Đang tải... (xem toàn văn)
Precursor: những phần tử ban đầu để tạo những hạt keo. Nó được tạo thành từ kim loại hoặc á kim và được bao quanh bởi những phối tử khác nhau. Có thể là chất vô cơ kim loại hay hữu cơ kim loại. Công thức chung: M(OR)x M: kim loại, R: nhóm ankyl có công thức CnH2n+1 Sol: một dạng huyền phù chứa các hạt rắn có kích thước khoảng 1100 nm phân tán trong chất lỏng, trong đó chỉ có chuyển động Brown làm lơ lững các hạt. Kích thước hạt nhỏ nên lực hút là không đáng kể. Lực tương tác giữa các hạt là lực Van der Waals. Các hạt chuyển động ngẫu nhiên Brown do trong dung dịch các hạt va chạm lẫn nhau. Gel: một dạng chất rắn – nửa rắn trong đó vẫn còn giữ dung môi trong hệ chất rắn dưới dạng keo hoặc polymer.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM ĐẠI HỌC BÁCH KHOA MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ NGHIÊN CỨU CHẤT RẮN ĐỀ TÀI: Solid-liquid reaction Giảng viên : Sinh viên : NỘI DUNG I) Phương pháp sol-gel II) Kỹ thuật nhiệt dung môi thủy nhiệt I PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL PHƯƠNG PHÁP SOL – GEL 1.Khái niệm Cơ chế Một số phương pháp tạo màng SOL –GEL Ưu nhược điểm phương pháp SOL – GEL Ứng dụng I PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL MỞ ĐẦU Phương pháp sol-gel kỹ thuật tạo sản phẩm có hình dạng mong muốn cấp độ nano, với nhiệt độ thấp o Có thể tổng hợp oxyt siêu mịn (nhỏ 10 μm), có tính đồng cao, bề mặt riêng lớn, độ tinh khiết hóa học cao o Có thể tổng hợp tinh thể cỡ nanomet dạng màng mỏng, sợi I PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL Khái niệm: Sol – gel trình liên quan đến hóa lý chuyển đổi hệ thống từ precursor thành pha lỏng dạng sol sau tạo thành pha rắn dạng gel theo mơ hình Precursor Sol Gel I PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL Khái niệm: o Precursor: phần tử ban đầu để tạo hạt keo Nó tạo thành từ kim loại kim bao quanh phối tử khác Có thể chất vô kim loại hay hữu kim loại Cơng thức chung: M(OR)x M: kim loại, R: nhóm ankyl có cơng thức CnH2n+1 o Sol: dạng huyền phù chứa hạt rắn có kích thước khoảng 1-100 nm phân tán chất lỏng, có chuyển động Brown làm lơ lững hạt Kích thước hạt nhỏ nên lực hút không đáng kể Lực tương tác hạt lực Van der Waals Các hạt chuyển động ngẫu nhiên Brown dung dịch hạt va chạm lẫn o Gel: dạng chất rắn – nửa rắn giữ dung mơi hệ chất rắn dạng keo polymer I.TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL Cơ chế: MIXING GELATION AGING DYING I.TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL Cơ chế: PHẢN ỨNG THỦY PHÂN: Phản ứng thủy phân thay nhóm alkoxide (–OR) liên kết kim loại – alkoxide nhóm hydroxyl (–OH) để tạo thành liên kết kim loại – hydroxyl Thủy phân Este hóa I.TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL Cơ chế: PHẢN ỨNG NGƯNG TỤ: Phản ứng ngưng tụ tạo nên liên kết M-O-M, sở cấu trúc cho màng oxide kim loại Hiện tượng ngưng tụ diễn liên tục làm cho liên kết M-O-M không ngừng tăng lên tạo mạng lưới M-OM khắp dung dịch M-O-M : liên kết kim loại – oxide – kim loại 10 I.TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL Một số phương pháp tạo màng SOL –GEL: Phủ chảy dòng (flow coating): Độ dày màng phụ thuộc vào góc nghiêng đế, độ nhớt dung dịch phủ tốc độ bay dung môi Phương pháp phủ chảy chủ yếu sử dụng phủ trang thiết bị thủy tinh xe ôtô 16 I.TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL Ưu nhược điểm phương pháp SOL – GEL: Ưu điểm Có thể tạo phủ liên kết mỏng để mang đến dính chặt tốt vật kim loại màng Có thể tạo màng dày cung cấp cho q trình chống ăn mòn Có thể phun phủ lên hình dạng phức tạp Có thể sản xuất sản phẩm có độ tinh khiết cao Là phương pháp hiệu để sản xuất màng có chất lượng cao Có thể tạo màng nhiệt độ bình thường Nhược điểm Sự liên kết màng yếu Độ chống mài mòn yếu Rất khó để điều khiển độ xốp Dễ bị rạn nứt xử lý nhiệt độ cao Chi phí cao vật liệu thơ Hao hụt nhiều q trình tạo màng 17 I.TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL Một số ứng dụng phương pháp