Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Chế Tạo Và Khảo Sát Đặc Trưng Vật Liệu Fe2O3 Cấu Trúc Hình Cầu Rỗng Biến Tính Bề Mặt Với Kim Loại Vàng

• Tác giả: Võ Thị Như Huyền
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thị Ngọc Loan
• Trường học: Trường Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát vật liệu Fe2O3 cấu trúc hình cầu rỗng biến tính bề mặt với vàng
• Loại tài liệu: luận văn

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU NANO
• 1.1.1. Khái niệm về vật liệu nano
• 1.1.2. Phân loại vật liệu nano
• 1.1.3. Ứng dụng vật liệu nano
• 1.2. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU Fe2O3
• 1.2.1. Giới thiệu các dạng của Fe2O3
• 1.2.2. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano Fe2O3 biến tính bề mặt
• 1.2.3. Ứng dụng của vật liệu nano Fe2O3
• 1.3. GIỚI THIỆU VỀ VÀNG (Au)
• 1.3.1. Cấu trúc của vàng
• 1.3.2. Tính chất của vàng
• 1.3.3. Ứng dụng của vàng
• 1.4. GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH XÚC TÁC QUANG
• 1.4.1. Khái niệm xúc tác quang
• 1.4.2. Phân loại xúc tác quang
• 1.4.3. Cơ chế phản ứng xúc tác quang
• 1.5. GIỚI THIỆU VỀ KHÁNG SINH RIFAMPICIN
• 1.6. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA VẬT LIỆU Fe2O3
• 1.6.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.6.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
• 2.1.1. Dụng cụ thí nghiệm
• 2.2. QUY TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU Fe2O3 CẤU TRÚC DẠNG HÌNH CẦU RỖNG NANO
• 2.2.1. Quy trình chế tạo mẫu
• 2.2.2. Quy trình biến tính bề mặt Fe2O3 có cấu trúc hình cầu rỗng bởi các hạt nano vàng
• 2.3. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU
• 2.3.1. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis)
• 2.3.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.3.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.4. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG CỦA VẬT LIỆU
• 2.4.1. Mô tả hệ thí nghiệm
• 2.4.2. Các bước tiến hành thí nghiệm
• 2.4.3. Phổ đèn LED
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. HÌNH THÁI BỀ MẶT VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN TỔNG HỢP ẢNH HƯỞNG ĐẾN VẬT LIỆU
• 3.1.1. Hình thái bề mặt của các quả cầu PS
• 3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ FeCl3.6H2O lên hình thái vật liệu
• 3.1.3. Ảnh hưởng của quy trình nhỏ phủ lên hình thái vật liệu
• 3.1.4. Hình thái bề mặt của Fe2O3 biến tính bề mặt bởi các hạt nano Au
• 3.2. THUỘC TÍNH CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU
• 3.2.1. Khảo sát phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.2.2. Khảo sát phổ hấp thụ UV-Vis trên đế rắn của nano Fe2O3 và Au/Fe2O3
• 3.2.3. Khảo sát tính chất xúc tác quang của vật liệu Fe2O3 và Au/Fe2O3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

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.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ nano ngày càng phát triển, vật liệu nano oxit sắt Fe2O3 đã thu hút sự quan tâm lớn do các tính chất ưu việt như kích thước siêu nhỏ, diện tích bề mặt lớn và tính siêu thuận từ. Theo ước tính, Fe2O3 có độ rộng vùng cấm khoảng 2,2 eV, phù hợp cho các ứng dụng trong xúc tác quang và cảm biến. Tuy nhiên, để nâng cao hiệu quả xúc tác và khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến, việc chế tạo Fe2O3 có cấu trúc hình cầu rỗng biến tính bề mặt với kim loại vàng (Au) là một hướng đi mới đầy tiềm năng. Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu nano Fe2O3 cấu trúc hình cầu rỗng sử dụng khuôn cứng polystyrene (PS) kết hợp quá trình nung kết, đồng thời biến tính bề mặt bằng các hạt nano vàng nhằm tối ưu hóa tính chất xúc tác quang.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu bao gồm: (1) tổng hợp Fe2O3 cấu trúc hình cầu rỗng; (2) tối ưu hóa phân tán hạt nano vàng trên bề mặt Fe2O3; (3) khảo sát đặc trưng cấu trúc và hình thái vật liệu; (4) đánh giá hiệu quả xúc tác quang trong phân hủy kháng sinh Rifampicin. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo và khảo sát vật liệu tại Trường Đại học Quy Nhơn trong khoảng thời gian gần đây, với ứng dụng hướng tới xử lý ô nhiễm môi trường. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xúc tác quang hiệu quả, thân thiện môi trường và có khả năng tái sử dụng cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: (1) Lý thuyết vùng năng lượng trong vật liệu bán dẫn, giải thích cơ chế kích hoạt xúc tác quang dựa trên sự chuyển electron từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB) khi hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Eg). (2) Mô hình cơ chế xúc tác quang dị thể, trong đó electron và lỗ trống quang sinh di chuyển đến bề mặt vật liệu để tham gia phản ứng oxy hóa-khử, tạo ra các gốc tự do phân hủy hợp chất hữu cơ.

