Cac phuong phap tong hop SrTiO3

Views:
 
Category: Education
     
 

Presentation Description

Các phương pháp tổng hợp SrTiO3

Comments

Presentation Transcript

TỔNG HỢP SrTiO3:

TỔNG HỢP SrTiO 3 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM – ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN KỸ THUẬT VÔ CƠ

Bố cục:

Bố cục Tổng quan SrTiO 3 Các phương pháp tổng hợp chính Tổng hợp bằng phương pháp tiền chất polime có xử lý nhiệt Tổng hợp bằng phương pháp sol-gel Kết luận

Cấu trúc:

Cấu trúc Perovskite-type oxide là họ chất có công thức phân tử ABO 3. Cấu trúc được cho ở hình bên. SrTiO 3 là đại diện của họ này. Chem. Mater.  10 (1998) ,2787 Cấu tạo tinh thể ABO 3 dạng lập phương ( đỏ : O ; xanh dương: B; xanh lá: A )

Tính chất:

Tính chất SrTiO 3 là một chất bán dẫn loại n với vùng cấm E = 3,2 eV. SrTiO 3 có hằng số điện môi lớn và ổn định, độ tổn hao điện môi nhỏ, tính bền nhiệt và bền hóa học cao; ổn định về các đặc tính vôn – ampe, hiệu suất lượng tử, có khả năng cách điện tốt….

Ứng dụng:

Ứng dụng Trong công nghiệp hóa học: xúc tác quang hóa... Trong công nghiệp bán dẫn: tụ điện đa lớp, pin mặt trời, điện cực quang hóa, cảm biến O 2 , bộ dẫn động, thiết bị điện quang, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên …

Ứng dụng:

Ứng dụng của SrTiO 3 Ứng dụng

Các phương pháp tổng hợp nano SrTiO3 :

Các phương pháp tổng hợp nano SrTiO 3 Phản ứng pha rắn . P hương pháp thủy phân . P hương pháp nung . Nh iệ t phân phun siêu âm . Đồng kết tủa . P hương pháp dựa trên peroxide. P hương pháp muối nóng chảy .

Các phương pháp tổng hợp nano SrTiO3 :

Các phương pháp tổng hợp nano SrTiO 3 Phương pháp vi nhũ Phươn pháp thủy nhiệt và thủy nhiệt có hỗ trợ vi sóng. Phương pháp sol – gel và kiểm soát pha gel trong hương pháp sol – gel có sự hỗ trợ epoxit ( bị kết tụ và cấu trúc không đều ). Tiền chất polyme

Phương pháp tiền chất polime có xử lý nhiệt:

Phương pháp tiền chất polime có xử lý nhiệt Phương pháp tiền chất polime có nhiều ưu điểm : dễ kiếm soát lượng chất , dễ đạt kích thước nano, dễ dàng lặp lại . Xử lý nhiệt bằng N 2 ở nhiệt độ cao trước khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ thấp trong không khí hay oxi , có thể ngăn chặn quá trình tăng trưởng tinh thể của các hạt nano, từ đó đạt được một phân bố kích thước hạt nhỏ hơn và hẹp hơn . Tiền chất polime Xử lý nhiệt Phương pháp mới

Phương pháp sol-gel:

Phương pháp sol-gel Ư u điểm : Đ ộ tinh khiết cao, độ đồng nhất cao hơn K ích thước hạt nhỏ hơn, và nhiệt độ kết tinh thấp Khuyết điểm : T ạp chất dễ dàng hình thành từ dung môi. X ử lý acid đã được thêm vào để khắc phục nhược điểm kể trên.

Slide 11:

Tổng hợp nano SrTiO3 bằng phương pháp tiền chất polime có xử lý nhiệt trong khí trơ và oxy

Quy trình tổng hợp SrTiO3:

Quy trình tổng hợp SrTiO 3 Dung dịch polime Xử lý nhiệt (trong không khí) 300 o C, 8h, tốc độ gia nhiệt 10 o C/ phút Tạo bột Xử lý nhiệt (trong N 2 ) Gia nhiệt Xử lý nhiệt (trong k 2 giàu O 2 ) SAM1 750 o C, 2h, tốc độ gia nhiệt 10 o C/ phút SAM3 (SAM2) 450 o C, 4h

Xác định tính chất:

Xác định tính chất Phổ Raman N itrogen physisorption measurements HRTEM FE-STEM XRD

XRD:

XRD Kết quả XRD của 3 mẫu SrTiO 3

XRD:

XRD C ấu trúc perovskite khối S r T i O 3 với ô mạng a = 3.90 ˚ A . Xuất hiện 2 mũi của pha SrCO 3 ở 25.2 ◦ và 36 ◦ . Cường độ peak và độ rộng đỉnh của mẫu SAM2 và SAM3 so với SAM1=> xử lý nhiệt trong khí quyển nitơ cho kích thước sản phẩm nhỏ hơn . SAM3 có độ tinh thể cao hơn SAM2 => xử lý nhiệt bằng O 2 sau khi xử lý N 2 cho tinh thể tốt hơn .

