Nghiên Cứu Cấu Trúc và Hoạt Tính Quang Xúc Tác của Nano Spinel ZnxNi1-xFe2O4

• Tác giả: Nguyễn Thị Yến
• 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 ZnxNi1-xFe2O4
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 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
• 1.5.1. Phương pháp đồng kết tủa
• 1.5.2. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.5.3. Phương pháp sol-gel
• 1.5.4. Phương pháp tổng hợp đốt cháy
• 1.6. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu
• 1.6.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen
• 1.6.2. Phương pháp phổ hồng ngoại
• 1.6.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét và hiển vi điện tử truyền qua
• 1.6.4. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X
• 1.6.5. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại- khả kiến
• 1.7. Tổng quan về vật liệu nano spinel
• 1.7.1. Cấu trúc và phân loại spinel
• 1.7.2. Tính chất của spinel
• 1.7.3. Một số kết quả nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng các nano spinel ferit
• 1.8. Giới thiệu về metylen xanh
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Dụng cụ, hóa chất, máy móc
• 2.2. Tổng hợp spinel ZnxNi1-xFe2O4 (x = 0 ÷ 0,5) bằng phương pháp đốt cháy dung dịch
• 2.3. Tổng hợp NiFe2O4 tinh khiết
• 2.4. Tổng hợp các mẫu ZnxNi1-xFe2O4 (x = 0 ÷ 0,5)
• 2.5. Các phương pháp nghiên cứu mẫu
• 2.6. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng quang xúc tác phân hủy metylen xanh của các nano spinel ZnxNi1-xFe2O4
• 2.6.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh
• 2.6.2. Khảo sát thời gian đặt cân bằng hấp phụ
• 2.6.3. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân huỷ metylen xanh
• 2.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của lượng H2O2
• 2.6.5. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả nghiên cứu vật liệu bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen
• 3.2. Kết quả nghiên cứu vật liệu bằng phương pháp phổ hồng ngoại
• 3.3. Kết quả nghiên cứu hình thái học của vật liệu
• 3.4. Kết quả nghiên cứu vật liệu bằng phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X
• 3.5. Kết quả nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh của các mẫu
• 3.6. Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ
• 3.7. Kết quả nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân huỷ metylen xanh
• 3.8. Ảnh hưởng của lượng H2O2
• 3.9. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu
• 3.10. Động học của phản ứng
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Nano Spinel ZnxNi1 xFe2O4 Giới Thiệu

Nghiên cứu và phát triển vật liệu nano đang trở thành một lĩnh vực quan trọng, hứa hẹn giải quyết nhiều vấn đề về môi trường, năng lượng và y tế. Trong số các vật liệu nano, nano spinel có công thức tổng quát là MFe2O4 (M là kim loại hóa trị II) thu hút sự quan tâm đặc biệt do tính đa dạng về thành phần, cấu trúc và khả năng ứng dụng rộng rãi. Chúng có tiềm năng lớn trong quang xúc tác, điện tử, từ tính, và nhiều lĩnh vực khác. Đặc biệt, NiFe2O4 là một nano ferit được nghiên cứu nhiều vì cấu trúc và tính chất đặc biệt của nó. Bài viết này sẽ tập trung vào việc tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của nano spinel ZnxNi1-xFe2O4. Nghiên cứu này sẽ góp phần vào việc hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của ion Zn2+ đến cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của NiFe2O4, mở ra hướng ứng dụng tiềm năng trong xử lý ô nhiễm môi trường.

1.1. Tổng Quan Về Vật Liệu Nano Spinel Ferit MFe2O4

Vật liệu nano spinel ferit (MFe2O4) là một loại oxit hỗn hợp có cấu trúc spinel, thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học nhờ tính chất từ tính, điện và quang xúc tác. Cấu trúc spinel có dạng AB2O4, trong đó A và B là các cation kim loại. Các nano spinel ferit được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xử lý ô nhiễm môi trường, cảm biến, lưu trữ dữ liệu và y sinh. Nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng của việc thay đổi thành phần cation (Zn, Ni) đến cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano spinel.

1.2. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Nano Spinel Trong Quang Xúc Tác

Hoạt tính quang xúc tác là một trong những tính chất quan trọng của nano spinel, cho phép chúng được sử dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ. Khi vật liệu quang xúc tác hấp thụ ánh sáng có năng lượng lớn hơn vùng cấm năng lượng, các electron được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Các cặp này có thể tham gia vào các phản ứng oxy hóa khử, phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ thành các chất vô hại như CO2 và H2O. Việc cải thiện hiệu suất quang xúc tác của nano spinel là một hướng nghiên cứu quan trọng.

II. Thách Thức Ảnh Hưởng Của Cấu Trúc Đến Hoạt Tính Quang Xúc Tác

Mặc dù nano spinel có tiềm năng lớn trong quang xúc tác, việc tối ưu hóa hoạt tính quang xúc tác vẫn còn là một thách thức. Cấu trúc spinel ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất điện tử, quang học và từ tính của vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng, sự phân tách electron-lỗ trống và hiệu quả của các phản ứng oxy hóa khử. Việc hiểu rõ mối quan hệ giữa cấu trúc spinel và hoạt tính quang xúc tác là rất quan trọng để thiết kế và tổng hợp các vật liệu quang xúc tác hiệu quả hơn. Nghiên cứu này tập trung vào việc khám phá ảnh hưởng của việc thay đổi thành phần Zn trong ZnxNi1-xFe2O4 đến cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu.

2.1. Sự Phân Bố Cation Ảnh Hưởng Đến Tính Chất Vật Lý Của Spinel

Sự phân bố các cation kim loại trong cấu trúc tứ diện và bát diện của spinel có ảnh hưởng lớn đến các tính chất vật lý của vật liệu. Khi pha tạp các ion kim loại khác nhau, sự phân bố này có thể thay đổi, dẫn đến sự thay đổi về độ từ dư, lực kháng từ, vùng cấm năng lượng và các tính chất khác. Nghiên cứu này sẽ khảo sát sự thay đổi về cấu trúc và tính chất của ZnxNi1-xFe2O4 khi thay đổi tỷ lệ Zn/Ni.

2.2. Vấn Đề Ô Nhiễm Môi Trường Và Vai Trò Của Vật Liệu Quang Xúc Tác

Ô nhiễm môi trường do các chất ô nhiễm hữu cơ đang là một vấn đề cấp bách trên toàn cầu. Các vật liệu quang xúc tác, bao gồm nano spinel, có thể đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết vấn đề này bằng cách phân hủy các chất ô nhiễm thành các sản phẩm vô hại. Việc phát triển các vật liệu quang xúc tác hiệu quả và bền vững là một mục tiêu quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Nano Spinel Đốt Cháy Dung Dịch Tối Ưu

Để tạo ra nano spinel ZnxNi1-xFe2O4 với cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác mong muốn, cần có một phương pháp tổng hợp phù hợp. Phương pháp đốt cháy dung dịch (Combustion Synthesis - CS) là một lựa chọn hiệu quả, cho phép kiểm soát kích thước hạt nano, độ tinh khiết và cấu trúc spinel của sản phẩm. Trong phương pháp này, các muối kim loại được hòa tan trong dung dịch và sau đó đốt cháy với một nhiên liệu thích hợp. Nhiệt độ cao trong quá trình đốt cháy thúc đẩy quá trình hình thành nano spinel với cấu trúc và thành phần được kiểm soát. Theo tài liệu gốc, nano spinel được tổng hợp bằng phương pháp đốt cháy dung dịch sử dụng cacbohydrazit (CH) làm nhiên liệu. Bằng cách thay đổi tỷ lệ Zn/Ni trong dung dịch, có thể điều chỉnh cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của nano spinel.

3.1. Quy Trình Tổng Hợp Nano Spinel ZnxNi1 xFe2O4 Bằng CS

Quá trình tổng hợp nano spinel ZnxNi1-xFe2O4 bằng phương pháp đốt cháy dung dịch bao gồm các bước chính sau: (1) Chuẩn bị dung dịch chứa các muối kim loại (Zn, Ni, Fe) với tỷ lệ mol mong muốn; (2) Thêm nhiên liệu (ví dụ: cacbohydrazit) vào dung dịch; (3) Đun nóng dung dịch đến khi xảy ra phản ứng đốt cháy; (4) Thu thập sản phẩm sau khi đốt cháy và nung kết ở nhiệt độ thích hợp để cải thiện độ kết tinh và loại bỏ các tạp chất. Việc kiểm soát các thông số như nhiệt độ đốt cháy, tỷ lệ nhiên liệu và nhiệt độ nung kết là rất quan trọng để thu được nano spinel với chất lượng cao.

3.2. Ưu Điểm Của Phương Pháp Đốt Cháy Dung Dịch So Với Các Phương Pháp Khác

Phương pháp đốt cháy dung dịch có nhiều ưu điểm so với các phương pháp tổng hợp nano spinel khác như phương pháp đồng kết tủa, phương pháp sol-gel và phương pháp thủy nhiệt. Ưu điểm của phương pháp CS bao gồm: (1) Thời gian tổng hợp ngắn; (2) Chi phí thấp; (3) Dễ dàng kiểm soát kích thước hạt và thành phần; (4) Khả năng tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao. Do đó, phương pháp CS là một lựa chọn phù hợp để tổng hợp nano spinel ZnxNi1-xFe2O4 với các tính chất mong muốn.

IV. Nghiên Cứu Cấu Trúc XRD SEM TEM UV Vis DRS Phân Tích Chi Tiết

Để xác định cấu trúc, hình thái và tính chất quang học của nano spinel ZnxNi1-xFe2O4, các phương pháp phân tích vật liệu tiên tiến cần được sử dụng. Nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để xác định cấu trúc spinel, kích thước tinh thể và độ kết tinh của vật liệu. Hiển vi điện tử quét (SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cung cấp hình ảnh về hình thái và kích thước hạt nano. Phổ UV-Vis DRS (Diffuse Reflectance Spectroscopy) được sử dụng để xác định vùng cấm năng lượng và khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu. Kết hợp các phương pháp này cho phép hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của nano spinel.

4.1. Phân Tích XRD Xác Định Cấu Trúc Spinel Và Kích Thước Tinh Thể

Dữ liệu XRD cho phép xác định cấu trúc spinel của ZnxNi1-xFe2O4 bằng cách so sánh các đỉnh nhiễu xạ với dữ liệu tham khảo. Kích thước tinh thể có thể được ước tính bằng phương trình Scherrer từ độ rộng của các đỉnh nhiễu xạ. Sự thay đổi về vị trí và cường độ của các đỉnh nhiễu xạ khi thay đổi tỷ lệ Zn/Ni cho phép đánh giá ảnh hưởng của Zn đến cấu trúc spinel.

4.2. SEM TEM Khảo Sát Hình Thái Học Và Kích Thước Hạt Nano

Hình ảnh SEM và TEM cung cấp thông tin về hình thái học (ví dụ: hình cầu, hình que, hình tấm) và kích thước của các hạt nano spinel. Sự phân bố kích thước hạt và mức độ kết tụ cũng có thể được đánh giá từ các hình ảnh này. Việc kiểm soát kích thước hạt và hình thái học là rất quan trọng để tối ưu hóa hoạt tính quang xúc tác.

4.3. UV Vis DRS Xác Định Vùng Cấm Năng Lượng Của Vật Liệu

Phổ UV-Vis DRS cho phép xác định vùng cấm năng lượng của nano spinel ZnxNi1-xFe2O4. Vùng cấm năng lượng là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu. Sự thay đổi về vùng cấm năng lượng khi thay đổi tỷ lệ Zn/Ni cho phép đánh giá ảnh hưởng của Zn đến tính chất quang học của nano spinel.

V. Hoạt Tính Quang Xúc Tác Phân Hủy Methylene Blue MB Hiệu Quả

Để đánh giá hoạt tính quang xúc tác của nano spinel ZnxNi1-xFe2O4, phản ứng phân hủy methylene blue (MB), một chất ô nhiễm hữu cơ thường gặp, được sử dụng làm phản ứng thử nghiệm. Dung dịch MB được trộn với nano spinel và chiếu sáng bằng đèn UV hoặc đèn LED có bước sóng phù hợp. Sự giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu sáng được theo dõi bằng phổ UV-Vis. Hiệu suất quang xúc tác được tính toán từ sự giảm nồng độ MB. Theo tài liệu gốc, methylene blue được sử dụng làm chất ô nhiễm mô hình để đánh giá hoạt tính quang xúc tác.

5.1. Đánh Giá Hiệu Suất Quang Xúc Tác Qua Phân Hủy Methylene Blue

Việc phân hủy methylene blue (MB) dưới tác dụng của ánh sáng và nano spinel ZnxNi1-xFe2O4 cho thấy hoạt tính quang xúc tác của vật liệu. Hiệu suất quang xúc tác được tính toán dựa trên sự giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu sáng. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác, bao gồm tỷ lệ Zn/Ni, kích thước hạt, diện tích bề mặt và cường độ ánh sáng, được nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình phân hủy MB.

