Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang, từ của vật liệu nano CoAl2O4 cấu trúc spinel

Các nano tinh thể (NC) CoAl2O4 cấu trúc spinel với kích thước hạt từ 54 - 60 nm đã được chế tạo thành công bằng phương pháp sol-gel kết hợp với phản ứng pha rắn. Nghiên cứu này cung cấp thông tin mới về các tính chất quang, từ và triển vọng ứng dụng vật liệu nano CoAl2O4 trong lĩnh vực in màu kỹ thuật số.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang, từ của vật liệu nano CoAl2O4 cấu trúc spinel Vật lý Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang, từ của vật liệu nano CoAl2O4 cấu trúc spinel Nguyễn Thị Hiền1, Nguyễn Xuân Ca1, Nguyễn Thị Luyến1, Nguyễn Trung Kiên1, Nguyễn Thị Khánh Vân1, Ngô Thị Lan1, Phạm Minh Tân2*1 Viện Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên;2 Khoa Khoa học Cơ bản và Ứng dụng, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên.* Email: tanpm@tnut.edu.vnNhận bài: 28/3/2023; Hoàn thiện: 24/5/2023; Chấp nhận đăng: 08/8/2023; Xuất bản: 25/8/2023.DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.89.2023.110-116 TÓM TẮT Các nano tinh thể (NC) CoAl2O4 cấu trúc spinel với kích thước hạt từ 54 - 60 nm đã được chếtạo thành công bằng phương pháp sol-gel kết hợp với phản ứng pha rắn. Ảnh hưởng của nhiệtđộ nung mẫu đến các tính chất quang, từ, cấu trúc và kích thước hạt được nghiên cứu chi tiết.Cấu trúc spinel và kích thước của các NC CoAl2O4 được xác nhận và tính toán thông qua giảnđồ nhiễu xạ tia X (XRD). Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại và tán xạ Raman được sử dụngđể khảo sát đặc trưng dao động và các nhóm liên kết của các NC CoAl2O4. Các tính chất hấp thụvà phát quang của các NC CoAl2O4 đã được khảo sát thông qua các phép đo phổ hấp thụ vàquang huỳnh quang. Phép đo đường cong từ trễ được sử dụng để xác định bản chất từ tính củavật liệu. Nghiên cứu này cung cấp thông tin mới về các tính chất quang, từ và triển vọng ứngdụng vật liệu nano CoAl2O4 trong lĩnh vực in màu kỹ thuật số.Từ khoá: Spinel; Tính chất quang; Tính chất từ; CoAl2O4; In màu. 1. MỞ ĐẦU Các oxit tự nhiên có cấu trúc kiểu spinel (AB2O4), trong đó, các cation A (hóa trị hai) và B(hóa trị ba) chiếm các vị trí tứ diện và bát diện tương ứng trong tinh thể đã được sử dụng rộng rãinhư các chất màu vô cơ, vật liệu từ tính và các chất xúc tác [1-4]. Trong số đó, aluminat coban(CoAl2O4) là một chất vô cơ màu xanh điển hình với các ion Co2+ chiếm các vị trí tứ diện và Al3+chiếm các vị trí bát diện trong tinh thể [3, 5]. Sắc tố CoAl2O4 màu xanh lam đã đóng một vai tròquan trọng trong việc tạo màu cho các đồ gia dụng, chẳng hạn như tạo màu cho nhựa, sơn, thủytinh, men sứ và đặc biệt là trong lĩnh vực in màu kỹ thuật số [4, 6, 7]. Điều quan trọng là sắc tốmàu xanh lam này có đặc tính quang học rất tốt và có khả năng chống oxy hoá cao với ánh sáng,thời tiết khắc nghiệt, môi trường axit và các tác nhân khí quyển khác. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã tập trung chế tạo, nghiên cứu tính chất từ vàcác ứng dụng của vật liệu spinel CoAl2O4. Nhiều phương pháp thực nghiệm như đốt cháy [1],Penchini [8], sol–gel [5, 7], đồng kết tủa [6], thủy nhiệt [9, 10], vi nhũ tương đảo [9] đã được sửdụng để điều chế vật liệu CoAl2O4. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng màu sắc của CoAl2O4 bị ảnhhưởng mạnh bởi nhiệt độ chế tạo [10, 11]. Các mẫu thường có màu xanh da trời khi được tổnghợp ở nhiệt độ tương đối thấp và chuyển sang màu xanh lá cây khi được tổng hợp ở nhiệt độtương đối cao. Tuy nhiên, một số nghiên cứu khác lại cho rằng màu sắc vật liệu CoAl2O4 lại phụthuộc nhiều vào nồng độ pH, tỷ lệ các chất và phương pháp chế tạo [2, 5, 8]. Trong số các phươngpháp chế tạo được kể ra ở trên, không có một phương pháp nào là tối ưu, điều quan trọng vẫn làtìm ra các phương pháp đơn giản và các lộ trình hiệu quả về chi phí để tổng hợp vật liệu CoAl2O4bằng việc sử dụng các vật liệu tiền chất rẻ tiền, không độc hại và thân thiện với môi trường. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phương pháp sol-gel kết hợp với phản ứng pha rắnđể chế tạo các NC CoAl2O4 cấu trúc spinel. Ưu điểm của phương pháp kết hợp này là thao tác thínghiệm đơn giản, có thể chế tạo được các NC CoAl2O4 có chất lượng tinh thể tốt và độ tinh khiếtcao với khối lượng lượng lớn. Vật liệu nano CoAl2O4 được chế tạo tại các nhiệt độ khác nhau và110 N. T. Hiền, …, P. M. Tân, “Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang, từ … CoAl2O4 cấu trúc spinel.”Nghiên cứu khoa học công nghệkhảo sát đồng thời hai tính chất quang và từ với mục đích tìm ra các NC CoAl 2O4 có các tínhchất vật lý thích hợp ứng dụng trong lĩnh vực in màu kỹ thuật số. 2. THỰC NGHIỆM Đầu tiên hòa tan 16,5g C6H8O7.H2O vào nước cất để tạo dung dịch axit citric. Tiếp theo hòatan 29,1 g muối Co(NO3)2.6H2O (0,1 mol) vào nước cất và thêm 15,6 g Al(OH)3 (0,2 mol) vàokhuấy lẫn được hỗn hợp A. Đổ dung dịch axit citric vào hỗn hợp A và khuấy đều được hỗn hợpB. Thêm từ từ (để điều chỉnh giá trị pH) dung dịch amoniac vào hỗn hợp B và khuấy đều đượchỗn hợp C. Dùng giấy chỉ thị màu để đo độ pH của hỗn hợp C đến khi đạt giá trị pH = 9. Đunnóng hỗn hợp C và khuấy liên tục trên máy khuấy từ gia nhiệt để tạo thành chất lỏng dạng xirôsau đó là gel trong suốt màu tím nhạt. Nung gel trong lò nung ở các nhiệt độ khác nhau từ 500-1000 oC trong thời gian 2 giờ. Các NC CoAl2O4 được khảo sát cấu trúc, thành phần thông quaphép đo XRD và EDX. Tính chất dao động và các nhóm liên kết của vật liệu được xác địnhthông qua các phép đo RS và FT-IR. Các tính chất quang và từ của vật liệu được nghiên cứuthông qua các phép đo phổ hấp thụ, quang huỳnh quang và đường cong từ trễ. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN3.1. Phân tích cấu trúc, kích thước và thành phần Hình 1 là giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu CoAl2O4 được tổng hợp ở các nhiệt độ 500,600, 800 và 1000 oC. Như kết quả quan sát trên hình 1, khi nhiệt độ nung là 500 oC ta khôngquan sát thấy bất kỳ đỉnh nhiễu xạ nào, chứng tỏ mẫu đang ở trạng thái vô định hình. Với cácnhiệt độ nung cao hơn (từ 600 oC), kết quả quan sát cho thấy các mẫu đều có 6 đỉnh nhiễu xạtương ứng vớ ...