Sử dụng Rietveld trong phân tích cấu trúc Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp thuỷ nhiệt

Oxit sắt từ FeO, đã được tổng hợp thông qua phương pháp thủy nhiệt ở nhiệt độ 150cn giờ từ hỗn hợp Fet/Fe trong môi trường kiềm. Kích thước và hình dạng hạt tương đối đồng đều với cỡ hạt trung bình 50 nm. Cấu trúc vật liệu được phân tích bằng phương pháp phân tích Rietveld cho thấy FeO, thuộc dạng cấu trúc lập phương, nhóm đối xứng F4-3m, các nguyên tố trong ô mạng cơ sở lệch khỏi vị trí gốc theo hệ trục tọa độ (1/8, 1/8, 1/8), hằng số mạng 4 = 8.379(7) A.

pdf5 trang | Chia sẻ: honghp95 | Lượt xem: 734 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Sử dụng Rietveld trong phân tích cấu trúc Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp thuỷ nhiệt, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
422 T¹p chÝ Hãa häc, T. 47 (4), Tr. 422 - 426, 2009 Sö DôNG RIETVELD TRONG PH¢N TÝCH CÊU TRóC Fe3O4 §¦îC TæNG HîP B»NG PH¦¥NG PH¸P THñY NHIÖT §Õn Tßa so¹n 22-5-2008 BïI THÞ TH¸I, NGUYÔN XU¢N HOμN Khoa Hãa häc, Tr−êng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn, §¹i häc Quèc gia Hμ Néi abstract Magnetite powders have been prepared by hydrothermal reaction of Fe2+/Fe3+ in the alkaline solution at 1500C. X-ray powder diffraction pattern indicates that the product is single-phase magnetite in an inverse spinel structure. Its composition and crystal structure is determined by Rietveld refinement method combined with Differential Thermal Analysis and Thermal Gravimetry Analysis (DTA-TG). Crytal data: Fe3O4, cubic, Fd-3m, a = 8.379(7) Å, V = 588.43 Å3. I - §ÆT VÊN §Ò CÊu tróc cña magnetit Fe3O4 cã d¹ng AB2X4 lμ spinel nghÞch: t¹i vÞ trÝ A (hèc tø diÖn) bÞ chiÕm bëi c¸c cation Fe3+, vÞ trÝ B (hèc b¸t diÖn) chiÕm bëi c¸c ion Fe2+ vμ Fe3+ víi l−îng nh− nhau: {(Fe3+)[Fe2+,Fe3+]O4}; bao gåm 56 ion t−¬ng ®−¬ng víi 8 ph©n tö Fe3O4. Hay cã cÊu tróc lËp ph−¬ng mÆt t©m (fcc - face centered cubic) thuéc nhãm ®èi xøng Fd-3m, h»ng sè m¹ng a = 8,397 Å [1]. Fe3O4 lμ vËt liÖu cã ®é tõ b·o hßa cao, tõ l©u nã lμ ®èi t−îng nghiªn cøu chÕ t¹o c¸c vËt liÖu tõ sö dông trong c¸c ®Çu ghi. Víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc c«ng nghÖ, viÖc t¹o ra c¸c h¹t ë kÝch cì nhá (tõ micro tíi nano) ®· ®−a ra mét lo¹t c¸c øng dông tiÒm n¨ng cho lo¹i vËt liÖu nμy: trong viÖc chÕ t¹o vËt liÖu hÊp phô asen cho qu¸ tr×nh xö lý n−íc, trong sinh-d−îc häc: t¸ch chiÕt lμm giμu ADN, t¸c nh©n t¹o ®é t−¬ng ph¶n cho thiÕt bÞ céng h−ëng tõ MRI (Magnetic Resonance Imagering), chÕ t¹o c¶m biªn sinh häc (bio- sensor), vËt liÖu dÉn truyÒn thuèc, [2 - 7]. NhiÒu ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau ®· ®−îc sö dông ®Ó chÕ t¹o Fe3O4: ph−¬ng ph¸p sol-gel, ph−¬ng ph¸p ®ång kÕt tña hçn hîp muèi Fe2+/Fe3+, ph−¬ng ph¸p tæng hîp vi nhò t−¬ng, ph−¬ng ph¸p thñy nhiÖt, thñy nhiÖt vi sãng, [3, 8]. Trong ph¹m vi khu«n khæ bμi b¸o nμy, vËt liÖu Fe3O4 ®· ®−îc chóng t«i nghiªn cøu tæng hîp b»ng ph−¬ng ph¸p thñy nhiÖt tõ c¸c tiÒn chÊt muèi Fe2+/Fe3+ vμ sö dông ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch Rietveld trªn c¬ së phÇn mÒm tÝnh to¸n cÊu tróc FullProf [9] ®Ó ph©n tÝch cÊu tróc cña vËt liÖu. II - THùC NGHIÖM Hãa chÊt sö dông ®Ó tæng hîp Fe3O4 b»ng ph−¬ng ph¸p thñy nhiÖt lμ c¸c hãa chÊt tinh khiÕt: FeCl3.6H2O (>99%), FeSO4.7H2O (>99%), KOH (> 82%) vμ cån tuyÖt ®èi (99,5% min). C¸c hçn hîp ph¶n øng ®−îc chuÈn bÞ theo tû lÖ mol Fe2+/Fe3+ = 0,5/1 ®Õn 2/1 trong m«i tr−êng kiÒm cao ®−îc cho vμo thiÕt bÞ ph¶n øng thñy nhiÖt ë nhiÖt ®é 150C, 7 giê. S¶n phÈm sau ph¶n øng ®−îc trung hßa vÒ pH = 7, läc röa s¹ch hÕt ion t¹p vμ ho¹t hãa trong cån tuyÖt ®èi ®Ó b¶o vÖ bÒ mÆt cña h¹t khái sù oxi hãa cña kh«ng khÝ trong qu¸ tr×nh sÊy kh«. H×nh 1 giíi thiÖu c¸c mÉu oxit Fe3O4 ®iÒu chÕ t¹i phßng thÝ nghiÖm vμ ®−îc thö nhanh tÝnh 423 chÊt tõ bëi mét mÈu nam ch©m th−êng. H×nh 1: Oxit s¾t tõ Fe3O4 ®iÒu chÕ b»ng ph−¬ng ph¸p thñy nhiÖt (A, D); s¶n phÈm oxit Fe3O4 sau ph¶n øng thñy nhiÖt ®−îc ho¹t hãa trong cån (B) vμ nam ch©m (C) C¸c ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu X¸c ®Þnh pha b»ng nhiÔu x¹ tia X trªn thiÕt bÞ nhiÔu x¹ Siemens D5005 (CuKa = 1,5406, 2q steps = 0,03/step, 20 ≤2q ≤ 70). Ph©n tÝch cÊu tróc m¹ng thùc nghiÖm cña s¶n phÈm tõ gi¶n ®å nhiÔu x¹ tia X b»ng phÇn mÒm FullProf 2004, ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch Rietveld. Ph©n tÝch nhiÖt vi sai trªn thiÕt bÞ SETARAM TG-DTA 92 (tèc ®é gia nhiÖt 5C/phót, chÐn ®ùng mÉu Pt, khÝ quyÓn kh«ng khÝ). H×nh th¸i häc cña h¹t Fe3O4 ®−îc quan s¸t trªn kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt ph©n gi¶i cao HITACHI S-4800. III - KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN VËt liÖu oxit Fe3O4 ®−îc tæng hîp th«ng qua ph−¬ng ph¸p thñy nhiÖt thu ®−îc cÊu tróc tinh thÓ thuéc cÊu tróc pha lËp ph−¬ng, nhãm ®èi xøng Fd-3m (h»ng sè m¹ng a ~ 8.400 Å). Trong cÊu tróc cña Fe3O4 d¹ng {(Fe 3+)[Fe2+,Fe3+]O4}, nhiÒu nghiªn cøu kh¸c nhau ®· c«ng bè cho thÊy c¸c ion Fe3+ trong hèc tø diÖn thuéc vÞ trÝ 8a (0, 0, 0), c¸c O2- thuéc vÞ trÝ 32e (x, x, x), c¸c ion Fe3+ vμ Fe2+ trong hèc b¸t diÖn cã thÓ chiÕm t¹i vÞ trÝ 16d (5/8, 5/8, 5/8) hay 16c (1/8, 1/8, 1/8) víi l−îng nh− nhau (hay sè oxi hãa trung b×nh +2.5) trong « m¹ng c¬ së [10, 11]. Tuy nhiªn, mét sè nghiªn cøu kh¸c chØ ra r»ng trong nhãm ®èi xøng Fd-3m c¸c nguyªn tè bÞ lÖch khái vÞ trÝ gèc theo hÖ täa ®é (1/8, 1/8, 1/8) vμ ion s¾t trong hèc b¸t diÖn cã sè oxi hãa trung b×nh dao ®éng tõ +2,5 ®Õn +2,65 [1, 12, 13]. Trong nghiªn cøu cña H. Fjellvag vμ céng sù th× cho r»ng c¸c nguyªn tè Fe trong hèc tø diÖn vμ b¸t diÖn cã cïng sè oxi hãa lμ +2.667 [14]. C¸c gi¶n ®å thùc nghiÖm trªn c¸c mÉu bét ®−îc ph©n tÝch b»ng phÇn mÒm FullProf sö dông ph−¬ng ph¸p Rietveld víi to¸n tö pseudo- Voigt. KÕt qu¶ thu ®−îc tãm t¾t trong b¶ng 1 vμ h×nh 2, 3. Nh− vËy, vÞ trÝ c¸c nguyªn tè trong « m¹ng c¬ së cña s¶n phÈm Fe3O4 thu ®−îc b»ng ph−¬ng ph¸p thñy nhiÖt còng gièng nh− c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu cña S. Sasaki [1] vμ cho ®é mÞn cña phÐp ph©n tÝch GofF = 1,50. Ph©n tÝch kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c nguyªn tè trong « m¹ng c¬ së theo thø tù lÇn l−ît FeT-O = 1.883 Å, FeO-O = 2,06 Ǻ, O-O = 2,85 Ǻ. §é dμi liªn kÕt gi÷a ion Fe3+ trong hèc tø diÖn víi c¸c ion O2- (FeT-O) nhá h¬n so víi tæng b¸n kÝnh cña ion B¶ng 1: KÕt qu¶ ph©n tÝch cÊu tróc Fe3O4 tõ c¸c gi¶n ®å nhiÔu x¹ tia X thùc nghiÖm x¸c ®Þnh b»ng ph−¬ng ph¸p Rietveld Nhãm ®èi xøng Fd-3m GofF = Rwp/Rexp = 1,50 a = 8,379(7) Å V = 588,43 Å3 Z = 8 χ 2 = 2,23 RBragg = 5,11 Hμm l−îng: 100% Nguyªn tè Sè oxi hãa VÞ trÝ x y z B (Å2) occ. Fe (FeT) +3 8a 1/8 1/8 1/8 1.000 0.375 Fe (FeO) +2 16d 1/2 1/2 1/2 1.000 0.375 Fe (FeO) +3 16d 1/2 1/2 1/2 1.000 0.375 O -2 32e 0,2540(6) 02540(6) 0.2540(6) 5.456 1.500 FeT (Fe ë vÞ trÝ hèc tø diÖn), FeO (Fe ë vÞ trÝ hèc b¸t diÖn), occ. hÖ sè chiÕm gi÷ m¹ng l−íi kh«ng gian. 424 Fe3+ (0,64 Ǻ) vμ O2- (1,32 Ǻ) do ®ã lªn kÕt FeT- O chÞu mét søc nÐn. Ng−îc l¹i, ®é dμi c¸c liªn kÕt FeO-O vμ O-O lín h¬n so víi tæng b¸n kÝnh FeO = 0,69 Ǻ (trung b×nh céng b¸n kÝnh cña ion Fe3+ (0,64 Ǻ) vμ Fe2+ (0,74 )) víi O2- (1,32 Ǻ) hay gi÷a hai ion O2-; gãp phÇn gi¶i thÝch sù dao ®éng cña ion O2- xung quanh vÞ trÝ c©n b»ng cña nã lín B = 5.456 (Ǻ2). H×nh 2: Ph©n tÝch cÊu tróc cña Fe3O4 tõ gi¶n ®å nhiÔu x¹ tia X thùc nghiÖm; cÊu tróc tinh thÓ Fe3O4 (110) ®−îc dùng l¹i b»ng phÇn mÒm CaRIne v.3.1 (h×nh nhá) Ký hiÖu: () gi¶n ®å thùc nghiÖm (Yobs), ®−êng liÒn v¹ch lμ gi¶n ®å lý thuyÕt (Ycalc), ®−êng chªnh lÖch gi÷a lý thuyÕt vμ thùc nghiÖm n»m s¸t trôc