5.2. Cơ Chế Phản Ứng Quang Xúc Tác Của Nano Spinel ZnxNi1 xFe2O4

Cơ chế quang xúc tác của nano spinel ZnxNi1-xFe2O4 bao gồm các bước sau: (1) Hấp thụ ánh sáng và tạo ra các cặp electron-lỗ trống; (2) Sự di chuyển của electron và lỗ trống đến bề mặt vật liệu; (3) Các phản ứng oxy hóa khử giữa electron, lỗ trống và các phân tử trên bề mặt, bao gồm chất ô nhiễm hữu cơ và oxy hòa tan. Hydroxyl radical (•OH) đóng vai trò quan trọng trong quá trình oxy hóa chất ô nhiễm.

VI. Ứng Dụng Tương Lai Xử Lý Ô Nhiễm Môi Trường Bằng Nano Spinel

Nghiên cứu về nano spinel ZnxNi1-xFe2O4 mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải. Vật liệu nano này có thể được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải quy mô lớn hoặc trong các thiết bị lọc nước gia đình. Ngoài ra, nano spinel còn có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như sản xuất năng lượng sạch (ví dụ: pin mặt trời) và y sinh (ví dụ: cảm biến sinh học). Nghiên cứu sâu hơn về cải tiến quang xúc tác và khả năng ứng dụng của nano spinel là rất quan trọng.

6.1. Tiềm Năng Ứng Dụng Nano Spinel Trong Xử Lý Nước Thải

Nano spinel ZnxNi1-xFe2O4 có thể được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ như thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu và các hợp chất công nghiệp từ nước thải. Việc phát triển các hệ thống xử lý nước thải sử dụng nano spinel có thể giúp cải thiện chất lượng nước và bảo vệ môi trường.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Mở Rộng Cải Tiến Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm việc cải tiến quang xúc tác của nano spinel bằng cách pha tạp các ion kim loại khác, tạo vật liệu composite với các chất bán dẫn khác hoặc tăng diện tích bề mặt. Nghiên cứu về độ bền và khả năng tái sử dụng của nano spinel trong các điều kiện môi trường khác nhau cũng rất quan trọng để đảm bảo tính bền vững của công nghệ.

Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, vật liệu nano đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu phát triển nhanh chóng với nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp và môi trường. Theo ước tính, vật liệu nano chiếm khoảng 30% lượng tiêu thụ trong ngành y dược, đồng thời được ứng dụng rộng rãi trong xúc tác, điện tử, năng lượng tái tạo và xử lý môi trường. Trong số các vật liệu nano, nano spinel ferit MFe2O4 (M = Ni, Zn, Co, Mn…) được quan tâm đặc biệt do tính đa dạng về cấu trúc và tính chất vật lý, hóa học. NiFe2O4 là một trong những ferit spinel nghịch phổ biến, với ion Ni2+ chiếm vị trí lỗ bát diện và Fe3+ phân bố ở cả lỗ tứ diện và bát diện. Việc pha tạp ion Zn2+ vào NiFe2O4 được dự đoán sẽ làm thay đổi cấu trúc tinh thể, kích thước hạt và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp và khảo sát đặc trưng cấu trúc cũng như hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh của nano spinel ZnxNi1-xFe2O4 với x thay đổi từ 0 đến 0,5. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi tổng hợp vật liệu bằng phương pháp đốt cháy dung dịch, khảo sát cấu trúc bằng các kỹ thuật nhiễu xạ XRD, phổ hồng ngoại IR, hiển vi điện tử SEM, TEM và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX). Hoạt tính quang xúc tác được đánh giá qua hiệu suất phân hủy hợp chất hữu cơ metylen xanh dưới ánh sáng đèn LED trong điều kiện có mặt H2O2.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu quang xúc tác hiệu quả, thân thiện môi trường, góp phần xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ. Kết quả cũng mở ra hướng ứng dụng các nano spinel ferit pha tạp ion kim loại trong lĩnh vực xúc tác quang và công nghệ môi trường.

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 các cation kim loại có hóa trị II và III. Spinel có thể phân loại thành spinel thuận (A ở lỗ tứ diện, B ở lỗ bát diện), spinel nghịch (B ở lỗ tứ diện và bát diện, A ở lỗ bát diện) và spinel trung gian. Sự phân bố ion trong mạng tinh thể ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất vật lý và hóa học của vật liệu.

Phương pháp đốt cháy dung dịch (Solution Combustion - SC) được áp dụng để tổng hợp nano spinel ZnxNi1-xFe2O4. Phương pháp này dựa trên phản ứng oxi hóa khử giữa muối kim loại và nhiên liệu glyxin, tạo ra nhiệt lượng cao giúp hình thành vật liệu nano với kích thước hạt nhỏ, đồng nhất và độ tinh khiết cao.

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.
• Cơ chế quang xúc tác photo-Fenton dị thể với sự tham gia của H2O2 và ion Fe trong ferit.
• Định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer-Lambert-Beer trong phân tích phổ UV-Vis.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu vật liệu tổng hợp tại phòng thí nghiệm Hóa vô cơ, Đại học Sư phạm Thái Nguyên và các phòng thí nghiệm liên kết. Cỡ mẫu gồm các mẫu ZnxNi1-xFe2O4 với x = 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5.

Phương pháp tổng hợp: Đốt cháy dung dịch với glyxin làm nhiên liệu, nung mẫu ở 500oC trong 3 giờ. Các mẫu được chuẩn bị với tỷ lệ mol chính xác theo công thức phản ứng.

Phương pháp phân tích:

• Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha, cấu trúc tinh thể, kích thước hạt (cỡ mẫu: 6 mẫu, bước quét 0,03o, góc 2θ từ 20o đến 70o).
• Phổ hồng ngoại (FTIR) 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 phân tích thành phần nguyên tố.
• Phổ UV-Vis để đo nồng độ metylen xanh trong quá trình phân hủy.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, bao gồm tổng hợp mẫu, phân tích vật liệu và đánh giá hoạt tính quang xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tinh thể và kích thước hạt: Các mẫu ZnxNi1-xFe2O4 đều thu được pha đơn spinel cấu trúc lập phương. Kích thước tinh thể dao động từ 16 nm (x=0) đến khoảng 21 nm (x=0,2), tăng nhẹ khi tăng hàm lượng Zn2+. Hằng số mạng tinh thể và thể tích ô mạng cơ sở tăng theo hàm lượng Zn do ion Zn2+ có bán kính lớn hơn ion Ni2+ (0,74 Å so với 0,69 Å).

2. Phổ hồng ngoại: Các dao động đặc trưng của liên kết M-O ở lỗ tứ diện và bát diện xuất hiện ở vùng 580-584 cm-1 và 420-428 cm-1. Sự pha tạp Zn làm giảm nhẹ số sóng của các dao động này, phản ánh sự thay đổi phân bố ion Fe3+ giữa các vị trí trong mạng tinh thể.

3. Hình thái học: Ảnh SEM và TEM cho thấy các hạt nano có dạng hình cầu, kích thước đồng đều khoảng 20 nm, không thay đổi đáng kể khi pha tạp Zn.

4. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh: Hiệu suất phân hủy MB sau 300 phút chiếu sáng với H2O2 và vật liệu Zn0,3Ni0,7Fe2O4 đạt khoảng 90%, cao hơn so với mẫu NiFe2O4 tinh khiết (khoảng 75%). Hiệu suất tăng khi tăng lượng H2O2 đến 1,5 mL trong 100 mL dung dịch và khối lượng vật liệu đến 150 mg. Phản ứng phân hủy tuân theo động học bậc một với hằng số tốc độ cao nhất ở mẫu x=0,3.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng kích thước tinh thể và thể tích ô mạng khi pha tạp Zn2+ được giải thích do bán kính ion Zn2+ lớn hơn ion Ni2+, làm giãn mạng tinh thể. Sự thay đổi này ảnh hưởng đến phân bố ion Fe3+ trong lỗ tứ diện và bát diện, làm tăng hiệu quả tạo ra các vị trí hoạt động quang xúc tác.

Hiệu suất quang xúc tác tăng rõ rệt khi có mặt ion Zn2+ do giảm sự tái tổ hợp electron-lỗ trống, tăng khả năng tạo ra các gốc hydroxyl (•OH) tham gia phân hủy hợp chất hữu cơ. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ferit pha tạp Zn trong xúc tác quang.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phân hủy MB theo thời gian, biểu đồ hằng số tốc độ phản ứng theo hàm lượng Zn, và bảng so sánh kích thước hạt, hằng số mạng tinh thể giữa các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa hàm lượng Zn2+ trong spinel: Khuyến nghị sử dụng nồng độ Zn khoảng 30% mol để đạt hiệu suất quang xúc tác tối ưu, áp dụng trong xử lý nước thải hữu cơ trong vòng 6 tháng.

