Tài liệu TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Cd2+CỦA VẬT LIỆU NANO Y0.7Sr0.3FeO3

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 TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Cd2+CỦA VẬT LIỆU NANO Y0.7Sr0.3FeO3 SVTH: QUÃNG THỊ THANH THẢO GVHD: TS. NGUYỄN ANH TIẾN TP. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2013 NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... LỜI CẢM ƠN  Qua bốn năm học tập và nghiên cứu khoa học tại Khoa Hóa – Trường Đại Học Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh em đã được trau dồi cho mình một lượng kiến thức, đây là một hành trang để em vững bước trong tương lai. Đặc biệt ở môi trường sư phạm càng giúp em hoàn thiện hơn. Dưới sự dìu dắt của các thầy cô trong và ngoài Khoa mà qua mỗi năm em càng học hỏi thêm được nhiều kiến thức quý báu từ những môn đại cương cho đến những môn chuyên ngành . Để rồi, khi làm Luận văn tốt nghiệp, em có thể tự tin hơn. Vì thế, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến những người mà em yêu quý và trân trọng nhất đã giúp đỡ cho em hoàn thành tốt bài Luận văn này. Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Anh Tiến – người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt bài Luận văn. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài luận văn em cũng xin cảm ơn toàn thể quý thầy cô Khoa Hóa – Trường Đại Học Sư Phạm đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ trong quá trình làm đề tài. Cảm ơn ba mẹ, bạn bè, những người thân luôn kịp thời ủng hộ động viên và giúp đỡ em vượt qua mọi khó khăn. Do thời gian và khả năng còn hạn chế nên bài luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Em kính mong nhận được sự đóng góp và chỉ dẫn chân thành của thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! TP. HCM, tháng 5 năm 2013 SVTH Quãng Thị Thanh Thảo MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................2 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU.........................................................6 LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .............................................................................9 1.1. CÔNG NGHỆ NANO ..................................................................................9 1.1.1 Khái niệm ...........................................................................................9 1.1.2 Ứng dụng ..........................................................................................12 1.1.3 Điều chế vật liệu nano oxit bằng phương pháp đồng kết tủa ..........15 1.2. VẬT LIỆU PEROVSKITE ABO 3 ............................................................16 1.2.1. ABO 3 thuần ......................................................................................16 1.2.2. ABO 3 biến tính .................................................................................17 1.2.3. YFeO 3 ...............................................................................................18 1.3. TỔNG QUAN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA Fe, Y, Sr, Cd VÀ CÁC HỢP CHẤT .................................................................................................................18 1.3.1. Sắt .....................................................................................................19 Sắt (III) oxit ....................................................................................................20 Sắt (III) hydroxit.............................................................................................23 1.3.2. Yttri ..................................................................................................24 Yttri oxit .........................................................................................................25 1.3.3. Stronti ...............................................................................................26 Stronti oxit ......................................................................................................27 1.3.4. Cadmi ...............................................................................................28 Khả năng gây độc của Cadmi.........................................................................29 1.4. QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ............................................................................30 1.4.1. Hiện tượng hấp phụ ..........................................................................30 1.4.2. Hấp phụ trong môi trường nước .......................................................31 1.4.3. Động học hấp phụ.............................................................................31 1.4.4. Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ ..............32 1.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................32 1.5.1. Phương pháp phân tích DTA/ TGA .................................................32 1.5.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .................................................33 1.5.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) ................................34 1.5.4. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDXS) .......................35 1.5.5. Phương pháp đo độ từ hóa................................................................36 1.5.6. Phương pháp quang phổ hấp phụ nguyên tử ...................................37 Phương pháp nguyên tử hóa bằng ngọn lửa ...................................................39 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...............40 2.1. HÓA CHẤT – THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ .................................................40 2.2. TỔNG HỢP BỘT NANO Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA ...........................................................................................................40 2.3. KẾT QUẢ ..................................................................................................42 2.3.1. Kết quả phân tích DTA/TGA của vật liệu Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 ................42 2.3.2. Kết quả XRD của vật liệu Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 .........................................43 2.3.3. Kết quả SEM của vật liệu Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 .........................................46 2.3.4. Kết quả EDXS của vật liệu Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 .......................................48 2.3.5. Từ tính của vật liệu Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 ...................................................48 2.3.6. Khả năng hấp phụ ion Cd2+ của vật liệu Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 ...................50 2.3.6.1. Các điều kiện đo phổ hấp phụ nguyên tử và phát xạ ngọn lửa của Cd2+ ............................................................................................................50 2.3.6.2. Dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion kim loại theo phương pháp hấp thụ nguyên tử ...............................................................................................50 2.3.6.3. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ của Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 đối với Cd2+ ............................................................................................................51 CHƯƠNG 3. KẾT LUẬN – ĐỀ XUẤT .........................................................53 3.1. Kết luận ......................................................................................................53 3.2. Đề xuất .......................................................................................................53 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................54 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Danh mục hình vẽ Hình 1. Phân loại vật liệu nano theo kích thước .......................................................... 12 Hình 2. Điện thoại Morph............................................................................................. 12 Hình 3. Mô hình tách tế bào bằng từ trường ................................................................ 13 Hình 4. Mô hình dẫn thuốc dùng hạt nano từ tính ....................................................... 14 Hình 5. Biểu đồ thử nghiệm đốt nhiệt từ trên thỏ ......................................................... 14 Hình 6. Máy lọc nước nano .......................................................................................... 15 Hình 7. (a) Cấu trúc lý tưởng perovskite ABO 3 , (b) Sự sắp xếp các bát diện trong cấu trúc lý tưởng .................................................................................................................. 