hoμnh (Yobs-Ycalc) vμ nÐt g¹ch th¼ng (Bragg position) chØ vÞ trÝ pic t−¬ng øng cña pha Fe3O4 H×nh 3 giíi thiÖu cÊu tróc « m¹ng c¬ së cña Fe3O4 nh×n theo mÆt ph¼ng (100) vμ c¸c gi¶n ®é Fourier biÓu diÔn mËt ®é ®iÖn tö xung quanh c¸c nguyªn tö Fe3+ thuéc hèc tø diÖn (FeT) vμ c¸c nguyªn tö Fe3+, Fe2+ thuéc hèc b¸t diÖn (FeO) ®−îc dùng l¹i b»ng ch−¬ng tr×nh GFourier trong FullProf suite 2004 [9]. Chªnh lÖch gi÷a chiÒu cao nhá nhÊt vμ lín nhÊt trªn gi¶n ®å Fourier t−¬ng øng lμ -1,5 vμ 6,5e/Å, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ®−êng ®ång møc lμ 0,4e/Å. Sù biÕn d¹ng d−¬ng vÒ mËt ®é ®iÖn tö cña FeT vμ FeO cho biÕt mèi t−¬ng t¸c qua l¹i trong liªn kÕt FeT-O vμ FeO-O. Trong qu¸ tr×nh ph©n tÝch cÊu tróc tõ gi¶n ®å nhiÔu x¹ tia X, c¸c hÖ sè chiÕm gi÷ kh«ng gian (occ.) cña c¸c nguyªn tè Fe3+, [Fe2+, Fe3+] vμ O2- ; ®−îc cè ®Þnh lμ 0,375, [0,375, 0,375] vμ 1,5, theo thø tù ®Ó ®¶m b¶o tÝnh æn ®Þnh vÒ cÊu tróc tû l−îng cña oxit. MÆt kh¸c, khi thªm mét biÕn sè thay ®æi vμo hÖ sè chiÕm ®ãng kh«ng gian (occ.) cña oxi trong qu¸ tr×nh ph©n tÝch thÊy gi¸ trÞ cña nã gi¶m xuèng tõ 1,5 cßn 0,98 kÐo theo c«ng thøc tû l−îng cña oxit sÏ lμ Fe3O4-d. Bªn c¹nh ®ã, sù dao ®éng cña ion O2- xung quanh vÞ trÝ cña nã lín, B = 5.456 (Å2) cho thÊy viÖc x¸c ®Þnh chÝnh x¸c c«ng thøc hîp phÇn cña oxit Fe3O4 theo ®Þnh l−îng oxi tõ c¸c gi¶n ®å nhiÔu x¹ tia X thùc nghiÖm lμ kh«ng chÝnh x¸c. §Ó tÝnh mét c¸ch gÇn ®óng hμm l−îng oxi trong c«ng thøc thμnh phÇn oxit, chóng t«i ®· tiÕn hμnh phÐp ph©n tÝch nhiÖt vi sai ®o trªn mÉu trong khÝ quyÓn kh«ng khÝ. KÕt qu¶ thu ®−îc trªn h×nh 4, ®−êng TG cho thÊy cã sù t¨ng khèi l−îng t−¬ng øng cña mÉu lμ Dm = 1,70%. Gi¸ trÞ nμy hoμn toμn phï hîp víi gi¸ trÞ ®−îc tÝnh to¸n lý thuyÕt khi gi¶ thiÕt cã sù oxi hãa hoμn toμn Fe3O4 thμnh Fe2O3 theo ph¶n øng: 2Fe3O4 + 1/2O2 = 3Fe2O3 (Dm = 1,72%). Trªn ®−êng DTA, xuÊt hiÖn 3 pic táa nhiÖt t−¬ng øng víi 3 giai ®o¹n t¹i c¸c gi¸ trÞ nhiÖt ®é 159C (pic 1 - giai ®o¹n 1), 324C (pic 2 - giai ®o¹n 2) vμ 571C (pic 3 - giai ®o¹n 3). Giai ®o¹n 1 øng víi qu¸ tr×nh nhËn thªm oxi vμo cÊu tróc Fe3O4 kÌm theo sù t¨ng khèi l−îng. Trong 425 H×nh 3: CÊu tróc m¹ng tinh thÓ Fe3O4 trong mÆt ph¼ng (100) vμ c¸c gi¶n ®å Fourier biÓu thÞ mËt ®é ®iÖn tö cña oxit Fe3O4 trong mÆt ph¼ng (100) H×nh 4: Gi¶n ®å ph©n tÝch nhiÖt vi sai mÉu oxit Fe3O4 (tr¸i), ¶nh mÉu bét Fe3O4 quan s¸t trªn kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt víi ®é ph©n gi¶i cao (ph¶i) 426 giai ®o¹n 2 vμ 3 cã xuÊt hiÖn 2 pic táa nhiÖt, nh−ng kh«ng thÊy cã sù thay ®æi vÒ khèi l−îng mÉu trªn ®−êng TG, do ®ã kÕt thóc giai ®o¹n 1, Fe3O4 ®· bÞ oxi hãa hoμn toμn thμnh Fe2O3 vμ 2 giai ®o¹n tiÕp t−¬ng øng víi sù chuyÓn d¹ng thï h×nh cña Fe2O3 [15]. Quan s¸t h×nh d¹ng h¹t trªn kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt ®é ph©n gi¶i cao cho thÊy s¶n phÈm thu ®−îc cã h×nh d¹ng t−¬ng ®èi ®ång nhÊt víi kÝch th−íc trung b×nh kho¶ng 50 nm (h×nh 4). IV - KÕT LUËN Oxit s¾t tõ Fe3O4 ®· ®−îc tæng hîp th«ng qua ph−¬ng ph¸p thñy nhiÖt ë nhiÖt ®é 150C/7 giê tõ hçn hîp Fe2+/Fe3+ trong m«i tr−êng kiÒm. KÝch th−íc vμ h×nh d¹ng h¹t t−¬ng ®èi ®ång ®Òu víi cì h¹t trung b×nh 50 nm. CÊu tróc vËt liÖu ®−îc ph©n tÝch b»ng ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch Rietveld cho thÊy Fe3O4 thuéc d¹ng cÊu tróc lËp ph−¬ng, nhãm ®èi xøng Fd-3m, c¸c nguyªn tè trong « m¹ng c¬ së lÖch khái vÞ trÝ gèc theo hÖ trôc täa ®é (1/8, 1/8, 1/8), h»ng sè m¹ng a = 8.379(7) Ǻ. C«ng tr×nh nμy ®−îc hoμn thμnh víi sù hç trî kinh phÝ cña ®Ò tμi nghiªn cøu khoa häc cÊp §¹i häc Quèc gia Hμ Néi, m· sè QT-08-19 Nghiªn cøu chÕ t¹o mét sè d¹ng vËt liÖu composit tõ tÝnh. TμI LIÖU THAM KH¶O 1. S. Sasaki. Acta Crystallographica B53, 762 - 766 (1997). 2. J. T. Mayo et al. Science and Technology of Advanced Materials, 8, 71 - 75 (2007). 3. NhiÒu t¸c gi¶, TuyÓn tËp c¸c b¸o c¸o tãm t¾t Héi nghÞ VËt lý chÊt r¾n Toμn quèc lÇn thø 5 (2007). 4. Q A Pankhurst et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 36, R167 - R181 (2003). 5. Fong-Yu Cheng et al., Biomaterials 26, 729 - 738 (2005). 6. Benjamin R Jarrett et al. Nanotechnology 18, 035603 (7pp) (2007). 7. D. Nyamjav, A. Ivanisevic. Biomaterials 26, 2749 - 2757 (2005). 8. Jing Xu et al. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 309, 307 - 311 (2007). 9. J. Rodriguez-Carvajal. FullProf Laboratoire Leon Brillouin, CEA-CNRS, Saclay, France (2004). 10. V-L. Mazzocchi et al. Journal of Applied Crystallography 31, 718 - 725 (1998). 11. F. De Boer et al. Journal of Chemical Physics 18, 1032 - 1034 (1950). 12. M. E. Fleet. Acta Crystallographica B 38, 1718 - 1723 (1982). 13. H. Okudera et al. Acta Cryst. B 52, 450 - 457 (1996). 14. H. Fjellvag et al. Journal of Solid State Chemistry 124, 52 - 57 (1996). 15. M. Mutlu Can et al. Physica Status Solidi (C), Applied Research, Vol.3, I.5, 1271 - 1278 (2006). T¸c gi¶ liªn hÖ: NguyÔn Xu©n Hoμn Khoa Hãa häc, Tr−êng §HKHTN, §¹i häc Quèc gia Hμ Néi.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdf4611_16537_1_pb_8502_2085235.pdf
Tài liệu liên quan