2. Điều chỉnh lượng H2O2 và khối lượng vật liệu: Đề xuất sử dụng 1,5 mL H2O2 và 150 mg vật liệu trong 100 mL dung dịch để cân bằng hiệu quả và chi phí, thực hiện trong quy mô phòng thí nghiệm và mở rộng quy mô công nghiệp.

3. Phát triển quy trình tổng hợp đốt cháy dung dịch: Khuyến khích áp dụng phương pháp đốt cháy dung dịch với glyxin làm nhiên liệu để sản xuất vật liệu nano spinel đồng nhất, tiết kiệm năng lượng và chi phí.

4. Nghiên cứu ứng dụng mở rộng: Khuyến nghị nghiên cứu thêm các ion kim loại khác pha tạp vào NiFe2O4 để nâng cao tính chất quang xúc tác và từ tính, phục vụ đa dạng ứng dụng trong môi trường và điện tử.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano: Có thể áp dụng phương pháp tổng hợp và phân tích cấu trúc để phát triển vật liệu mới.

2. Chuyên gia môi trường và xử lý nước thải: Sử dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế hệ thống quang xúc tác xử lý ô nhiễm hữu cơ hiệu quả.

3. Kỹ sư công nghệ hóa học: Áp dụng quy trình tổng hợp đốt cháy dung dịch trong sản xuất vật liệu xúc tác quy mô công nghiệp.

4. Giảng viên và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu: Tham khảo để nâng cao kiến thức về vật liệu spinel, kỹ thuật phân tích và ứng dụng quang xúc tác.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp đốt cháy dung dịch có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Phương pháp này cho phép tổng hợp vật liệu nano nhanh chóng, đồng nhất, với thiết bị đơn giản và tiết kiệm năng lượng. Sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao và kích thước hạt nhỏ, phù hợp cho ứng dụng xúc tác.

2. Tại sao pha tạp Zn2+ lại làm tăng hiệu suất quang xúc tác?
   Ion Zn2+ làm thay đổi phân bố ion Fe3+ trong mạng tinh thể, giảm sự tái tổ hợp electron-lỗ trống, tăng khả năng tạo gốc hydroxyl hoạt động phân hủy hợp chất hữu cơ, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

3. Kích thước hạt nano ảnh hưởng thế nào đến hoạt tính quang xúc tác?
   Kích thước hạt nhỏ làm tăng diện tích bề mặt riêng, tăng số lượng vị trí hoạt động, giúp tăng hiệu quả hấp phụ và phân hủy chất ô nhiễm.

4. Làm thế nào để xác định nồng độ metylen xanh trong dung dịch?
   Sử dụng phổ UV-Vis đo độ hấp thụ tại bước sóng 664 nm, dựa trên đường chuẩn tuyến tính giữa độ hấp thụ và nồng độ để tính toán chính xác.

5. Có thể tái sử dụng vật liệu nano spinel sau phản ứng không?
   Có, nhờ tính từ tính của ferit, vật liệu có thể được thu hồi bằng từ trường và tái sử dụng nhiều lần mà không giảm đáng kể hiệu suất.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công nano spinel ZnxNi1-xFe2O4 (x=0÷0,5) bằng phương pháp đốt cháy dung dịch với glyxin làm nhiên liệu.
• Các mẫu thu được có cấu trúc spinel lập phương, kích thước hạt nano đồng đều khoảng 16-21 nm, hằng số mạng và thể tích ô mạng tăng theo hàm lượng Zn.
• Phổ IR xác nhận sự thay đổi liên kết M-O khi pha tạp Zn, ảnh SEM và TEM cho thấy hình thái hạt không đổi.
• Hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh được cải thiện rõ rệt khi có mặt Zn và H2O2, đạt hiệu suất khoảng 90% sau 300 phút chiếu sáng.
• Đề xuất tối ưu hóa hàm lượng Zn, lượng H2O2 và khối lượng vật liệu để ứng dụng hiệu quả trong xử lý môi trường.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ mở rộng pha tạp các ion kim loại khác và khảo sát ứng dụng trong xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ phức tạp hơn. Mời các nhà khoa học và kỹ sư quan tâm liên hệ để hợp tác phát triển vật liệu quang xúc tác tiên tiến.