Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp oxit nano CoFe2O4 và CuFe2O4 cùng ứng dụng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vật chất nghiên cứu tổng hợp oxit nano cofe2o4 cufe2o4 và bước đầu thăm dò ứng dụng của chúng, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp

• Tác giả: Nguyễn Thị Quyên
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Tố Loan
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Oxit Nano CoFe2O4 và CuFe2O4: Tổng Hợp và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• Trang bìa phụ
• Lời cam đoan
• Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
• Danh mục các bảng
• Danh mục các hình
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vật liệu nano
• 1.1.1. Phân loại vật liệu nano
• 1.1.2. Tính chất của vật liệu nano
• 1.1.3. Ứng dụng của vật liệu nano
• 1.2. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano
• 1.2.1. Phương pháp đồng kết tủa
• 1.2.2. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.2.3. Phương pháp sol-gel
• 1.2.4. Phương pháp tổng hợp đốt cháy
• 1.3. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu
• 1.3.1. Phương pháp phân tích nhiệt
• 1.3.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen
• 1.3.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 1.3.4. Phương pháp đo phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 1.4. Tổng quan về spinel
• 1.4.1. Cấu trúc của spinel
• 1.4.2. Tính chất và ứng dụng của spinel
• 1.4.3. Một số kết quả nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng các nano ferit
• 1.5. Tổng quan về metylen xanh
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Dụng cụ, hóa chất, máy móc
• 2.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo pha và kích thước hạt của oxit CoFe2O4 và CuFe2O4
• 2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung
• 2.2.2. Ảnh hưởng của thời gian nung
• 2.2.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol KL/PVA
• 2.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel
• 2.2.5. Ảnh hưởng của pH tạo gel
• 2.3. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng phân hủy metylen xanh bằng H2O2 khi có mặt chất xúc tác CoFe2O4 và CuFe2O4
• 2.3.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh
• 2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng
• 2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu
• 2.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ metylen xanh
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo pha và kích thước hạt của oxit CoFe2O4, CuFe2O4
• 3.1.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung
• 3.1.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung
• 3.1.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol KL/PVA
• 3.1.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel
• 3.1.5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH tạo gel
• 3.1.6. Kết quả nghiên cứu các đặc trưng của mẫu điều chế ở điều kiện tối ưu
• 3.2. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng phân hủy metylen xanh bằng H2O2 khi có mặt chất xúc tác CoFe2O4 và CuFe2O4
• 3.2.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng
• 3.2.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác
• 3.2.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ metylen xanh
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về oxit nano

Oxit nano, đặc biệt là CoFe2O4 và CuFe2O4, đã thu hút sự chú ý trong nghiên cứu vật liệu nano do tính chất độc đáo và ứng dụng tiềm năng của chúng. Oxit nano có kích thước từ 1 đến 100 nm, cho phép chúng có những tính chất khác biệt so với vật liệu khối. Các nghiên cứu cho thấy rằng CoFe2O4 và CuFe2O4 có khả năng xúc tác cao, đặc biệt trong các phản ứng phân hủy chất ô nhiễm như metylen xanh. Việc tổng hợp các oxit này thông qua các phương pháp như phương pháp đốt cháy đã chứng minh hiệu quả trong việc tạo ra các hạt nano với kích thước đồng nhất và tính chất tối ưu. Theo nghiên cứu, các oxit này không chỉ có ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác mà còn trong các thiết bị điện, từ, và y học.

1.1. Tính chất của oxit nano

Các oxit nano như CoFe2O4 và CuFe2O4 có những tính chất vật lý và hóa học đặc biệt. Chúng thể hiện tính chất từ tính mạnh mẽ, khả năng dẫn điện tốt và tính chất quang học độc đáo. Những tính chất này làm cho chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng cho nhiều ứng dụng công nghệ, từ cảm biến đến thiết bị lưu trữ năng lượng. Nghiên cứu cho thấy rằng kích thước và hình dạng của các hạt nano ảnh hưởng lớn đến tính chất của chúng. Việc điều chỉnh các yếu tố như nhiệt độ nung và pH trong quá trình tổng hợp có thể dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong kích thước và tính chất của hạt nano. Điều này mở ra cơ hội cho việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp nhằm đạt được sản phẩm với tính chất mong muốn.

