Luận văn: Ảnh hưởng của sắt trong cấu trúc vật liệu zê-ô-lit, 9đ

Please download to get full document.

View again

All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
 3
 
  Download luận văn thạc sĩ ngành vật lí với đề tài: Ứng dụng phương pháp hủy pô-si-trôn để nghiên cứu ảnh hưởng của sắt trong cấu trúc một vài vật liệu zê-ô-lit, cho các bạn làm luận văn tham khảo
Share
Transcript
  • 1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH PHẠM THỊ MAI ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP HỦY PÔ-SI-TRÔN ĐỂ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SẮT TRONG CẤU TRÚC MỘT VÀI VẬT LIỆU ZÊ-Ô-LIT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Thành phố Hồ Chí Minh - 2012
  • 2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH PHẠM THỊ MAI ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP HỦY PÔ-SI-TRÔN ĐỂ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SẮT TRONG CẤU TRÚC MỘT VÀI VẬT LIỆU ZÊ-Ô-LIT Chuyên ngành: Vật lí hạt nhân-nguyên tử-năng lượng cao Mã số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN QUỐC DŨNG Thành phố Hồ Chí Minh - 2012
  • 3. LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu luận văn, tôi đã nhận được sự quan tâm, chỉ bảo tận tình với tinh thần khoa học và trách nhiệm cao của các Thầy, Cô. Nhân đây, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: • TS. Trần Quốc Dũng, người thầy đã giảng dạy, định hướng đề tài luận văn, tận tình hướng dẫn trong nghiên cứu khoa học. • TSKH. Lê Văn Hoàng đã đọc và góp ý cho bài báo khoa học. • Các Thầy, Cô trong hội đồng phản biện và báo cáo đã dành thời gian đọc, và cho ý kiến đóng góp quý báu về luận văn. • Các thầy, cô trong khoa vật lí, trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh và đặc biệt là các thầy cô đã trực tiếp dạy dỗ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập. • Các chuyên viên của phòng đào tạo sau Đại Học, trường ĐHSP TP. HCM đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi được học tập, nghiên cứu và báo cáo luận văn. Xin cảm ơn Bố, Mẹ, hai anh và bạn bè đã luôn là nguồn động viên, cỗ vũ tinh thần, giúp tôi hoàn thành luận văn. TP. Hồ Chí Minh - 2012
  • 4. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN......................................................................................................2 MỤC LỤC............................................................................................................3 DANH MỤC BẢNG............................................................................................5 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ......................................................................6 MỞ ĐẦU ..............................................................................................................8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZÊ-Ô-LIT ..............................17 1.1. Thành phần hóa học, đặc tính và cấu trúc zê-ô-lit.................................................17 1.1.1. Thành phần hóa học và đặc tính.....................................................................17 1.1.2. Cấu trúc khung của zê-ô-lit............................................................................19 1.2. Phân loại zê-ô-lit....................................................................................................23 1.2.1. Phân loại theo nguồn gốc ...............................................................................23 1.2.2. Phân loại theo kích thước lỗ rỗng ..................................................................23 1.2.3. Phân loại theo chiều trong không gian của các lỗ bên trong cấu trúc............24 1.2.4. Phân loại theo thành phần hóa học.................................................................25 1.3. Tính chất cơ bản của zê-ô-lit và một số ứng dụng ................................................26 1.3.1. Tính chất trao đổi ca-ti-ôn..............................................................................26 1.3.2. Tính hấp phụ có chọn lọc nước và các chất phân cực....................................27 1.3.3. Tính a-xit bề mặt, hoạt tính xúc tác................................................................28 1.3.4. Tính chất chọn lọc hình dạng.........................................................................31 1.4. Tổng hợp zê-ô-lit...................................................................................................32 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP HỦY PÔ-SI-TRÔN ....34 2.1. Sự tạo thành và sự hủy pô-si-trôn..........................................................................34 2.1.1. Pô-si-trôn, hạt phản vật chất...........................................................................34
