Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Chế Tạo Và Khảo Sát Tính Chất Quang Xúc Tác Của Vật Liệu Nano Fe3O4-ZnO

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang xúc tác của vật liệu nano tổ hợp Fe3O4-ZnO, đóng góp cho lĩnh vực vật liệu mới.

• Tác giả: Nguyễn Thị Kim Tuyến
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tư
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang xúc tác của vật liệu nano tổ hợp Fe3O4-ZnO
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Quy Nhơn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. VẬT LIỆU NANO
• 1.1.1. Định nghĩa
• 1.1.2. Phân loại vật liệu nano
• 1.1.3. Đặc trưng của vật liệu nano
• 1.1.4. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano
• 1.1.4.1. Phương pháp nghiền bi
• 1.1.4.2. Phương pháp đồng kết tủa
• 1.1.4.3. Phương pháp sol-gen
• 1.1.4.4. Phương pháp nhiệt phân
• 1.1.4.5. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.1.4.6. Phương pháp vi nhũ tương
• 1.1.4.7. Phương pháp lắng đọng điện hóa
• 1.1.5. Cấu trúc tinh thể của vật liệu ZnO và Fe3O4
• 1.1.5.1. Cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu ZnO
• 1.1.5.2. Cấu trúc tinh thể của Fe3O4
• 1.1.6. Tính chất và ứng dụng của vật liệu ZnO và Fe3O4
• 1.1.6.1. Tính chất và ứng dụng của vật liệu ZnO
• 1.1.6.2. Tính chất và ứng dụng của vật liệu Fe3O4
• 1.1.7. Tính chất quang xúc tác của vật liệu ZnO-Fe3O4
• 1.1.7.1. Tính chất quang xúc tác của ZnO
• 1.1.7.2. Tính chất quang xúc tác của vật liệu Fe3O4-ZnO
• 1.2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.2.1. Hóa chất và thiết bị chế tạo mẫu
• 1.2.2. Quy trình chế tạo vật liệu Fe3O4-ZnO bằng phương pháp kết tủa bề mặt kết hợp thủy nhiệt
• 1.2.3. Một số phương pháp nghiên cứu tính chất của vật liệu
• 1.2.3.1. Nghiên cứu hình thái bề mặt của vật liệu bằng ảnh FESEM
• 1.2.3.2. Nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 1.2.3.3. Nghiên cứu các liên kết vật liệu bằng phổ Raman
• 1.2.3.4. Nghiên cứu tính chất quang vật liệu phổ huỳnh quang
• 1.2.3.5. Nghiên cứu tính chất từ bằng từ mẫu kế rung (VSM)
• 1.2.3.6. Nghiên cứu tính chất quang xúc tác bằng phổ hấp thụ UV-Vis
• 1.2.3.7. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy MB của vật liệu
• 1.3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 1.3.1. Cấu trúc tinh thể vật liệu Fe3O4-ZnO
• 1.3.2. Hình thái bề mặt vật liệu Fe3O4-ZnO
• 1.3.3. Thành phần nguyên tố trong mẫu
• 1.3.4. Phổ Raman của vật liệu Fe3O4-ZnO
• 1.3.5. Tính chất quang của vật liệu Fe3O4-ZnO
• 1.3.6. Tính chất từ của vật liệu Fe3O4-ZnO
• 1.3.7. Tính chất quang xúc tác của vật liệu Fe3O4-ZnO
• 1.3.8. Tính chất hấp phụ của vật liệu ZnO và Fe3O4-ZnO
• 1.3.9. Tính chất quang xúc tác của vật liệu ZnO và Fe3O4-ZnO dưới kích thích của ánh sáng UV
• 1.3.10. Tính chất quang xúc tác MB của vật liệu ZnO và Fe3O4-ZnO dưới kích thích của ánh sáng nhìn thấy
• 1.3.11. Ảnh hưởng của nồng độ Fe3O4 lên tính chất quang xúc tác của vật liệu Fe3O4-ZnO
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Vật liệu nano và phương pháp chế tạo

Vật liệu nano là những vật liệu có ít nhất một chiều kích thước nằm trong khoảng 1–100 nm. Nhờ kích thước nhỏ, chúng thể hiện nhiều tính chất đặc biệt như hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước. Fe3O4-ZnO là một vật liệu nano tổ hợp được nghiên cứu rộng rãi nhờ khả năng ứng dụng trong lĩnh vực quang xúc tác. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano bao gồm phương pháp nghiền bi, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp sol-gel, và phương pháp thủy nhiệt. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, tùy thuộc vào mục đích sử dụng.

1.1. Phương pháp nghiền bi

Phương pháp nghiền bi là một trong những phương pháp đơn giản và hiệu quả để chế tạo vật liệu nano. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là khó kiểm soát kích thước hạt và có thể gây ra sự biến dạng hoặc lẫn tạp chất trong quá trình nghiền.

1.2. Phương pháp đồng kết tủa

Phương pháp đồng kết tủa được sử dụng rộng rãi để tổng hợp các vật liệu nano phức hợp như Fe3O4-ZnO. Phương pháp này dựa trên phản ứng kết tủa từ dung dịch chứa các ion kim loại, tạo ra các hạt nano đồng nhất về kích thước và thành phần.

II. Tính chất quang xúc tác của Fe3O4 ZnO

Tính chất quang xúc tác của vật liệu Fe3O4-ZnO được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong xử lý môi trường, đặc biệt là phân hủy các chất màu hữu cơ như methylene blue (MB). Vật liệu này có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng UV và ánh sáng nhìn thấy, tạo ra các electron và lỗ trống tham gia vào quá trình phân hủy chất ô nhiễm. Nano Fe3O4 và nano ZnO kết hợp tạo ra hiệu ứng cộng hưởng, nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

2.1. Cơ chế quang xúc tác

Cơ chế quang xúc tác của Fe3O4-ZnO dựa trên sự hấp thụ photon, tạo ra các electron và lỗ trống. Các electron này tham gia vào quá trình khử oxy hóa, phân hủy các chất ô nhiễm thành các sản phẩm vô hại.

2.2. Ứng dụng trong xử lý môi trường

Fe3O4-ZnO được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải, đặc biệt là phân hủy các chất màu hữu cơ. Nhờ tính chất từ tính, vật liệu này có thể dễ dàng thu hồi sau quá trình xử lý, giảm thiểu chi phí và tăng hiệu quả kinh tế.

III. Nghiên cứu chế tạo và đánh giá tính chất

Quá trình nghiên cứu chế tạo vật liệu Fe3O4-ZnO bao gồm các bước tổng hợp, phân tích hình thái bề mặt bằng FESEM, nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng XRD, và đánh giá tính chất quang học bằng UV-Vis. Kết quả cho thấy vật liệu có cấu trúc đồng nhất và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt, đặc biệt trong vùng ánh sáng nhìn thấy.

3.1. Phân tích hình thái bề mặt

Hình thái bề mặt của Fe3O4-ZnO được phân tích bằng FESEM, cho thấy các hạt nano có kích thước đồng đều và phân bố đều trên bề mặt. Điều này góp phần nâng cao hiệu suất quang xúc tác của vật liệu.

3.2. Đánh giá tính chất quang học

Phổ UV-Vis cho thấy Fe3O4-ZnO có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh trong vùng UV và ánh sáng nhìn thấy, chứng tỏ tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực quang xúc tác.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chứng minh rằng vật liệu nano Fe3O4-ZnO có tiềm năng lớn trong lĩnh vực quang xúc tác, đặc biệt là xử lý môi trường. Vật liệu này không chỉ có hiệu suất cao trong phân hủy chất màu hữu cơ mà còn dễ dàng thu hồi nhờ tính chất từ tính. Ứng dụng quang xúc tác của Fe3O4-ZnO mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc phát triển các vật liệu nano tiên tiến, góp phần giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường do các chất hữu cơ và kim loại nặng đang là vấn đề cấp bách toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo ước tính, hàng triệu tấn chất thải hữu cơ và kim loại nặng được thải ra môi trường mỗi năm, đòi hỏi các giải pháp xử lý hiệu quả và thân thiện với môi trường. Trong đó, phương pháp quang xúc tác sử dụng vật liệu nano được xem là hướng đi tiềm năng nhờ khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới tác động của ánh sáng. Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang xúc tác của vật liệu nano tổ hợp Fe3O4-ZnO, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý các chất màu hữu cơ như xanh methylen (MB) dưới ánh sáng nhìn thấy và tử ngoại.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng quy trình chế tạo vật liệu nano tổ hợp Fe3O4/ZnO bằng phương pháp kết tủa bề mặt kết hợp thủy nhiệt, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ Fe3O4:ZnO đến cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt, tính chất quang và quang xúc tác của vật liệu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vật liệu nano tổ hợp Fe3O4/ZnO, khảo sát tính chất quang xúc tác trong điều kiện ánh sáng tử ngoại và ánh sáng nhìn thấy, thực hiện tại Trường Đại học Quy Nhơn và các đơn vị liên kết trong giai đoạn 2019-2020.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu quang xúc tác mới, có khả năng phân hủy hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ dưới ánh sáng mặt trời, đồng thời dễ dàng thu hồi bằng từ trường nhờ tính chất từ của Fe3O4. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng vật liệu nano trong xử lý môi trường, giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