Diện tích bề mặt và kích thước hạt:

Diện tích bề mặt và kích thước hạt Mẫu Kích thước tinh thể theo XRD (nm ) Diện tích bề mặt theo BET (m 2 .g -1 ) Kích thước hạt theo BET d BET ( nm) Kích thước hạt FE-SEM (nm) SAM1 39 16 73 65 ± 3 SAM2 7 SAM3 11 83 14 10.8 ± 0.4 d BET = (6/S BET  ) S BET is the BET surface area and  is the theoretical density of the studied phases

Diện tích bề mặt và kích thước hạt:

Diện tích bề mặt và kích thước hạt Mẫu SAM3 (mẫu được xử lý nhiệt với N 2 ở 750 o C và sau đó là O 2 ở 400 o C ) có kích thước hạt nhỏ hơn và diện tích bề mặt riêng cao hơn mẫu SAM1. Sự hình thành tinh thể , hình dạng tinh thể , sự hấp phụ có thể khống chế bằng năng lượng bề mặt . => V iệc xử lý nhiệt trong N 2 cho hiệu quả tốt hơn .

FE-SEM:

FE-SEM Hình FE-SEM của mẫu SAM1 được xử lý nhiệt trong không khí cho thấy dạng kết tụ vô định hình của các hạt nano với việc hình thành cổ ( khuyết tật co thắt) và dính chặt với nhau. FE-SEM của mẫu SAM1

FE-SEM:

FE-SEM Mẫu SAM3 tồn tại các hạt gần như tròn và có kích thước nano. Mặc dù SAM3 có kết tụ nhưng không có việc hình thành cổ và hiện tượng dính tụ. FE-SEM của mẫu SAM3 Kích thước hạt giảm và độ tinh thể tăng so với mẫu SAM1

FE-STEM:

FE-STEM FE-STEM của mẫu SAM1 Hình FE-STEM của mẫu SAM1 được xử lý nhiệt trong không khí cho thấy dạng kết tụ vô định hình của các hạt nano với việc hình thành cổ và dính chặt với nhau

FE-STEM:

FE-STEM Hình FE-STEM của mẫu SAM2 cho thấy sự kết tụ cacbon chứa các phân tử nhỏ SrTiO 3 . FE-STEM của mẫu SAM2

Phổ Raman:

Phổ Raman

Phổ Raman:

Phổ Raman Phổ Raman của mẫu SAM1 không có peak nào đặc trưng vì phổ Raman không được sử dụng cho vật liệu có cấu trúc lập phương. Phổ Raman của mẫu SAM2 cho thấy hai peak rộng D (1360 cm −1 ) và G (1590 cm −1 ) là 2 peak đặc trưng của cacbon vô định hình. Kết hợp phổ Raman và hình FE-STEM của mẫu SAM3 sau khi xử lý với O 2 thì loại bỏ hết carbon vô định hình dẫn đến hình thành các phân tử nano SrTiO 3 . FE-STEM của mẫu SAM3

HRTEM:

HRTEM Khoảng cách giữa các mặt phẳng sát nhau khoảng 0.28 nm giống với khoảng cách của mặt (110) trong cấu trúc lập phương của vật liệu perovskite SrTiO 3 . HRTEM của mẫu SAM2

HRTEM:

HRTEM HRTEM cho thấy việc tồn tại các hạt gần tròn với kích thước gần 10 nm. Trong phần phóng to cho thấy việc xử lý nhiệt trong O 2 không ảnh hướng đến cấu trúc SrTiO 3 với kích thước giữa 2 mặt vẫn là 0.28 nm. HRTEM của mẫu SAM3

Cơ chế hình thành các mẫu SrTiO3:

Cơ chế hình thành các mẫu SrTiO 3

Cơ chế hình thành các mẫu SrTiO3:

Cơ chế hình thành các mẫu SrTiO 3 Khi được xử lý nhiệt trong N 2 , các hợp chất hữu cơ không hoàn toàn phân hủy mà hình thành cacbon kết tụ chứa các phân tử SrTiO 3 . Việc các phân tử cacbon xung quanh các hạt SrTiO 3 ngăn chặn các hạt tiến lại gần nhau và kết tụ với nhau.

Photoluminescence:

Photoluminescence Phổ phát xạ ánh sáng của SAM1, SAM2, SAM3 Cường độ phát xạ: SAM3 > SAM1 > SAM2. SAM3 có kích thước hạt nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn nên cường độ lớn. SAM1 có kích thước hạt lớn hơn và diện tích bề mặt riêng nhỏ hơn. SAM2 có cường độ nhỏ hơn do có lẫn cacbon vô định hình. Quá trình phát xạ thuộc loại phát xạ nhiều photon và qua nhiều con đường khác nhau với nhiều trạng thái chuyển tiếp.