Các khái niệm chính bao gồm: vật liệu nano (kích thước từ vài nm đến vài trăm nm), cấu trúc hình cầu rỗng (tăng diện tích bề mặt và khả năng khuếch tán chất phản ứng), biến tính bề mặt bằng kim loại quý (vàng) nhằm tăng hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt, và xúc tác quang phân hủy kháng sinh Rifampicin.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và khảo sát vật liệu tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Trường Đại học Quy Nhơn. Cỡ mẫu gồm các mẫu Fe2O3 với nồng độ FeCl3.6H2O khác nhau (0,2 M, 0,3 M, 0,4 M) và các mẫu Fe2O3 biến tính bề mặt với hạt nano vàng. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp tổng hợp theo quy trình "khuôn" cứng sử dụng quả cầu polystyrene làm khuôn, kết hợp nung kết ở 450ºC trong 2 giờ.

Phương pháp phân tích bao gồm: kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát hình thái bề mặt và kích thước hạt; phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể; phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) để đánh giá vùng hấp thụ và tính chất quang học; thí nghiệm xúc tác quang phân hủy kháng sinh Rifampicin dưới ánh sáng UV với đo phổ UV-Vis để theo dõi nồng độ kháng sinh theo thời gian. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng vài tháng, từ tổng hợp mẫu đến khảo sát đặc trưng và đánh giá xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hình thái bề mặt và ảnh hưởng nồng độ FeCl3.6H2O: Qua ảnh SEM, các quả cầu PS có kích thước đồng đều khoảng 300-350 nm. Vật liệu Fe2O3 với nồng độ 0,2 M, 0,3 M và 0,4 M đều có cấu trúc xốp, tuy nhiên nồng độ 0,4 M tạo ra vách ngăn dày hơn và cấu trúc bị vỡ nhiều hơn so với 0,2 M. Điều này cho thấy nồng độ muối sắt ảnh hưởng đến độ bền và hình thái vật liệu.

2. Ảnh hưởng quy trình nhỏ phủ: Hai quy trình nhỏ phủ dung dịch FeCl3.6H2O lên quả cầu PS cho kết quả khác biệt rõ rệt. Quy trình nhỏ từ ngoài vào trong tạo ra cấu trúc tổ ong với các lỗ xốp sắp xếp trật tự, trong khi quy trình ngược lại không tạo được cấu trúc nano rõ ràng. Kỹ thuật nhỏ phủ ảnh hưởng lớn đến khả năng bám dính và hình thái vật liệu.

3. Biến tính bề mặt với hạt nano vàng: Mẫu Au/Fe2O3 có cấu trúc tổ ong với đường kính lỗ khoảng 300-350 nm, hạt vàng phân tán đồng đều trên bề mặt với kích thước khoảng 30 nm. Sự gắn kết hạt vàng giúp tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến.

4. Tính chất xúc tác quang: Quá trình phân hủy kháng sinh Rifampicin dưới ánh sáng UV cho thấy vật liệu Au/Fe2O3 có hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến cao hơn so với Fe2O3 thuần và vật liệu P25 thương mại. Cụ thể, hằng số k_app của Au/Fe2O3 vượt trội, chứng tỏ hiệu quả xúc tác được cải thiện rõ rệt nhờ biến tính bề mặt bằng vàng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện tính chất xúc tác quang là do cấu trúc hình cầu rỗng tạo điều kiện cho diện tích bề mặt riêng lớn, tăng khả năng hấp thụ và khuếch tán chất phản ứng. Việc biến tính bề mặt bằng hạt nano vàng tận dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt, giúp tăng cường hấp thụ ánh sáng khả kiến và giảm sự tái tổ hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng sử dụng vật liệu composite Fe2O3-Au để tăng cường hoạt tính xúc tác quang. Biểu đồ thể hiện sự suy giảm nồng độ Rifampicin theo thời gian chiếu sáng và đồ thị động học phản ứng minh họa rõ ràng sự vượt trội của Au/Fe2O3 so với Fe2O3 thuần và P25. Kết quả này có ý nghĩa thực tiễn trong việc phát triển vật liệu xúc tác quang thân thiện môi trường, hiệu quả cao cho xử lý ô nhiễm kháng sinh.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình nhỏ phủ: Áp dụng quy trình nhỏ phủ dung dịch FeCl3.6H2O từ ngoài vào trong để tạo cấu trúc tổ ong ổn định, tăng độ bền và diện tích bề mặt vật liệu. Thời gian thực hiện trong giai đoạn tổng hợp mẫu.