17 Hình 8. Tế bào đơn vị của YFeO 3 ................................................................................. 18 Hình 9. Kim loại sắt ...................................................................................................... 19 Hình 10. Dạng bột và mạng không gian của sắt (III) oxit ............................................ 21 Hình 11. Cấu trúc của ε-Fe 2 O 3 .................................................................................... 22 Hình 12. Kim loại yttrium ............................................................................................. 24 Hình 13. Y 2 O 3 dạng bột ................................................................................................ 26 Hình 14. Ảnh TEM của Y 2 O 3 ........................................................................................ 26 Hình 15. Kim loại strontium ......................................................................................... 27 Hình 16. Cấu trúc tinh thể SrO ..................................................................................... 28 Hình 17. Kim loại cadmi ............................................................................................... 29 Hình 18. Mô tả thí nghiệm ............................................................................................ 41 Hình 19. (a) Giản đồ phân tích TGA/DTG của mẫu bột điều chế bằng phương pháp 1,(b) Giản đồ phân tích DTG của mẫu bột điều chế bằng phương pháp 1 ................... 43 Hình 20. Giản đồ XRD của mẫu bột điều chế theo phương pháp 1, sau khi nung ở 650oC trong 1 giờ .......................................................................................................... 44 Hình 21. Giản đồ XRD của mẫu bột điều chế theo phương pháp 1, sau khi nung ở 750oC trong 1 giờ .......................................................................................................... 45 Hình 22. Phổ XRD của mẫu Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 tổng hợp theo 3 phương pháp trên sau khi nung ở 750°C (t = 1giờ) (a, b, c tương ứng với số thứ tự phương pháp điều chế) ....... 46 Hình 23. Ảnh SEM của mẫu bột Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 điều chế bằng phương pháp 1............ 47 Hình 24. Ảnh SEM của mẫu bột Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 điều chế bằng phương pháp 2............ 48 Hình 25. Ảnh SEM của mẫu bột Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 điều chế bằng phương pháp 3............ 48 Hình 26. Phổ tán sắc năng lượng tia X của mẫu Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 điều chế bằng phương pháp 1 ............................................................................................................................ 49 Hình 27. Đường cong từ trễ của vật liệu Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 được tổng hợp theo phương pháp 1 ............................................................................................................................ 50 Hình 28. Đường chuẩn xác định nồng độ Cd2+ ............................................................ 52 Hình 29. Ảnh hưởng của thời gian đến sự hấp phụ Cd 2+ ............................................ 53 Hình 30. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ theo thời gian ................................... 53 Danh mục bảng Bảng 1. Một vài hằng số vật lý quan trọng của sắt ...................................................... 20 Bảng 2. Một vài hằng số vật lý quan trọng của yttrium ............................................... 25 Bảng 3. Một vài hằng số vật lý quan trọng của oxit sronti ........................................... 28 Bảng 4. Một vài hằng số vật lý quan trọng của cadmi ................................................. 29 Bảng 5. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của mẫu Y 0,7 Sr 0,3 FeO 3 điều chế theo phương pháp 1 ............................................................................................................................ 47 Bảng 6. Thông số từ tính của vật liệu Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 được tổng hợp theo phương pháp 1 ..................................................................................................................................... 50 Bảng 7. Sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ Cd2+ ......................................... 52 Bảng 8. Ảnh hưởng của thời gian đến sự hấp phụ Cd2+ ............................................... 53 LỜI NÓI ĐẦU Với sự phát triển của khoa học và kĩ thuật trong vài thập niên trở lại đây, việc tổng hợp và nghiên cứu các tính chất của vật liệu nano đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Điều này xảy ra là do vật liệu nano có tổ hợp các tính chất mới rất khác với các vật liệu khối thông thường cùng thành phần hoá học. Trong các oxit bán dẫn có kích thước hạt nhỏ thì ferrite và các kim loại đất hiếm chiếm một vị trí đặc biệt do thể hiện tính chất từ. Các hạt ferrite nano do có từ tính mà chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật hiện đại như điện tử nano, công nghệ sản xuất điện thoại di động, máy tính, dụng cụ y tế, chế tạo hợp kim chống ăn mòn, vật liệu chịu nhiệt làm lò phản ứng hạt nhân, vật liệu laze, chất siêu dẫn v.v... Các ferrite loại ABO 3 với cấu trúc lệch perovskite (A là các kim loại đất hiếm như La, Y; B là các kim loại chuyển tiếp họ d như Mn, Fe, Co, Ni) cũng đã được nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực xúc tác. Phương pháp thông thường và dễ nhất để điều chế các ferrite ABO 3 là nung các oxit, hydroxit, cacbonat hay nitrat của kim loại tương ứng ở nhiệt độ cao. Nhược điểm của phương pháp này là yêu cầu nhiệt độ cao (T > 1200oC) để thu được pha đơn tinh thể, dẫn đến các ferrite thu được có kích thước hạt lớn và không đồng nhất về hình dạng, diện tích bề mặt thấp do sự kết tụ giữa các hạt. Ngày nay, để điều chế vật liệu oxit phức hợp người ta thường sử dụng phương pháp sol- gel (trong trường hợp riêng, đồng kết tủa các cấu tử từ dung dịch lỏng), phương pháp này đảm bảo được tính đồng nhất hoá học và hoạt tính cao của vật liệu bột thu được. Thực nghiệm cho thấy rằng, khi thay thế một phần kim loại La hay Y trong ABO 3 bằng các kim loại hoá trị II như Ca, Sr sẽ làm thay đổi cấu trúc mạng tinh thể perovskite, dẫn đến thay đổi các tính chất hoá lý của vật liệu được điều chế từ chúng. Vì thế, trong bài này tôi nghiên cứu tổng hợp vật liệu bột nano Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 bằng các phương pháp khác nhau, nghiên cứu một số đặc trưng cấu trúc, từ tính và khả năng hấp phụ ion Cd2+ của chúng. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. CÔNG NGHỆ NANO 1.1.1 Khái niệm Hàng ngàn năm trước đây, kể từ khi các nhà bác học cổ Hy Lạp xác lập các nguyên tắc đầu tiên về khoa học (đúng hơn là siêu hình học), thì các ngành khoa học đều được tập trung thành một môn duy nhất đó là triết học, chính vì thế người ta gọi họ là nhà bác học vì họ biết hầu hết các vấn đề của khoa học. Đối tượng của khoa học lúc bấy giờ là các vật thể vĩ mô. Cùng với thời gian, hiểu biết của con người càng tăng lên, và do đó, độ phức tạp cũng gia tăng, khoa học được phân ra theo các ngành khác nhau như toán học, vật lí, hóa học, sinh học,... để nghiên cứu các vật thể ở cấp độ lớn hơn micro mét. Sự phân chia đó đang kết thúc và khoa học một lần nữa lại tích hợp với nhau khi nghiên cứu các vật thể ở cấp độ nano mét. Nếu ta gọi sự phân chia theo các ngành toán, lí, hóa, sinh là phân chia theo chiều dọc, thì việc phân chia thành các ngành khoa học nano, công nghệ nano, khoa học vật liệu mới,... là phân chia theo chiều ngang. Điều này có thể được thấy thông qua các tạp chí khoa học có liên quan. Ví dụ các tạp chí nổi tiếng về vật lí như Physical Review có số đầu tiên từ năm 1901, hoặc tạp chí hóa học Journal of the American Chemical Society có số đầu tiên từ năm 1879, đó là các tạp chí có mặt rất lâu truyền tải các nghiên cứu khoa học sôi nổi nhất trong thế kỷ trước. Trong thời gian gần đây, người ta thấy xuất hiện một loạt các tạp chí không theo một ngành cụ thể nào mà tích hợp của rất nhiều ngành khác nhau như tạp chí uy tín Nano Letters có số đầu tiên từ năm 2001, tạp chí Nanotoday có số đầu tiên từ năm 2003. Chúng thể hiện xu hướng mới của khoa học đang phân chia lại theo chiều ngang tương tự như khoa học hàng ngàn năm về trước. 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 nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu ở quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn. Loại vật liệu này 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 và 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. Các vật liệu với kích thước như vậy có những tính chất hóa học, nhiệt, điện, từ, quang, xúc tác... rất đặc biệt, khác hẳn các vật liệu có kích thước lớn. 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. Thông thường vật liệu nano được phân ra thành nhiều loại, phụ thuộc vào hình dạng, cấu trúc của vật liệu và kích thước của chúng v.v… Về mặt cấu trúc thì vật liệu nano được phân ra thành 4 loại: vật liệu nano không chiều (0D), một chiều (1D), hai chiều (2D). - 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 Fe 3 O 4 , maghemite a-Fe 2 O 3 ) có thể phá hủy các tế bào ung thư nhờ tác động của từ trường. - Vật liệu nano một chiều là hạt có 1 chiều cỡ nm, hai chiều kia dài hơn, dạng tấm. Ví dụ: Silicat lớp (phyllosilicat) được kết hợp với các polime để tạo nanocomposit 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 hạt có 2 chiều cỡ nm, chiều thứ ba dài hơn. 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... Một cách sử dụng khác của ống nano cacbon là phương tiện vận chuyển gene... - Ngoài ra còn có 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. Mặc khác, người ta còn phân loại các dạng vật liệu nano vào lĩnh vực ứng dụng khác nhau của chúng: - Vật liệu nano kim loại; - Vật liệu nano bán dẫn; - Vật liệu nano từ tính; - Vật liệu nano sinh học. Quá trình tổng hợp các cấu trúc nano khác nhau như “hạt, thanh, dây, ống hay các cấu trúc nano kì dị” với sự đồng đều về kích thước, hình dạng và đơn pha đang được tập trung nghiên cứu. Theo đó, nhiều hệ vật liệu nano mới với những mục đích ứng dụng khác nhau được tạo ra. Theo quan điểm của nhiều tác giả, “hạt nano” là một đối tượng nano không chiều (0D) mà kích thước tất cả các chiều đều có một bậc đại lượng, về nguyên tắc, các hạt nano có dạng hình cầu. Theo quan điểm về năng lượng, sự giảm kích thước hạt sẽ làm tăng vai trò năng lượng bề mặt của hạt cấu trúc. Các tính chất đặc trưng của vật liệu như: hằng số điện môi, điểm nóng chảy, chiết suất cũng có thể bị thay đổi khi giảm kích thước xuống thang nano. Ngoài ra còn nhiều tính chất đặc trưng khác của vật liệu như: hoạt tính và diện tích bề mặt; các tính chất nhiệt, điện, từ, quang học, cơ học, hóa học thậm chí cả sinh học… cũng bị thay đổi khi giảm kích thước đến giá trị nanomet. Hình 1. Phân loại vật liệu nano theo kích thước 1.1.2 Ứng dụng Trong ngành công nghiệp hiện nay, các tập đoàn sản xuất điện tử đã bắt đầu đưa công nghệ nano vào ứng dụng, như năm 2008, Trung tâm Nghiên cứu Nokia hợp tác với trường Đại học Cambridge (Anh) phát triển một thiết bị điện thoại sử dụng công nghệ nano gọi là Morph. Morph là một thiết bị linh hoạt có khả năng thay đổi hình dạng tùy ý thích của người sử dụng. Hình 2. Điện thoại Morph Hiện nay, con người đã chế tạo ra hạt nano có đặc tính sinh học và có tác động lên con người y hệt như kháng thể, tức là chúng có thể lập trình để truy diệt tế bào ung thư. Các chất liệu từ công nghệ nano có thể hỗ trợ việc chẩn đoán bệnh tật hay khảo sát cơ thể, bằng cách gắn những chuỗi DNA vào những hạt nano có khả năng cảm thụ đặc tính sinh học của tế bào và gửi tín hiệu ra bên ngoài. Y tế nano ngày nay đang nhắm vào các bệnh do di truyền có nguyên nhân từ gen như: HIV/AIDS, ung thư, tim mạch, các bệnh đang lan rộng hiện nay như béo phì, tiểu đường, liệt rung (Parkison), mất trí nhớ (Alzheimer), rõ ràng y học là lĩnh vực được lợi nhiều nhất từ công nghệ này. Trong phẫu thuật thẩm mỹ, đang hình thành ngành Cosmetic Nano Surgery (tạm dịch Nano phẫu thuật thẩm mỹ). Các ứng dụng công nghệ nano đang phát triển trong vi phẫu thuật thẩm mỹ để bóc mỡ thừa, căng da, xóa nếp nhăn, đổi màu tóc... Các loại kem bôi da chứa hạt nano giúp thay đổi màu da hay ngăn chặn tia tử ngoại dễ gây ung thư da. Ngoài ra, các nhà khoa học còn sử dụng công nghệ nano để giảm các vấn đề nan giải về nước, là giải quyết các khó khăn về kỹ thuật để xử lý các chất ô nhiễm trong nước, bao gồm vi khuẩn, virút, asen, thủy ngân, thuốc bảo vệ thực vật và muối. Nhiều nhà nghiên cứu và kỹ sư khẳng định, công nghệ nano đảm bảo các giải pháp hiệu quả và bền vững hơn vì sử dụng các hạt nano để xử lý nước ít gây ô nhiễm hơn so với các phương pháp truyền thống và đòi hỏi ít nhân công, vốn, đất đai và năng lượng.  Ứng dụng từ tính của hạt nano trong y sinh học - Phân tách và chọn lọc tế bào: Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác. Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thể sinh học cần nghiên cứu và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường. Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nano từ tính. Các hạt này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA)... Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nano phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất Hình 3. Mô hình tách tế bào bằng từ lỏng từ. Đây là cách rất hiệu quả và chính trường xác để đánh dấu tế bào. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi. Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài. Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu. Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nano từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng. Hình 3 là nguyên tắc tách tế bào bằng từ trường trong đó (a) một nam châm được đặt ở bên ngoài để hút các tế bào đã được đánh dấu và loại bỏ các tế bào không được đánh dấu và (b) nam châm có thể đặt vào một dòng chảy có chứa tế bào cần tách. - Dẫn truyền thuốc: Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặc hiệu. Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bào mạnh khỏe bị ảnh Hình5.4.Biểu Mô đồ hình thuốcđốt dùng Hình thửdẫn nghiệm hạt từ nano tính nhiệt trêntừthỏ hưởng do tác dụng phụ của thuốc. Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đã được nghiên cứu từ những năm 1970. Những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính. Có hai lợi ích cơ bản là: (i) thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ của thuốc; và (ii) giảm lượng thuốc điều trị. Hạt nano từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị. Lúc này hạt nano có tác dụng như một hạt mang. Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Hình 4 là nguyên lí dẫn thuốc dùng hạt nano từ tính. Một thanh nam châm bên ngoài rất mạnh tạo ra một gradient từ trường kéo các hạt nano từ tính gắn với thuốc đến vị trí mong muốn. Ở đó quá trình nhả thuốc diễn ra làm cho hiệu quả sử dụng thuốc được tăng lên nhiều lần. - Đốt nhiệt từ: Phương pháp đốt các tế bào ung thư bằng từ trường ngoài mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạt nano từ tính. Một trong những nghiên cứu đầu tiên về đốt nhiệt từ xuất hiện từ năm 1957. Nguyên tắc hoạt động là các hạt nano từ tính có kích thước từ 20 100 nm được phân tán trong các mô mong muốn sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều với tần số 1,2 MHz bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nano hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh. Nhiệt độ khoảng 42°C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư trong khi các tế bào thường vẫn an toàn. Hình 5, người ta nghiên cứu thử nghiệm đốt nhiệt từ trên thỏ cho thấy nhiệt độ bên ngoài và bên trong u bướu (hai đường trên cùng) cao hơn nhiều so với nhiệt độ của những vùng xung quanh (những đường dưới).  Tính hấp phụ ion kim loại nặng của vật liệu nano  Nguyên lí hoạt động của thiết bị lọc ứng dụng vật liệu nano Hình 6. Máy lọc nước 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 nhờ đó mà 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. 1.1.3 Điều chế vật liệu nano oxit bằng phương pháp đồng kết tủa Người ta thực hiện khuếch tán các chất tham gia phản ứng ở mức độ phân tử (precursor phân tử ) Hỗn hợp ban đầu được gọi là precursor có tỷ lệ các ion kim loại đúng theo hợp thức của hợp chất mà ta cần tổng hợp, chuẩn bị hỗn hợp dung dịch chứa các muối tan rồi thực hiện phản ứng đồng kết tủa (dưới dạng hydroxit, cacbonat, oxalate…) Cuối cùng tiến hành nhiệt phân sản phẩm rắn đồng kết tủa đó.  Ưu điểm : - Chế tạo được vật liệu có kích thước cỡ nanomet. - Phản ứng có thể tiến hành trong điều kiện nhiệt độ phòng, do đó tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu quá trình mất mát do bay hơi, ít ô nhiễm môi trường. - Sản phẩm thu được trong mỗi lần chế tạo khá nhiều. - Trong phương pháp đồng kết tủa, các chất muốn khuếch tán sang nhau chỉ cần vượt quãng đường từ 10 đến 50 lần kích thước ô mạng cơ sở.  Nhược điểm: - Phản ứng tạo kết tủa phụ thuộc vào tích số tan, khả năng tạo phức giữa ion kim loại và ion tạo kết tủa, lực ion, độ pH của dung dịch.. - Tính đồng nhất hóa học của oxit phức hợp tùy thuộc vào tính đồng nhất của kết tủa từ dung dịch. - Việc chọn điều kiện để các ion kim loại cùng kết tủa là một công việc rất khó khăn và phức tạp. - Quá trình rửa kéo theo một cách chọn lọc cấu tử nào đấy làm cho sản phẩm thu được có thành phần khác với thành phần dung dịch ban đầu. 1.2. VẬT LIỆU PEROVSKITE ABO3 1.2.1. ABO3 thuần Hợp chất perovskite ABO 3 thuần có cấu trúc tinh thể lý tưởng như hình 7. Ô mạng cơ sở là hình lập phương tâm khối với các thông số mạng a=b=c và . Hình 7. (a) Cấu trúc lý tưởng perovskite ABO 3 (b) Sự sắp xếp các bát diện trong cấu trúc lý tưởng Ở đây cation A nằm tại các mặt của hình lập phương, còn cation B có bán kính nhỏ hơn nằm tại tâm của hình lập phương. Cation B được bao quanh bởi 8 cation A và 6 anion O2-, còn quanh mỗi vị trí A có 12 anion O2- như ở hình 7a, cấu trúc tinh thể của hợp chất perovskite còn có thể mô tả dưới dạng sắp xếp các bát diện BO 6 như hình 7 b, với cation B nằm ở hốc của bát diện BO 6 , còn các anion O2- nằm ở đỉnh của bát diện BO 6 . Từ hình 7b, các góc B-O-B bằng 1800 và độ dài liên kết B-O bằng nhau theo mọi phương. Bát diện FeO 6 này ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất điện và tính chất từ của vật liệu. 1.2.2. ABO3 biến tính Vật liệu ABO 3 biến tính là vật liệu có ion A hoặc B được thay thế một phần bởi các ion khác có thể viết dưới dạng công thức tổng quát: ( A1− x Ax' )( B1− y B'y )O3 (0 ≤ x, y ≤ 1). Với A có thể là các nguyên tố họ đất hiếm như La, Nd, Pr, Y...; A' là các kim loại kiềm thổ như Sr, Ba, Ca, Cd… hoặc các nguyên tố như: Ti, Ag, Bi, Pb…; B có thể là Mn, Co; B' có thể là Fe, Ni, Y…. Sau đây là ví dụ một số mẫu đã được nghiên cứu chế tạo: LaFe 1-x Ni x O 3 , LaNi 1-x Co x O 3 , LaCo 1-x Fe x O 3 , La 1-x Sr x FeO 3 , La 1x Ti x FeO 3 , La 1-x Nd x FeO 3 , Y 1-x Cd x FeO 3 , Y 1-x La x FeO 3 ... Các perovskite ABO 3 bị biến tính khi được pha tạp thay thế sẽ tạo ra trạng thái hỗn hợp hóa trị và sai lệch cấu trúc làm cho hợp chất nền trở thành vật liệu có nhiều hiệu ứng lý thú như: hiệu ứng nhiệt điện, hiệu ứng từ trở khổng lồ, hiệu ứng từ nhiệt… Sự sai lệch cấu trúc tinh thể được đánh giá thông qua thừa số dung hạn t do Goldchmit đưa ra: Với R A , R B , R O lần lượt là bán kính của các ion A2+(A3+), B4+(B3+) và O2-. Cấu trúc perovskite được coi là ổn định khi 0.8 < t < 1. Điều đó kéo theo các cation phải có kích thước giới hạn: R A > 0.9 và R B > 0.5. Khi t = 1, ta có cấu trúc perovskite là hình lập phương. Khi t ≠ 1, mạng tinh thể bị méo, góc liên kết B-O-B không còn là 1800 nữa mà bị bẻ cong và độ dài liên kết B-O theo các phương khác nhau sẽ khác nhau, cấu trúc tinh thể bị thay đổi. Điều này dẫn tới thay đổi các tính chất điện và từ của vật liệu. 1.2.3. YFeO3 Hình 8. Tế bào đơn vị của YFeO 3 Tinh thể YFeO 3 có cấu trúc trực thoi hoặc lục giác (giống với YAlO 3 ) tùy thuộc vào điều kiện tổng hợp nên nó. Mỗi tế bào đơn vị YFeO 3 chứa 4 ion sắt ở mỗi đỉnh nhưng các trục của 4 ion sắt hơi nghiêng so với bát diện (hình 8). Các hiện tượng biến dạng của perovskite chủ yếu là ở vị trí Y3+ trong khí đó các ion Fe3+ cơ bản vẫn được giữ nguyên trong thể bát diện. Một số công trình nghiên cứu về tổng hợp YFeO 3 đã được công bố. Yttrium orthoferrit có thể được tổng hợp bằng phản ứng pha rắn thông thường là từ oxit nhưng quá trình này cũng gặp khá nhiều khó khăn do sự hình thành của Y 3 Fe 5 O 12 (yttri-iron garnet) và Fe 3 O 4 . Một số phương pháp khác cũng đã được đề xuất bao gồm phương pháp sol-gel của một hỗn hợp kim loại với oxit kiềm YFe, phương pháp Pechini - là phương pháp tương tự như phương pháp sol-gel, quá trình này lấy tên của nhà phát minh người Mỹ Maggio Pechini, phương pháp tổng hợp bước sóng, phương pháp hóa cơ học và phương pháp quy nạp plasma, phương pháp phân hủy nhiệt v.v… Yttrium orthoferrit đơn tinh thể được sử dụng trong bộ cảm biến và các thiết bị truyền động, nó có nhiệm vụ như bộ chuyển đổi quang và từ trường, ở đó những tinh thể orthoferrit hoạt động như trong định luật cảm ứng điện từ của Faraday. 1.3. TỔNG QUAN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA Fe, Y, Sr, Cd VÀ CÁC HỢP CHẤT Trong bài này, tôi chọn đề tài là tổng hợp vật liệu bột nano Y 0.7 Sr 0.3 FeO 3 bằng các phương pháp khác nhau, nghiên cứu một số đặc trưng cấu trúc, từ tính và khả năng hấp phụ ion Cd2+ của chúng. Vì thế, tôi xin giới thiệu sơ lược về một số tính chất của của Fe, Y, Sr, Cd và các hợp chất. 1.3.1. Sắt Hình 9. Kim loại sắt Bảng 1. Một vài hằng số vật lý quan trọng của sắt Ký hiệu nguyên tố, số thứ tự Fe, 26 Cấu hình electron hóa trị [Ar]3d64s2 Bán kính nguyên tử (A0) 1,26 Nhiệt độ nóng chảy (0C) 1536 Nhiệt độ sôi (0C) 2880 Nhiệt thăng hoa (kJ/mol) 418 Tỉ khối (g/cm3) 7,91 Độ cứng (thang Moxơ) 4–5 Độ dẫn điện (Hg=1) 10 Sắt có màu trắng xám, dễ rèn và dễ dát mỏng. Trong tự nhiên tồn tại 4 đồng vị bền 54Fe, 56Fe (91,68%), 57Fe và 58Fe. Có tính sắt từ: chúng bị nam châm hút và dưới