I. Giới thiệu về vật liệu Fe2O3 và ứng dụng
Vật liệu Fe2O3 là một trong những oxit sắt phổ biến, đặc biệt là dạng α-Fe2O3 (hematite), được nghiên cứu rộng rãi do tính chất từ tính và khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Vật liệu nano Fe2O3 có kích thước siêu nhỏ, tỷ lệ diện tích bề mặt lớn, và tính siêu thuận từ, làm cho chúng trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong xúc tác, cảm biến, và quang điện hóa. Biến tính bề mặt với các kim loại quý như vàng (Au) giúp tăng cường tính chất quang học và xúc tác của vật liệu, mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong y học và công nghiệp.
1.1. Các dạng của Fe2O3
Fe2O3 tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau, bao gồm α-Fe2O3, γ-Fe2O3, β-Fe2O3, và ε-Fe2O3. Trong đó, α-Fe2O3 là dạng bền nhất, có tính phản sắt từ ở nhiệt độ phòng và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như quang điện hóa và xúc tác. γ-Fe2O3 có cấu trúc lập phương spinel và tính sắt từ, thường được sử dụng trong các ứng dụng y sinh do tính tương thích sinh học cao.
1.2. Ứng dụng của vật liệu Fe2O3
Vật liệu Fe2O3 được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xúc tác quang hóa, cảm biến khí, và pin mặt trời. Vật liệu nano Fe2O3 với cấu trúc hình cầu rỗng có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng hiệu quả xúc tác. Biến tính bề mặt với vàng (Au) không chỉ cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn tăng cường hiệu ứng xúc tác, đặc biệt trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ như kháng sinh.
II. Phương pháp chế tạo và biến tính vật liệu Fe2O3
Phương pháp chế tạo vật liệu Fe2O3 bao gồm các phương pháp từ trên xuống (top-down) và từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ dưới lên, đặc biệt là phương pháp hóa học như sol-gel và kết tủa, được ưa chuộng do khả năng kiểm soát kích thước và hình thái của vật liệu. Biến tính bề mặt với vàng (Au) thường được thực hiện thông qua quá trình gắn các hạt nano vàng lên bề mặt Fe2O3, giúp cải thiện tính chất quang học và xúc tác của vật liệu.
2.1. Phương pháp chế tạo Fe2O3 cấu trúc hình cầu rỗng
Cấu trúc hình cầu rỗng của Fe2O3 được tạo ra bằng cách sử dụng khuôn cứng từ các quả cầu polystyrene (PS). Quá trình này bao gồm việc tạo khuôn PS, phủ Fe2O3 lên bề mặt khuôn, và loại bỏ khuôn bằng cách nung kết. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và độ xốp của vật liệu, tạo ra diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho các ứng dụng xúc tác.
2.2. Biến tính bề mặt với vàng
Biến tính bề mặt với vàng (Au) được thực hiện bằng cách gắn các hạt nano vàng lên bề mặt Fe2O3 thông qua quá trình hóa học. Vàng (Au) không chỉ cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy mà còn tăng cường hiệu ứng xúc tác nhờ hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt. Điều này làm cho vật liệu trở nên hiệu quả hơn trong các ứng dụng quang xúc tác.
III. Khảo sát tính chất và ứng dụng của vật liệu
Khảo sát tính chất của vật liệu Fe2O3 biến tính với vàng (Au) bao gồm các phương pháp như hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD), và phổ hấp thụ UV-Vis. Các kết quả cho thấy vật liệu Fe2O3 có cấu trúc hình cầu rỗng và vàng (Au) được phân bố đều trên bề mặt. Tính chất xúc tác quang của vật liệu được đánh giá thông qua khả năng phân hủy kháng sinh Rifampicin, cho thấy hiệu quả cao hơn so với vật liệu Fe2O3 không biến tính.
3.1. Khảo sát hình thái và cấu trúc
Hình thái bề mặt của vật liệu được khảo sát bằng SEM, cho thấy cấu trúc hình cầu rỗng với các lỗ xốp kết nối với nhau. Phổ XRD xác nhận sự hiện diện của các pha Fe2O3 và vàng (Au) trên bề mặt vật liệu. Phổ UV-Vis cho thấy sự hấp thụ ánh sáng mạnh trong vùng nhìn thấy, nhờ hiệu ứng cộng hưởng plasmon của vàng (Au).
3.2. Ứng dụng trong xúc tác quang
Vật liệu Fe2O3 biến tính với vàng (Au) được ứng dụng trong quá trình xúc tác quang để phân hủy kháng sinh Rifampicin. Kết quả cho thấy vật liệu có hiệu suất phân hủy cao hơn so với Fe2O3 không biến tính, nhờ vào sự kết hợp giữa diện tích bề mặt lớn của cấu trúc hình cầu rỗng và hiệu ứng cộng hưởng plasmon của vàng (Au). Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải y tế.