2. Phát triển kỹ thuật biến tính bề mặt bằng hạt nano vàng: Sử dụng phương pháp chiếu tia UV để gắn hạt nano vàng lên bề mặt Fe2O3 nhằm tăng hiệu quả xúc tác quang, giảm chi phí và đơn giản hóa quy trình. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu.

3. Mở rộng ứng dụng xúc tác quang: Khuyến khích nghiên cứu ứng dụng vật liệu Au/Fe2O3 trong xử lý các loại ô nhiễm hữu cơ khác ngoài kháng sinh, như thuốc trừ sâu, chất nhuộm công nghiệp, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và tăng giá trị thực tiễn.

4. Nâng cao quy mô sản xuất: Đề xuất nghiên cứu quy mô sản xuất vật liệu nano Fe2O3 biến tính vàng với chi phí hợp lý, đảm bảo tính đồng nhất và khả năng tái sử dụng trong công nghiệp xử lý môi trường. Thời gian triển khai trong vòng 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano: Luận văn cung cấp phương pháp tổng hợp và biến tính vật liệu Fe2O3 cấu trúc hình cầu rỗng, giúp phát triển các vật liệu xúc tác quang mới.

2. Chuyên gia môi trường: Thông tin về ứng dụng xúc tác quang phân hủy kháng sinh Rifampicin hỗ trợ nghiên cứu và triển khai công nghệ xử lý ô nhiễm nước thải.

3. Doanh nghiệp công nghệ xanh: Các công ty sản xuất vật liệu xúc tác và thiết bị xử lý môi trường có thể áp dụng quy trình chế tạo và cải tiến sản phẩm dựa trên kết quả nghiên cứu.

4. Sinh viên và học viên cao học: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu chuyên sâu về vật lý chất rắn, công nghệ nano và xúc tác quang.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu Fe2O3 cấu trúc hình cầu rỗng có ưu điểm gì?
   Cấu trúc hình cầu rỗng giúp tăng diện tích bề mặt riêng, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng xúc tác và khuếch tán chất phản ứng, từ đó nâng cao hiệu quả xúc tác quang.

2. Tại sao biến tính bề mặt bằng hạt nano vàng lại quan trọng?
   Hạt nano vàng tạo hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và giảm sự tái tổ hợp electron-lỗ trống, giúp cải thiện hiệu suất xúc tác.

3. Phương pháp chiếu tia UV dùng để biến tính bề mặt có ưu điểm gì?
   Phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện, không cần thiết bị phức tạp và mang lại hiệu quả cao trong việc gắn hạt nano vàng lên bề mặt Fe2O3.

4. Hiệu quả xúc tác quang của Au/Fe2O3 so với Fe2O3 thuần và P25 như thế nào?
   Au/Fe2O3 có hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến cao hơn đáng kể, cho thấy khả năng phân hủy kháng sinh Rifampicin nhanh và hiệu quả hơn so với Fe2O3 thuần và vật liệu P25 thương mại.

5. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu này là gì?
   Vật liệu Au/Fe2O3 có thể được ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước thải chứa kháng sinh và các hợp chất hữu cơ độc hại, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Kết luận

• Đã thành công trong việc chế tạo vật liệu nano Fe2O3 cấu trúc hình cầu rỗng sử dụng khuôn cứng polystyrene kết hợp nung kết.
• Biến tính bề mặt bằng hạt nano vàng qua phương pháp chiếu tia UV giúp tăng diện tích bề mặt và cải thiện hiệu quả xúc tác quang.
• Vật liệu Au/Fe2O3 thể hiện khả năng phân hủy kháng sinh Rifampicin vượt trội so với Fe2O3 thuần và vật liệu P25 thương mại.
• Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xúc tác quang thân thiện môi trường, có tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình tổng hợp, mở rộng ứng dụng và nghiên cứu quy mô sản xuất trong các bước tiếp theo.

Hành động tiếp theo là triển khai nghiên cứu ứng dụng thực tế và phát triển sản phẩm xúc tác quang dựa trên vật liệu Au/Fe2O3 để đáp ứng nhu cầu xử lý môi trường hiện nay.