Luận văn Nghiên cứu tổng hợp chất phát quang kẽm Silicat pha tạp Mangan

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu tổng hợp chất phát quang kẽm Silicat pha tạp Mangan

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------ LƢU THỊ NGỌC HÀ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CHẤT PHÁT QUANG KẼM SILICAT PHA TẠP MANGAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2015
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------ LƢU THỊ NGỌC HÀ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CHẤT PHÁT QUANG KẼM SILICAT PHA TẠP MANGAN Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 60440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. NGUYỄN TRỌNG UYỂN 2: PGS.TS. LÊ XUÂN THÀNH HÀ NỘI – 2015
3. LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, GS. TS. Nguyễn Trọng Uyển và PGS. TS. Lê Xuân Thành đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực nghiệm để hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo, các bạn sinh viên Bộ môn Công nghệ các chất vô cơ – Khoa Công nghệ hóa học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt chương trình học cao học, cảm ơn các bạn học viên tại Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học tự nhiên đã tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu cũng như thực hiện luận văn. Cuối cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình và những người thân của tôi đã luôn ở bên cạnh chia sẻ, bảo ban cũng như động viên và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2015 Học viên cao học Lƣu Thị Ngọc Hà
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG I . TỔNG QUAN ................................................................................... 2 1.1. Giới thiệu chung về chất phát quang ........................................................... 2 1.1.1. Định nghĩa chất phát quang ....................................................................... 2 1.1.2. Phân loại chất phát quang .......................................................................... 2 1.1.3. Ứng dụng của chất phát quang .................................................................. 3 1.2. Chất phát quang vô cơ .................................................................................. 3 1.2.1. Cấu tạo chất phát quang vô cơ .................................................................. 3 1.2.2. Quá trình phát quang của các chất phát quang vô cơ dạng tinh thể ........ 5 1.2.3. Giản đồ cấu hình năng lượng của quá trình phát quang ........................... 9 1.2.4. Sơ đồ cơ chế phát quang .......................................................................... 10 1.3. Chất phát quang Kẽm silicat kích hoạt bởi Mangan (Zn2SiO4:Mn) ...... 11 1.3.1. Giới thiệu chung về Silicat ..................................................................... 11 1.3.2. Kẽm silicat (Zn2SiO4) và chất phát quang kẽm silicat ........................... 13 1.3.3. Các phương pháp tổng hợp chất phát quang Zn2SiO4:Mn ..................... 15 CHƢƠNG II: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................ 17 2.1. Nguyên liệu và thiết bị thí nghiệm ............................................................. 17 2.2 Quy trình thực nghiệm ................................................................................. 17 2.2.1. Chuẩn bị các dung dịch ban đầu ............................................................. 17 2.2.2. Tổng hợp Zn2SiO4:Mn theo phương pháp precursor .............................. 18 2.3 Các phƣơng pháp phân tích ........................................................................ 19 2.3.1. Phương pháp chuẩn độ Complexon III ................................................... 19 2.3.2. Phương pháp đo phổ huỳnh quang ......................................................... 20 2.3.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X ................................................................... 20 2.3.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét ........................................................... 21 CHƢƠNG III : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 23 3.1. Phƣơng pháp precursor dùng NaOH ........................................................ 23 3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng NaOH ............................................ 23
5. 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt sorbitol ........................ 26 3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt Tween 80 .................... 29 3.2. Phƣơng pháp precursor dùng NH4OH ...................................................... 32 3.2.1. Khảo sát cường độ phát quang của hệ dùng NH4OH so với hệ dùng NaOH .. 32 3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng NH4OH ................................................. 34 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng amoni citrat ................................... 38 3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất hoạt động bề mặt Tween 80 ........ 41 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 45
6. DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng NaOH ................................................... 24 Bảng 3.2 : Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng Sorbitol với hệ dùng NaOH ................ 27 Bảng 3.3: Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng Tween 80 với hệ dùng NaOH .............. 30 Bảng 3.4: So sánh khả năng tổng hợp giữa hệ dùng NaOH và NH4OH .................. 33 Bảng 3.5: Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng NH4OH ................................................. 35 Bảng 3.6: Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng amoni citrat với hệ dùng NH4OH ....... 38 Bảng 3.7: Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng Tween 80 với hệ dùng NH4OH ............ 41
7. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Một số dạng khuyết tật trong tinh thể ........................................................ 4 Hình 1.2: Giản đồ cấu hình năng lượng ..................................................................... 9 Hình 1.3: Sơ đồ cơ chế phát quang tái hợp tức thời ................................................. 10 Hình 1.4: Sơ đồ cơ chế phát quang tái hợp kéo dài ................................................. 11 4- Hình 1.5: Tứ diện [SiO4] ........................................................................................ 12 Hình 1.6: Octosilicat ................................................................................................ 12 Hình 1.7: Sorosilicat ................................................................................................. 12 Hình 1.8: Xiclosilicat ................................................................................................ 13 Hình 1.9: Inosilicat (A: Pyroxen, B: Amphibon) ..................................................... 13 Hình 1.10: Phylosilicat ............................................................................................. 13 Hình 1.11: 3D silicat ................................................................................................ 13 Hình 1.12: Tinh thể Zn2SiO4 ..................................................................................... 15 Hình 1.13: Sơ đồ mức năng lượng quá trình phát quang của Willemite:Mn ............ 15 Hình 2.1: Sơ đồ tổng hợp Zn2SiO4:Mn theo phương pháp nung kết đi từ precursor ... 19 Hình 2.2: Sự nhiễu xạ tia X trên mạng tinh thể ....................................................... 20 Hình 2.3: Sơ đồ phương pháp đo SEM .................................................................... 22 Hình 3.1: Phổ huỳnh quang các mẫu bảng 3.1. ........................................................ 25 Hình 3.2: Giản đồ XRD của mẫu 1.3 ....................................................................... 25 Hình 3.3: Ảnh SEM của mẫu 1.3 ............................................................................. 26 Hình 3.4: Phổ huỳnh quang các mẫu bảng 3.2 ......................................................... 28 Hình 3.5: Giản đồ XRD của mẫu 2.3 ........................................................................ 28 Hình 3.6: Ảnh SEM của mẫu 2.3 ............................................................................. 29 Hình 3.7: Phổ huỳnh quang các mẫu bảng 3.3 ......................................................... 31 Hình 3.8: Giản đồ XRD mẫu 3.3 (dùng Tween 80) ................................................. 31 Hình 3.9: Ảnh SEM mẫu 3.3 .................................................................................... 32 Hình 3.10: Phổ huỳnh quang của mẫu 4.1 và mẫu 4.2. ........................................... 33 Hình 3.11: Phổ huỳnh quang của Bảng 3.5(dùng amoniac) .................................... 36 Hình 3.12: Giản đồ XRD mẫu 5.5 ............................................................................ 36 Hình 3.13: Ảnh SEM mẫu 5.5 (dùng amoniac) ....................................................... 37
8. Hình 3.14: Phổ huỳnh quang của các mẫu bảng 3.6. ............................................... 39 Hình 3.15: Giản đồ XRD mẫu 6.3 ............................................................................ 39 Hình 3.16: Ảnh SEM mẫu 6.3 .................................................................................. 40 Hình 3.17: Phổ huỳnh quang các mẫu bảng 3.7. ...................................................... 42 Hình 3.18: Giản đồ XRD mẫu 7.4 ............................................................................ 42 Hình 3.19: Ảnh SEM mẫu 7.4 .................................................................................. 43
9. MỞ ĐẦU Ngày nay, các chất phát quang vô cơ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống. Chúng được dùng trong chế tạo các đèn ống, trang trí, các loại sơn Trong đó, chất phát quang kẽm silicat kích hoạt bởi mangan đang được quan tâm do độ bền cao, cường độ phát quang mạnh, thích hợp sử dụng trong lĩnh vực bảo mật như tạo mã vạch, đánh dấu sản phẩm, các ngân phiếu tiền giấy Hiện tại trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu với mục đích nâng cao chất lượng và hoàn thiện công nghệ chế tạo kẽm silicat kích hoạt bởi mangan. Trong phạm vi luận văn này chú trọng tới 2 nhiệm vụ chính: - Chế tạo chất phát quang kẽm silicat hoạt hóa bằng mangan. - Nghiên cứu nâng cao khả năng phát quang của sản phẩm bằng một số phụ gia thích hợp. Do thời gian có hạn, luận văn không thể tránh khỏi còn nhiều sai sót, kính mong nhận được sự chỉ bảo đóng góp của các thầy cô và các bạn. 1
10. CHƢƠNG I . TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về chất phát quang 1.1.1. Định nghĩa chất phát quang [1, 2, 4, 6] Chất phát quang đầu tiên được phát hiện trên thế giới là hợp chất của Phôtpho. Năm 1669, nhà giả kim Hennig Brand (người Đức) khi đang nghiên cứu nguyên tố Phôtpho đã điều chế được một chất bột trắng có khả năng phát sáng trong bóng tối. Từ đó, thuật ngữ “Phosphors” thường được dùng để chỉ các chất có khả năng phát sáng mà không nhận thấy dấu hiệu của quá trình cháy như lửa hay sự tỏa nhiệt bằng mắt thường. Ngày nay, các nhà khoa học đã điều chế thêm được nhiều chất phát quang mới có thể phát sáng dưới tác dụng của bức xạ, nhiệt.. Như vậy, chất phát quang được định nghĩa chung nhất là các hợp chất có khả năng hấp thụ năng lượng dưới các dạng khác nhau và phát ra ánh sáng nhìn thấy được. 1.1.2. Phân loại chất phát quang [1, 3, 6] 1.1.2.1. Phân loại theo thành phần: - Chất phát quang vô cơ. - Chất phát quang hữu cơ. 1.1.2.2. Phân loại theo thời gian phát quang sau khi ngừng kích thích: - Chất huỳnh quang (flourescence) là các chất phát quang không kéo dài quá 10-8 giây sau khi ngừng kích thích. - Chất lân quang (phosphorescence) là các chất phát quang phát quang kéo dài hơn 10-8 giây sau khi ngừng kích thích. 1.1.2.3. Phân loại theo các nguồn kích thích: - Quang phát quang kích thích bằng phôtôn ánh sáng. - Điện phát quang kích thích bằng điện trường. - Nhiệt phát quang kích thích bằng nhiệt lượng. - Phát quang dùng nguồn tia âm cực để kích thích. - Cơ phát quang kích thích bằng tương tác cơ học. - Hóa phát quang do năng lượng phản ứng hóa học. - Chất phát quang kích thích bằng tia X. 2