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:

• Hiệu ứng lượng tử và hiệu ứng bề mặt trong vật liệu nano: Vật liệu nano có kích thước từ 1-100 nm thể hiện các hiệu ứng lượng tử và bề mặt đặc trưng, làm thay đổi tính chất điện, quang và từ so với vật liệu khối. Hiệu ứng giam giữ lượng tử làm mở rộng vùng cấm năng lượng, ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng và hoạt tính quang xúc tác.

• Cấu trúc tinh thể của ZnO và Fe3O4: ZnO có cấu trúc lục phương wurtzite với vùng cấm rộng khoảng 3,3 eV, là chất bán dẫn có khả năng hấp thụ tia UV. Fe3O4 thuộc nhóm ferrite spinel đảo, có tính chất siêu thuận từ, cho phép thu hồi vật liệu bằng từ trường ngoài.

• Mô hình quang xúc tác: Khi vật liệu bán dẫn như ZnO được kích thích bởi ánh sáng có năng lượng lớn hơn vùng cấm, electron nhảy lên vùng dẫn tạo cặp electron-lỗ trống. Các cặp này phản ứng với phân tử nước và oxy tạo ra các gốc tự do phân hủy các chất hữu cơ. Việc tổ hợp Fe3O4 với ZnO giúp giảm tái hợp electron-lỗ trống, mở rộng vùng hấp thụ sang ánh sáng nhìn thấy, tăng hiệu suất quang xúc tác.

Ba khái niệm chính được sử dụng là: hiệu ứng lượng tử, cấu trúc tinh thể spinel và cơ chế quang xúc tác electron-lỗ trống.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu nano tổ hợp Fe3O4-ZnO được chế tạo từ bột nano Fe3O4 thương mại và muối Zn(CH3COO)2.2H2O, sử dụng các hóa chất NaOH, ethanol tinh khiết.

• Phương pháp chế tạo: Phương pháp kết tủa bề mặt kết hợp thủy nhiệt được áp dụng. Quy trình gồm hòa tan Zn(CH3COO)2 trong ethanol, điều chỉnh pH bằng NaOH, thêm Fe3O4, khuấy đồng nhất, sau đó phản ứng thủy nhiệt ở 150°C trong 5 giờ. Sản phẩm được rửa, sấy khô thu được bột nano tổ hợp Fe3O4-ZnO với các tỉ lệ mol Fe3O4:ZnO khác nhau (1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32).

• Phương pháp phân tích:

  • Hình thái bề mặt khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) với độ phân giải cao.
  • Cấu trúc tinh thể xác định bằng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) với nguồn Cu Kα, quét góc 2θ từ 20° đến 70°.
  • Liên kết hóa học và cấu trúc phân tử phân tích bằng phổ Raman.
  • Tính chất quang được đo bằng phổ huỳnh quang (PL) và phổ kích thích huỳnh quang (PLE).
  • Tính chất từ khảo sát bằng từ mẫu kế rung (VSM).
  • Hoạt tính quang xúc tác đánh giá qua phân hủy xanh methylen (MB) dưới ánh sáng UV (365 nm) và ánh sáng nhìn thấy (đèn sợi đốt 60W), đo phổ hấp thụ UV-Vis để xác định nồng độ MB còn lại theo thời gian.

• Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong khoảng 12 tháng, từ tổng hợp mẫu, phân tích tính chất đến đánh giá hoạt tính quang xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tinh thể Fe3O4-ZnO: Giản đồ XRD cho thấy các đỉnh đặc trưng của pha Fe3O4 và ZnO đồng thời xuất hiện, chứng tỏ vật liệu nano tổ hợp được chế tạo thành công. Cường độ đỉnh ZnO tăng theo tỉ lệ mol ZnO trong mẫu, cho phép điều chỉnh thành phần dễ dàng. Ví dụ, mẫu Fe3O4:ZnO = 1:8 có các đỉnh tại 2θ = 31,75°, 34,43°, 36,25° tương ứng với các mặt tinh thể (100), (002), (101) của ZnO.

2. Hình thái bề mặt: Ảnh FESEM cho thấy hạt Fe3O4 có kích thước từ 20-100 nm, dạng gần cầu và có xu hướng kết tụ. Mẫu ZnO có hạt lớn hơn, từ 100-500 nm. Khi tổ hợp Fe3O4-ZnO, kích thước hạt giảm rõ rệt, đặc biệt ở tỉ lệ 1:2, kích thước hạt nhỏ hơn nhiều so với ZnO đơn pha. Sự che phủ của hạt nhỏ lên hạt lớn được quan sát, ảnh hưởng đến diện tích bề mặt và hoạt tính quang xúc tác.

3. Tính chất quang và từ: Phổ huỳnh quang và phổ hấp thụ UV-Vis cho thấy vật liệu tổ hợp Fe3O4-ZnO có khả năng hấp thụ ánh sáng mở rộng sang vùng nhìn thấy, khác với ZnO chỉ hấp thụ mạnh ở vùng tử ngoại. Tính chất từ của vật liệu được cải thiện với mômen từ bão hòa tăng theo tỉ lệ Fe3O4, giúp thu hồi vật liệu dễ dàng bằng từ trường ngoài.

4. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy MB: Dưới ánh sáng UV, vật liệu Fe3O4-ZnO có hiệu suất phân hủy MB cao hơn ZnO đơn pha, với hiệu suất phân hủy đạt khoảng 85% sau 150 phút chiếu sáng, so với 65% của ZnO. Dưới ánh sáng nhìn thấy, hiệu suất phân hủy của Fe3O4-ZnO cũng vượt trội, đạt khoảng 60%, trong khi ZnO gần như không có hoạt tính. Hiệu suất quang xúc tác phụ thuộc mạnh vào tỉ lệ Fe3O4:ZnO, với tỉ lệ 1:8 cho kết quả tối ưu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất quang xúc tác là do sự tổ hợp Fe3O4-ZnO giúp giảm tái hợp electron-lỗ trống, tăng cường tạo các gốc tự do phân hủy chất màu. Cấu trúc nano nhỏ và đồng nhất tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, nâng cao khả năng hấp phụ MB. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu composite Fe3O4/ZnO, đồng thời mở rộng thêm bằng việc khảo sát chi tiết ảnh hưởng tỉ lệ thành phần.

Biểu đồ so sánh hiệu suất phân hủy MB theo thời gian dưới ánh sáng UV và ánh sáng nhìn thấy minh họa rõ ràng sự vượt trội của vật liệu tổ hợp. Bảng số liệu động học phản ứng cho thấy hằng số tốc độ phản ứng của Fe3O4-ZnO cao hơn 30-40% so với ZnO, khẳng định hiệu quả quang xúc tác được cải thiện.

Ngoài ra, tính chất từ của Fe3O4 giúp vật liệu dễ dàng thu hồi sau quá trình xử lý, giảm thiểu ô nhiễm thứ cấp và chi phí vận hành. Đây là ưu điểm nổi bật so với các vật liệu quang xúc tác truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu quy trình chế tạo: Áp dụng phương pháp kết tủa bề mặt kết hợp thủy nhiệt với kiểm soát chặt chẽ tỉ lệ Fe3O4:ZnO (ưu tiên tỉ lệ 1:8) để đảm bảo kích thước hạt nano đồng đều, tăng diện tích bề mặt và hiệu suất quang xúc tác. Thời gian nghiên cứu và sản xuất mẫu nên duy trì trong khoảng 5-6 giờ phản ứng thủy nhiệt.

2. Ứng dụng xử lý nước thải: Khuyến nghị sử dụng vật liệu nano tổ hợp Fe3O4-ZnO trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp chứa chất màu hữu cơ, đặc biệt là các nhà máy dệt nhuộm và chế biến thực phẩm. Vật liệu có thể hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời, giảm chi phí năng lượng.

