Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, vật liệu đa pha điện-từ (multiferroics) đã trở thành chủ đề nghiên cứu trọng điểm của cộng đồng khoa học do tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghệ lưu trữ dữ liệu và thiết bị điện tử. Theo báo cáo của ngành, vật liệu BiFeO3 (BFO) là một trong số rất ít vật liệu tồn tại đồng thời tính sắt điện và phản sắt từ ở nhiệt độ phòng, với nhiệt độ chuyển pha Curie khoảng 1043 K và nhiệt độ Neel khoảng 673 K. Tuy nhiên, tính chất phản sắt từ của BFO làm cho hiệu ứng điện-từ yếu, hạn chế ứng dụng thực tế. Do đó, việc chế tạo vật liệu tổ hợp dựa trên BFO với các vật liệu từ tính mạnh như CoFe2O4 (CFO) nhằm tăng cường hiệu ứng điện-từ và mở rộng tính chất quang xúc tác là mục tiêu nghiên cứu quan trọng.

Luận văn tập trung vào việc chế tạo vật liệu composite nền BiFeO3 kết hợp với CoFe2O4 bằng phương pháp thủy nhiệt, khảo sát các tính chất quang và từ của vật liệu, đồng thời đánh giá khả năng ứng dụng trong xử lý chất màu hữu cơ trong nước thải công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các mẫu composite CFO/BFO với tỷ lệ mol CFO:BFO thay đổi từ 10:0 đến 10:5, được tổng hợp và phân tích tại Viện Khoa học và Công nghệ, Đại học Thái Nguyên trong năm 2021. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu đa chức năng, góp phần nâng cao hiệu suất quang xúc tác và mở rộng ứng dụng trong công nghệ môi trường và điện tử.

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:

  • Vật liệu multiferroic: Là vật liệu thể hiện đồng thời các trật tự ferroic như sắt điện, sắt từ, phản sắt từ trong cùng một pha hoặc tổ hợp đa pha. Hiệu ứng điện-từ (magnetoelectric - ME) là sự tương tác giữa các trật tự điện và từ, được mô tả qua các hệ số liên kết α, thể hiện mối liên hệ giữa phân cực điện và từ hóa dưới tác dụng của trường ngoài.

  • Cấu trúc perovskite ABO3: BiFeO3 thuộc nhóm vật liệu perovskite với cấu trúc tinh thể trực thoi, trong đó ion Fe dịch chuyển lệch tâm tạo ra tính sắt điện. Cấu trúc này ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất ferroic và quang học của vật liệu.

  • Vật liệu ferrite spinel CoFe2O4: CFO là vật liệu ferri từ với cấu trúc spinel nghịch đảo, có tính dị hướng từ cao và hiệu ứng từ giảo mạnh, đóng vai trò pha từ tính trong composite. Sự kết hợp CFO và BFO tạo ra vật liệu tổ hợp đa pha điện-từ với hiệu ứng ME ngoại sinh thông qua tương tác cơ học tại biên pha.

  • Phương pháp Wood-Tauc: Dùng để xác định độ rộng vùng cấm năng lượng (Eg) của vật liệu từ phổ hấp thụ UV-Vis, giúp đánh giá khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu suất quang xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu composite CFO/BFO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với các tỷ lệ mol CFO:BFO từ 10:0 đến 10:5. Các tiền chất hóa học có độ tinh khiết ≥ 99,5% được sử dụng, quy trình tổng hợp được thực hiện tại phòng thí nghiệm Viện Khoa học và Công nghệ, Đại học Thái Nguyên.

  • Phương pháp phân tích:

    • Cấu trúc tinh thể và pha được xác định bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD) sử dụng bức xạ CuKα (λ = 1,54056 Å).
    • Hình thái và kích thước hạt khảo sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và điện tử quét (SEM) với độ phân giải đến 2 nm.
    • Tính chất từ được đo trên hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) với từ trường ngoài lên đến 11 kOe tại nhiệt độ phòng, xác định các thông số như từ độ bão hòa (Ms), lực kháng từ (Hc) và độ từ dư (Mr).
    • Tính chất quang được khảo sát qua phổ hấp thụ UV-Vis trong vùng 200-800 nm, tính toán độ rộng vùng cấm Eg bằng phương pháp Wood-Tauc.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) được sử dụng để xác định các liên kết hóa học và sự tồn tại của các pha trong vật liệu composite.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và đo đạc tính chất được thực hiện trong năm 2021, với các bước tổng hợp, xử lý mẫu, đo phổ và phân tích dữ liệu liên tục trong vòng 6-8 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc tinh thể và pha:
    Phổ XRD cho thấy sự tồn tại đồng thời của hai pha BiFeO3 và CoFe2O4 trong tất cả các mẫu composite, không xuất hiện pha trung gian hay phản ứng hóa học giữa hai pha. Các đỉnh nhiễu xạ của CFO tại các góc 2θ 21,48°; 30,12°; 35,5°; 43,12°; 53,67° và 57,1° tương ứng với các mặt phẳng (111), (220), (311), (400), (422), (511). Pha BFO có các đỉnh tại 22,43°; 31,8°; 32,08°; 39,03°; 39,48°; 45,81°; 51,31° và 51,88°, phù hợp với cấu trúc trực thoi nhóm không gian R3c. Cường độ đỉnh BFO tăng theo tỷ lệ mol BFO trong mẫu.

  2. Kích thước hạt và hình thái:
    Ảnh TEM cho thấy các hạt nano có hình cầu, kích thước trung bình từ 10 đến 30 nm, với sự kết đám nhẹ khi tăng tỷ lệ BFO. Kết quả này phù hợp với hiệu ứng mở rộng vạch nhiễu xạ XRD, cho thấy kích thước hạt nano nhỏ và đồng đều.

  3. Tính chất từ:
    Các mẫu composite thể hiện đặc tính ferri từ chủ yếu do pha CFO. Độ từ hóa bão hòa Ms giảm từ 42,55 emu/g (mẫu CFO thuần) xuống còn 7,27 emu/g khi tỷ lệ BFO tăng đến 10:5. Lực kháng từ Hc cũng giảm từ 1028 Oe xuống khoảng 176-277 Oe, cho thấy sự giảm ferri từ do pha BFO phản sắt từ xen kẽ. Độ từ dư Mr giảm tương ứng từ 14,29 emu/g xuống 1,45 emu/g. Sự giảm này được giải thích bởi tương tác đàn hồi và hiệu ứng điện-từ tại biên pha CFO/BFO.

  4. Tính chất quang:
    Phổ UV-Vis cho thấy các mẫu composite có độ hấp thụ cao trong vùng tử ngoại và thấp trong vùng khả kiến, với hai bờ hấp thụ rõ rệt. Giá trị độ rộng vùng cấm Eg tính theo phương pháp Wood-Tauc dao động không đều, trong khoảng 1,92 eV đến 4,67 eV tùy theo tỷ lệ mol BFO. Mẫu BFO đơn pha có Eg khoảng 2,11 eV, phù hợp với các nghiên cứu trước. Phổ FTIR xác nhận sự tồn tại của các liên kết Fe-O, Co-O và Bi-O đặc trưng cho các pha CFO và BFO, với các dải hấp thụ ở 561 cm⁻¹ (Fe-O/Co-O) và 857 cm⁻¹ (Bi-O).

Thảo luận kết quả

Sự tồn tại đồng thời của hai pha CFO và BFO trong vật liệu composite cho thấy phương pháp thủy nhiệt là hiệu quả trong việc tổng hợp vật liệu đa pha với cấu trúc tinh thể ổn định. Kích thước hạt nano nhỏ giúp tăng diện tích bề mặt, có lợi cho các ứng dụng quang xúc tác.

Giảm dần các thông số từ tính khi tăng tỷ lệ BFO phản ánh sự pha trộn giữa pha ferri từ mạnh (CFO) và pha phản sắt từ yếu (BFO), tạo ra hiệu ứng từ giảo và tương tác cơ học tại biên pha, làm giảm lực kháng từ và từ hóa bão hòa. Điều này phù hợp với các nghiên cứu về hiệu ứng điện-từ ngoại sinh trong vật liệu tổ hợp.

Tính chất quang học với độ rộng vùng cấm Eg thay đổi cho thấy sự điều chỉnh được khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu composite, mở rộng phổ hấp thụ vào vùng khả kiến, tăng hiệu quả quang xúc tác. Các dải hấp thụ FTIR khẳng định sự liên kết chặt chẽ giữa các pha, hỗ trợ cho hiệu ứng quang xúc tác và điện-từ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD so sánh các mẫu, biểu đồ Ms, Hc, Mr theo tỷ lệ mol BFO, phổ UV-Vis và FTIR minh họa sự biến đổi tính chất theo thành phần.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỷ lệ pha CFO:BFO để cân bằng giữa tính chất từ và quang xúc tác, ưu tiên tỷ lệ mol khoảng 10:3 đến 10:5 nhằm đạt hiệu suất quang xúc tác cao đồng thời duy trì tính từ cần thiết cho ứng dụng đa chức năng.

  2. Phát triển quy trình tổng hợp thủy nhiệt với điều kiện nhiệt độ và thời gian phản ứng được kiểm soát chặt chẽ nhằm nâng cao độ kết tinh và đồng đều kích thước hạt, giảm sự kết đám hạt để tăng diện tích bề mặt hoạt động.

  3. Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế tương tác điện-từ tại biên pha bằng các kỹ thuật phân tích vi cấu trúc và từ tính nâng cao như TEM phân giải cao, đo từ trường biến thiên để tối ưu hóa hiệu ứng ME.

  4. Ứng dụng vật liệu composite CFO/BFO trong xử lý nước thải công nghiệp với các chất màu hữu cơ như Rhodamine B, Methyl vàng, đánh giá hiệu suất quang xúc tác trong điều kiện thực tế, đồng thời khảo sát khả năng tái sử dụng và độ bền của vật liệu trong môi trường làm việc.

  5. Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu vật liệu chức năng, phòng thí nghiệm công nghệ môi trường, doanh nghiệp xử lý nước thải, và các trung tâm nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới.

  6. Thời gian thực hiện: Các đề xuất có thể được triển khai trong vòng 1-3 năm, bắt đầu từ việc tối ưu quy trình tổng hợp và đánh giá tính chất, tiếp theo là thử nghiệm ứng dụng thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu đa pha điện-từ: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về tổng hợp và tính chất của composite CFO/BFO, hỗ trợ phát triển vật liệu multiferroic mới.

  2. Chuyên gia công nghệ môi trường: Thông tin về khả năng quang xúc tác xử lý chất màu hữu cơ giúp ứng dụng vật liệu trong xử lý nước thải công nghiệp.

  3. Kỹ sư phát triển thiết bị điện tử: Tính chất điện-từ và từ tính của vật liệu tổ hợp có thể ứng dụng trong thiết kế bộ nhớ, cảm biến và thiết bị lưu trữ dữ liệu.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Vật lý, Quang học, Khoa học vật liệu: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp tổng hợp, kỹ thuật phân tích và nghiên cứu tính chất vật liệu nano.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp thủy nhiệt có ưu điểm gì trong tổng hợp vật liệu composite CFO/BFO?
    Phương pháp thủy nhiệt giúp tạo ra vật liệu có kích thước hạt nano đồng đều, cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh, tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời thân thiện với môi trường nhờ sử dụng nước làm dung môi.

  2. Tại sao cần kết hợp BiFeO3 với CoFe2O4 trong vật liệu tổ hợp?
    BFO có tính sắt điện và phản sắt từ nhưng hiệu ứng điện-từ yếu, trong khi CFO có tính ferri từ mạnh và hiệu ứng từ giảo lớn. Kết hợp hai pha giúp tăng cường hiệu ứng điện-từ và cải thiện tính chất quang xúc tác.

  3. Giá trị độ rộng vùng cấm Eg ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất quang xúc tác?
    Eg nhỏ hơn giúp vật liệu hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả hơn, tăng khả năng kích thích điện tử và lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác trong phân hủy chất hữu cơ.

  4. Các thông số từ tính Ms, Hc, Mr phản ánh điều gì về vật liệu?
    Ms thể hiện độ từ hóa bão hòa, Hc là lực kháng từ biểu thị khả năng giữ từ, Mr là độ từ dư sau khi bỏ từ trường. Các thông số này cho biết tính chất từ và sự ổn định từ tính của vật liệu.

  5. Vật liệu composite CFO/BFO có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào ngoài xử lý nước thải?
    Ngoài xử lý môi trường, vật liệu có thể dùng trong thiết bị lưu trữ dữ liệu, cảm biến điện-từ, thiết bị quang điện tử và các ứng dụng công nghệ nano đa chức năng khác.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công vật liệu composite CoFe2O4/BiFeO3 bằng phương pháp thủy nhiệt với kích thước hạt nano từ 10-30 nm và cấu trúc tinh thể ổn định.
  • Tính chất từ của vật liệu tổ hợp giảm dần khi tăng tỷ lệ BiFeO3, phản ánh sự tương tác giữa pha ferri từ và phản sắt từ.
  • Tính chất quang học cho thấy vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại và khả kiến, với độ rộng vùng cấm Eg dao động từ 1,92 đến 4,67 eV.
  • Phổ FTIR xác nhận sự tồn tại của các liên kết đặc trưng trong vật liệu composite, hỗ trợ cho hiệu ứng quang xúc tác và điện-từ.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu đa chức năng ứng dụng trong xử lý môi trường và thiết bị điện tử, đề xuất tiếp tục tối ưu hóa và ứng dụng thực tế trong các năm tới.

Call-to-action: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp tiếp tục đầu tư phát triển vật liệu multiferroic tổ hợp, đặc biệt là composite CFO/BFO, nhằm khai thác tối đa tiềm năng ứng dụng trong công nghệ hiện đại.