  • 5. 2.1.2. Các nguồn pô-si-trôn......................................................................................35 2.1.3. Tương tác của pô-si-trôn với vật chất, sự hủy pô-si-trôn...............................38 2.2. Lí thuyết về phương pháp hủy pô-si-trôn..............................................................50 2.2.1. Phương pháp đo thời gian sống......................................................................52 2.2.2. Đo độ dãn nở Đôp-le......................................................................................57 2.3. Giới thiệu về phần mềm phân tích phổ LT............................................................61 2.3.1. Giới thiệu chung.............................................................................................61 2.3.2. Định nghĩa các số hạng chính được sử dụng trong LT..................................63 2.3.3. Mô hình lí thuyết............................................................................................64 CHƯƠNG 3 : Ứng dụng phương pháp hủy pô-si-trôn để nghiên cứu ảnh hưởng của sắt trong cấu trúc vật liệu SBA-15 ...............................................68 3.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................................68 3.1.1. Khái quát về vật liệu SBA-15 và Fe-SBA-15................................................68 3.1.2. Sự hủy pô-si-trôn trong vật liệu xốp trung bình SBA-15 ..............................70 3.1.3. Tổng hợp zê-ô-lit SBA và Fe-SBA-15...........................................................71 3.2. Hệ đo......................................................................................................................72 3.3. Kết quả đo và thảo luận.........................................................................................72 3.3.1. Thời gian sống của pô-si-trôn trong hai mẫu đo............................................73 3.3.2. Độ dãn nở Đôp-le trong hai mẫu đo...............................................................75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..........................................................................78 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................79
  • 6. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Phân loại zê-ô-lit theo kích thước lỗ rỗng................................................ 24 Bảng 2.1: Một số nguồn pô-si-trôn và cách tạo nguồn ........................................... 36 Bảng 3.1: Các giá trị thành phần thời gian sống và cường độ tương ứng ...............73 Bảng 3.2: Các giá trị bán kính lỗ iR tương ứng thời gian sống iτ ............................ 75 Bảng 3.3: Các tham số để đánh giá độ dãn nở Đôp-le ............................................. 77
  • 7. DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Đơn vị cấu trúc sơ cấp.............................................................................. 19 Hình 1.2: Đơn vị cấu trúc thứ cấp SBU ................................................................... 19 Hình 1.3: Cấu trúc sô-đa-lit...................................................................................... 20 Hình 1.4: Mô hình zê-ô-lit A và X. .......................................................................... 20 Hình 1.5: Vị trí EFW của ca-ti-ôn Al3+ (EFAl)........................................................ 21 Hình 1.6: Ba vị trí EFW (I, II, III) trong cấu trúc khung của zê-ô-lit loại X. .......... 22 Hình 1.7: Các vị trí EFW trong cấu trúc zê-ô-lit Da-chi-a-đit ................................ 22 Hình 1.8: Ba kiểu phân bố trong không gian của lỗ rỗng ........................................ 