nhiệt<br /> - Phương pháp kính hiển vi ñiện tử truyền ñộ thấp, tránh ánh sáng và không khí lọt vào tốt<br /> qua (TEM) ñược chụp trên máy EM 1010 của nhất là giữ trong môi trường khí trơ.<br /> hãng Jeol với hiệu ñiện thế 100kV, tại phòng thí<br /> nghiệm của Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương. 3.2. Phổ nhiễu xạ tia X của nano sắt<br /> - Diện tích bề mặt riêng và ñộ hấp phụ<br /> benzen cực ñại của nano sắt ñược xác ñịnh trên Dựa trên phổ nhiễu xạ tia X (hình 1), có thể<br /> cân hấp phụ Macbel (Trung Quốc) tại phòng thí nhận thấy, pic ñặc trưng của nano sắt xuất hiện<br /> nghiệm Trung tâm Công nghệ Môi trường của trong khoảng 2θ và 44,720 với cường ñộ lớn.<br /> Bộ Tư lệnh hoá học. Trong khoảng 2θ từ 20 - 700 không xuất hiện<br /> các pic phụ khác.<br /> Dựa vào phương trình Debye-Scherrer<br /> 3. Kết quả và thảo luận<br /> d = kλ/βcosθ, trong ñó: d là kích thước tinh thể<br /> 3.1. Nghiên cứu quy trình tổng hợp nano sắt =1,54056 nm; bước sóng tia X của Cu<br /> kim loại β = 0,0149 radian bán ñộ rộng của vạch phổ;<br /> Nano sắt kim loại ñược tổng hợp theo vị trí xuất hiện pic nano sắt θ = 22,364, ta tính<br /> phương pháp khử Fe3+ bằng NaBH4 trong môi ñược kích thước tương ñối của hạt là 9,95 nm.<br /> N.T. Nhung, N.T.K. Thường / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 23 (2007) 253-256 255<br /> <br /> <br /> Mau Fe<br /> 50 0<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 40 0<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 30 0<br /> Lin (Counts)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> d=2.024<br /> 20 0<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 10 0<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0<br /> <br /> 20 30 40 50 60 70<br /> <br /> 2-T he ta - S c a le<br /> F ile : T Bo i-m au oxi t s at-lan 2. raw - S t ar t: 2 0. 0 00 ° - E nd : 70 .00 0 ° - S t e p: 0. 0 2 0 ° - S tep tim e : 1. s - A no d e: C u - W L1 : 1.5 40 6 - Ge ne ra tor k V : 4 0 kV - G e ne ra t or m A : 4 0 m A - C re atio n : 9 / 27 /20 0 6 9 :25 : 45 AM<br /> 1) L eft A ng le : 4 3.3 20 ° - R ig h t A n gle : 45 .92 0 ° - Le f t I n t. : 1 .00 C p s - R ig ht I n t.: 1 .00 C ps - Ob s . M a x : 44 .78 0 ° - d (O b s . M ax ) : 2.0 22 - M a x Int. : 19 6 C p s - N e t H e igh t: 19 5 C p s - F W H M : 0.7 99 °<br /> 00 -0 06 -0 6 96 (* ) - I ron , s y n - F e - W L: 1 .54 06 - C u bic - a 2 . 86 6 40 - b 2 . 86 6 40 - c 2.8 66 4 0 - a lp ha 90 . 00 0 - be t a 9 0. 0 00 - g am m a 90 . 00 0 - Bo dy - c en ter ed<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Phổ nhiễu xạ tia X của hạt nano sắt.<br /> <br /> 3.3. Nghiên cứu ñặc trưng của nao sắt bằng 3.4. Nghiên cứu diện tích bề mặt và ñộ hấp phụ<br /> kính hiển vi ñiện tử truyền qua (TEM) benzen cực ñại<br /> <br /> Kích thước hạt và sự phân bố hạt nano sắt Diện tích bề mặt và ñộ hấp phụ benzen của<br /> ñược ñặc trưng bằng hình ảnh TEM. Kết quả nano sắt ñược xác ñịnh theo phương pháp BET<br /> nghiên cứu ảnh tem cho thấy, kích thước hạt trên nguyên tắc ño các giá trị hấp phụ và giải<br /> trong khoảng 3 - 50 nm (hình 2), các tinh thể hấp phụ hơi benzen tại các chế ñộ áp suất P/Ps<br /> nano sắt có hình cầu và nối với nhau thành khác nhau từ 0 - 0,99 (P- áp suất hơi tại thời<br /> chuỗi. Kiểu liên kết thành chuỗi này là do sự<br /> ñiểm cân bằng hấp phụ. Ps-áp suất hơi bảo hoà<br /> tương tác giữa các hạt kim loại có từ tính với<br /> của chất bị hấp phụ). Dựa vào ñường ñẳng nhiệt<br /> nhau. Kết quả này cũng phù hợp với các công<br /> trình ñã ñược công bố [1,2]. hấp phụ benzen (hình 3) và phương trình BET<br /> ñã xác ñịnh ñược diện tích bề mặt riêng là<br /> 26,43 m2/g và ñộ hấp phụ benzen cực ñại của<br /> nano sắt tổng hợp ñược là 0,206 mmol/g.<br /> <br /> <br /> 0.25<br /> <br /> <br /> 0.2<br /> a (mmol/g)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0.15<br /> <br /> <br /> 0.1<br /> <br /> <br /> 0.05 ahp<br /> aghp<br /> <br /> 0<br /> 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2<br /> <br /> P/Ps<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. ðường ñẳng nhiệt hấp phụ benzen<br /> Hình 2. Ảnh TEM của hạt nano sắt tổng hợp ñược. của nano sắt.