Kết quả:

Kết quả Tổng hợp thành công nano SrTiO 3 bằng phương pháp tiền chất polime có xử lý nhiệt ở các môi trường khác nhau và xác định tính chất riêng biệt của chúng. Lớp cacbon vô định hình hình thành sau quá trình xử lý nhiệt bằng N 2 sẽ cản trở sự kết tụ của các hạt nano SrTiO 3 với nhau. Xử lý nhiệt bằng O 2 sẽ loại bỏ cacbon vô định hình sau khi xử lý nhiệt bằng N 2 .

Kết quả:

Kết quả Xử lý nhiệt trong O 2 ở 400 o C sau khi xử lý N 2 ở 750 o C sẽ cho các hạt nano có kích thước nhỏ nhất 11 nm và diện tích bề mặt lớn gấp 5 lần phương pháp thông thường. Mẫu có hoạt tính phát xạ ánh sáng cao. Một phương pháp tổng hợp mới cho các hợp chất oxit họ perovskite.

Slide 31:

Tổng hợp bằng phương pháp nung sol-gel

Tổng hợp:

Tổng hợp TiCl 4 Acid citric Sr(NO 3 ) 2 Ti(OH) 4 Hòa tan theo tỉ lệ Ra TiO(NO 3 ) 2 Hòa tan Sấy Nung H 2 O HNO 3 80 - 90 o C Khuấy đến thành gel 500 - 800 o C

Xác định tính chất:

Xác định tính chất TEM SEM XRD SrTiO 3

XRD:

XRD Phần trăm pha perovskite với 2 θ từ 10 o - 60 o Kích thước tinh thể dựa trên XRD theo Scherred

XRD:

XRD Kết quả XRD của các mẫu SrTiO 3 ở nhiệt độ nung khác nhau MN: ∑muối nitrat kim loại CA: axit citric a. Ra=1:1 b. Ra=1:2 c. Ra=1:3 Ra = MN/CA

XRD:

XRD => C ấu trúc perovskite khối S i T i O 3 với ô mạng a = 3.90 50 Å . So sánh XRD của các tỉ lệ Ra khác nhau, ta thấy cấu trúc perovskite ở a là cao nhất, nhiều peak nhất => nung với tỉ lệ Ra = 1:3 là tối ưu Ở 800 o C peak của perovskite a cao nhưng xuất hiện nhiều tạp của SrCO 3 => gia nhiệt cao cho cấu trúc peroskite nhiều hơn nhưng làm tăng phản ứng phụ

% perovskite ở các nhiệt độ khác nhau:

% perovskite ở các nhiệt độ khác nhau Nhiệt độ % pha perovskite Ra = 1:1 Ra = 1:2 Ra = 1:3 500 74.0 600 60.3 47.4 74.1 700 64.0 50.1 75.5 800 70.4 54.2 76.6 Ra = MN:CA theo tỉ lệ mol => Chọn phân tích XRD mẫu với tỉ lệ mol Ra = 1:3

XRD:

XRD XRD với Ra = 1:3 kết hợp quá trình xử lý axit ở các nhiệt độ khác nhau

% perovskite và kích thước tinh thể ở các nhiệt độ khác nhau:

% perovskite và kích thước tinh thể ở các nhiệt độ khác nhau Nhiệt độ D XRD (nm) A SEM (nm) % pha Perov . Thông số l attice (Å) 500 22 56.2 100 3.9077 600 22 55.8 100 3.9029 700 23 45.5 100 3.9014 800 25 45.2 100 3.8988 D: kích thước tinh thể A: kích thước trung bình của hạt phân tử Kích thuớc tinh thể trung bình (có quá trình axit hoá) 23nm ở 500 o C

SEM:

SEM a: 500 o C b: 600 o C c: 700 o C d: 800 o C Phân tử có kích thước trung bình lớn hơn so với XRD ~ 50.6nm Hình ảnh SEM cấu trúc perov-skite với Ra = 1:3 ở các nhiệt độ khác nhau

TEM:

TEM Hình ảnh TEM trước và sau khi xử lý axit tỉ lệ Ra=1:3 ở 600 o C Phân tử có dạng cầu, kích thước phân tử trung bình a/ 8.1nm b/ 7.5nm

Kết quả:

Kết quả Nanocrystalline SrTiO 3 được tổng hợp thành công bằng phương pháp nung sol-gel với citric acid làm nhiên liệu. Vật liệu có kích thước nằm trong khoảng nanometer (23nm ở 500 o C) và có hình cầu đều đặn. Kích thước tinh thể giảm khi nhiệt độ nung tăng ( 7.5 nm ở 600 o C)

Kết luận:

Kết luận Hai phương pháp sol-gel và phương pháp tiền chất polime có xử lý nhiệt đã tổng hợp thành công vật liệu SrTiO 3 có kích thước nano. Hai phương pháp mở ra những hướng tổng hợp mới và hiệu quả cho vật liệu SrTiO 3 , tạo tiền đề cho việc nghiên cứu sâu hơn về ứng dụng của nó.

authorStream Live Help