24 Hình 1.9: Mô hình zê-ô-lit hấp phụ chất phân cực................................................... 28 Hình 1.10: Quá trình trao đổi ca-ti-ôn Na+ lấy ca-ti-ôn H+ ...................................... 29 Hình 1.11: Tâm a-xit Brôn-tet của zê-ô-lit............................................................... 29 Hình 1.12: Quá trình de-hy-đrô-xin chuyển tâm a-xit Brôn-tet thành a-xit Lê-it. .. 30 Hình 2.1: Sơ đồ phân rã của đồng vị phóng xạ 22 Na ……………...........................36 Hình 2.2: Nguyên lí của sự mở kênh trong tinh thể ………………………………40 Hình 2.3: Các quá trình tương tác của pô-si-trôn trong tinh thể .............................. 42 Hình 2.4: Giản đồ phương bay ra của hai phô-tôn hủy............................................ 46 Hình 2.5: Tổng hợp các cơ chế hủy pô-si-trôn trong vật rắn ................................... 50 Hình 2.6: Tổng hợp các phương pháp hủy pô-si-trôn cơ bản .................................. 51 Hình 2.7: Sơ đồ hệ đo thời gian sống của pô-si-tron................................................ 53 Hình 2.8: Sơ đồ bằng chữ của hệ đo thời gian sống của pô-si-trôn ......................... 54 Hình 2.9: Sơ đồ hệ đo độ dãn nở Đôp-le.................................................................. 57 Hình 2.10: Sơ đồ trùng phùng để đo phổ giãn nở Đôp-le có giảm phông ............... 58 Hình 2.11: Phổ trùng phùng Đôp-le của Ga As – Zn............................................... 59 Hình 2.12: Cách xác định diện tích vùng Np và Nw dưới đường cong phổ ............ 60 Hình 2.13: Giao diện phần mềm LT v9.................................................................... 62 Hình 3.1: Mô hình mao quản lục lăng của SBA-15 ................................................. 69 Hình 3.2: Mô hình sự kết nối các kênh mao quản của SBA-15............................... 69 Hình 3.3: Phổ thời gian sống của mẫu SBA-15 ....................................................... 73
  • 8. Hình 3.4: Phổ thời gian sống của mẫu Fe-SBA-15.................................................. 73 Hình 3.5: Giao diện phần mềm xử lí số liệu Sigmaplot và các tham số đánh giá độ dãn nở Đôp-le trong mẫu SBA-15............................................................................ 76 Hình 3.6: Giao diện phần mềm xử lí số liệu Sigmaplot và các tham số đánh giá độ dãn nở Đôp-le trong mẫu Fe-SBA-15 ............................................................................. 77
  • 9. MỞ ĐẦU Pô-si-trôn - phản hạt của ê-lec-trôn, được tiên đoán bởi Đi-rắc (Dirac) vào năm 1928 và bị phát hiện trong các tia vũ trụ bởi An-đê-sân (Anderson) vào năm 1932, là phản hạt đầu tiên được khẳng định trong thế giới hạt vi mô. Từ đó đến nay, các lí thuyết và thực nghiệm về pô-si-trôn cũng như ứng dụng của kĩ thuật pô-si-trôn trong nhiều lĩnh vực khác nhau đã phát triển mạnh mẽ. Sự hủy của pô-si-trôn với ê-lec-trôn trong môi trường vật chất bắt đầu được nghiên cứu từ những năm bốn mươi của thế kỉ hai mươi. Người ta sớm nhận ra rằng sự bảo toàn năng lượng và động lượng của cặp hủy trong suốt quá trình hủy rất hữu hiệu trong nghiên cứu đặc tính lí-hóa của vật chất. Phương pháp phổ kế hủy pô-si-trôn để nghiên cứu sự phân bố của ê-lec-trôn trong kim loại và hợp kim đã sớm được thực hiện bởi Be-rin-gơ (Behringer) và Môn- gô-me-ry (Montgomery) (1942); Bê-nê-det-ti (Benedetti) (1950) và được tổng hợp bởi Quét (West R. N.) [53]. Những kĩ thuật thực nghiệm khác nhau về sự hủy pô-si-trôn nhờ hệ phổ kế đã phát triển mạnh mẽ trong hai thập niên sau năm 1945. Phép đo góc tương quan của các gam-ma hủy, phép đo độ dãn nở Đôp-le (Doppler) của đường hủy, phép đo thời gian sống của pô-si-trôn đã được thiết lập một cách độc lập. Vào cuối những năm 1960, người ta nhận ra rằng các tham số hủy pô-si-trôn không chỉ rất nhạy với mật độ ê-lec-trôn mà còn với cả mật độ các khuyết tật trong mạng tinh thể không hoàn hảo. Các pô-si-trôn có thể bị bẫy trong các khuyết tật này và bị hủy bên trong đó. Nghiên cứu các khuyết tật tinh thể đã trở thành vấn đề được quan tâm nhiều nhất trong các lĩnh vực sử dụng phương pháp hủy pô-si-trôn. Đến giữa những năm 1980, nghiên cứu khuyết tật được tiến hành chủ yếu trong kim loại và hợp kim. Thời gian gần đây, phương pháp hủy pô-si-trôn được áp dụng chủ yếu để nghiên cứu khuyết tật trong chất bán dẫn, dưới dạng đơn chất hoặc hợp chất. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các kỹ thuật pô-si-trôn ngày càng được cải tiến và hoàn thiện hơn, chẳng hạn sự kết hợp hai phương pháp đo phổ thời gian sống và dãn nở Đôp-le hình thành phương pháp mới, đó là phương pháp tương quan thời gian - động lượng; phát triển phép đo xác suất hủy ba gam-ma. Bên cạnh đó, người ta còn khám phá thêm nhiều phương pháp mới xây dựng một cái nhìn toàn diện hơn về các kỹ thuật pô-si-trôn như: kỹ thuật kính hiển vi và máy dò pô-si-trôn;
  • 10. phương pháp bức xạ hủy pô-si-trôn tạo phổ ê-lec-trôn Au-gơ (Auger); và phương pháp nhiễu xạ pô-si-trôn năng lượng thấp. Sự phát triển rộng khắp trên toàn thế giới của các kỹ thuật hủy pô-si-trôn thể hiện rõ qua các hội nghị quốc tế về bức xạ hủy pô-si-trôn ICPA (International conference on positron annihilation), hội nghị quốc tế về tán xạ của pô-si-trôn trong các chất khí (International worshops on positron collisions in gases), hội nghị quốc tế về các kỹ thuật làm chậm pô-si-trôn SLOPOS (International conferences on slow positron – beam techniques), hội nghị quốc tế về hóa học pô-si-trô-ni-um và pô-si-trôn (International worshops on positron and positronium chemistry),… với hàng ngàn bài báo được công bố. Ở nước ta, các kỹ thuật pô-si-trôn bước đầu được quan tâm. PGS.TS Mai Văn Nhơn là người đầu tiên tiếp cận và khảo sát tổng thể về khả năng sử dụng ba phương pháp thực nghiệm: dãn nở Đôp-le, tương quan góc, kỹ thuật thời gian sống của pô-si-trôn trong nghiên cứu vật liệu biến dạng đàn hồi tại Đức cùng với GS. Pri-e-mây-ơ (Priesmeyer) từ những năm 1990-1991. Công trình nghiên cứu này được công bố trong các bài báo cáo “Application of positron annihilation to nondestructive Testing” và “Combined Neutron Scattering – Neutron Capture Gamma rays and Positron Annihilation studies on Materials under Elastic and Plastic – deformation”. Trung tâm hạt nhân Thành Phố Hồ Chí Minh là nơi đầu tiên ở nước ta được trang bị hệ phổ kế thời gian sống của pô-si-trôn (năm 2005) và đã bắt đầu áp dụng để nghiên cứu độ rỗng của đá, kim loại,… Tại trường đại học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG thành phố Hồ Chí Minh, TS. Châu Văn Tạo đã tính toán năng lượng hình thành lỗ trống đơn và đôi trong một số kim loại và hợp kim, và cùng với ThS. Trịnh Hoa Lăng đã áp dụng lí thuyết hàm mật độ để tính năng lượng tương quan pô-si-trôn – ê-lec-trôn trong kim loại đồng (cấu trúc FCC) [4]. Thông tin về cấu trúc vật chất có thể được cung cấp bằng nhiều phương pháp phổ kế khác nhau, mỗi phương pháp đều có ưu điểm và hạn chế riêng. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét – SEM, là kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét lên bề mặt vật mẫu và ghi nhận thông tin nhờ các bức xạ phát ra do tương tác của chùm điện tử với bề mặt vật mẫu. Đây là phương pháp phân tích không phá hủy mẫu và cho độ hội
  • 11. tụ sâu hơn đối với kính hiển vi quang học, tuy nhiên cho độ phân giải không tốt so với kính hiển vi điện tử truyền qua. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua – TEM, là một loại kính hiển vi quang học sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu nhỏ và sử dụng các thấu kính từ để thu được ảnh với độ phóng đại cực lớn. Đây là phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ điện tử và khá nhạy đối với mật độ các sai hỏng tinh thể. Tuy nhiên mẫu phân tích phải đủ mỏng để có thể cho chùm điện tử xuyên qua, do đó tốn kém thời gian và kinh phí gia công. Hơn nữa, phương pháp này chỉ được tiến hành trong môi trường chân không cao vì cần sử dụng chùm điện tử năng lượng cao. Phương pháp kính hiển vi lực nguyên tử – AFM, là loại kính hiển vi quan sát cấu trúc vi mô của bề mặt vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa một đầu mũi dò nhọn với bề mặt của mẫu. Đây là phương pháp phân tích không phá mẫu và có độ phân giải tốt hơn kính hiển vi quét. Tuy nhiên, kích thước ảnh của AFM chỉ đo được với chiều cao lớn nhất cỡ vài mµ và vùng quét nằm trong phạm vi khoảng 150 mµ . So với các phương pháp phổ kế trên, phương pháp hủy pô-si-trôn - PAS là một công cụ phân tích không phá mẫu hiệu quả. Ưu điểm nổi bật nhất của PAS là nó rất nhạy với mật độ ê-lec-trôn và mật độ khuyết tật tinh thể và là công cụ hữu hiệu để phân tích các sai hỏng kích thước cực nhỏ. Ngoài ra, vì ta có thể kiểm soát được năng lượng của chùm pô-si-trôn nên đo được các sai hỏng có kích thước bất kì tại vị trí bất kì trong tinh thể với độ chính xác khá cao. Zê-ô-lit là tên gọi chung để chỉ một họ các vật liệu khoáng vô cơ, còn được biết đến như là một loại “rây phân tử”, được ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực, trong đó nổi bật nhất là công nghệ xúc tác. Cho đến nay, zê-ô-lit vẫn là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất làm chất xác tác trong công nghiệp, nhờ vào các đặc tính quý báu: có diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao; có cấu trúc hệ các kênh và lỗ rỗng đồng nhất, tương thích với nhiều loại phân tử thường gặp trong công nghiệp lọc hóa dầu; có tính a-xit bề mặt; tính chất lựa chọn hình dạng đối với các phân tử phản ứng, sản phẩm phản ứng và cả trạng thái chuyển tiếp; có độ bền nhiệt và thủy nhiệt cao. Chính vì thế mà zê-ô-lit đã thu hút được sự chú ý của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Ở Việt Nam, bước đầu có những thành công rõ rệt về việc sản xuất cũng như ứng dụng vật liệu zê-ô-lit vào các lĩnh vực của đời sống. Điển hình là công nghệ mang tính
  • 12. đột phá của các chuyên gia đại học Bách Khoa Hà Nội trong sản xuất thành công vật liệu zê-ô-lit từ khoáng sét thiên nhiên. Công nghệ chuyển hóa từ cao lanh không nung thành zê-ô-lit là một sáng chế mới trong sản xuất zê-ô-lit rẻ tiền, đáp ứng được nhu cầu rất lớn hiện nay ở Việt Nam, và đặc biệt chưa có quốc gia nào nghĩ ra ý tưởng này. Cho đến nay, có khoảng hơn 40 loại zê-ô-lit có sẵn trong tự nhiên và khoảng 200 loại zê-ô-lit nhân tạo với nhiều tính chất ưu việt hơn: đồng nhất về thành phần, độ tinh khiết cao, độ bền cơ học cao. Gần đây, sự khám phá ra các vật liệu xốp trung bình gây được sự chú ý bởi vì chúng có diện tích bề mặt riêng lớn, sự phân bố kích thước lỗ đồng bộ, kích thước lỗ lớn, khả năng ứng dụng cao trong xúc tác, sự tách và sự hấp phụ. Trong họ các vật liệu xốp trung bình, vật liệu SBA-15 được tổng hợp dưới điều kiện a-xit cho kích thước lỗ lớn hơn và thành lỗ dày hơn so với M41S. Vật liệu xốp trung bình chứa sắt được đặc biệt quan tâm bởi các đặc tính xúc tác độc nhất của chúng đối với nhiều phản ứng khác nhau, chẳng hạn như quá trình ô-xi hóa hy-đrô- cac-bon, sự tách N2O, sự giảm tính xúc tác lựa chọn của NO và N2O khi có mặt hy- đrô-cac-bon hay a-mô-ni-ac. Trước nhu cầu cần tìm hiểu thêm về vật liệu ngày càng được sử dụng phổ biến zê-ô-lit và trên cơ sở những báo cáo về ứng dụng phương pháp hủy pô-si-trôn để nghiên cứu cấu trúc vật liệu zê-ô-lit vẫn còn hạn chế ở nước ta. Tôi chọn đề tài luận văn: “Ứng dụng phương pháp hủy pô-si-trôn để nghiên cứu ảnh hưởng của sắt trong cấu trúc một vài vật liệu zê-ô-lit”. Sản phẩm nghiên cứu được sẽ là tài liệu tham khảo về khả năng ứng dụng phương pháp hủy pô-si-trôn để nghiên cứu cấu trúc vật liệu zê-ô-lit. Mục tiêu tổng quát của đề tài là nghiên cứu cấu trúc của vật liệu zê-ô-lit trên cơ sở áp dụng phương pháp hủy pô-si-trôn. Với mục tiêu tổng quát đó, các mục tiêu cụ thể cần đạt được: hiểu biết tổng quan về vật liệu zê-ô-lit; hiểu biết về các kỹ thuật hủy pô-si-trôn trong nghiên cứu vật liệu, đặc biệt là phương pháp đo thời gian sống của pô-si-trôn và phương pháp đo độ dãn nở Đôp-le; hiểu biết về kỹ thuật đo và kỹ thuật phân tích phổ hủy pô-si-trôn bằng chương trình LT-v9 để nghiên cứu cấu trúc vật
  • 13. chất; biết áp dụng phương pháp hủy pô-si-trôn để nghiên cứu ảnh hưởng của sắt trong cấu trúc SBA-15. Nội dung bài luận văn được trình bày gồm 3 phần chính. Chương 1: “Tổng quan về vật liệu zê-ô-lit”. Trong phần này, tác giả trình bày các đặc điểm về thành phần hóa học, đặc tính và cấu trúc khung; phân loại; tính chất cơ bản và một số ứng dụng; tổng hợp zê
  • Related Search
    Similar documents
    View more
    We Need Your Support
    Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

    Thanks to everyone for your continued support.

    No, Thanks
    SAVE OUR EARTH

    We need your sign to support Project to invent "SMART AND CONTROLLABLE REFLECTIVE BALLOONS" to cover the Sun and Save Our Earth.

    More details...

    Sign Now!

    We are very appreciated for your Prompt Action!

    x