<br /> 256 N.T. Nhung, N.T.K. Thường / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 23 (2007) 253-256<br /> <br /> <br /> <br /> 4. Kết luận chlorinated ethenes, Colloids and Surfaces A,<br /> Physicochemical and Engineering aspect<br /> 191(2001) 97.<br /> - ðã tổng hợp ñược nano sắt có kích thước [4] Wei-Xian Zhang, Chuan-Bao Wang, Hsing-<br /> nhỏ hơn 150 nm trên cơ sở phương pháp khử Lung Lien, Treatment of Chlorinated organic<br /> dung dịch FeCl3 bằng NaBH4. contaminants with nanoscale bimetallic<br /> - ðã xác ñịnh ñược các tính chất ñặc trưng particales, Catalysis Today 40 (1998) 387.<br /> của nano sắt bằng phương pháp nhiễu xạ tia X [5] F. Li, C. Vipulanandan, Microemulsion<br /> Approach to Nanoiron Production and<br /> (XRD); phương pháp kính hiển vi ñiện tử degradation of Trichloroethylene, Center for<br /> truyền qua (TEM). Innovative grouting Materials and Technology<br /> - Diện tích bề mặt riêng của nano sắt tổng (Cigmat), Department of civil and<br /> hợp ñược là 26,43 m2/g và ñộ hấp phụ benzen Environmental Engineering, University of<br /> cực ñại là 0,206 mmol/g. Houston, Proceedings cigmat-2003 Conference<br /> & Exhibition.<br /> Các nghiên cứu về ứng dụng nano sắt làm [6] M. Sherman Ponder, G. John Darab, E. Thomas<br /> vật liệu xử lý các chất ñộc hại trong nước sẽ Mallouk, Remediation of Cr(VI) and Pb(II)<br /> ñược trình bày trong các thông báo tiếp theo. Aqueous Solutuons Using Supported nanoscale<br /> Zero-valent Iron, Eviron. Sci. Technol. 34 (2000)<br /> 2564.<br /> Lời cảm ơn. Công trình thực hiện với sự hỗ trợ<br /> [7] R. Kalyanaraman, Sang Yoo, M.S.<br /> kinh phí từ ñề tài nghiên cứu khoa học cơ bản Krupashankara, T.S. Sudarshan, R.J. Dowling,<br /> của Bộ Khoa học và Công nghệ. Synthesis and consolidation of Iron<br /> Nanopowders, Nonostructured Materials 10,<br /> No.8 (1998) 1379.<br /> [8] E. Bermejo, T. Becue, C. Lacour, M. Quarton,<br /> Tài liệu tham khảo Synthesis of nanoscaled Iron particles from<br /> freeze-dried precursors, Powder Technology 94<br /> [1] Wei-Xian Zhang, Nanoscale iron particles for (1997) 29.<br /> Environmental Remediation: An overview, [9] C.J. Choi, O. Tolochko, B.K. Kim, Preparation<br /> Journal of nanoparticle Research 5 (2003) 323. of iron nanoparticles by chemical vapor<br /> [2] Chuan Bao Wang, Wei-Xian Zhang, Synthesing condensation, Materials Letter 56 (2002) 289.<br /> nanoscale iron particles for rapid and complete [10] Z.L. Cui, L.F. Dong, Z.K. Zhang, Oxidation<br /> dechlorination of TCE and PCBs, Env. Science behavior of nano-Fe prepares by hydrogen arc<br /> and Technology 31, No.7( 1997). plasma method, Nanostructure Meterial 5<br /> [3] Hsing-Lung Lien, Wei-Xian- Zhang, Nanoscale (1995) 829.<br /> iron particles for complete reduction of<br /> <br /> <br /> Synthesis of iron nanoparticles by chemical method<br /> Nguyen Thi Nhung, Nguyen Thi Kim Thuong<br /> Institute of Geological Sciences, Vietnamese Academy of Science and Technology, 84 Chua Lang,<br /> DongDa, Hanoi, Vietnam<br /> <br /> <br /> In this article, iron nanoparticles were synthesized by reduction of FeCl3.6H2O 0,045M using<br /> NaBH4 0,25M. Characteristics of obtained iron particales were studied by Transmission Electron<br /> Microscopy (TEM), X-ray diffraction method (XRD) and BET specific surface area, and maximum<br /> benzen adsorption. The TEM results of synthesized iron nanoparticales show that iron particles are<br /> spherical in shape and connected in chains, the particale size is about 3 - 50nm. The X-ray results<br /> show that synthesized nanoparticles is iron at 44.720. The specific surface area of the iron<br /> nanoparticles is approximately 26m2/g and maximum benzen adsorption is 0.206mmol/g.<br />