SOL – GEL: • Màng mỏng (thin film): chế tạo màng mỏng có cấu trúc đồng với nhiều ứng dụng quang học, điện tử, pin mặt trời… • Gel khối (monolithic gel): sử dụng để chế tạo oxide đa kim loại dụng cụ quang học • Gel khí (Aerogel): thu cách sấy siêu tới hạn gel ướt (wet gel) Gel khí có ứng dụng nhiều lãnh vực: hấp thụ lượng mặt trời, xúc tác, chất cách điện • Hạt nano: đơn thành phần đa thành phần có kích thước đồng thu cách tạo kết tủa giai đoạn thủy phân - ngưng tụ • Sợi ceramic: sợi quang chất lượng cao sợi ceramic cách nhiệt 18 II.KỸ THUẬT NHIỆT DUNG MÔI VÀ THỦY NHIỆT 19 II PHƯƠNG PHÁP NHIỆT DUNG MÔI (SOLVOTHERMAL) *Khái niệm Quá trình nhiệt dung mơi (solvothermal) q trình mà vật liệu kết tinh lại tổng hợp hóa học từ dung dịch hệ kín với nhiệt độ áp suất cao VD: Solvothermal hydrothermal dung môi nước Solvothermal ammothermal dung môi ammonia Solvothermal alcoholothermal dung môi C2H5OH SOLVO THERMAL solvent Sử dụng nhiệt độ 20 PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT (HYDROTHERMAL) 1.Khái niệm 2.Tính chất dung mơi trạng thái siêu tới hạn 3.Ưu, nhược điểm phương pháp thủy nhiệt 4.Yêu cầu thiết bị 5.Cơ chế trình 6.Ứng dụng 21 KHÁI NIỆM Thủy nhiệt (Hydrothermal) định nghĩa trình xảy phản ứng dị thể với có mặt dung môi ( thường nước) điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao, hòa tan tái kết tinh vật liệu mà không tan dung môi điều kiện thường Theo Byrappa Yoshimura “Thủy nhiệt phản ứng dị thể xảy hệ kín có có mặt dung mơi ( thường nước) điều kiện nhiệt độ nhiệt độ phòng áp suất 1atm” 22 2.TÍNH CHẤT CỦA DUNG MƠI Ở TRANG THÁI SIÊU TỚI HẠN Nguyên tắc: dùng dung môi nước trạng thái siêu tới hạn để tổng hợp sản phẩm từ tiền chất thô ban đầu Những thơng số hóa lí lực ion, độ dẫn điện, nhiệt dung riêng, độ nhớt, số điện môi,…phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ áp suất Hình 2.3:Sự khác mật độ pha chất Hình 2.4: Giản đồ pha nước 23 2.TÍNH CHẤT CỦA DUNG MÔI Ở TRANG THÁI SIÊU TỚI HẠN Nước trạng thái siêu tới hạn: Là dung môi không phân cực, độ nhớt thấp, SCBM thấp, độ linh động cao,khả hòa tan dễ điều chỉnh cân nhiệt độ áp suất… Hình 2.1: Giản đồ biểu diễn mối quan hệ số điện mơi theo nhiệt độ áp suất Hình 2.2: Sự phát triển mầm oxide điều kiện thường điều kiện tới hạn 24 ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT *Ưu điểm: - Sử dụng dung mơi nước dung mơi rẻ, dễ tìm, khơng độc hại - Độ phân tán cao hạt nano có kích thước đồng - Tốc độ phản ứng nhanh *Nhược điểm: - Thực điều kiện nhiệt độ áp suất cao - Không phù hợp để điều chế chất khơng phân cực Hình 3.1: Mức độ phân tán đồng vật liệu tổng hợp thủy nhiệt phương pháp khác 25 YÊU CẦU VỀ THIẾT BỊ TRONG PHƯƠNG PHÁP Bình thủy nhiệt (autoclave) * Yêu cầu: - Chịu áp cao chịu ăn mòn tốt - Trơ mặt hóa học với loại chất - Dễ dàng lắp ráp tháo gỡ - Kích thước phù hợp để đạt yêu cầu nhiệt độ, áp suất - Bền thời gian dài tránh hư hỏng sau lần thí nghiệm - Dễ vận hành sửa chữa - Yêu cầu dung môi thiết bị Khơng chiếm q 7080% thể tích thiết bị 26 CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT *Tổng hợp thủy nhiệt thường áp dụng để điều chế oxit *Quá trình gồm hai bước: - Bước 1: Các ion kim loại sau hòa tan bị hydrat hóa, ion sau thủy phân nước thành dạng hydroxitde • Mn+ + nH2O M(OH)n + H2 - Bước 2: Hydroxit bị khử nước, thu oxit kim loại mong muốn • 2M(OH)n M2O + nH2O 27 ỨNG DỤNG Xử lý chất thải công nghệ thủy nhiệt T=2000oC P= 2MPa 28 ỨNG DỤNG Ưu điểm: * So với phương pháp đốt cháy - Chất thải trước đưa vào thiết bị không cần làm khô - Không phát thải q trình xử lí - Khơng cần phải thêm oxy, khơng khí chất đốt liên tục để trì trình xử lý. - Trong xử lí chất thải nhựa, Clo tồn dư sản phẩm *So với phương pháp sinh học - Thời gian phản ứng ngắn - Một số hợp chất tương đối bị phân hủy phản ứng sinh học, cellulose, dễ dàng xử lí cơng nghệ thủy nhiệt Nhược điểm: - Yêu cầu thiết bị chịu áp cao, kín giá thành thiết bị tăng cao 29 CÁM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN ĐÃ LẮNG NGHE 30