Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của nano spinel NiFe2O4 pha tạp Co2+

Luận văn thạc sĩ phân tích cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của nano spinel NiFe2O4 pha tạp Co2, cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng dụng.

• Tác giả: Trần Thị Mai Anh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Tố Loan
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Cấu Trúc Và Hoạt Tính Quang Xúc Tác Của Nano Spinel NiFe2O4 Pha Tạp Co2+
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vật liệu nano
• 1.2. Định nghĩa và phân loại vật liệu nano
• 1.3. Tính chất của vật liệu nano
• 1.4. Ứng dụng của vật liệu nano
• 1.5. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano
• 1.6. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu nano
• 1.7. Tổng quan về vật liệu nano spinel
• 1.8. Cấu trúc và phân loại spinel
• 1.9. Tính chất của spinel
• 1.10. Một số kết quả nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng nano spinel niken ferit
• 1.11. Giới thiệu về metylen xanh
• 1.12. Dụng cụ, hóa chất, máy móc
• 1.13. Tổng hợp spinel CoxNi1-xFe2O4 (x = 0 ÷ 0,1) bằng phương pháp đốt cháy dung dịch
• 1.14. Các phương pháp nghiên cứu mẫu
• 1.15. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh
• 1.16. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh của các nano spinel CoxNi1-xFe2O4
• 1.17. Khảo sát thời gian đặt cân bằng hấp phụ
• 1.18. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các mẫu
• 2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.1. Kết quả nghiên cứu vật liệu bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen
• 2.2. Kết quả nghiên cứu vật liệu bằng phương pháp phổ hồng ngoại
• 2.3. Kết quả nghiên cứu hình thái học của vật liệu
• 2.4. Kết quả nghiên cứu vật liệu bằng phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X
• 2.5. Kết quả nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh của các mẫu
• 2.6. Kết quả xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 2.7. Kết quả nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh của các mẫu
• 2.8. Động học của phản ứng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu cấu trúc nano spinel NiFe2O4 pha tạp Co2

Nghiên cứu về cấu trúc nano và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano spinel NiFe2O4 pha tạp Co2+ đang thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực khoa học vật liệu. NiFe2O4 là một trong những vật liệu quan trọng trong ngành xúc tác nhờ vào khả năng hoạt động hiệu quả trong các phản ứng quang xúc tác. Việc pha tạp Co2+ vào cấu trúc NiFe2O4 không chỉ làm thay đổi tính chất quang học mà còn cải thiện khả năng xúc tác của vật liệu này. Nghiên cứu này nhằm mục đích làm rõ ảnh hưởng của ion Co2+ đến cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của NiFe2O4.

1.1. Định nghĩa và phân loại vật liệu nano spinel

Vật liệu nano spinel là loại vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc trưng, thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghệ cao. Cấu trúc spinel có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể. NiFe2O4 là một ví dụ điển hình của vật liệu nano spinel, với các ion kim loại được phân bố trong các hốc tứ diện và bát diện.

1.2. Tính chất quang học của NiFe2O4 pha tạp Co2

Tính chất quang học của NiFe2O4 pha tạp Co2+ có sự thay đổi đáng kể so với NiFe2O4 nguyên chất. Sự pha tạp này không chỉ ảnh hưởng đến cấu trúc mà còn làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng, từ đó cải thiện hiệu suất quang xúc tác. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh nồng độ Co2+ có thể tối ưu hóa hoạt tính quang xúc tác của vật liệu.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về hoạt tính quang xúc tác của NiFe2O4 pha tạp Co2+, vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Một trong những vấn đề chính là việc tối ưu hóa cấu trúc và thành phần của vật liệu để đạt được hiệu suất cao nhất trong các phản ứng quang xúc tác. Ngoài ra, việc hiểu rõ cơ chế hoạt động của vật liệu cũng là một thách thức lớn trong nghiên cứu này.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác

Hoạt tính quang xúc tác của NiFe2O4 pha tạp Co2+ chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như kích thước hạt, cấu trúc tinh thể và nồng độ pha tạp. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng kích thước hạt nhỏ hơn có thể dẫn đến hiệu suất quang xúc tác cao hơn do diện tích bề mặt lớn hơn.