3. Thu hồi và tái sử dụng vật liệu: Tận dụng tính chất từ của Fe3O4 để thu hồi vật liệu bằng từ trường ngoài, giảm thất thoát và ô nhiễm thứ cấp. Đề xuất xây dựng quy trình tái sử dụng vật liệu ít nhất 5 chu kỳ mà không giảm hiệu suất đáng kể.

4. Nghiên cứu mở rộng: Khuyến khích nghiên cứu thêm về biến tính bề mặt vật liệu bằng các chất như SiO2 hoặc APTS để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và nâng cao hiệu quả quang xúc tác. Thời gian nghiên cứu bổ sung dự kiến 12-18 tháng.

5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp về quy trình chế tạo và ứng dụng vật liệu nano tổ hợp Fe3O4-ZnO, thúc đẩy chuyển giao công nghệ trong lĩnh vực xử lý môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý chất rắn, Vật liệu nano: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu nano tổ hợp Fe3O4-ZnO, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

2. Chuyên gia và kỹ sư môi trường: Tham khảo để ứng dụng vật liệu quang xúc tác trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt các chất màu hữu cơ khó phân hủy, giúp nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và thiết bị xử lý nước: Có thể áp dụng quy trình chế tạo và công nghệ quang xúc tác để phát triển sản phẩm mới, mở rộng thị trường và nâng cao giá trị sản phẩm.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Cung cấp thông tin khoa học về các giải pháp công nghệ xử lý ô nhiễm tiên tiến, hỗ trợ xây dựng chính sách khuyến khích ứng dụng vật liệu nano trong xử lý môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu nano tổ hợp Fe3O4-ZnO có ưu điểm gì so với ZnO đơn pha?
   Vật liệu tổ hợp có khả năng hấp thụ ánh sáng mở rộng sang vùng nhìn thấy, giảm tái hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu suất quang xúc tác phân hủy chất màu hữu cơ. Ngoài ra, Fe3O4 giúp thu hồi vật liệu dễ dàng bằng từ trường ngoài, giảm ô nhiễm thứ cấp.

2. Phương pháp kết tủa bề mặt kết hợp thủy nhiệt có ưu điểm gì?
   Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt tỉ lệ thành phần, tạo hạt nano đồng đều, kích thước nhỏ và ổn định. Tuy nhiên, thời gian chế tạo tương đối dài và khối lượng mẫu thu được hạn chế, phù hợp cho nghiên cứu và sản xuất quy mô nhỏ.

3. Hiệu suất phân hủy xanh methylen (MB) của vật liệu Fe3O4-ZnO đạt bao nhiêu?
   Dưới ánh sáng UV, hiệu suất phân hủy MB đạt khoảng 85% sau 150 phút chiếu sáng, cao hơn 20% so với ZnO đơn pha. Dưới ánh sáng nhìn thấy, hiệu suất đạt khoảng 60%, trong khi ZnO gần như không hoạt động.

4. Làm thế nào để thu hồi vật liệu sau quá trình xử lý?
   Nhờ tính chất siêu thuận từ của Fe3O4, vật liệu có thể được thu hồi dễ dàng bằng từ trường ngoài, giúp tái sử dụng nhiều lần và giảm thiểu ô nhiễm thứ cấp.

5. Có thể ứng dụng vật liệu này trong xử lý nước thải thực tế không?
   Có thể, vật liệu phù hợp cho xử lý nước thải chứa chất màu hữu cơ trong các ngành công nghiệp như dệt nhuộm, chế biến thực phẩm. Việc sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn kích thích giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công quy trình chế tạo vật liệu nano tổ hợp Fe3O4-ZnO bằng phương pháp kết tủa bề mặt kết hợp thủy nhiệt với khả năng điều chỉnh tỉ lệ thành phần linh hoạt.
• Vật liệu tổ hợp có cấu trúc tinh thể đồng nhất, kích thước hạt nano nhỏ, hình thái bề mặt đa dạng, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc.
• Tính chất quang xúc tác của Fe3O4-ZnO vượt trội so với ZnO đơn pha, đặc biệt dưới ánh sáng nhìn thấy, mở rộng ứng dụng trong xử lý môi trường.
• Tính chất từ của Fe3O4 giúp thu hồi vật liệu dễ dàng, nâng cao tính kinh tế và thân thiện môi trường.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu biến tính bề mặt và ứng dụng thực tế, đồng thời chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp và cơ quan quản lý.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai thử nghiệm quy mô pilot, đồng thời tổ chức hội thảo chia sẻ kết quả để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi vật liệu nano tổ hợp Fe3O4-ZnO trong xử lý môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, một vấn đề quan trọng đang tác động trực tiếp đến cuộc sống con ngƣời trên toàn cầu là sự ô nhiễm nghiêm trọng của môi trƣờng gây ra bởi các nhà máy, xí nghiệp, các dịch vụ du lịch…[1]. Việc nghiên cứu tìm ra các giải pháp hữu hiệu để xử lý các chất gây ô nhiễm môi trƣờng đang là vấn đề cấp bách và đƣợc cộng đồng khoa học quan tâm sâu rộng. Có thể thấy rằng, nhiều phƣơng pháp khác nhau đã đƣợc sử dụng để xử lý sự ô nhiễm môi trƣờng nhƣ phƣơng pháp trao đổi ion, hấp phụ, kết tủa, nhiệt phân và quang xúc tác [2].

Tuy nhiên, mỗi phƣơng pháp pháp đều có các ƣu và nhƣợc điểm khác nhau và việc chọn phƣơng pháp phù hợp còn tùy thuộc vào đối tƣợng cần đƣợc xử lý (ion kim loại nặng hay chất màu gây ô nhiễm). Thêm nữa, trên cùng một đối tƣợng cần đƣợc xử lý (chẳng hạn nhƣ chất màu xanh methylen - MB) có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau. Trong đó, các ôxít TiO2, ZnO luôn là đối tƣợng đƣợc quan tâm hàng đầu bởi các tính chất đặc trƣng thú vị của chúng. Do đó, ZnO đã và đang đƣợc nghiên cứu rộng rải nhằm ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ quang điện tử và quang tử, cảm biến, lƣu trữ năng lƣợng và xử lý môi trƣờng.

Trong lĩnh vực xử lý môi trƣờng, ZnO đang đƣợc xem là vật liệu tiềm năng trong quá trình quang xúc tác để phân hủy các chất màu hữu cơ. Ƣu điểm của loại vật liệu này trong ứng dụng quang xúc tác là xác suất hấp thụ điện tử lớn trong vùng cận tử ngoại và sự ngăn cản tái hợp cặp điện tử/lỗ trống bởi các sai hỏng khá cao [4]. Chính vì thế ZnO có thể cho hiệu quả xử lý chất màu cao 2 dƣới kích thích của ánh sáng tử ngoại. Gần đây, các nghiên cứu chỉ ra rằng bằng cách lai hóa/tổ hợp ZnO với các vật liệu khác nhƣ Fe2O3, Fe3O4, SiO2, Graphene [4]–[6] có khả năng quang xúc tác để phân hủy chất màu dƣới kích thích của ánh sáng nhìn thấy (ánh sáng mặt trời).

Đây cũng chính mục tiêu mà các nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới đang hƣớng tới. Giữa các loại vật liệu lai hóa với ZnO, ôxít sắt từ (Fe3O4) là hợp chất phổ biến của nguyên tố sắt, có cấu trúc spinel đảo và thuộc nhóm đối xứng Fd3m. Hằng số mạng có giá trị a=b=c=8,396 Å và số nguyên tử trong một ô cơ sở là 8 [7]. Cấu trúc này gồm hai phân mạng không tƣơng đƣơng lồng vào nhau, các ion O2- hình thành nên mạng lập phƣơng tâm mặt với hằng số mạng a = 0,8398 nm và các ion Fe3+, Fe2+ có bán kính nhỏ hơn sẽ phân bố trong các khoảng trống giữa các ion ôxi [8].

Các hạt sắt từ đang đƣợc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong y sinh và xử lý môi trƣờng. Trong y sinh, hạt nano Fe3O4 đƣợc ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực nhƣ tách chiết tế bào hay tăng cƣờng các chất trong chụp ảnh cộng hƣởng từ, nhiệt từ trị để trị bệnh ung thƣ, dẫn thuốc [5,7]. Trong xử lý môi trƣờng, các hạt nano từ Fe3O4 đƣợc sử dụng để hấp phụ chất màu hoặc các ion kim loại nặng trong nƣớc [8]. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, bằng các điều kiện thực nghiệm khác nhau, vật liệu nano tổ hợp Fe3O4-ZnO có thể hấp thụ trong vùng ánh sáng nhìn thấy [4,9].

Do đó nó không những đƣợc kỳ vọng là chất phân hủy tốt các chất màu hữu cơ dƣới kích thích của ánh sáng nhìn thấy và có thể thu hồi dễ dàng bằng từ trƣờng ngoài. Trên cơ sở những hiểu biết của tác giả, cùng với các thiết bị hiện có tại Khoa Vật lý – Trƣờng Đại học Quy Nhơn và Trƣờng Đại học Phenikaa, chúng tôi chọn một hƣớng nghiên cứu với tên đề tài là: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang xúc tác của vật liệu nano tổ hợp Fe3O4-ZnO”. Mục đích nghiên cứu - Xây dựng thành công quy trình chế tạo vật liệu nano tổ hợp Fe3O4/ZnO chế tạo bằng phƣơng pháp kết tủa bề mặt kết hợp với phƣơng pháp thủy nhiệt. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của tỉ lệ Fe3O4:ZnO lên hình thái bề mặt, cấu trúc tinh thể, tính chất quang và tính chất quang xúc tác trong vùng nhìn thấy của vật liệu nano tổ hợp Fe3O4/ZnO.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Vật liệu nano tổ hợp Fe3O4/ZnO. - Phạm vi nghiên cứu: Tính chất quang và quang xúc tác của vật liệu nano tổ hợp Fe3O4/ZnO. Phƣơng pháp nghiên cứu - Chế tạo các mẫu bột Fe3O4/ZnO bằng phƣơng pháp kết tủa bề mặt kết hợp với phƣơng pháp thủy nhiệt - Phân tích mẫu:  Quan sát hình thái bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng (FESEM)  Phân tích thành phần hóa học bằng phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDS)  Nghiên cứu cấu trúc tinh thể sử dụng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)  Phân tích các liên kết trong vật liệu bằng phép đo phổ tán xạ Raman, phổ FTIR  Nghiên cứu tính chất quang và tính chất từ sử dụng phép đo phổ huỳnh quang và VSM  Sử dụng phổ UV-Vis để nghiên cứu quá trình phân hủy các chất màu (MB, DP71) của vật liệu nano tổ hợp Fe3O4/ZnO. 4 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.

VẬT LIỆU NANO 1. Định nghĩa Vật liệu nano, theo định nghĩa, là vật liệu có ít nhất một chiều có kích thƣớc ở thang đo nano (trong khoảng 1–100 nm) [10]. Do ở kích thƣớc nhỏ nên các vật liệu nano thể hiện nhiều tính chất nổi bật về điện, từ, quang …, và các hiệu ứng mới nhƣ: hiệu ứng lƣợng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thƣớc. Phân loại vật liệu nano Vật liệu nano có thể đƣợc phân loại dựa trên hình thái, kích thƣớc, thành phần hóa học, tính chất hoặc ứng dụng.

Theo kích thƣớc, vật liệu nano đƣợc phân thành 4 loại: vật liệu 0 chiều (0D), 1 chiều (1D), 2 chiều (2D) và 3 chiều (3D). Vật liệu nano 0D là vật liệu có tất cả các chiều có kích thƣớc ở thang đo nano. Các vật liệu nano không chiều điển hình: đám nano, hạt nano, chấm lƣợng tử nano, xem hình 1a [11]. Vật liệu nano 1D là vật liệu có hai chiều có kích thƣớc ở thang đo nano.

Ví dụ nhƣ: ống nano, dây nano, xem hình 1b [11]. Vật liệu nano 2D là vật liệu có một chiều có kích thƣớc ở thang đo nano, hai chiều còn lại có kích thƣớc lớn hơn đáng kể so với chiều có kích thƣớc nano mét. Các vật liệu cấu trúc hai chiều điển hình là các loại màng nano, tấm nano, giếng lƣợng tử, xem hình 1c [11]. Vật liệu nano 3D là vật liệu có kích thƣớc theo tất cả các chiều đều nằm ngoài thang đo nano, điện tử chuyển động gần nhƣ tự do.

Tuy nhiên, vật liệu nano 3D đƣợc tạo thành từ những cấu trúc thấp chiều nhƣ các tinh thể, hạt hoặc dây nano. Do đó, vật liệu này còn đƣợc xem là vật liệu khối có cấu trúc nano, xem hình 1d [11]. Các loại vật liệu nano 0D, 1D, 2D,3D [11] 1. Đặc trƣng của vật liệu nano Vật liệu nano với kích thƣớc vô cùng nhỏ đã đạt tới kích thƣớc giới hạn của nhiều tính chất hoá, lý của vật liệu thông thƣờng.

Trong cấu trúc của vật liệu nano, hầu hết các nguyên tử đều đƣợc phân bố ở lớp bề mặt hoặc bị che chắn không đáng kể. Do đó, ở các vật liệu nano thể hiện nhiều tính chất mới nhƣ tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và xuất hiện các hiệu ứng mới nhƣ: hiệu ứng lƣợng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thƣớc. Đây là ba hiệu ứng nổi bật của vật liệu có kích thƣớc nano so với vật liệu khối. Hiệu ứng giam giữ lượng tử Một trong những tính chất quan trọng của vật liệu nano là sự phụ thuộc của các tính chất vật liệu vào kích thƣớc.

Khi kích thƣớc vật chất giảm xuống tới kích thƣớc nano mét thì xảy ra hiệu ứng giam giữ lƣợng tử (Quantum confinement effect), khi đó các trạng thái điện tử cũng nhƣ các trạng thái dao động của các hạt tải trong hạt nano bị lƣợng tử hóa [10]. Các hạt tải điện trong chất dẫn điện không còn di chuyển thành dòng, mà đặc tính cơ lƣợng tử của các điện tử biểu hiện ra ở dạng sóng. Đồng thời, sự thay đổi cấu trúc điện tử dẫn đến sự thay đổi, mở rộng bề rộng vùng cấm của các chất bán dẫn. Do đó, vật chất khi ở kích thƣớc nano có những tính chất mà vật chất khi ở dạng khối không thể có đƣợc.

Các trạng thái lƣợng tử hóa của vật liệu cấu trúc nano sẽ quyết định tính chất điện, quang… của cấu trúc đó [11]. Hiệu ứng bề mặt Vật liệu có kích thƣớc càng nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu càng tăng. Ở vật liệu nano, phần lớn các nguyên tử đều đƣợc phân bố ở lớp bề mặt, dẫn tới các hiệu ứng bề mặt càng tăng. Các vạt liẹu khối, hiẹu ứng bề mạt nhỏ và thuờng đuợc bỏ qua, còn ở các vạt liẹu nano thì hiẹu ứng này thể hiện khá rõ ràng [12].

Các ảnh hƣởng của hiệu ứng bề mặt nhƣ: khả năng hấp phụ, độ hoạt động bề mặt… đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực nhƣ xúc tác, cũng nhƣ các lĩnh vực liên quan [13][18]. Đồng thời, sự không hoàn hảo của bề mặt vật liệu cũng làm ảnh hƣởng các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu và là nguyên nhân của nhiều tính chất quang, điện, từ nổi bật ở vật liệu nano. Hiệu ứng kích thước Các đại lƣợng vật lý, hóa học là các đại lƣợng đặc trƣng cho các vật liệu khối truyền thống. Tuy nhiên, các tính chất này đều có một giới hạn về kích thƣớc.

Khi kích thƣớc của vật chất đủ nhỏ (cỡ nhỏ hơn 100 nm), thì các tính chất hóa, lý này không còn là bất biến nữa mà phụ thuộc vào sự thay đổi của kích thƣớc. Hiện tƣợng này gọi là hiệu ứng kích thƣớc. Kích thƣớc mà ở đó, vật liệu bắt đầu có sự thay đổi tính chất gọi là kích thƣớc tới hạn [13][18]. Do ảnh hƣởng của hiệu ứng kích thƣớc, vật liệu nano có các tính chất điện, từ, quang khác biệt so với vật liệu khối của chúng.

Điều này dẫn tới các ứng dụng rộng rãi của vật liệu nano trong tất cả các lĩnh vực của đời sống nhƣ: năng lƣợng, y sinh, môi trƣờng…[14]. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO Vật liệu nano có thể đƣợc chế tạo bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau.