Nghiên Cứu Đặc Trưng Cấu Trúc và Hoạt Tính Quang Xúc Tác của Nano Spinel CuxNi1-xFe2O4 (x = 0÷0,5)

• Tác giả: Vũ Thị Hoa
• 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 CuxNi1-xFe2O4
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Tổng quan về spinel
• 1.2. Cấu trúc, phân loại spinel
• 1.3. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano spinel
• 1.3.1. Phương pháp đồng kết tủa
• 1.3.2. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.3.3. Phương pháp sol-gel
• 1.3.4. Phương pháp tổng hợp đốt cháy
• 1.3.4.1. Phương pháp đốt cháy dung dịch (SC)
• 1.4. Giới thiệu về phẩm nhuộm và Rhodamin B
• 1.4.1. Giới thiệu chung về Rhodamine B
• 1.4.2. Phương pháp oxi hóa nâng cao
• 1.4.2.1. Tổng quan về quá trình oxi hóa nâng cao
• 1.4.2.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng xúc tác ferit trong các quá trình oxi hóa nâng cao hiện nay
• 1.5. Dụng cụ, hóa chất, máy móc
• 1.6. Tổng hợp hệ vật liệu CuxNi1-xFe2O4 (x =0 ÷ 0,5) bằng phương pháp đốt cháy dung dịch
• 1.7. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu
• 1.7.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen
• 1.7.2. Phương pháp phổ hồng ngoại
• 1.7.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét và hiển vi điện tử truyền qua
• 1.7.4. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X
• 1.7.5. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến
• 1.7.6. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng
• 1.7.7. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại- khả kiến
• 1.8. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ Rhodamin B
• 1.9. Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rhodamin B của các nano spinel CuxNi1-xFe2O4
• 1.9.1. Khảo sát thời gian đặt cân bằng hấp phụ
• 1.9.2. Khảo sát ảnh hưởng của ion Cu 2+ đến hoạt tính quang xúc tác phân huỷ Rhodamin B
• 1.9.3. Khảo sát ảnh hưởng của lượng H2O2
• 1.9.4. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu
• 1.9.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ RhB
• 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 diện tích bề mặt riêng của các mẫu
• 2.6. Kết quả nghiên cứu mẫu bằng phương pháp phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (DRS)
• 2.7. Kết quả nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rhodamine B của các mẫu
• 2.8. Kết quả xác định thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 2.9. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của ion Cu2+ đến hoạt tính quang xúc tác của mẫu
• 2.10. Ảnh hưởng của thể tích H2O2 30%
• 2.11. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu
• 2.12. Ảnh hưởng của nồng độ Rhodamin B
• 2.13. Nghiên cứu động học của phản ứng phân hủy RhB trên các vật liệu
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Cấu Trúc Nano Spinel CuxNi1 xFe2O4 Giới Thiệu

Vật liệu ferit spinel với công thức MFe2O4 (M là ion kim loại hóa trị II) đang thu hút sự quan tâm lớn trong nghiên cứu khoa học. Nhờ những đặc tính ưu việt, chúng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như vật liệu từ tính, cảm biến khí, và đặc biệt là xúc tác xử lý môi trường. Trong lĩnh vực quang xúc tác, với năng lượng vùng cấm nhỏ (khoảng 2 eV), các ferit này trở thành chất xúc tác tiềm năng cho việc phân hủy các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm. Ưu điểm nổi bật là khả năng dễ dàng tách chúng ra khỏi hệ phản ứng sau quá trình nhờ từ trường ngoài. NiFe2O4, một ferit từ mềm, thuộc loại spinel đảo với ion Fe3+ chiếm cả hốc tứ diện và bát diện, trong đó hốc bát diện còn chứa ion Ni2+. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc pha tạp một số ion kim loại có thể thay đổi đáng kể tính chất của NiFe2O4, đặc biệt là hoạt tính quang xúc tác.

1.1. Cấu trúc tinh thể spinel Phân loại và đặc điểm

Cấu trúc spinel thường có dạng MFe2O4, với M là các ion kim loại hóa trị II (Fe2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Ni2+, Mg2+...). Cấu trúc này là khối lập phương chứa các ion oxi. Tùy thuộc vào sự phân bố cation, có ba loại cấu trúc spinel: spinel thuận, spinel nghịch và spinel hỗn hợp. Trong spinel thuận, ion M2+ chiếm vị trí tứ diện (A), ion Fe3+ chiếm vị trí bát diện (B). Spinel nghịch có ion M2+ ở vị trí bát diện (B), ion Fe3+ phân bố đều ở cả vị trí A và B. Spinel hỗn hợp có cả ion M2+ và Fe3+ phân bố ở cả hai vị trí. Độ đảo của ferit đặc trưng cho kiểu spinel hỗn hợp. NiFe2O4 có cấu trúc spinel đảo, (Fe3+)[Ni2+ Fe3+]O4, với tất cả ion Ni2+ ở vị trí bát diện (B) và ion Fe3+ phân bố đều ở cả hai vị trí.

1.2. Ứng dụng của vật liệu nano spinel Tiềm năng và thách thức

Nano spinel đang mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, từ xúc tác quang đến năng lượng mặt trời. Với diện tích bề mặt lớn và kích thước hạt nhỏ, chúng thể hiện hoạt tính xúc tác cao, hứa hẹn giải pháp hiệu quả cho xử lý nước thải và phân hủy chất ô nhiễm. Tuy nhiên, việc kiểm soát kích thước hạt, độ ổn định, và sự tái tổ hợp điện tử-lỗ trống vẫn là những thách thức cần vượt qua để tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng ứng dụng của chúng.

II. Vấn Đề Hiệu Suất Quang Xúc Tác Thấp Của Nano Spinel Fe2O4

Mặc dù nano spinel thể hiện nhiều hứa hẹn trong lĩnh vực quang xúc tác, một vấn đề lớn là hiệu suất của chúng thường không cao. Sự tái tổ hợp điện tử - lỗ trống là một yếu tố chính hạn chế hiệu quả phân hủy chất ô nhiễm. Bản thân Fe2O4 có vùng cấm năng lượng phù hợp, nhưng hiệu suất quang xúc tác còn thấp so với các vật liệu khác như TiO2. Do đó, việc cải thiện hiệu suất của nano spinel trở thành mục tiêu quan trọng trong nghiên cứu và phát triển ứng dụng.

2.1. Tái tổ hợp điện tử lỗ trống Nguyên nhân và ảnh hưởng

Sự tái tổ hợp điện tử - lỗ trống xảy ra khi các điện tử bị kích thích bởi ánh sáng trở lại trạng thái ban đầu trước khi có thể tham gia vào quá trình xúc tác. Điều này làm giảm số lượng điện tử và lỗ trống có sẵn để phản ứng với các chất ô nhiễm, dẫn đến hiệu suất quang xúc tác thấp hơn. Việc giảm thiểu sự tái tổ hợp này là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu quả của vật liệu nano spinel.

2.2. Ảnh hưởng của thành phần hóa học Vai trò của các ion kim loại

Thành phần hóa học của nano spinel có ảnh hưởng lớn đến hoạt tính quang xúc tác. Sự có mặt của các ion kim loại khác nhau có thể thay đổi cấu trúc tinh thể spinel, diện tích bề mặt, và khả năng hấp thụ ánh sáng. Việc pha tạp các ion kim loại phù hợp có thể tạo ra các khuyết tật hoặc trung tâm hoạt động, từ đó cải thiện khả năng tách điện tử - lỗ trống và tăng cường hiệu suất xúc tác.

2.3. Khó khăn trong điều chỉnh kích thước hạt nano spinel

Việc kiểm soát chính xác kích thước hạt nano là rất quan trọng để tối ưu hóa diện tích bề mặt và hoạt tính xúc tác. Kích thước hạt nano quá lớn có thể làm giảm diện tích bề mặt và khả năng tiếp xúc với chất ô nhiễm. Ngược lại, kích thước hạt nano quá nhỏ có thể dẫn đến sự kết tụ và làm giảm độ ổn định quang xúc tác.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Nano Spinel CuxNi1 xFe2O4 Bằng Đốt Cháy

Phương pháp tổng hợp đốt cháy (Combustion Synthesis - CS) nổi lên như một kỹ thuật quan trọng để điều chế và xử lý các vật liệu gốm mới, vật liệu nano composite và chất xúc tác. Đây là quá trình tổng hợp tự lan truyền ở nhiệt độ cao, xảy ra do phản ứng tỏa nhiệt mạnh giữa hợp phần chứa kim loại và hợp phần không kim loại. Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị đơn giản, sản phẩm có độ tinh khiết cao, dễ dàng kiểm soát hình dạng và kích thước sản phẩm.

3.1. Cơ chế phản ứng trong tổng hợp đốt cháy Tam giác cháy

Để tạo ra ngọn lửa trong tổng hợp đốt cháy, cần có một chất oxy hóa, một nhiên liệu và nhiệt độ thích hợp, tạo thành một tam giác đốt cháy. Chất nền như ure, glyxin, cacbohydrazin (CH) được sử dụng theo tỉ lệ của phương trình phản ứng tương ứng. Chất nền đóng vai trò nhiên liệu tạo ra các phân tử khí đơn giản như CO2, H2O, đồng thời phân bố đều các cation kim loại trong dung dịch nhờ khả năng tạo phức với các ion kim loại.

3.2. Ưu điểm của phương pháp đốt cháy dung dịch SC

Phương pháp đốt cháy dung dịch dễ dàng và nhanh chóng, sử dụng thiết bị tương đối đơn giản. Chất nền thường là ure hoặc glixin, chứa liên kết C-N hỗ trợ quá trình đốt cháy. Điều kiện lý tưởng là chất nền dễ hòa tan trong nước, có nhiệt độ cháy thấp (<500oC), phản ứng êm dịu, tạo ra lượng lớn khí vô hại và chỉ thu được oxit sau quá trình đốt cháy.

3.3. Quy trình tổng hợp CuxNi1 xFe2O4 Các bước thực hiện

Quy trình tổng hợp CuxNi1-xFe2O4 bằng phương pháp đốt cháy dung dịch bao gồm các bước: chuẩn bị dung dịch chứa muối kim loại (Cu, Ni, Fe) với tỉ lệ mol mong muốn, thêm nhiên liệu (ví dụ: ure) vào dung dịch, đun nóng để dung dịch bay hơi và xảy ra phản ứng đốt cháy, thu được bột nano spinel, và cuối cùng là nung bột ở nhiệt độ cao để tăng độ kết tinh.

IV. Nghiên Cứu Cấu Trúc Nano Spinel Phân Tích XRD TEM BET

Việc nghiên cứu cấu trúc của nano spinel CuxNi1-xFe2O4 đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ tính chất quang xúc tác của vật liệu. Các phương pháp như XRD (Nhiễu xạ tia X), TEM (Kính hiển vi điện tử truyền qua), và BET (phương pháp đo diện tích bề mặt) được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể spinel, kích thước hạt, hình thái học, và diện tích bề mặt của vật liệu.

4.1. Phân tích XRD Xác định cấu trúc tinh thể spinel

Phương pháp XRD được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể spinel của vật liệu. Dựa vào các đỉnh nhiễu xạ trên giản đồ XRD, có thể xác định pha spinel và tính toán các thông số mạng tinh thể (hằng số mạng, thể tích ô mạng cơ sở). Sự thay đổi thành phần Cu/Ni có thể ảnh hưởng đến thông số mạng tinh thể.