2.2. Thách thức trong việc tối ưu hóa cấu trúc vật liệu

Việc tối ưu hóa cấu trúc của NiFe2O4 pha tạp Co2+ đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng giữa các yếu tố như tỷ lệ pha tạp, phương pháp tổng hợp và điều kiện xử lý. Các nghiên cứu hiện tại vẫn chưa đạt được sự đồng nhất trong việc tối ưu hóa các yếu tố này, dẫn đến sự biến thiên trong hiệu suất quang xúc tác.

III. Phương pháp tổng hợp nano spinel NiFe2O4 pha tạp Co2

Phương pháp tổng hợp là một yếu tố quan trọng quyết định đến cấu trúc nano và hoạt tính quang xúc tác của NiFe2O4 pha tạp Co2+. Các phương pháp tổng hợp hiện nay bao gồm phương pháp đốt cháy dung dịch, phương pháp sol-gel và phương pháp hóa học ướt. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng của vật liệu.

3.1. Phương pháp đốt cháy dung dịch

Phương pháp đốt cháy dung dịch là một trong những phương pháp hiệu quả để tổng hợp NiFe2O4 pha tạp Co2+. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước hạt và cấu trúc tinh thể của vật liệu, từ đó cải thiện hoạt tính quang xúc tác.

3.2. Phương pháp sol gel

Phương pháp sol-gel cũng được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp vật liệu nano. Phương pháp này giúp tạo ra các hạt nano đồng nhất với kích thước nhỏ và cấu trúc ổn định. Sự kết hợp giữa sol-gel và pha tạp Co2+ có thể tạo ra các vật liệu với hoạt tính quang xúc tác cao.

IV. Kết quả nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác của NiFe2O4 pha tạp Co2

Kết quả nghiên cứu cho thấy NiFe2O4 pha tạp Co2+ có hoạt tính quang xúc tác vượt trội trong việc phân hủy các hợp chất hữu cơ như metylen xanh. Các thí nghiệm cho thấy hiệu suất phân hủy đạt tới 90% sau một khoảng thời gian chiếu sáng nhất định. Điều này chứng tỏ rằng việc pha tạp Co2+ đã cải thiện đáng kể khả năng xúc tác của vật liệu.

4.1. Hiệu suất phân hủy metylen xanh

Nghiên cứu cho thấy rằng NiFe2O4 pha tạp Co2+ có khả năng phân hủy metylen xanh hiệu quả hơn so với NiFe2O4 nguyên chất. Hiệu suất phân hủy đạt được có thể lên tới 90% trong điều kiện tối ưu, cho thấy tiềm năng ứng dụng của vật liệu này trong xử lý nước thải.

4.2. Động học phản ứng quang xúc tác

Động học của phản ứng phân hủy metylen xanh được nghiên cứu kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy rằng phản ứng tuân theo định luật bậc nhất, cho thấy sự phụ thuộc vào nồng độ chất xúc tác và ánh sáng. Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc tối ưu hóa điều kiện phản ứng.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của NiFe2O4 pha tạp Co2+ đã chỉ ra rằng việc pha tạp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất quang xúc tác của vật liệu. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết để tối ưu hóa cấu trúc và hoạt tính của vật liệu. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới và nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hoạt động của vật liệu.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu nano mới với cấu trúc và thành phần tối ưu hơn. Việc nghiên cứu các ion kim loại khác cũng có thể mở ra những tiềm năng mới trong lĩnh vực quang xúc tác.

5.2. Ứng dụng thực tiễn của NiFe2O4 pha tạp Co2

NiFe2O4 pha tạp Co2+ có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xử lý nước thải, sản xuất năng lượng và các ứng dụng trong công nghệ sinh học. Việc phát triển các ứng dụng thực tiễn sẽ giúp nâng cao giá trị của vật liệu này trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, vật liệu nano đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu phát triển nhanh chóng với mức sản xuất ngày càng tăng nhằm giải quyết các vấn đề môi trường và sinh thái. Trong đó, nano ferit có cấu trúc spinel, đặc biệt là NiFe2O4, được quan tâm do tính đa dạng về thành phần, cấu trúc và khả năng ứng dụng trong xúc tác, thiết bị điện tử và từ học. NiFe2O4 là spinel nghịch với ion Fe3+ ở hốc tứ diện và ion Fe3+, Ni2+ ở hốc bát diện, có năng lượng vùng cấm khoảng 1,56 – 2,19 eV, hấp thụ rộng trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Việc pha tạp ion kim loại như Co2+ vào NiFe2O4 có thể làm thay đổi sự phân bố cation, ảnh hưởng đến cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp nano spinel NiFe2O4 pha tạp Co2+ bằng phương pháp đốt cháy dung dịch, khảo sát đặc trưng cấu trúc và đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh (MB). Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Thái Nguyên trong năm 2020, với phạm vi tập trung vào các mẫu CoxNi1-xFe2O4 (x = 0 ÷ 0,1). Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu quả, thân thiện môi trường, góp phần xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước thải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết cấu trúc spinel với công thức tổng quát AB2O4, trong đó A và B là cation kim loại có hóa trị II và III. Spinel có thể thuận, nghịch hoặc trung gian tùy theo sự phân bố cation trong hốc tứ diện và bát diện. Sự phân bố này phụ thuộc vào bán kính ion, cấu hình electron, năng lượng tĩnh điện và điều kiện chế tạo. NiFe2O4 là spinel nghịch với Ni2+ và Fe3+ chủ yếu ở hốc bát diện.

Phương pháp đốt cháy dung dịch (Solution Combustion - SC) được áp dụng để tổng hợp vật liệu nano, dựa trên phản ứng oxi hóa khử giữa muối kim loại và nhiên liệu glyxin, tạo ra sản phẩm oxit nano với kích thước nhỏ, độ tinh khiết cao trong thời gian ngắn và nhiệt độ thấp (500oC).

Các khái niệm chính bao gồm:

• Kích thước tinh thể nano và ảnh hưởng đến tính chất quang xúc tác.
• Hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước trong vật liệu nano.
• Phản ứng quang xúc tác phân hủy hợp chất hữu cơ dựa trên sự tạo thành cặp electron-lỗ trống dưới ánh sáng và sinh ra các gốc oxy hóa mạnh như ●OH.
• Định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer-Lambert-Beer trong xác định nồng độ chất phân hủy.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu CoxNi1-xFe2O4 (x = 0 ÷ 0,1) tổng hợp bằng phương pháp đốt cháy dung dịch với glyxin làm nhiên liệu. Các mẫu được nung ở 500oC trong 3 giờ. Cỡ mẫu gồm 6 mẫu với các tỷ lệ pha tạp Co2+ khác nhau, ký hiệu CNF0 đến CNF10.

Phân tích cấu trúc và đặc trưng vật liệu sử dụng các phương pháp:

• Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha, kích thước tinh thể, hằng số mạng.
• Phổ hồng ngoại (IR) để khảo sát liên kết kim loại-oxi.
• Hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để quan sát hình thái và kích thước hạt.
• Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để xác định thành phần nguyên tố.
• Phổ UV-Vis để xây dựng đường chuẩn và theo dõi quá trình phân hủy metylen xanh.

Phân tích hoạt tính quang xúc tác được thực hiện bằng cách đo hiệu suất phân hủy MB trong dung dịch 10 mg/L, sử dụng đèn LED 30W chiếu sáng trong 300 phút, có và không có H2O2, với các mẫu vật liệu khác nhau. Thời gian cân bằng hấp phụ được khảo sát trong bóng tối trước khi chiếu sáng. Phương pháp phân tích động học dựa trên mô hình bậc 1.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc và kích thước tinh thể: Giản đồ XRD cho thấy tất cả các mẫu CNF0 ÷ CNF10 đều có cấu trúc spinel lập phương đặc trưng của NiFe2O4. Kích thước tinh thể giảm từ 19,6 nm (CNF0) xuống còn khoảng 13,4 – 17,3 nm khi pha tạp Co2+. Hằng số mạng và thể tích ô mạng cơ sở tăng nhẹ khi tăng hàm lượng Co2+, do bán kính ion Co2+ (0,72 Å) lớn hơn Ni2+ (0,69 Å).

2. Liên kết kim loại-oxi: Phổ IR ghi nhận các dao động đặc trưng của liên kết M–O ở hốc tứ diện (ν1 từ 518,85 đến 543,93 cm-1) và bát diện (ν2 từ 408,91 đến 433,98 cm-1), thay đổi nhẹ theo hàm lượng Co2+, chứng tỏ ion Co2+ ảnh hưởng đến cấu trúc mạng tinh thể.

3. Hình thái học và kích thước hạt: SEM và TEM cho thấy hạt nano đa giác, kích thước trung bình giảm từ 40 nm (CNF0) xuống 30 nm (CNF6), đồng thời độ phân tán hạt được cải thiện khi pha tạp Co2+.

4. Thành phần nguyên tố: Phổ EDX xác nhận sự hiện diện của Ni, Fe, O và Co trong mẫu CNF6, với thành phần khối lượng phù hợp với lý thuyết, không phát hiện tạp chất khác.

5. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy MB: Thời gian cân bằng hấp phụ đạt sau 30 phút với hiệu suất hấp phụ khoảng 8,97%. Hiệu suất phân hủy MB sau 300 phút chiếu sáng tăng từ 16,17% (H2O2 đơn thuần) lên 63,90% (CNF0 + H2O2). Khi pha tạp Co2+, hiệu suất tăng lên tối đa 83,06% với CNF6, sau đó giảm nhẹ với hàm lượng Co2+ cao hơn. Quá trình phân hủy tuân theo động học bậc 1.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng hằng số mạng và thể tích ô mạng cơ sở khi pha tạp Co2+ được giải thích do bán kính ion Co2+ lớn hơn Ni2+, làm giãn mạng tinh thể. Kích thước hạt giảm và độ phân tán tốt hơn giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, nâng cao hoạt tính quang xúc tác. Thay đổi tần số dao động M–O trong phổ IR phản ánh sự thay đổi phối trí ion trong mạng tinh thể.

Hiệu suất phân hủy MB tăng rõ rệt khi có mặt đồng thời H2O2 và vật liệu nano spinel, do sự tạo thành các gốc hydroxyl ●OH mạnh oxy hóa. Pha tạp Co2+ cải thiện hiệu suất nhờ ảnh hưởng đến sự phân bố cation, giảm kích thước hạt và tăng diện tích bề mặt riêng, tương tự các nghiên cứu pha tạp ion kim loại khác như Cu2+, Mg2+. Tuy nhiên, hàm lượng Co2+ quá cao có thể gây hiện tượng kết tụ hoặc tạo pha phụ, làm giảm hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy MB theo thời gian với các mẫu khác nhau, bảng kích thước tinh thể và hằng số mạng, hình ảnh SEM/TEM minh họa kích thước và hình thái hạt.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hàm lượng Co2+ pha tạp: Khuyến nghị sử dụng hàm lượng Co2+ khoảng 6% mol (mẫu CNF6) để đạt hiệu suất quang xúc tác cao nhất, áp dụng trong xử lý nước thải hữu cơ.

2. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Thử nghiệm phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ khác như tetracyclin, phenol để đánh giá phổ ứng dụng của vật liệu nano spinel pha tạp Co2+ trong môi trường thực tế.

3. Nâng cao quy mô tổng hợp: Phát triển quy trình tổng hợp đốt cháy dung dịch ở quy mô lớn, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả kinh tế, phục vụ sản xuất công nghiệp.

4. Tăng cường tái sử dụng vật liệu: Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu qua nhiều chu kỳ để giảm chi phí và tăng tính bền vững trong ứng dụng thực tế.

5. Phát triển vật liệu composite: Kết hợp nano spinel với các vật liệu bán dẫn khác để cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và tăng hiệu quả quang xúc tác.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano: Tìm hiểu phương pháp tổng hợp đốt cháy dung dịch và ảnh hưởng pha tạp ion kim loại đến cấu trúc, tính chất vật liệu nano spinel.

2. Chuyên gia môi trường và xử lý nước thải: Áp dụng vật liệu quang xúc tác nano spinel pha tạp Co2+ trong xử lý ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt là phân hủy các chất nhuộm và thuốc kháng sinh.

3. Sinh viên và học viên cao học ngành Hóa học, Vật liệu: Tham khảo quy trình thực nghiệm, phân tích dữ liệu và ứng dụng các phương pháp vật lý hiện đại trong nghiên cứu vật liệu nano.

4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác: Nghiên cứu phát triển sản phẩm mới dựa trên vật liệu nano spinel có hoạt tính quang xúc tác cao, thân thiện môi trường, đáp ứng nhu cầu thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp đốt cháy dung dịch có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Phương pháp này tổng hợp nhanh, ở nhiệt độ thấp (500oC), thiết bị đơn giản, sản phẩm có độ tinh khiết cao và kích thước hạt nano đồng đều, tiết kiệm năng lượng so với phương pháp sol-gel hay thủy nhiệt.

2. Tại sao pha tạp ion Co2+ lại làm tăng hiệu suất quang xúc tác?
   Ion Co2+ thay thế Ni2+ làm thay đổi cấu trúc mạng tinh thể, giảm kích thước hạt, tăng diện tích bề mặt và cải thiện sự phân bố cation, từ đó tăng khả năng tạo cặp electron-lỗ trống và sinh ra gốc oxy hóa mạnh hơn.

3. Thời gian cân bằng hấp phụ metylen xanh là bao lâu?
   Thời gian cân bằng hấp phụ đạt sau khoảng 30 phút trong bóng tối, sau đó hiệu suất hấp phụ không tăng đáng kể, đây là thời gian chuẩn để bắt đầu chiếu sáng trong thí nghiệm quang xúc tác.

4. Hiệu suất phân hủy metylen xanh đạt được là bao nhiêu?
   Với mẫu CNF6 pha tạp 6% Co2+ và có mặt H2O2, hiệu suất phân hủy MB đạt tới 83,06% sau 300 phút chiếu sáng bằng đèn LED 30W.

5. Vật liệu có thể tái sử dụng bao nhiêu lần mà không giảm hiệu quả?
   Theo các nghiên cứu tương tự, vật liệu NiFe2O4 có thể tái sử dụng ít nhất 5 lần với hiệu suất phân hủy vẫn trên 90%, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm với mẫu pha tạp Co2+ để xác định chính xác.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công nano spinel NiFe2O4 pha tạp Co2+ bằng phương pháp đốt cháy dung dịch ở 500oC với kích thước tinh thể từ 13,4 đến 19,6 nm.
• Pha tạp Co2+ làm tăng hằng số mạng, thể tích ô mạng cơ sở và thay đổi dao động M–O trong phổ IR, đồng thời giảm kích thước hạt và cải thiện độ phân tán.
• Hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh được cải thiện rõ rệt, đạt hiệu suất tối đa 83,06% với mẫu CNF6 sau 300 phút chiếu sáng.
• Quá trình phân hủy tuân theo động học bậc 1, thời gian cân bằng hấp phụ là 30 phút.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng, tối ưu quy trình tổng hợp và phát triển vật liệu composite để nâng cao hiệu quả quang xúc tác.

Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và thực nghiệm quan trọng cho việc phát triển vật liệu quang xúc tác nano spinel ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp có thể tiếp cận để ứng dụng và phát triển sản phẩm mới trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vật liệu nano đã phát triển một cách vô cùng nhanh chóng nhằm giải quyết các vấn đề về môi trƣờng, sinh thái và con ngƣời. Mức sản xuất hiện nay của vật liệu nano đã lớn và đƣợc dự báo sẽ tăng lên rất nhiều. Trong số các oxit phức hợp kiểu spinel, nano ferit (MFe2O4) đã thu hút đƣợc sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học do sự đa dạng về thành phần, cấu trúc cũng nhƣ khả năng ứng dụng. Trong lĩnh vực xúc tác, chúng có thể làm cho nhiều phản ứng đạt tốc độ tối đa và cho hiệu suất chuyển hóa lớn nhất.

Ngoài ra, các ferit còn là vật liệu quan trọng trong các thiết bị điện, từ … Niken ferit (NiFe2O4) là một trong số các nano ferit có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. NiFe2O4 thuộc loại spinel đảo với các ion Fe3+ ở hốc tứ diện và hốc bát diện chứa ion Fe3+ và Ni2+. Kết quả của nhiều nghiên cứu cho thấy, khi pha tạp một số ion kim loại nhƣ Zn2+, Co2+, Mn2+,. sự phân bố của các cation trong hốc tứ diện và bát diện thay đổi, làm cho tính chất của NiFe2O4 thay đổi đáng kể, nhất là hoạt tính quang xúc tác.

Nhằm mục đích nghiên cứu ảnh hƣởng của ion Co2+ đến cấu trúc, tính chất của NiFe2O4, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Tổng hợp, nghiên cứu đặc trƣng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của nano spinel NiFe2O4 pha tạp Co2+”. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. Vật liệu nano 1. Định nghĩa và phân loại vật liệu nano Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thƣớc nano mét [5].

Kích thƣớc nano đƣợc hiểu là phạm vi chiều dài khoảng từ 1nm đến 100nm. Các vật liệu có cấu trúc ở cấp độ nano thƣờng có các tính chất quang học, điện hoặc cơ học độc đáo nên nó là đối tƣợng của hai lĩnh vực là khoa học nano (nanoscience) và công nghệ nano (nanotechnology), đồng thời là sợi dây liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Một số ví dụ về vật liệu nano: hạt nano (a), ống nano (b), màng nano (c) và vật liệu có cấu trúc nano (d) 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Thông thƣờng vật liệu nano đƣợc phân ra thành nhiều loại, phụ thuộc vào trạng thái, cấu trúc, bản chất, tính chất của vật liệu…[5,15]. Dựa vào trạng thái, ngƣời ta phân chia vật liệu thành ba dạng: rắn, lỏng và khí.

Vật liệu nano đƣợc tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Dựa vào bản chất vật liệu, ngƣời ta phân thành: chấm lƣợng tử, hỗn hợp nano, chất dẻo nano, gốm nano, giọt nano, chất lỏng nano. Dựa vào tính chất của vật liệu, ngƣời ta phân thành các loại sau: + Vật liệu nano từ tính: Fe3O4, MFe2O4, Co3O4, NiO… + Vật liệu nano kim loại: Au, Ag, Pt, Pd… + Vật liệu nano bán dẫn: SiO2, TiO2, ZnO, Al2O3… + Vật liệu nano oxit: Mn2O3, MnO2, Fe2O3… Dựa vào hình dạng vật liệu, ngƣời ta phân ra thành các loại sau: + Vật liệu nano không chiều (0D): các đám nano, hạt nano. + Vật liệu nano một chiều (1D): dây nano (sợi nano), ống nano… + Vật liệu nano hai chiều (2D): màng mỏng… + Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thƣớc nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.

Tính chất của vật liệu nano Vật liệu nano nằm giữa tính chất lƣợng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu [5]. Khi kích thƣớc của vật chất giảm tới kích thƣớc nanomet, các điện tử không còn di chuyển trong chất dẫn điện, mà đặc tính cơ lƣợng tử của các điện tử biểu hiện ra ở dạng sóng. Kích thƣớc nhỏ dẫn đến những hiện tƣợng lƣợng tử mới và tạo cho vật chất có thêm những đặc tính kỳ thú mới, chẳng hạn nhƣ: hiệu ứng đƣờng hầm, sự thay đổi những tính chất của vật chất chẳng hạn nhƣ tính chất điện và tính chất quang phi tuyến. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Mối liên hệ giữa tính chất của vật chất và kích thƣớc là chúng tuân theo "định luật tỉ lệ" (scaling law).

Những tính chất căn bản của vật chất, chẳng hạn nhƣ nhiệt độ nóng chảy của một kim loại, từ tính của một chất, và năng lƣợng vùng cấm của chất bán dẫn phụ thuộc rất nhiều vào kích thƣớc của tinh thể thành phần nếu chúng nằm trong giới hạn của kích thƣớc nanomet. Nguyên nhân là do sự thay đổi lớn diện tích bề mặt (hiệu ứng bề mặt) và kích thƣớc tới hạn của vật liệu. Hiệu ứng bề mặt: Ở kích thƣớc nano, tỉ lệ các nguyên tử trên bề mặt thƣờng rất lớn so với tổng thể tích hạt. Do đó hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thƣớc nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối và thƣờng có hoạt tính hóa học cao.

Hiệu ứng kích thƣớc: Khi kích thƣớc của vật rắn giảm xuống một cách đáng kể theo 1, 2 hay 3 chiều, các tính chất vật lí nhƣ cơ, nhiệt, điện, từ, quang của vật thay đổi một cách đột ngột, do sự thay đổi hình dạng và kích thƣớc nano của chúng. Ứng dụng của vật liệu nano Do sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ nano mà vật liệu nano có nhiều ứng dụng quan trọng trong các ngành y học, sinh học, xúc tác, quang học, mỹ phẩm, dệt may… Y dƣợc là thị trƣờng lớn nhất tiêu thụ vật liệu nano, nó chiếm khoảng 30% lƣợng tiêu thụ vật liệu nano hàng năm. Hạt nano từ tính có các ứng dụng cả ngoài cơ thể và trong cơ thể. Phân tách và chọn lọc tế bào bằng việc sử dụng hạt nano từ tính là một phƣơng pháp tiên tiến.

Các thực thể sinh học cần nghiên cứu sẽ đƣợc đánh dấu thông qua các hạt nano từ tính. Các hạt từ tính đƣợc bao phủ bởi các chất hoạt hóa, tƣơng tự các phân tử trong hệ miễn dịch, có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thƣ, vi khuẩn… Một từ trƣờng bên ngoài sẽ tạo lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào đƣợc đánh dấu và giữ chúng lại, các tế bào không đƣợc đánh dấu sẽ thoát ra ngoài. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Hạt nano đƣợc ứng dụng để dẫn truyền thuốc đến một vị trí nào đó trên cơ thể là ứng dụng nổi bật nhất. Trong ứng dụng này, thuốc đƣợc liên kết với hạt nano có tính chất từ (thƣờng sử dụng là oxit sắt (magnetite Fe3O4, maghemite γ - Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tƣơng hợp sinh học nhƣ PVA, silica), bằng cách điều khiển từ trƣờng để hạt nano cố định ở một vị trí trong một thời gian đủ dài để thuốc có thể khuyếch tán vào các cơ quan mong muốn, giúp thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể làm giảm tác dụng phụ của thuốc và giảm lƣợng thuốc điều trị [11].

Phƣơng pháp này rất thuận lợi trong điều trị u não vì việc dẫn truyền thuốc vào u não rất khó khăn. Nhờ sự trợ giúp của hạt nano, việc dẫn truyền thuốc hiệu quả hơn rất nhiều. Ngoài ra, những hạt nano phát quang khi đi vào cơ thể và khu trú tập trung tại các vùng bệnh, kết hợp với kỹ thuật thu nhận tín hiệu phản xạ quang học giúp con ngƣời có thể phát hiện các mầm bệnh và có biện pháp điều trị kịp thời. Ứng dụng trong sinh học: Nano-bio đang hình thành, sẽ tạo ra những vật liệu mới tạo mô xƣơng, các bộ phận thay thế y sinh học dùng cho con ngƣời nhƣ da, băng thông minh, tăng độ sắc nét hình ảnh trong cộng hƣởng từ hạt nhân (MRI contrast enhancement), phân tách tế bào (magnetic cell separation)…[15].

Ngành phỏng sinh học nano hƣớng đến việc chế tạo những vật liệu mô phỏng các khả năng đặc biệt của các loài động thực vật trong tự nhiên. Ví dụ hiện tƣợng lá sen luôn sạch sẽ và không bao giờ ƣớt là do cấu trúc bề mặt có các cột nhỏ cỡ nanomet, cách nhau khoảng vài micromet tạo nên bề mặt không thấm nƣớc. Từ đó, các nhà khoa học đã sản xuất ra vật liệu polyme mô phỏng cấu trúc của lá sen, có khả năng không thấm nƣớc, mang lại nhiều ứng dụng trong y tế và đời sống. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trong lĩnh vực năng lƣợng, đặc biệt là năng lƣợng tái tạo [10], ứng dụng của các vật liệu cấu trúc nano ngày càng trở nên quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất của các thiết bị chuyển đổi năng lƣợng đó nhƣ: + Trong thiết bị quang điện: các pin mặt trời đƣợc tối ƣu hóa bằng vật liệu và cấu trúc nano (polymer, chất nhuộm, chấm lƣợng tử, màng mỏng, cấu trúc đa chuyển tiếp, các lớp chống phản xạ).

+ Năng lƣợng gió: các vật liệu nanocomposite và các lớp phủ nano chống ăn mòn ứng dụng vào các cánh quạt của turbine gió nhằm giảm khối lƣợng và nâng cao độ bền của chúng. + Địa nhiệt: các lớp phủ nano và nanocomposite ứng dụng cho các thiết bị khoan sâu. + Năng lƣợng sinh khối: cung cấp sự tối ƣu hóa bằng nông nghiệp chính xác sử dụng công nghệ nano (sử dụng các nanosensor nhằm kiểm soát chặt chẽ việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật và phân bón). + Nhiên liệu hóa thạch: các lớp chống ăn mòn cho các thiết bị thăm dò dầu khí.

Sử dụng hạt nano nhằm tăng lƣợng dầu khai thác đƣợc. + Năng lƣợng hạt nhân: các vật liệu nanocomposite sử dụng cho việc che chắn phóng xạ (các thiết bị cá nhân, thùng chứa, …), là phƣơng án dài hạn cho các lò phản ứng nhiệt hạch… Đối với lĩnh vực lƣu trữ thông tin: Các hạt màu siêu mịn thƣờng tạo ra chất lƣợng cao hơn về màu sắc, độ bao phủ và chất bền màu. Trên thực tế, các hạt nano thƣờng đƣợc ứng dụng trong audio, băng video và đĩa hiện đại, chúng phụ thuộc vào tính chất quang và tính chất từ của hạt mịn. Với các tiến bộ kĩ thuật, càng ngày con ngƣời càng chế tạo các loại vật liệu lƣu trữ thông tin có dung lƣợng lớn nhƣng kích thƣớc ngày càng nhỏ gọn.