II. Phương pháp tổng hợp oxit nano

Phương pháp tổng hợp oxit nano rất đa dạng, trong đó phương pháp đốt cháy được coi là một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất. Phương pháp này cho phép tổng hợp các oxit như CoFe2O4 và CuFe2O4 ở nhiệt độ thấp và thời gian ngắn. Quá trình này diễn ra thông qua phản ứng tự lan truyền, tạo ra nhiệt độ cao và sản phẩm cuối cùng mà không cần xử lý nhiệt bổ sung. Ngoài ra, các phương pháp như phương pháp đồng kết tủa và phương pháp sol-gel cũng được sử dụng để tổng hợp oxit nano. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng đều hướng đến việc tạo ra các hạt nano với kích thước và tính chất đồng nhất.

2.1. Phương pháp đốt cháy

Phương pháp đốt cháy (Combustion Synthesis) là một kỹ thuật tổng hợp vật liệu mới, trong đó phản ứng giữa chất oxy hóa và nhiên liệu tạo ra nhiệt độ cao, dẫn đến sự hình thành oxit nano. Phương pháp này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu sự hình thành các pha trung gian. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh tỉ lệ giữa các thành phần tham gia phản ứng có thể ảnh hưởng đến kích thước và tính chất của sản phẩm cuối cùng. Các oxit nano được tổng hợp bằng phương pháp này đã cho thấy hiệu suất cao trong các ứng dụng xúc tác, đặc biệt trong việc phân hủy các chất ô nhiễm như metylen xanh.

III. Ứng dụng của oxit nano

Oxit nano như CoFe2O4 và CuFe2O4 có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Trong lĩnh vực môi trường, chúng được sử dụng làm chất xúc tác trong các phản ứng phân hủy chất ô nhiễm, giúp cải thiện chất lượng nước. Nghiên cứu cho thấy rằng các oxit này có khả năng phân hủy metylen xanh hiệu quả khi được sử dụng cùng với H2O2. Ngoài ra, chúng còn có tiềm năng trong lĩnh vực y học, đặc biệt là trong việc dẫn thuốc và điều trị bệnh. Các hạt nano này có thể được sử dụng để mang thuốc đến các vị trí cụ thể trong cơ thể, nhờ vào tính chất từ tính của chúng.

3.1. Ứng dụng trong xử lý nước

Việc sử dụng CoFe2O4 và CuFe2O4 trong xử lý nước đã cho thấy kết quả khả quan. Các nghiên cứu chỉ ra rằng khi sử dụng các hạt nano này, nồng độ asen trong nước có thể giảm đáng kể. Điều này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn mở ra hướng đi mới trong việc xử lý các nguồn nước ô nhiễm. Các hạt nano này có khả năng tái sử dụng cao, giúp tiết kiệm chi phí và giảm thiểu tác động đến môi trường. Sự phát triển của công nghệ nano trong xử lý nước hứa hẹn sẽ mang lại những giải pháp hiệu quả cho các vấn đề ô nhiễm nước hiện nay.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ nano đang tạo ra những bước đột phá mạnh mẽ trong khoa học vật liệu nhờ các đặc tính ưu việt của hạt có kích thước từ 1 đến 100 nm. Trong các hệ oxit phức hợp cấu trúc spinel có công thức tổng quát dạng MFe2O4, nano ferit coban (CoFe2O4) và nano ferit đồng (CuFe2O4) nổi lên như những vật liệu tiên tiến với năng lượng vùng cấm lần lượt là 2,7 eV và 1,43 eV. Những vật liệu này sở hữu khả năng hấp thụ quang học cao, từ tính mạnh và hoạt tính xúc tác vượt trội. Vấn đề cấp thiết đặt ra trong thực tiễn là xử lý nước thải dệt nhuộm chứa các phẩm màu hữu cơ bền vững như metylen xanh (Methylene Blue), chất gây ô nhiễm nghiêm trọng nếu không xử lý triệt để. Mục tiêu cốt lõi của luận văn là nghiên cứu tổng hợp thành công hai loại oxit nano CoFe2O4 và CuFe2O4 đơn pha bằng phương pháp đốt cháy gel polyme sử dụng poly(vinyl ancol) (PVA), đồng thời thăm dò khả năng ứng dụng làm chất xúc tác quang hóa phân hủy metylen xanh với sự có mặt của hydro peoxit (H2O2). Nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Hóa học thuộc Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên trong năm 2017. Kết quả đạt được mang ý nghĩa khoa học sâu sắc khi xác lập bộ thông số công nghệ tối ưu, giúp chế tạo vật liệu nano kích thước đồng đều từ 7 đến 30 nm, đồng thời rút ngắn thời gian phân hủy quang hóa metylen xanh từ 420 phút xuống còn 150 phút dưới bức xạ đèn compact 40W.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cấu trúc tinh thể spinel và cơ chế xúc tác quang hóa bán dẫn kết hợp phản ứng Fenton dị thể. Cấu trúc mạng tinh thể spinel thuộc hệ lập phương với ô mạng cơ sở gồm 8 phân tử AB2O4, chứa 64 lỗ trống tứ diện và 32 lỗ trống bát diện. Dựa trên sự sắp xếp của 8 cation A hóa trị II và 16 cation B hóa trị III, spinel được phân loại thành spinel thuận A(BB)O4, spinel nghịch B(AB)O4 hoặc spinel trung gian. Bên cạnh đó, hiệu ứng kích thước tới hạn và hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano giải thích sự gia tăng đột biến mật độ tâm hoạt động trên bề mặt hạt. Khi kích thích bởi năng lượng photon thích hợp, chất bán dẫn spinel sinh ra cặp điện tử - lỗ trống (e-/h+). Lỗ trống tại vùng hóa trị phản ứng với phân tử nước tạo gốc tự do HO•, trong khi điện tử tại vùng dẫn khử oxi và H2O2 thành các gốc oxy hóa mạnh. Sự hiện diện đồng thời của các ion sắt Fe3+/Fe2+ kích hoạt quá trình Fenton dị thể, thúc đẩy phân hủy triệt để phân tử metylen xanh (C16H18N3SCl) thành các hợp chất vô hại như CO2 và H2O.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình tổng hợp đốt cháy gel polyme (PGC) đi từ các tiền chất muối nitrat kim loại tinh khiết gồm Co(NO3)2, Cu(NO3)2, Fe(NO3)3 kết hợp chất nền PVA có khối lượng phân tử phù hợp. Cỡ mẫu thực nghiệm được khảo sát có hệ thống với 5 tỷ lệ mol kim loại/PVA (từ 3/1 đến 1/3), 3 dải nhiệt độ tạo gel (50°C, 70°C, 90°C), 3 mức pH dung dịch (pH 2, 3, 4) và các mức nhiệt độ nung từ 600°C đến 800°C trong thời gian từ 1 đến 4 giờ. Phương pháp chọn mẫu phân tích thực nghiệm tuân thủ nguyên tắc thay đổi từng biến số đơn lẻ trong khi cố định các yếu tố còn lại để đảm bảo tính chuẩn xác.

Hệ phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn gồm:

• Phân tích nhiệt vi sai và nhiệt trọng lượng (DSC-TGA) trên máy METTLER TOLEDO với tốc độ nâng nhiệt 5°C/phút từ 30°C đến 800°C trong không khí, nhằm xác định chính xác khoảng nhiệt độ phân hủy chất hữu cơ và hình thành pha tinh thể.
• Nhiễu xạ tia X (XRD) ghi trên máy D8 ADVANCE Bruker với bức xạ Cu-Kα bước sóng 1,5406 Å, góc quét 2θ từ 20° đến 70° để định danh pha và tính kích thước hạt tinh thể qua phương trình Scherrer.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) JEOL-JEM-1010 xác định hình thái học và kích thước hạt thực tế.
• Đo phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) trên hệ máy Hitachi S-4800 kiểm tra tỷ lệ thành phần nguyên tố.
• Quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis xác định nồng độ metylen xanh tại bước sóng cực đại 664 nm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã làm sáng tỏ các quy luật hình thành pha và hoạt tính xúc tác của hai hệ vật liệu nano ferit:

1. Xác lập nhiệt độ và thời gian nung tối ưu cho từng pha: Giản đồ phân tích nhiệt DSC-TGA cho thấy khối lượng gel giảm mạnh ở dải 100°C - 600°C do quá trình mất nước và cháy chất hữu cơ. Kết quả XRD khẳng định CoFe2O4 tạo đơn pha lập phương hoàn chỉnh khi nung ở 600°C trong 3 giờ với kích thước hạt đạt 30 nm. Đối với CuFe2O4, mẫu cần nung ở 800°C trong 3 giờ để chuyển hóa hoàn toàn, đạt độ kết tinh 100% với kích thước hạt 24 nm, loại bỏ hoàn toàn các pha tạp oxit sắt và oxit đồng xuất hiện ở 600°C - 700°C.
2. Tác động của tỷ lệ kim loại/PVA đến độ mịn hạt: Khi tăng lượng chất nền PVA từ tỷ lệ mol kim loại/PVA là 2/1 xuống 1/3, kích thước hạt tinh thể CoFe2O4 giảm mạnh từ 37 nm xuống 7 nm (giảm hơn 81%), và CuFe2O4 giảm từ 32 nm xuống 24 nm (giảm 25%).
3. Kiểm soát điều kiện tạo gel đồng nhất: Nhiệt độ tạo gel tối ưu được xác định là 70°C tại pH = 3. Tại 50°C, thời gian tạo gel kéo dài đến 5 giờ; tại 90°C, kích thước hạt tăng lên 16 nm do gel bị cháy sớm; tại pH = 4 xuất hiện tạp pha Fe2O3. Ảnh TEM chứng minh các hạt nano CoFe2O4 và CuFe2O4 điều chế ở điều kiện tối ưu đều có dạng hình cầu đồng đều với kích thước khoảng 30 nm.
4. Hiệu quả phân hủy quang xúc tác vượt trội: Khi không có xúc tác, phản ứng phân hủy metylen xanh bằng H2O2 dưới bức xạ đèn compact 40W diễn ra rất chậm sau 420 phút. Ngược lại, khi bổ sung 100 mg xúc tác CoFe2O4 hoặc CuFe2O4, hiệu suất phân hủy đạt mức cao trong 150 phút, tuân theo mô hình động học bậc 1 với hệ số tương quan R2 đạt 0,995.

Thảo luận kết quả

Sự thành công của phương pháp đốt cháy gel polyme bắt nguồn từ các nhóm chức hydroxyl (-OH) của PVA tạo liên kết phức vòng chelate vững chắc với các cation Co2+, Cu2+, Fe3+, giúp phân bố kim loại đồng đều tuyệt đối trong nền gel. Khi gia nhiệt, các anion nitrat cung cấp môi trường oxy hóa nội tại mãnh liệt, giải phóng lượng lớn khí NO2, CO2 và hơi nước, tạo cấu trúc phồng xốp và hạn chế tối đa sự thiêu kết tích tụ hạt.

So với các công bố trước đây sử dụng phương pháp đồng kết tủa hay sol-gel xitrat đòi hỏi nhiệt độ nung lên tới 850°C trong 3 giờ tạo hạt cỡ 80 nm, quy trình trong luận văn này tạo ra hạt mịn hơn 2 đến 3 lần ở nhiệt độ thấp hơn. Các dữ liệu thực nghiệm được minh chứng thuyết phục thông qua hệ thống giản đồ XRD với các đỉnh nhiễu xạ sắc nét không chứa chân tạp chất, kết hợp với các đường cong phổ UV-Vis ghi nhận sự suy giảm liên tục của đỉnh hấp thụ quang tại bước sóng 664 nm theo thời gian phản ứng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và định hướng ứng dụng có tính khả thi cao:

1. Chuẩn hóa và mở rộng quy trình tổng hợp PGC quy mô pilot: Các viện nghiên cứu vật liệu và doanh nghiệp hóa chất cần phối hợp thiết kế lò nung tầng sôi liên tục để nâng công suất tổng hợp oxit nano CoFe2O4 và CuFe2O4 lên 5 đến 10 kg/mẻ trong vòng 12 tháng tới, giúp cắt giảm 25% chi phí năng lượng so với kỹ thuật tổng hợp truyền thống.
2. Chế tạo module phản ứng quang Fenton dị thể tích hợp từ trường: Các kỹ sư công nghệ môi trường cần chủ trì chế tạo thiết bị phản ứng xử lý nước thải dệt nhuộm quy mô 10 m3/ngày trong thời hạn 18 tháng, đặt mục tiêu phân hủy trên 95% nồng độ phẩm màu trong 60 phút và ứng dụng nam châm vĩnh cửu thu hồi 98% xúc tác từ tính sau phản ứng.
3. Đa dạng hóa đối tượng xử lý chất ô nhiễm khó phân hủy: Các nhóm nghiên cứu chuyên ngành Hóa vô cơ và Môi trường cần mở rộng khảo sát hoạt tính của hai hệ xúc tác đối với các chất thải hữu cơ độc hại như 4-clophenol, thuốc trừ sâu và dư lượng kháng sinh trong thời gian 6 đến 9 tháng, hướng tới hiệu suất chuyển hóa đạt trên 90%.
4. Đánh giá độ bền và chu kỳ sống của vật liệu xúc tác: Phòng thí nghiệm phân tích vật liệu cần tiến hành thử nghiệm độ ổn định cấu trúc qua 5 đến 10 chu kỳ phản ứng liên tục trong 6 tháng, đảm bảo mức độ suy giảm hoạt tính không vượt quá 5% sau mỗi chu kỳ tái sinh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa vô cơ, Khoa học vật liệu: Tiếp cận quy trình thực nghiệm chi tiết về phương pháp tổng hợp đốt cháy gel polyme (PGC), cách kiểm soát thông số công nghệ từ tỉ lệ mol đến nhiệt độ nung 600°C - 800°C và kỹ năng xử lý phổ XRD, TEM, EDX, TGA-DSC.
2. Kỹ sư môi trường và chuyên viên xử lý nước thải công nghiệp: Ứng dụng mô hình quang Fenton dị thể vào thiết kế hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm chứa phẩm màu nồng độ 5 đến 20 mg/L, tối ưu hóa lượng chất xúc tác từ 30 đến 100 mg trong thực tế.
3. Nhà nghiên cứu phát triển vật liệu từ tính và công nghệ nano: Khai thác cấu trúc spinel ferrit có khả năng tách pha nhanh bằng từ trường ngoài, giải quyết triệt để bài toán thất thoát xúc tác trong các quá trình xử lý dị thể.
4. Giảng viên các trường đại học khối kỹ thuật và khoa học tự nhiên: Sử dụng số liệu, hình ảnh hiển vi điện tử và giản đồ nhiễu xạ làm học liệu giảng dạy chuyên đề hóa học chất rắn, vật liệu nano và công nghệ xúc tác tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

1. Điểm ưu việt cốt lõi của phương pháp đốt cháy gel polyme (PGC) trong nghiên cứu này là gì? Phương pháp PGC sử dụng PVA vừa làm chất nền phân tán cation kim loại ở mức phân tử, vừa làm nhiên liệu đốt cháy nội. Quá trình tỏa nhiệt mạnh mẽ kèm theo sự thoát nhanh các dòng khí NO2, CO2 giúp tạo ra oxit nano spinel có độ tinh khiết cao, diện tích bề mặt lớn và hạt siêu mịn từ 7 đến 30 nm mà không cần thiết bị phức tạp.

2. Tại sao nhiệt độ nung tạo đơn pha của CoFe2O4 (600°C) lại thấp hơn so với CuFe2O4 (800°C)? Cation Co2+ có khả năng phối trí và tạo pha mạng spinel bền vững hơn ở mức nhiệt thấp, đạt đơn pha ở 600°C. Ngược lại, hệ CuFe2O4 ở dải nhiệt độ 600°C - 700°C vẫn bị cạnh tranh bởi sự hình thành các pha oxit trung gian CuO và Fe2O3, đòi hỏi mức nhiệt 800°C để hoàn tất chuyển hóa pha tứ phương.

3. Tỷ lệ mol kim loại/PVA ảnh hưởng ra sao đến kích thước hạt oxit nano thu được? Khi tăng hàm lượng PVA (tỷ lệ mol kim loại/PVA giảm từ 2/1 xuống 1/3), các cation kim loại được cô lập và phân tán tốt hơn trong mạng gel. Khi nung, sự bốc cháy phân tán của PVA ngăn chặn các mầm tinh thể kết tụ, làm kích thước hạt CoFe2O4 giảm rõ rệt từ 37 nm xuống còn 7 nm.

4. Cơ chế nào giúp CoFe2O4 và CuFe2O4 phân hủy nhanh phẩm nhuộm metylen xanh? Dưới bức xạ ánh sáng đèn 40W, chất bán dẫn spinel sinh ra cặp điện tử - lỗ trống linh động. Đồng thời, sự chuyển đổi hóa trị giữa các ion Fe3+ và Fe2+ kích hoạt phản ứng Fenton dị thể với H2O2, giải phóng ồ ạt các gốc oxy hóa cực mạnh HO• để cắt đứt liên kết vòng thơm của metylen xanh.

5. Làm cách nào để xác định chính xác độ tinh khiết và cấu trúc pha của hai oxit nano? Nghiên cứu kết hợp giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) để so sánh các góc phản xạ Bragg đặc trưng với thẻ chuẩn quốc tế nhằm khẳng định độ đơn pha 100%, kết hợp ảnh TEM đo trực tiếp kích thước hạt 30 nm và phổ EDX định lượng tỷ lệ nguyên tố Co, Cu, Fe chuẩn xác.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu với 5 đóng góp học thuật và thực tiễn nổi bật:

• Tổng hợp thành công hai hệ oxit nano spinel CoFe2O4 và CuFe2O4 đơn pha, độ sạch cao bằng phương pháp đốt cháy gel polyme PVA thân thiện, tiết kiệm năng lượng.
• Tối ưu hóa bộ thông số công nghệ: tỷ lệ mol kim loại/PVA = 1/3, nhiệt độ tạo gel 70°C, pH = 3, thời gian nung 3 giờ tại 600°C (cho CoFe2O4) và 800°C (cho CuFe2O4).
• Tạo ra các hạt nano hình cầu đồng đều với kích thước siêu mịn từ 7 đến 30 nm, kiểm soát cấu trúc qua phân tích XRD, TEM và EDX.
• Chứng minh hoạt tính xúc tác vượt bậc khi rút ngắn thời gian phân hủy metylen xanh xuống 150 phút theo động học bậc 1 dưới ánh sáng đèn compact 40W.
• Đặt nền móng cho việc ứng dụng vật liệu ferit từ tính trong công nghệ xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm.

Kế hoạch tiếp theo cần tập trung thử nghiệm vật liệu trên dòng nước thải thực tế trong 12 tháng tới. Hãy liên hệ và kết nối học thuật để cùng phát triển công nghệ nano vì môi trường bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, công nghệ nano đã thực sự phát triển mạnh mẽ và có ảnh hưởng lớn đến nhiều lĩnh vực như hoá học, y học, sinh học, kỹ thuật điện tử, năng lượng,. Vật liệu nano đã mở ra cho khoa học kĩ thuật một con đường mới do những ứng dụng vô cùng đặc biệt của nó mà các vật liệu dạng khối không thể nào có được. Trong số các oxit phức hợp kiểu spinel, nano ferit (MFe2O4) đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học do sự đa dạng về thành phần, cấu trúc cũng như khả năng ứng dụng. Trong lĩnh vực xúc tác, chúng có thể làm cho nhiều phản ứng đạt tốc độ tối đa và cho hiệu suất chuyển hóa lớn nhất.

Ngoài ra, các ferit còn là vật liệu quan trọng trong các thiết bị điện, từ… Trong đề tài này chúng tôi đã sử dụng phương pháp đốt cháy để tổng hợp spinel CoFe2O4, CuFe2O4 và định hướng ứng dụng chúng làm chất xúc tác trong phản ứng phân hủy metylen xanh bằng H2O2. 1 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. Vật liệu nano 1. Phân loại vật liệu nano Vật liệu nano là loại vật liệu có cấu trúc dạng hạt, sợi, ống, tấm mỏng.có kích thước đặc trưng khoảng từ 1 ÷ 100 nm.

Hiện nay vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Dựa vào trạng thái, người ta phân chia vật liệu thành ba dạng: rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Một số ví dụ về vật liệu nano: (a) hạt nano, (b) ống nano, (c) màng nano và (d) vật liệu có cấu trúc nano 2 Dựa vào hình dạng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau (hình 1.1): + Vật liệu nano không chiều (0D) là vật liệu cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử.

Ví dụ: các đám nano, hạt nano. + Vật liệu nano một chiều (1D) là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù). Ví dụ: dây nano, ống nano… + Vật liệu nano hai chiều (2D) là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng… + Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau [6]. Tính chất của vật liệu nano Vật liệu nano với kích thước rất nhỏ trong khoảng 1 đến 100nm có những tính chất thú vị khác hẳn so với vật liệu khối thông thường.

Sự thay đổi tính chất một cách đặc biệt ở kích thước nano được cho là do hiệu ứng bề mặt và do kích thước tới hạn của vật liệu nano. Hiệu ứng bề mặt: Ở kích thước nano, tỉ lệ các nguyên tử trên bề mặt thường rất lớn so với tổng thể tích hạt. Các nguyên tử trên bề mặt đóng vai trò như các tâm hoạt động chính vì vậy các vật liệu nano thường có hoạt tính hóa học cao. Kích thước tới hạn: Các tính chất vật lý, hóa học như tính chất điện, từ, quang… ở mỗi vật liệu đều có một kích thước tới hạn mà nếu kích thước vật liệu ở dưới kích thước này thì tính chất của nó không còn tuân theo các định luật đúng với vật liệu vĩ mô thường gặp.

Vật liệu nano có tính chất đặc biệt vì kích thước của nó cũng nằm trong phạm vi kích thước tới hạn của các tính chất điện, từ, quang, siêu dẫn, siêu phân tử… của vật liệu [4]. Ứng dụng của vật liệu nano Ứng dụng dẫn thuốc và nhiệt trị: Điều khiển tính chất từ của các hạt nano để dẫn thuốc và nhiệt trị. Các hạt từ tính mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể. Các hạt nano từ tính thường dùng là oxit sắt (magnetite Fe3O4, maghemite γ - Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, detran hoặc silica.

Các thành phần trong mạch máu có tính chất từ khác nhau như nghịch từ, thuận từ, sắt từ và siêu thuận từ. Ứng dụng trong sản xuất pin: Spinel LiMn2O4 đã được dùng làm vật liệu cực dương thay thế cho pin sạc ion liti. LiMn2O4 có các ưu điểm sau: Pin sử dụng vật liệu cực dương LiMn2O4 có hiệu điện thế lớn (khoảng 4V); dung lượng thuận nghịch lớn, giá nguyên liệu thấp, ít độc hại và chu kỳ sống dài. Cấu trúc spinel LiMn2O4 có các lỗ trống phù hợp cho sự đan xen Li+ mà không bị phá vỡ.

Gắn DNA và chip DNA: Xét nghiệm kim loại xác định DNA có thể thực hiện bằng lớp phủ hạt nano vàng với chuỗi sợi DNA. Khi các hạt này được ghép vào DNA sẽ xảy ra liên kết (sự lai tạo). Quá trình này sẽ làm cho keo vàng kết tụ, và kết quả là diễn ra sự thay đổi màu trên thân chip. Đối với lĩnh vực lưu trữ thông tin: Các hạt màu siêu mịn thường tạo ra chất lượng cao hơn về màu sắc, độ bao phủ và chất bền màu.

Trên thực tế, các hạt nano thường được ứng dụng trong audio, băng video và đĩa hiện đại, chúng phụ thuộc vào tính chất quang và tính chất từ của hạt mịn. Với các tiến bộ kĩ thuật, càng ngày con người càng chế tạo các loại vật liệu lưu trữ thông tin có dung lượng lớn nhưng kích thước ngày càng nhỏ gọn. Trong lĩnh vực điện tử - cơ khí: chế tạo các linh kiện điện tử nano có tốc độ xử lý cực nhanh, chế tạo các thế hệ máy tính nano, sử dụng vật liệu nano để làm các thiết bị ghi thông tin cực nhỏ, màn hình máy tính, điện thoại, tạo ra các vật liệu nano siêu nhẹ siêu bền sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ… Đối với các vật liệu gốm và các chất cách điện cải tính: Việc nén các hạt gốm kích thước nano tạo ra các vật rắn mềm dẻo, dường như là do vô số ranh 4 giới hạt tồn tại. Sau khi phát triển thêm các phương pháp nén, các vật không xốp, độ đặc cao sẽ được điều chế.

Những vật liệu mới này có thể được sử dụng như chất thay thế cho kim loại trong rất nhiều ứng dụng. Vật liệu chịu lửa: Gạch chịu lửa spinel được ứng dụng nhiều để lót cho lò quay sản xuất clinke xi măng, được ứng dụng trong lò luyện thép. Trong lĩnh vực xúc tác: Các vật liệu nano có thể làm cho nhiều phản ứng đạt tốc độ tối đa và hiệu suất chuyển hóa của sản phẩm là lớn nhất. Đây là lĩnh vực đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học.

Đối với công nghệ sản xuất sơn: Người ta đã chứng minh được rằng sơn được thêm chất phụ gia bằng các hạt nano hấp phụ ánh sáng như TiO2 thì sơn có khả năng tự lau sạch. Xử lý nước: Các hạt nano Fe1-xCoxFe2O4 (với x = 0; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5) đã được ứng dụng trong việc xử lý các nguồn nước bị nhiễm asen. Kết quả cho thấy, khi dùng 0,25 - 1,5 gam hạt nano từ tính cho 1 lít nước nhiễm asen sẽ làm giảm nồng độ asen từ 0,1 mg/l xuống còn 10 µg/l. Các hạt nano từ tính có khả năng tái sử dụng cao [3].

Nâng cao an ninh quốc phòng: Công nghệ nano đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo trang thiết bị quân sự cho quốc phòng. Các loại vật liệu hấp phụ, phá hủy các tác nhân sinh học và hóa học đã được chứng minh là khá hiệu quả và cho phép đối phó nhanh với một số vấn đề hậu cần [6]. Một số phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano Có hai phương thức cơ bản để chế tạo vật liệu nano là phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up) (hình 1. Phương pháp từ trên xuống là dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano.

Đây là phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu). Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều hoặc hai chiều. 5 Phương pháp từ dưới lên là phương thức lắp ghép các nguyên tử, phân tử để thu được các hạt có kích thước nano. Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng.

Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, phương pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai. Một số phương pháp vật lý thường dùng để tạo vật liệu nano như phương pháp bốc bay nhiệt, đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang. Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano.

Điều chế vật liệu nano bằng phương pháp hóa học được chia thành hai loại là hình thành từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel.) và từ pha khí (nhiệt phân. Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano. Một số phương pháp điều chế vật liệu nano là sự kết hợp của phương pháp vật lý và hóa học như điện phân, ngưng tụ từ pha khí. Hai phƣơng pháp cơ bản để điều chế vật liệu nano Sau đây chúng tôi giới thiệu một số phương pháp hóa học để tổng hợp vật liệu nano oxit.

Phương pháp đồng kết tủa Theo phương pháp đồng kết tủa, các dung dịch muối được chọn đúng với tỉ lệ như trong sản phẩm, rồi thực hiện phản ứng đồng kết tủa (dưới dạng hydroxit, cacbonat, oxalat…) thu được sản phẩm rắn kết tủa sau đó tiến hành nhiệt phân thu được sản phẩm mong muốn [5]. Ưu điểm của phương pháp này là các chất tham gia phản ứng đã được phân tán ở mức độ phân tử, tỷ lệ các ion kim loại đúng theo hợp thức của hợp chất cần tổng hợp. Nhược điểm của phương pháp này là có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kết tủa của các hiđroxit như nồng độ, pH của dung dịch, tỷ lệ các chất tham gia phản ứng, nhiệt độ. Phương pháp thủy nhiệt Phản ứng trong dung dịch nước xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cao gọi là phản ứng thủy nhiệt.

Các oxit kim loại thường được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt kết tủa và kết tinh.