4.2. Quan sát TEM Đánh giá kích thước hạt nano và hình thái

Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM cho phép quan sát trực tiếp kích thước hạt nano và hình thái của vật liệu. Ảnh TEM cung cấp thông tin về sự phân bố kích thước hạt, sự kết tụ, và cấu trúc tinh thể ở mức độ nano. Kích thước hạt nano và sự phân bố của chúng có ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác.

4.3. Đo BET Xác định diện tích bề mặt và độ xốp

Phương pháp BET đo lượng khí N2 hấp phụ trên bề mặt vật liệu để xác định diện tích bề mặt và độ xốp. Diện tích bề mặt lớn tạo điều kiện thuận lợi cho sự hấp phụ của các chất ô nhiễm, từ đó tăng cường hoạt tính quang xúc tác. Độ xốp cũng đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển các chất phản ứng đến bề mặt xúc tác.

V. Hoạt Tính Quang Xúc Tác Phân Hủy Rhodamine B Dưới Ánh Sáng

Nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác của nano spinel CuxNi1-xFe2O4 được thực hiện bằng cách sử dụng Rhodamine B (RhB) làm chất ô nhiễm mô hình. Quá trình phân hủy RhB dưới ánh sáng được theo dõi bằng phổ UV-Vis. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác như thành phần Cu/Ni, nồng độ RhB, và lượng chất xúc tác được khảo sát.

5.1. Cơ chế quang xúc tác Tạo ra các gốc tự do hoạt động

Khi nano spinel hấp thụ ánh sáng, các điện tử bị kích thích lên vùng dẫn, tạo ra các điện tử và lỗ trống. Các điện tử này có thể phản ứng với oxy hòa tan trong nước tạo thành các gốc superoxide (O2-), trong khi các lỗ trống có thể phản ứng với nước hoặc hydroxyl tạo thành các gốc hydroxyl (*OH). Các gốc tự do này là các tác nhân oxy hóa mạnh, có khả năng phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ.

5.2. Ảnh hưởng của thành phần Cu Ni đến hiệu suất phân hủy RhB

Thành phần Cu/Ni trong nano spinel CuxNi1-xFe2O4 có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất phân hủy RhB. Sự thay đổi tỉ lệ Cu/Ni có thể làm thay đổi cấu trúc tinh thể spinel, diện tích bề mặt, và khả năng hấp thụ ánh sáng, từ đó ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác. Một tỉ lệ Cu/Ni tối ưu có thể dẫn đến hiệu suất phân hủy cao nhất.

5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quang xúc tác pH nồng độ

Ngoài thành phần Cu/Ni, các yếu tố khác như pH của dung dịch, nồng độ chất ô nhiễm, và lượng chất xúc tác cũng ảnh hưởng đến quá trình quang xúc tác. pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt của nano spinel và khả năng hấp phụ chất ô nhiễm. Nồng độ chất ô nhiễm quá cao có thể làm giảm lượng ánh sáng đến bề mặt xúc tác. Lượng chất xúc tác quá ít có thể không đủ để phân hủy hết chất ô nhiễm.

VI. Kết Luận Tiềm Năng Phát Triển Nano Spinel CuxNi1 xFe2O4

Nghiên cứu về nano spinel CuxNi1-xFe2O4 đã cho thấy tiềm năng ứng dụng của vật liệu này trong lĩnh vực quang xúc tác để phân hủy chất ô nhiễm. Việc tối ưu hóa thành phần, cấu trúc, và điều kiện phản ứng có thể nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện độ ổn định của vật liệu, giảm thiểu sự tái tổ hợp điện tử-lỗ trống, và mở rộng ứng dụng trong xử lý nước thải thực tế.

6.1. Hướng nghiên cứu cải thiện độ ổn định quang xúc tác

Độ ổn định quang xúc tác là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả lâu dài của vật liệu. Các biện pháp để cải thiện độ ổn định bao gồm: bảo vệ bề mặt nano spinel khỏi sự ăn mòn, ngăn chặn sự kết tụ của các hạt nano, và tái tạo các trung tâm hoạt động sau quá trình xúc tác.

6.2. Ứng dụng thực tế Xử lý nước thải chứa chất ô nhiễm hữu cơ

Ứng dụng quang xúc tác của nano spinel trong xử lý nước thải chứa chất ô nhiễm hữu cơ là một hướng đi đầy tiềm năng. Vật liệu có thể được sử dụng để phân hủy các loại thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy khác, góp phần bảo vệ môi trường.

6.3. Phát triển vật liệu nano composite Tăng cường hiệu suất

Phát triển vật liệu nano composite bằng cách kết hợp nano spinel với các vật liệu khác (ví dụ: TiO2, graphene) có thể tạo ra các hệ xúc tác quang với hiệu suất cao hơn. Sự kết hợp này có thể tận dụng các ưu điểm của từng thành phần và giảm thiểu các nhược điểm, ví dụ như tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm sự tái tổ hợp điện tử-lỗ trống.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước thải, đặc biệt là từ ngành dệt nhuộm, trở thành một thách thức lớn. Theo ước tính, các hợp chất hữu cơ bền vững như phẩm nhuộm Rhodamine B (RhB) gây ô nhiễm nghiêm trọng và khó phân hủy sinh học. Do đó, nghiên cứu phát triển các vật liệu quang xúc tác hiệu quả để phân hủy các chất này là rất cần thiết. Luận văn tập trung vào tổng hợp và nghiên cứu đặc trưng cấu trúc cũng như hoạt tính quang xúc tác của nano spinel CuxNi1-xFe2O4 (x = 0 ÷ 0,5) nhằm nâng cao hiệu quả phân hủy RhB trong nước thải.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là khảo sát ảnh hưởng của ion Cu2+ đến cấu trúc tinh thể, kích thước hạt, diện tích bề mặt riêng và hoạt tính quang xúc tác của hệ nano spinel CuxNi1-xFe2O4. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Thái Nguyên trong năm 2021, sử dụng phương pháp đốt cháy dung dịch để tổng hợp vật liệu và các kỹ thuật phân tích hiện đại như nhiễu xạ Rơnghen (XRD), phổ hồng ngoại (IR), hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX), phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (DRS) và đo diện tích bề mặt riêng (BET).

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu quang xúc tác có khả năng phân hủy hiệu quả các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Các chỉ số hiệu suất phân hủy RhB đạt trên 90% sau 120 phút chiếu sáng cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Cấu trúc spinel: Vật liệu ferit spinel có công thức chung MFe2O4, trong đó M là ion kim loại hóa trị II như Ni2+, Cu2+. Cấu trúc spinel đảo của NiFe2O4 với ion Ni2+ chiếm vị trí bát diện và Fe3+ phân bố ở cả vị trí tứ diện và bát diện là cơ sở để nghiên cứu sự pha tạp ion Cu2+ ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất vật liệu.

• Quang xúc tác và quá trình oxi hóa nâng cao (AOPs): Quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ dựa trên sự tạo thành các gốc hydroxyl (●OH) có tính oxi hóa mạnh dưới tác động của ánh sáng và xúc tác ferit. Cơ chế photo-Fenton dị thể được áp dụng để giải thích sự tăng cường hiệu suất phân hủy RhB khi có mặt H2O2 và vật liệu CuxNi1-xFe2O4.

• Các khái niệm chính: kích thước tinh thể, hằng số mạng tinh thể, diện tích bề mặt riêng, năng lượng vùng cấm (Eg), hiệu suất phân hủy RhB, cân bằng hấp phụ.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu nano spinel CuxNi1-xFe2O4 (x = 0 ÷ 0,5) được tổng hợp bằng phương pháp đốt cháy dung dịch sử dụng ure làm nhiên liệu và các muối nitrat kim loại làm nguồn ion. Các mẫu được nung ở 500°C trong 3 giờ.

• Phương pháp phân tích:

  • XRD để xác định cấu trúc tinh thể, kích thước tinh thể và hằng số mạng.
  • IR để khảo sát liên kết M-O trong cấu trúc spinel.
  • SEM và TEM để quan sát hình thái học và kích thước hạt.
  • EDX để phân tích thành phần nguyên tố.
  • BET để đo diện tích bề mặt riêng và đặc tính mao quản.
  • DRS để xác định năng lượng vùng cấm.
  • UV-Vis để xây dựng đường chuẩn và đo hiệu suất phân hủy RhB.

• Phương pháp phân tích dữ liệu: Kích thước tinh thể được tính theo công thức Scherrer; năng lượng vùng cấm được xác định theo phương trình Wood-Tauc; hiệu suất phân hủy RhB được tính theo phần trăm giảm nồng độ dựa trên độ hấp thụ quang.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích vật liệu trong vòng 3 tháng; khảo sát hoạt tính quang xúc tác và các yếu tố ảnh hưởng trong 2 tháng tiếp theo; tổng hợp và thảo luận kết quả trong tháng cuối cùng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của ion Cu2+ đến cấu trúc tinh thể: Kích thước tinh thể của các mẫu CuxNi1-xFe2O4 thay đổi từ 12 nm đến 26 nm khi x tăng từ 0,1 đến 0,5. Hằng số mạng tinh thể giảm từ 8,484 Å (x=0) xuống còn 8,338 Å (x=0,5), thể tích ô mạng cơ sở giảm từ 610,648 ų xuống 579,675 ų. Điều này do ion Cu2+ có bán kính nhỏ hơn ion Ni2+ thay thế vào mạng tinh thể, làm thu nhỏ ô mạng.

2. Hình thái học và kích thước hạt: SEM và TEM cho thấy các hạt nano có dạng đa giác, kích thước đồng đều. Mẫu Cu0,5Ni0,5Fe2O4 có kích thước hạt khoảng 30 nm, nhỏ hơn so với mẫu NiFe2O4 khoảng 40 nm, phù hợp với kết quả XRD.

3. Diện tích bề mặt riêng và mao quản: Mẫu Cu0,5Ni0,5Fe2O4 có diện tích bề mặt riêng 20,37 m²/g, nhỏ hơn mẫu NiFe2O4 (23,22 m²/g). Tổng thể tích mao quản giảm từ 0,123 cm³/g xuống 0,037 cm³/g, trong khi đường kính mao quản trung bình tăng từ 22,3 nm lên 56,0 nm.

4. Năng lượng vùng cấm và hoạt tính quang xúc tác: Năng lượng vùng cấm giảm từ 2,12 eV (NiFe2O4) xuống 1,64 eV (Cu0,5Ni0,5Fe2O4), giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Hiệu suất phân hủy RhB sau 120 phút chiếu sáng đạt 61,47% với NiFe2O4 và tăng lên 93,93% với Cu0,5Ni0,5Fe2O4 khi có mặt H2O2.

Thảo luận kết quả

Sự pha tạp ion Cu2+ làm thay đổi cấu trúc tinh thể và giảm kích thước hạt, từ đó ảnh hưởng đến diện tích bề mặt và đặc tính quang xúc tác. Việc giảm năng lượng vùng cấm giúp vật liệu hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả hơn, tăng sinh cặp electron-lỗ trống và giảm tái tổ hợp, nâng cao hiệu suất tạo gốc hydroxyl ●OH trong quá trình phân hủy RhB.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với xu hướng tăng hoạt tính quang xúc tác khi pha tạp ion kim loại vào ferit spinel. Việc sử dụng phương pháp đốt cháy dung dịch giúp tổng hợp nhanh chóng, tiết kiệm năng lượng và tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD thể hiện sự dịch chuyển góc 2θ, biểu đồ hiệu suất phân hủy RhB theo thời gian, và bảng so sánh kích thước hạt, diện tích bề mặt riêng giữa các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa hàm lượng ion Cu2+: Khuyến nghị sử dụng nồng độ Cu2+ khoảng 0,4 - 0,5 để đạt hiệu suất quang xúc tác cao nhất, cải thiện hiệu quả xử lý nước thải trong vòng 120 phút chiếu sáng.

2. Ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp: Đề xuất triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy dệt nhuộm để đánh giá hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

3. Phát triển vật liệu composite: Kết hợp nano spinel CuxNi1-xFe2O4 với các vật liệu bán dẫn khác như TiO2 để tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và ổn định hoạt tính quang xúc tác trong điều kiện thực tế.

4. Nâng cao khả năng tái sử dụng: Nghiên cứu các phương pháp thu hồi và tái sử dụng vật liệu quang xúc tác bằng từ trường nhằm giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững của công nghệ.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm với sự phối hợp của các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp trong lĩnh vực xử lý môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Nắm bắt kiến thức về tổng hợp và đặc trưng vật liệu nano spinel, phương pháp phân tích hiện đại và ứng dụng quang xúc tác trong xử lý môi trường.

2. Chuyên gia công nghệ xử lý nước thải: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm và các ngành công nghiệp khác có chứa hợp chất hữu cơ khó phân hủy.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu quang xúc tác: Tham khảo quy trình tổng hợp đốt cháy dung dịch và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất vật liệu để cải tiến sản phẩm.

4. Cơ quan quản lý môi trường: Hiểu rõ về các công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, đánh giá tiềm năng ứng dụng và hỗ trợ chính sách phát triển công nghệ xanh.

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, tiết kiệm năng lượng, thiết bị đơn giản và tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao, kích thước hạt nano đồng đều, phù hợp cho sản xuất vật liệu quang xúc tác.

2. Ion Cu2+ ảnh hưởng như thế nào đến hoạt tính quang xúc tác của NiFe2O4?
   Ion Cu2+ thay thế Ni2+ trong mạng tinh thể làm giảm kích thước hạt, giảm năng lượng vùng cấm, tăng diện tích bề mặt và giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy RhB.

3. Tại sao cần sử dụng H2O2 trong quá trình quang xúc tác?
   H2O2 là tác nhân oxi hóa mạnh, tạo ra gốc hydroxyl ●OH dưới tác động của ánh sáng và xúc tác ferit, tăng cường hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ bền vững.

4. Thời gian cân bằng hấp phụ của RhB trên vật liệu là bao lâu?
   Thời gian cân bằng hấp phụ được xác định là khoảng 30 phút, sau đó hiệu suất hấp phụ không tăng đáng kể.

5. Năng lượng vùng cấm của vật liệu ảnh hưởng thế nào đến khả năng quang xúc tác?
   Năng lượng vùng cấm nhỏ hơn giúp vật liệu hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả hơn, tạo ra nhiều cặp electron-lỗ trống, tăng sinh gốc hydroxyl và nâng cao hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công nano spinel CuxNi1-xFe2O4 (x = 0 ÷ 0,5) bằng phương pháp đốt cháy dung dịch với kích thước tinh thể từ 12 đến 26 nm và cấu trúc spinel đảo đặc trưng.
• Ion Cu2+ pha tạp làm giảm hằng số mạng tinh thể, kích thước hạt và năng lượng vùng cấm, đồng thời ảnh hưởng đến diện tích bề mặt và mao quản của vật liệu.
• Hoạt tính quang xúc tác phân hủy Rhodamine B được cải thiện rõ rệt khi tăng hàm lượng Cu2+, đạt hiệu suất trên 90% sau 120 phút chiếu sáng với H2O2.
• Cơ chế phân hủy dựa trên quá trình photo-Fenton dị thể, tạo ra gốc hydroxyl ●OH có tính oxi hóa mạnh, phân hủy hiệu quả các hợp chất hữu cơ bền vững.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa vật liệu, mở rộng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp và phát triển công nghệ tái sử dụng vật liệu quang xúc tác.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu quả, thân thiện môi trường. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng kết quả để nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm nước thải.