Báo cáo nghiên cứu khoa học: " TỔNG HỢP XÊRI ĐIOXIT SIÊU MNN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL TỪ XÊRI(IV) NITRAT VÀ AXIT TARTRIC" pot

6 488 4
Báo cáo nghiên cứu khoa học: " TỔNG HỢP XÊRI ĐIOXIT SIÊU MNN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL TỪ XÊRI(IV) NITRAT VÀ AXIT TARTRIC" pot

Đang tải... (xem toàn văn)

Thông tin tài liệu

119 TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 48, 2008 T ỔNG HỢP XÊRI ĐIOXIT SIÊU MNN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL T Ừ XÊRI(IV) NITRAT VÀ AXIT TARTRIC Võ Quang Mai Trường Đại học sư phạm, Đại học Huế Trần Thị Cúc Phương Học viên cao học Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế TÓM TẮT Xêri đioxit được tổng hợp ở nhiệt độ thấp (dưới 600 o C) bằng sự đốt cháy của gel được điều chế từ axit tartaric và xêri(IV) nitrat. Xêri đioxit tạo thành được kiểm tra bởi phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phân tích nhiệt TG-DTA, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp Brunauer-Emmet-Teller (BET). CeO 2 thu được có diện tích bề mặt lớn (38,5700 ± 0,4730 m 2 /g). 1. Mở đầu Trong nh ững năm gần đây, CeO 2 kích thước nano đang được các quốc gia nghiên c ứu rộng rãi do các đặc tính ưu việt của nó: diện tích bề mặt lớn nên có nhiều ứng dụng phong phú trong nhiều lĩnh vực như phản ứng nhiên liệu rắn, xúc tác xử lý khí th ải ba chức năng, làm vật liệu hấp thụ tia UV, làm phụ gia cho vật liệu gốm, chế tạo v ật liệu phát quang [1,2,3]. Các nhà khoa h ọc đang quan tâm đến xêri đioxit siêu mịn vì đây là một chất có kh ả năng thực hiện nhanh chu trình oxi hóa khử do có sự chuyển hóa giữa 2 dạng CeO 2 và Ce 2 O 3 . Do có đặc điểm này nên xêri đioxit siêu mịn được chú ý để chế tạo vật liệu xúc tác x ử lý khí thải ba chức năng. Trong bài vi ết này, chúng tôi đề cập một phương pháp tổng hợp CeO 2 siêu mịn có di ện tích bề mặt lớn bằng phương pháp sol-gel từ axit tartric và xeri nitrat sau đó phân h ủy gel để thu CeO 2 siêu mịn. Cuối cùng, khảo sát khả năng tNm CeO 2 siêu mịn này lên n ền cao lanh với mục đích sẽ ứng dụng làm xúc tác xử lý khí thải ô tô, xe máy, ngh ĩa là sẽ mong muốn chuyển các khí thải NO x , thành N 2 , CO x thành CO 2 , C x H y thành CO 2 không còn độc hại cho môi trường. 2. Thực nghiệm 2.1. D ụng cụ hóa chất Mu ối Ce(NO 3 ) 4 , axit tatric, máy khuấy từ gia nhiệt, bếp cách cát, lò nung và một s ố dụng cụ hóa chất khác. 120 2.2. Cách tiến hành - Điều chế CeO 2 siêu mịn: Nhỏ từ từ dung dịch Ce(NO 3 ) 4 vào axit tatric theo tỉ l ệ số mol tương ứng 1:2, 1:3, 1:4, khuấy ở tốc độ ổn định, gia nhiệt ở 80 o C, duy trì môi tr ường axit cho đến khi thu được gel sền sệt. Để ổn định gel ở nhiệt độ phòng khoảng 36 gi ờ. Sấy gel trên bếp cách cát đến khi thu được khối bột xốp. Nung bột xốp trong lò nung ở 600 o C trong 45 phút thu được CeO 2 siêu mịn. - T Nm CeO 2 siêu mịn lên nền cao lanh: Lấy gel thu được từ tỉ lệ tạo phức theo số mol Ce(NO 3 ) 4 /axit tartric = 1:3 (quy về khối lượng của CeO 2 ) tNm lên cao lanh theo tỉ lệ t ương ứng là 1%, 5%, 10%, sau đó nung ở 510 o C trong 45 phút. Ph ương pháp phân hủy gel được xác định bằng giản đồ phân tích nhiệt được ghi trên máy DTA-50 và TGA- 50 c ủa hãng SHIMADZU (Nhật Bản). C ấu trúc tinh thể của vật liệu CeO 2 và tỉ lệ tNm CeO 2 lên cao lanh được xác định b ằng giản đồ nhiễu xạ tia X được ghi trên máy Simens D5000 (CHLB Đức), CuK α . Hình dạng và kích thước của vật liệu CeO 2 được xác định bằng ảnh được chụp b ằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) JEOL - 5333 (Nhật Bản). Di ện tích bề mặt của vật liệu CeO 2 được đo bằng phương pháp BET (Brunauer- Emmet-Teller) trên máy SA 3100 c ủa hãng COULTER (Mỹ). 3. Kết quả và thảo luận 3.1. K ết quả phân tích nhiệt Gel precursor thu được ở dạng trong suốt. Khi làm tăng nhiệt độ, do quá trình b ốc hơi mạnh nên nồng độ NO 3 - tăng dần và trở thành tác nhân oxi hóa mạnh góp phần cho s ự phân hủy gel. Quá trình b ốc hơi và nhiệt phân gel xảy ra mãnh liệt: một thể tích khí NO 2 sinh ra trong quá trình ph ản ứng do các ion NO 3 - , ngoài ra, quá trình cháy còn sinh ra CO 2 , CO, H 2 O làm chia tách các hạt trong gel thành khối bột xốp bao gồm những hạt có kích th ước rất nhỏ. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu gel được chỉ ra ở hình 1a, 1b. Hình 1a. Giản đồ phân tích nhiệt TGA Hình 1b. Giản đồ phân tích nhiệt DTA 121 Từ giản đồ phân tích nhiệt TGA, DTA ở hình trên có thể nhận xét quá trình phân h ủy gel như sau: Khi t ăng nhiệt độ từ 30 o C đến 135 o C, ở giản đồ TGA có sự giảm mạnh về khối l ượng, khối lượng mẫu giảm 61,935%. Điều này tương ứng với pic thu nhiệt ở 63,11 o C c ủa giản đồ DTA. Có thể kết luận đây là giai đoạn đã xảy ra quá trình mất nước của gel và quá trình phân h ủy HNO 3 còn dư. T ừ 135 o C đến khoảng 510 o C, ở giản đồ TGA cho thấy tiếp tục có sự giảm 24,551% kh ối lượng. Tuy nhiên, có hiệu ứng tỏa nhiệt với pic cực đại ở 507,55 o C của gi ản đồ DTA. Như vậy, có thể kết luận đây là quá trình oxi hóa khử phân hủy gel có tỏa nhi ệt. T ừ 510 o C trở đi khối lượng mẫu không đổi, điều này có nghĩa là sự tạo thành CeO 2 siêu mịn đã hoàn toàn. Như vậy có thể kết luận đây là nhiệt độ tối đa để phân hủy gel t ạo thành CeO 2 siêu mịn. 3.2. K ết quả chụp phổ nhiễu xạ tia X Qua k ết quả phổ XRD ta thấy sản phNm thu được chủ yếu là CeO 2 . Hình 2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của CeO 2 3.3. Xác định hình thái học và diện tích bề mặt của CeO 2 L ấy các mẫu CeO 2 được điều chế từ các tỉ lệ mol tạo gel Ce(NO 3 ) 4 /axit tartric là 1:2, 1:3, 1:4; nhi ệt độ tạo gel ở 80 o C; nung ở 600 o C trong 45 phút để chụp ảnh vi cấu trúc. K ết quả về hình dạng và kích thước của các vật liệu CeO 2 thu được ở các hình 3a, 3b, 3c nh ư sau: 122 Hình 3a Hình 3b Hình 3c Hình 3. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của CeO 2 siêu mịn điều chế từ tỉ lệ mol tạo gel Ce(NO 3 ) 4 /axit tartric =1:2(hình 3a); 1:3 (hình 3b); 1:4 (hình 3c) Đo diện tích bề mặt bằng phương pháp BET trên máy SA 3100 của mẫu bột CeO 2 điều chế được theo các tỉ lệ tạo phức giữa Ce(NO 3 ) 4 và axit tartric theo tỉ lệ mol 1:2; 1:3; 1:4 thu được diện tích bề mặt tương ứng là 32,4540± 0,1735 m 2 /g; 38,5700 ± 0,4730 m 2 /g; 37,5071 ± 0,5010 m 2 /g. Nh ư vậy, qua kết quả xác định hình thái học và diện tích bề mặt cho thấy CeO 2 được điều chế từ Ce(NO 3 ) 4 và axit tartric theo tỉ lệ số mol 1:3 có diện tích bề mặt lớn nh ất, có thể tích các hang hốc rộng nhất. Do đó, CeO 2 dùng để phủ lên cao lanh ở phần ti ếp theo được điều chế theo tỉ lệ mol tạo gel Ce(NO 3 ) 4 /axit tartric là 1:3 này. 3.4. Khảo sát khả năng tm CeO 2 siêu mịn trên nền cao lanh Do CeO 2 tạo thành có diện tích bề mặt lớn nhưng bị kết chùm dưới dạng hang h ốc nên rất thuận lợi trong việc dùng tNm lên các chất mang bền cơ học, bền với nhiệt v ới mục đích sẽ ứng dụng làm chất xúc tác ba hướng để xử lý các khí NO x , CO x , C x H y ,… do các phương tiện giao thông đang thải ra hàng ngày. Ti ến hành tNm CeO 2 siêu mịn lên nền cao lanh ở các tỉ lệ khác nhau. Kiểm tra kh ả năng tNm bằng phương pháp XRD và chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), k ết quả thu được như sau: Kết quả phổ XRD Nhìn gi ản đồ nhiễu xạ tia X ở các hình 4a, 4b, 4c cho thấy khi tNm 1% CeO 2 thì ch ưa thấy xuất hiện pic riêng rẽ nào của CeO 2 , điều này chứng tỏ CeO 2 chỉ mới phủ vào các l ỗ trống của cao lanh. Khi tăng đến 5% CeO 2 thì thấy xuất hiện pic của CeO 2 chứng t ỏ CeO 2 đã được tNm vào cao lanh. Nếu tăng hàm lượng của CeO 2 lên 10% thấy không khác nhau m ấy so với 5%. Do vậy chỉ cần chọn tỉ lệ tNm CeO 2 lên cao lanh là 5% là đủ cho m ục đích làm chất xúc tác xử lý khí thải. 123 Hình 4a. Giản đồ nhiễu xạ tia X của cao lanh Hình 4b. Giản đồ nhiễu xạ tia X của cao lanh tm 1% CeO 2 Hình 4c. Giản đồ nhiễu xạ tia X của cao lanh tm 5% CeO 2 Hình 4d. Giản đồ nhiễu xạ tia X của cao lanh tm 10% CeO 2 Kết quả chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hình 5a. Ảnh SEM của cao lanh chụp ở thang 1,00 µm Hình 5b. Ảnh SEM của cao lanh có tm 5% CeO 2 chụp ở thang 500 nm Xác định ảnh SEM ở hình 5a cho thấy ở mẫu cao lanh, các hạt có kích thước chủ y ếu là micromet không thấy hạt có kích thước nanomet. Khi t Nm CeO 2 lên cao lanh với hàm lượng 5%, ảnh SEM ở hình 5b cho thấy xuất hi ện các hạt có kích thước nanomet rất nhỏ của CeO 2 bên cạnh các hạt có kích thước micromet r ất lớn của cao lanh, điều đó chứng tỏ CeO 2 đã được gắn vào nền cao lanh. 124 Cả hai hợp chất CeO 2 và cao lanh đều là những hợp chất bền với nhiệt, bền cơ h ọc nên có thể gắn vào ống xả của xe máy, xe ô tô với mục đích xử lý khí thải. 4. Kết luận 1. Đã điều chế được CeO 2 siêu mịn bằng phương pháp sol-gel giữa axit tartric và Ce(NO 3 ) 4 có kích thước hạt bé và diện tích bề mặt lớn (38,5700 ± 0,4730 m 2 /g). 2. Kh ảo sát điều kiện tốt nhất để điều chế CeO 2 siêu mịn: tỉ lệ tạo phức theo số mol Ce(NO 3 ) 4 /axit tartric = 1:3, nhiệt độ 80 o C, phân hủy gel ở 510 o C. 3. Kh ảo sát tỉ lệ tNm CeO 2 siêu mịn vào cao lanh với mục đích sẽ ứng dụng trong l ĩnh vực xúc tác xử lý khí thải: tỉ lệ tNm CeO 2 siêu mịn vào cao lanh tối đa là 5% theo kh ối lượng. TÀI LI ỆU THAM KHẢO 1. Cerium-a guide to its role in chemical technology, Published by molycorp, Inc. Mountain Pass, CA USA, (1995), 20-29. 2. D.Chakavorty, Nano materials, Indian national science academy. Bahadur Shah Zafar Marg, New Delhi, (2007), 47-68. 3. Ching-Huei Wang and Shiow-Shyung Lin, Preparing an active cerium oxide catalyst for the catalytic incineration of aromatic hydrocarbons, Volume 268, issues 1-2, (2004), 227-233. 4. Nguy ễn Gia Hưng, Lưu Minh Đại, Võ Quang Mai, Đào Ngọc Nhiệm, Tổng h ợp nhiệt độ thấp xêri đioxit cấu trúc nano bằng quá trình tự bốc cháy của gel polyvinyl ancol và xêri nitrat, T ạp chí Hóa học, T.42(4), (2004), 444- 448. SYNTHESIS OF CERIUM DIOXIDE FROM CERIUM(IV) NITRATE AND TARTRIC ACID BY SOL-GEL METHOD Vo Quang Mai Tran Thi Cuc Phuong College of Pedagogy, Hue University SUMMARY Cerium dioxide has been synthesized at low temperature (under 600 o C) by the combustion of gel prepared from tartric acid and cerium(IV) nitrate. Obtained cerium dioxide was examined by X-ray diffraction (XRD), thermal gravimetry and differential thermal analysis (TG-DTA), scanning electron microscopy (SEM) and specific surface area analysis by Brunauer-Emmet-Teller(BET) method. Obtained CeO 2 has a large surface area (38,5700 ± 0,4730 m 2 /g). . 119 TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 48, 2008 T ỔNG HỢP XÊRI ĐIOXIT SIÊU MNN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL T Ừ XÊRI(IV) NITRAT VÀ AXIT TARTRIC Võ Quang Mai Trường. Cúc Phương Học viên cao học Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế TÓM TẮT Xêri đioxit được tổng hợp ở nhiệt độ thấp (dưới 600 o C) bằng sự đốt cháy của gel được điều chế từ axit tartaric và xêri( IV). có di ện tích bề mặt lớn bằng phương pháp sol-gel từ axit tartric và xeri nitrat sau đó phân h ủy gel để thu CeO 2 siêu mịn. Cuối cùng, khảo sát khả năng tNm CeO 2 siêu mịn này lên n ền cao

Ngày đăng: 23/07/2014, 00:21

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan