Nghiên Cứu Tính Chất Quang và Từ của Vật Liệu Tổ Hợp BiFeO3

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang từ của vật liệu tổ hợp nền, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Hoàng Thị Mận
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Trường Thọ
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Và Khảo Sát Tính Chất Quang, Từ Của Vật Liệu Tổ Hợp BiFeO3
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Mục đích nghiên cứu
• 0.2. Phạm vi nghiên cứu
• 0.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
• 0.4. Đối tƣợng nghiên cứu
• 0.5. Nội dung nghiên cứu
• 0.6. Khái niệm vật liệu tổ hợp
• 0.7. Vật liệu sắt điện
• 0.8. Vật liệu từ
• 0.9. Vật liệu đa pha điện – từ (Multiferroics)
• 0.10. Hiệu ứng điện - từ
• 0.11. Vật liệu multiferroic đơn pha
• 0.12. Vật liệu multiferroic tổ hợp
• 0.13. Vật liệu BiFeO3
• 0.14. Vật liệu CoFe2O4
• 0.15. Tính chất quang của vật liệu tổ hợp
• 0.16. Kết luận chƣơng
• 1. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
• 1.1. Công nghệ chế tạo vật liệu
• 1.2. Các phép đo khảo sát cấu trúc và tính chất cơ bản của vật liệu
• 1.2.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 1.2.2. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
• 1.2.3. Phép đo tính chất từ của vật liệu
• 1.2.4. Phép đo phổ tán xạ Ramann
• 1.2.5. Phép đo phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis)
• 1.3. Kết luận chƣơng
• 2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.1. Kết quả phân tích phổ nhiễu xa tia X (XRD) và chụp ảnh bề mặt (SEM)
• 2.2. Tính chất từ của vật liệu tổ hợp CoFe2O4/BiFeO3
• 2.3. Tính chất quang của hệ vật liệu tổ hợp CFO/BFO
• 2.4. Đánh giá khả năng quang xúc tác phân hủy Rhodamine B (RhB)
• 2.5. Kết luận chƣơng

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Tổ Hợp BiFeO3 Tiềm Năng Ứng Dụng

Vật liệu tổ hợp, hay composite, là sự kết hợp của hai hay nhiều pha thành phần, tạo ra vật liệu với tính chất vật lý mới so với vật liệu nền ban đầu. Việc điều chỉnh các thành phần và giai đoạn công nghệ cho phép tạo ra hoặc cải thiện các đặc tính mong muốn. Nghiên cứu vật liệu tổ hợp ngày càng phát triển, đặc biệt là vật liệu tổ hợp dựa trên nền vật liệu perovskite đa pha điện - từ. Theo tài liệu gốc, "Thuật ngữ ‘vật liệu tổ hợp - composite’ được dùng để chỉ bất kỳ vật liệu nào bao gồm hai hay nhiều pha thành phần". Luận văn này tập trung vào chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu tổ hợp dựa trên nền vật liệu perovskite đa pha điện - từ.

1.1. Khái niệm vật liệu tổ hợp nền BiFeO3

Vật liệu tổ hợp là sự kết hợp của hai hay nhiều pha thành phần, với mục tiêu tạo ra một vật liệu mới có các tính chất vật lý vượt trội so với các thành phần riêng lẻ. Bằng cách điều chỉnh thành phần, cấu trúc và quá trình chế tạo, có thể tạo ra vật liệu với các tính chất đặc biệt theo yêu cầu. Vật liệu tổ hợp thường thể hiện các tính chất vật lý mới so với các tính chất ban đầu của vật liệu nền ban đầu. Cấu trúc perovskite (ABO3) có tính linh hoạt cao, cho phép tạo ra nhiều biến thể vật liệu với các tính chất khác nhau, bao gồm BiFeO3.

1.2. Cấu trúc perovskite của BiFeO3 Đặc điểm và ứng dụng

BiFeO3 thuộc họ perovskite, có công thức hóa học ABO3. Trong cấu trúc này, A là Bi, B là Fe và O là oxy. Cấu trúc perovskite có thể biến đổi để tạo ra các tính chất khác nhau, ví dụ như tính sắt điện hoặc từ tính. Cấu trúc perovskite thường được viết dưới dạng hợp thức ABO3 và có cấu trúc ô mạng được mô tả như trên Hình 1. Kí hiệu „A‟, „B‟ trên hình đƣợc đại diện cho vị trí của các cation trong khi kí hiệu „O‟ thể hiện vị trí các anion. Vị trí „B‟ đƣợc bao quanh bởi khối bát diện oxy là vị trí của cation có bán kính nguyên tử nhỏ hơn.

II. Thách Thức BiFeO3 Khắc Phục Nhược Điểm Để Ứng Dụng Rộng Rãi

Mặc dù BiFeO3 có nhiều tiềm năng, nhưng vẫn còn một số thách thức cần vượt qua. BiFeO3 có đặc trưng phản sắt từ làm cho tương tác từ - điện yếu, hạn chế ứng dụng thực tế. Các nghiên cứu tập trung vào việc tạo ra các composite của BiFeO3 với các vật liệu có từ tính cao như spinel (CoFe2O4) để cải thiện tính chất này. Ngoài ra, tính chất quang của vật liệu composite nền BiFeO3 cũng được quan tâm để ứng dụng trong xử lý chất màu hữu cơ thông qua hiệu ứng quang xúc tác. "Tuy vậy, các vật liệu đa pha điện-từ trong tự nhiên rất hiếm và chỉ có BiFeO3 là vật liệu duy nhất tồn tại cả hai pha phản sắt từ và sắt điện ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, do BiFeO3 có đặc trưng phản sắt từ mà tương tác từ - điện của nó rất yếu không thể ứng dụng được trong thực tế."

2.1. Vấn đề về tính chất phản sắt từ của BiFeO3

Một trong những hạn chế lớn nhất của BiFeO3 nguyên chất là tính chất phản sắt từ của nó. Điều này dẫn đến tương tác yếu giữa điện trường và từ trường, làm giảm hiệu quả của các ứng dụng magnetoelectric. Vì vậy, các nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện tính chất từ của BiFeO3 bằng cách tạo ra các vật liệu composite hoặc pha tạp.

2.2. Sự cần thiết của vật liệu tổ hợp để tăng cường tính chất

Để khắc phục những hạn chế của BiFeO3 nguyên chất, việc tạo ra các vật liệu composite là một giải pháp hiệu quả. Bằng cách kết hợp BiFeO3 với các vật liệu khác như CoFe2O4, có thể tận dụng các tính chất của cả hai vật liệu, tạo ra một vật liệu tổ hợp với tính chất được cải thiện đáng kể. Bên cạnh các tính chất lý thú về sắt điện và sắt từ thì tính chất quang của vật liệu composite nền BiFeO3 cũng đƣợc quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong việc xử lý chất màu hữu cơ thông qua hiệu ứng quang xúc tác.

III. Phương Pháp Chế Tạo Vật Liệu Tổ Hợp BiFeO3 Hiệu Quả Nhất

Luận văn sử dụng phương pháp thủy nhiệt để chế tạo vật liệu composite nền BiFeO3. Phương pháp này có ưu điểm kiểm soát tốt kích thước hạt và độ đồng đều của vật liệu. Các phương pháp khác như sol-gel, nghiền cơ năng lượng cao cũng được đề cập. Nghiên cứu tập trung vào các tính chất cấu trúc, hình thái, tính chất quang xúc tác và tính chất từ bằng các kỹ thuật XRD, TEM, FTIR, UV-VIS... "Chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu chuyên sâu cả về tính chất sắt điện – sắt từ và tính chất quang của vật liệu. Mục đích nghiên cứu 2 - Chế tạo thành công vật liệu composite nền BiFeO3 bằng phương pháp thủy nhiệt."

3.1. Kỹ thuật thủy nhiệt Ưu điểm và quy trình thực hiện

Phương pháp thủy nhiệt là một kỹ thuật hiệu quả để chế tạo các vật liệu nano, bao gồm cả BiFeO3. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng kiểm soát kích thước hạt, độ tinh khiết và độ đồng đều của sản phẩm. Quy trình thủy nhiệt thường bao gồm việc hòa tan các tiền chất trong dung môi, sau đó gia nhiệt trong một bình áp suất cao. Quá trình này cho phép các ion phản ứng với nhau và tạo thành pha BiFeO3 với cấu trúc tinh thể mong muốn.

3.2. Các phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất vật liệu

Sau khi chế tạo vật liệu, cần tiến hành các phân tích để xác định cấu trúc, hình thái và tính chất của nó. Các kỹ thuật phân tích thường được sử dụng bao gồm XRD (nhiễu xạ tia X) để xác định cấu trúc tinh thể, SEM (kính hiển vi điện tử quét) và TEM (kính hiển vi điện tử truyền qua) để khảo sát hình thái, UV-Vis để đo tính chất quang và VSM (máy đo từ kế rung) để đo tính chất từ. Phân tích XRD của hệ composite CoFe2O4/BiFeO3

IV. Tính Chất Quang và Từ của Vật Liệu Tổ Hợp BiFeO3 Kết Quả Nghiên Cứu

Nghiên cứu phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và chụp ảnh bề mặt (SEM). Khảo sát tính chất từ của vật liệu tổ hợp CoFe2O4/BiFeO3. Đánh giá tính chất quang của hệ vật liệu tổ hợp CFO/BFO và khả năng quang xúc tác phân hủy Rhodamine B (RhB). Các kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng của vật liệu tổ hợp BiFeO3 trong nhiều lĩnh vực. Theo tài liệu gốc, "Chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu chuyên sâu cả về tính chất sắt điện – sắt từ và tính chất quang của vật liệu."

4.1. Phân tích XRD và SEM Cấu trúc và hình thái vật liệu

Kết quả phân tích XRD cho thấy sự hình thành của pha BiFeO3 và CoFe2O4 trong vật liệu composite. Hình ảnh SEM cung cấp thông tin về kích thước hạt, hình dạng và sự phân bố của các pha trong vật liệu. Các kết quả này giúp xác định cấu trúc và hình thái của vật liệu, từ đó suy ra các tính chất khác của nó.

4.2. Đo đạc tính chất từ Độ từ hóa và lực kháng từ

Các phép đo tính chất từ cho thấy sự thay đổi về độ từ hóa và lực kháng từ của vật liệu tổ hợp so với BiFeO3 nguyên chất. Sự thay đổi này có thể được giải thích bằng tương tác giữa các pha trong vật liệu composite. Đường cong từ độ phụ thuộc vào từ trường ngoài, M(H), của các mẫu tổ hợp CFO/BFO tại nhiệt độ phòng. Phổ hấp thụ UV-VIS của vật liệu nano BFO chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt.

4.3. Tính chất quang xúc tác Phân hủy Rhodamine B RhB

Nghiên cứu đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu tổ hợp trong việc phân hủy Rhodamine B (RhB), một chất ô nhiễm hữu cơ. Kết quả cho thấy vật liệu composite có khả năng quang xúc tác hiệu quả hơn so với BiFeO3 nguyên chất. Điều này là do sự tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và sự tăng cường sự tách cặp điện tử-lỗ trống trong vật liệu composite. Độ hấp thụ RhB bởi hệ vật liệu tổ hợp CFO/BFO sau các thời gian chiếu đèn UV khác nhau.

V. Ứng Dụng Tiềm Năng Vật Liệu Tổ Hợp BiFeO3 Xử Lý Nước Thải

Vật liệu tổ hợp BiFeO3 có nhiều ứng dụng tiềm năng, đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý nước thải. Khả năng quang xúc tác của vật liệu có thể được sử dụng để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ, giúp làm sạch nước hiệu quả. Ngoài ra, vật liệu cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác như cảm biến, lưu trữ dữ liệu và quang điện. BiFeO3 có thể xử lý các chất màu như Methyl vàng (MO), Rhodamine B (RhB), Methylene xanh (MB), Congo đỏ (CR), Reactive Back-5 (RB-5)

5.1. Ứng dụng quang xúc tác trong xử lý chất ô nhiễm hữu cơ

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của vật liệu tổ hợp BiFeO3 là trong việc xử lý chất ô nhiễm hữu cơ. Với khả năng quang xúc tác mạnh mẽ, vật liệu này có thể phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải, giúp làm sạch nước và bảo vệ môi trường. BiFeO3 được biết đến như một vật liệu tiên tiến dòng ABO3 có độ rộng vùng cấp nhỏ hơn 2 eV nên rất thích hợp cho quá trình quang xúc tác với phổ ánh sáng nhìn thấy của ánh sáng mặt trời.

5.2. Các ứng dụng tiềm năng khác của vật liệu BiFeO3

Vật liệu tổ hợp BiFeO3 còn có nhiều ứng dụng tiềm năng khác, bao gồm cảm biến, lưu trữ dữ liệu, quang điện, và vật liệu y sinh. Với các tính chất đặc biệt của mình, vật liệu này hứa hẹn sẽ đóng góp quan trọng vào nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau. Vật liệu multiferroic có thể là vật liệu đơn pha hoặc là vật liệu hỗn hợp hay đa pha và thường được biết đến nhiều hơn với tên gọi là vật liệu tổ hợp (composite material).

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Vật Liệu BiFeO3

Nghiên cứu về vật liệu tổ hợp BiFeO3 đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để tối ưu hóa tính chất và mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu này. Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện phương pháp chế tạo, khám phá các tổ hợp vật liệu mới và nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hoạt động của vật liệu. Nghiên cứu các tính chất cấu trúc, hình thái, tính chất quang xúc tác, tính chất từ bằng XRD, TEM, FTIR, UV-VIS, …

6.1. Tóm tắt kết quả và đánh giá tiềm năng ứng dụng

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo và khảo sát tính chất của vật liệu tổ hợp BiFeO3, cho thấy tiềm năng ứng dụng của vật liệu trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa tính chất và mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu.

6.2. Các hướng nghiên cứu tiếp theo và triển vọng tương lai

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện phương pháp chế tạo, khám phá các tổ hợp vật liệu mới và nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hoạt động của vật liệu. Với những nỗ lực nghiên cứu không ngừng, vật liệu BiFeO3 hứa hẹn sẽ đóng góp quan trọng vào nhiều lĩnh vực công nghệ trong tương lai.

Nội dung chính

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 các thiết bị điện tử, cảm biến và xử lý môi trường. Theo ước tính, vật liệu multiferroic có thể giúp giảm tiêu thụ năng lượng và tăng dung lượng lưu trữ trong các thiết bị nhớ điện tử. Tuy nhiên, vật liệu multiferroic tự nhiên rất hiếm, trong đó BiFeO3 (BFO) là vật liệu duy nhất thể hiện đồng thời tính phản sắt từ và sắt điện ở nhiệt độ phòng. Do tính tương tác từ-điện yếu của BFO, việc phát triển vật liệu tổ hợp dựa trên BFO với các vật liệu từ tính mạnh như CoFe2O4 (CFO) được xem là hướng đi khả thi để nâng cao hiệu suất điện-từ và tính chất quang xúc tác.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo thành công vật liệu composite nền BiFeO3 bằng phương pháp thủy nhiệt, đồng thời khảo sát các tính chất quang, từ và khả năng xử lý chất màu hữu cơ trong nước thải công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ vật liệu composite BiFeO3/spinel (CoFe2O4) với tỷ lệ mol biến đổi, khảo sát tính chất quang xúc tác phân hủy Rhodamine B (RhB) và các tính chất từ ở nhiệt độ phòng. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu đa chức năng ứng dụng trong công nghệ lưu trữ dữ liệu và xử lý môi trường, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và bảo vệ môi trường.

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 nhiều trật tự ferroic như sắt điện, sắt từ, phản sắt từ. BiFeO3 là vật liệu multiferroic đơn pha với cấu trúc perovskite ABO3, thể hiện tính phản sắt từ loại G và sắt điện ở nhiệt độ phòng.

• Hiệu ứng điện-từ (Magnetoelectric - ME): Là sự tương tác giữa các tham số trật tự điện và từ trong vật liệu multiferroic, được biểu diễn qua các hệ số liên kết điện-từ α, thể hiện sự điều khiển từ hóa bằng điện trường và ngược lại.

• Vật liệu tổ hợp (composite): Kết hợp các pha sắt điện và sắt từ để tạo ra hiệu ứng ME mạnh hơn thông qua tương tác cơ học tại biên pha, nâng cao tính chất điện-từ và quang xúc tác.

• Tính chất quang xúc tác: Vật liệu BFO có độ rộng vùng cấm nhỏ (~2,1-2,8 eV) phù hợp hấp thụ ánh sáng khả kiến, giúp kích thích các phản ứng oxi hóa-khử phân hủy các chất màu hữu cơ như Rhodamine B.

Các khái niệm chính bao gồm: cấu trúc perovskite, phản sắt từ loại G, hiệu ứng điện-từ thuận và đảo, quang xúc tác, và cấu trúc spinel của CoFe2O4.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm với quy trình chính:

• Chế tạo vật liệu: Tổng hợp vật liệu BiFeO3 và composite CoFe2O4/BiFeO3 bằng phương pháp thủy nhiệt, với tỷ lệ mol CoFe2O4 : BiFeO3 thay đổi từ 10:0 đến 10:5. Các tiền chất hóa học được hòa tan, khuấy trộn, phản ứng thủy nhiệt ở nhiệt độ 180-200°C trong 4-10 giờ, sau đó rửa sạch, sấy khô và nghiền mịn.

• Nguồn dữ liệu: Các mẫu vật liệu thu được được phân tích cấu trúc, hình thái và tính chất vật lý.

• Phương pháp phân tích:

  • Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và pha.
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quét (SEM) để khảo sát kích thước hạt và hình thái.
  • Phổ hấp thụ UV-Vis để xác định độ rộng vùng cấm năng lượng.
  • Phổ tán xạ Raman và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để phân tích liên kết hóa học và cấu trúc.
  • Đo từ kế mẫu rung (VSM) để khảo sát tính chất từ, bao gồm từ độ bão hòa (Ms), độ từ dư (Mr) và lực kháng từ (Hc).
  • Thử nghiệm quang xúc tác phân hủy Rhodamine B dưới ánh sáng UV và ánh sáng tự nhiên.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp và khảo sát vật liệu thực hiện trong khoảng thời gian từ 2020 đến 2021 tại Đại học Thái Nguyên và các viện nghiên cứu liên kết.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tinh thể và kích thước hạt: Phổ XRD cho thấy sự tồn tại đồng thời của hai pha BiFeO3 (cấu trúc trực thoi, nhóm không gian R3c) và CoFe2O4 (cấu trúc spinel lập phương), không có pha trung gian hay phản ứng hóa học giữa hai pha. Cường độ các đỉnh XRD của BFO tăng theo tỷ lệ mol tăng. Kích thước hạt trung bình từ TEM dao động khoảng 10-30 nm.

2. Tính chất từ: Các mẫu composite CFO/BFO thể hiện đặc tính ferri từ chủ yếu do pha CFO. Độ từ hóa bão hòa Ms giảm từ 42,55 emu/g (CFO đơn pha) xuống còn 7,27 emu/g khi tỷ lệ BFO tăng lên 10:5. Lực kháng từ Hc giảm từ 1028 Oe xuống khoảng 176-277 Oe theo tỷ lệ BFO tăng. Điều này phản ánh sự tương tác cơ học giữa hai pha, ảnh hưởng đến cấu trúc miền từ và hiệu ứng điện-từ.

3. Tính chất quang học: Phổ hấp thụ UV-Vis cho thấy các mẫu composite có độ hấp thụ cao trong vùng tử ngoại và thấp trong vùng khả kiến. Độ rộng vùng cấm Eg tính theo phương pháp Wood-Tauc dao động không đều, trong khoảng 1,92-2,25 eV, phù hợp với khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Phổ FTIR xác nhận sự tồn tại của liên kết Bi-O trong pha BFO và Fe-O, Co-O trong pha CFO.

4. Khả năng quang xúc tác: Hệ vật liệu composite CFO/BFO có khả năng phân hủy Rhodamine B hiệu quả dưới ánh sáng UV, với hiệu suất tăng khi có mặt H2O2. Điều này chứng tỏ vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp.

Thảo luận kết quả

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

Giảm dần độ từ hóa bão hòa và lực kháng từ khi tăng tỷ lệ BFO phản ánh sự pha loãng pha từ tính và tương tác cơ học giữa các pha, làm giảm tính ferri từ. Hiện tượng này tương tự với các nghiên cứu trước đây về vật liệu multiferroic tổ hợp, trong đó hiệu ứng điện-từ được tạo ra qua biến dạng cơ học tại biên pha.

Độ rộng vùng cấm nhỏ của composite so với CFO đơn pha giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Phổ FTIR và Raman hỗ trợ xác nhận cấu trúc và liên kết hóa học, đồng thời cho thấy sự phân bố lại cation trong vật liệu tổ hợp.

Khả năng phân hủy Rhodamine B dưới ánh sáng UV và sự tăng hiệu suất khi có H2O2 cho thấy cơ chế quang xúc tác dựa trên tạo ra các gốc oxy hóa mạnh như hydroxyl và superoxide, phù hợp với cơ chế quang xúc tác của các vật liệu ferrite spinel và perovskite.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD thể hiện các đỉnh pha, biểu đồ Ms và Hc theo tỷ lệ mol, phổ hấp thụ UV-Vis và FTIR, cũng như đồ thị phân hủy RhB theo thời gian chiếu sáng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu tỷ lệ pha composite: Khuyến nghị điều chỉnh tỷ lệ mol CoFe2O4 : BiFeO3 trong khoảng 10:1 đến 10:3 để cân bằng giữa tính chất từ và quang xúc tác, nhằm đạt hiệu suất điện-từ và xử lý môi trường tối ưu trong vòng 6-12 tháng, do các nhóm nghiên cứu vật liệu và công nghiệp môi trường thực hiện.

2. Nâng cao hiệu suất quang xúc tác: Áp dụng kỹ thuật bổ sung chất dẫn điện như graphene hoặc polyethylene glycol để giảm tỷ lệ tái hợp điện tử-lỗ trống, tăng hiệu suất phân hủy chất màu hữu cơ trong 12 tháng, do các phòng thí nghiệm vật liệu tiên tiến đảm nhiệm.

3. Phát triển thiết bị ứng dụng: Thiết kế và thử nghiệm các thiết bị cảm biến hoặc bộ nhớ dựa trên vật liệu multiferroic composite trong 18-24 tháng, tập trung vào việc điều khiển từ hóa bằng điện trường, do các trung tâm nghiên cứu công nghệ điện tử và vật liệu thực hiện.

4. Mở rộng ứng dụng xử lý nước thải: Thử nghiệm quy mô pilot xử lý nước thải công nghiệp chứa chất màu hữu cơ sử dụng vật liệu composite CFO/BFO trong 12-18 tháng, phối hợp với các doanh nghiệp xử lý môi trường và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu đa pha điện-từ: Có thể sử dụng kết quả để phát triển vật liệu multiferroic composite mới với tính chất điện-từ và quang xúc tác cải tiến, phục vụ nghiên cứu cơ bản và ứng dụng.

2. Chuyên gia công nghệ môi trường: Áp dụng vật liệu composite CFO/BFO trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là phân hủy các chất màu hữu cơ khó phân hủy bằng phương pháp truyền thống.

3. Kỹ sư thiết kế thiết bị điện tử: Tham khảo để phát triển các thiết bị lưu trữ dữ liệu, cảm biến từ và điện dựa trên hiệu ứng điện-từ của vật liệu multiferroic composite.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật lý vật liệu, quang học và công nghệ môi trường: Sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo về phương pháp chế tạo, phân tích và ứng dụng vật liệu composite đa chức năng.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu BiFeO3 có ưu điểm gì trong nghiên cứu multiferroic?
   BiFeO3 là vật liệu duy nhất trong tự nhiên thể hiện đồng thời tính phản sắt từ và sắt điện ở nhiệt độ phòng, với nhiệt độ chuyển pha Curie và Neel cao, giúp duy trì tính chất ổn định trong điều kiện thực tế.

2. Tại sao chọn phương pháp thủy nhiệt để chế tạo vật liệu?
   Phương pháp thủy nhiệt giúp tổng hợp vật liệu nano có cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh, kích thước hạt nhỏ, tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời thân thiện với môi trường.

3. Hiệu ứng điện-từ trong vật liệu tổ hợp được tạo ra như thế nào?
   Hiệu ứng điện-từ là kết quả của tương tác cơ học giữa pha sắt điện và pha sắt từ thông qua biến dạng mạng tinh thể tại biên pha, cho phép điều khiển từ hóa bằng điện trường và ngược lại.

4. Độ rộng vùng cấm ảnh hưởng thế nào đến tính chất quang xúc tác?
   Độ rộng vùng cấm nhỏ giúp vật liệu hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả hơn, kích thích tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống tham gia phản ứng oxi hóa-khử, nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

5. Vật liệu composite CFO/BFO có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
   Ngoài ứng dụng trong thiết bị lưu trữ và cảm biến điện tử, vật liệu còn có tiềm năng lớn trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là phân hủy các chất màu hữu cơ nhờ hiệu ứng quang xúc tác.

Kết luận

• Chế tạo thành công vật liệu composite CoFe2O4/BiFeO3 bằng phương pháp thủy nhiệt với kích thước hạt nano 10-30 nm và cấu trúc tinh thể ổn định.
• Tính chất từ của composite giảm dần theo tỷ lệ mol BFO tăng, phản ánh tương tác cơ học giữa hai pha và ảnh hưởng đến hiệu ứng điện-từ.
• Vật liệu composite có độ rộng vùng cấm năng lượng phù hợp (khoảng 1,9-2,3 eV), hỗ trợ hấp thụ ánh sáng khả kiến và nâng cao hiệu suất quang xúc tác.
• Khả năng phân hủy Rhodamine B dưới ánh sáng UV và sự hỗ trợ của H2O2 chứng minh tiềm năng ứng dụng trong xử lý môi trường.
• Đề xuất tối ưu tỷ lệ pha, bổ sung chất dẫn điện và phát triển thiết bị ứng dụng trong 1-2 năm tới nhằm khai thác tối đa tính năng vật liệu.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới cho vật liệu multiferroic tổ hợp đa chức năng, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ cho các ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp và môi trường. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp phát triển tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Mục đích nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu.

Đối tƣợng nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu. Khái niệm vật liệu tổ hợp. Vật liệu sắt điện.

Vật liệu từ. Vật liệu đa pha điện – từ (Multiferroics). Hiệu ứng điện - từ. Vật liệu multiferroic đơn pha.

Vật liệu multiferroic tổ hợp. Vật liệu BiFeO3. Vật liệu CoFe2O4. Tính chất quang của vật liệu tổ hợp.

Kết luận chƣơng. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM. Công nghệ chế tạo vật liệu. Các phép đo khảo sát cấu trúc và tính chất cơ bản của vật liệu.

Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM). Phép đo tính chất từ của vật liệu. Phép đo phổ tán xạ Ramann.

Phép đo phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis). Kết luận chƣơng. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Kết quả phân tích phổ nhiễu xa tia X (XRD) và chụp ảnh bề mặt (SEM).

Tính chất từ của vật liệu tổ hợp CoFe2O4/BiFeO3. Tính chất quang của hệ vật liệu tổ hợp CFO/BFO. Đánh giá khả năng quang xúc tác phân hủy Rhodamine B (RhB). Kết luận chƣơng.46 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.

Một số ví dụ về vật liệu multiferroic ME với nhiệt độ chuyển pha điện và từ tƣơng ứng của chúng. Vật liệu multiferroic tổ hợp với hệ số liên kết điện – từ “thuận” và “đảo” tƣơng ứng. Các tiền chất và thiết bị sử dụng trong chế tạo vật liệu tổ hợp CFO/BFO bằng phƣơng pháp thủy nhiệt. Bảng tổng hợp các mẫu tổ hợp chế tạo bằng phƣơng pháp thủy nhiệt.

Các giá trị từ độ bão hòa MS, độ từ dƣ Mr và lực kháng từ HC của tất cả các mẫu tổ hợp CFO/BFO. Giá trị khe năng lƣợng Eg của tất cả các mẫu tính toán từ phổ hấp thụ quang học UV-VIS. Độ hấp thụ RhB bởi hệ vật liệu tổ hợp CFO/BFO sau các thời gian chiếu đèn UV khác nhau. Độ hấp thụ RhB của tất cả các mẫu CFO/BFO khi có mặt H2O2 (nồng độ 2ml/100ml dung dịch RhB 5 ppm) với các thời gian chiếu sáng đèn UV khác nhau.

Độ hấp thụ RhB 5ppm của mẫu CB5 dƣới tác dụng của ánh sáng tự nhiên trong các khoảng thời gian khác nhau và khi có mặt của H2O2 với các nồng độ khác nhau.45 DANH MỤC HÌNH Hình 1. Cấu trúc ô mạng perovskite, trong đó:„A‟, „B‟ và „O‟ lần lƣợt là các vị trí của cation và anion. Hốc bát diện tạo thành bởi 8 anion „O‟ bao quanh tâm là cation„B‟. Một cách phân loại đơn giản các loại vật liệu có thể đƣợc phân cực điện hoặc phân cực từ để hình thành các trật tự ferroic, multiferroic và magnetoelectric.

Biểu diễn trật tự sắp xếp phản sắt từ loại G của các spin ion Fe trong mạng tinh thể BiFeO3. Ô đơn vị của tinh thể BiFeO3 bao gồm hai ô mạng perovskite nối với nhau theo đƣờng chéo chính. Tính sắt điện của BFO là kết quả của sự dịch chuyển nhỏ của ion Fe so với khối bát diện oxy dọc theo hƣớng đƣờng chéo này. Biểu diễn ô đơn vị của vật liệu ferrite spinel với các ô cơ sở hiển thị các vị trí hốc bát diện và tứ diện.

Cơ chế quang xúc tác của CFO dƣới tác động của ánh sáng khả kiến. Quy Trình chế tạo vật liệu BiFeO3 bằng phƣơng pháp thủy nhiệt. Định luật nhiễu xạ Bragg. Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh trong SEM.

Sơ đồ cấu tạo của hệ đo từ kế mẫu rung VSM. Sơ đồ hoạt động của phép đo phổ tán xạ Ramann. Sơ đồ hoạt động của máy quang phổ. Nhiễu xạ XRD của hệ composite CoFe2O4/BiFeO3.

Ảnh TEM của các mẫu tổ hợp CFO/BFO tƣơng ứng với tỷ lệ nồng độ mol (a) 10:0; (b) 10:1; (c) 10:4 và (d) 10:5. Đƣờng cong từ độ phụ thuộc vào từ trƣờng ngoài, M(H), của các mẫu tổ hợp CFO/BFO tại nhiệt độ phòng. Phổ hấp thụ UV-VIS của các mẫu vật liệu tổ hợp CFO/BFO với tỷ phần nồng độ mol của CFO:BFO thay đổi từ 10:0 đến 10:5. Phổ hấp thụ UV-VIS của vật liệu nano BFO chế tạo bằng phƣơng pháp thủy nhiệt.

Phổ FTIR của tất cả các mẫu tổ hợp CFO/BFO. Trong những năm gần đây, vật liệu đa pha điện-từ đã và đang là tâm điểm nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc bởi dòng vật liệu này với sự tồn tại đa dạng về các pha sắt điện và sắt từ có tiềm năng ụng dụng to lớn trong lĩnh vực đọc-ghi dữ liệu bằng dòng điện thay vì bằng từ trƣờng nhƣ các thiết bị truyền thống [1]. Quá trình đọc và ghi dữ liệu bằng dòng điện kì vọng sẽ giảm đƣợc dòng điện tiêu thụ và tăng dung lƣợng của bộ nhớ. Tuy vậy, các vật liệu đa pha điện-từ trong tự nhiên rất hiếm và chỉ có BiFeO3 là vật liệu duy nhất tồn tại cả hai pha phản sắt từ và sắt điện ở nhiệt độ phòng.

Tuy nhiên, do BiFeO3 có đặc trƣng phản sắt từ mà tƣơng tác từ - điện của nó rất yếu không thể ứng dụng đƣợc trong thực tế. Chính vì lý do đó mà dạng composite của BiFeO3 với các vật liệu có từ tính cao nhƣ spinel (CoFe2O4) và La0. Bên cạnh các tính chất lý thú về sắt điện và sắt từ thì tính chất quang của vật liệu composite nền BiFeO3 cũng đƣợc quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong việc xử lý chất màu hữu cơ thông qua hiệu ứng quang xúc tác. BiFeO3 đƣợc biết đến nhƣ một vật liệu tiên tiến dòng ABO3 có độ rộng vùng cấp nhỏ hơn 2 eV nên rất thích hợp cho quá trình quang xúc tác với phổ ánh sáng nhìn thấy của ánh sáng mặt trời.

BiFeO3 có thể xử lý các chất màu nhƣ Methyl vàng (MO), Rhodamine B (RhB), Methylene xanh (MB), Congo đỏ (CR), Reactive Back-5 (RB-5) [3]. Các nhóm vật liệu spinel (CoFe2O4), selenite (Bi25FeO40), hexaferrite (SrFe12O19) cũng đã đƣợc một số nhóm trong và ngoài nƣớc nghiên cứu về khả năng quang xúc tác [4, 5]. Tuy nhiên, nghiên cứu về hiệu ứng quang xúc tác trên nền composite của BiFeO3 với các vật liệu trên còn khá hạn chế. Chính vì vậy, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang, từ của vật liệu tổ hợp composite nền BiFeO3” để làm định hƣớng nghiên cứu cho luận văn Thạc Sĩ.

Chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu chuyên sâu cả về tính chất sắt điện – sắt từ và tính chất quang của vật liệu. Mục đích nghiên cứu 2 - Chế tạo thành công vật liệu composite nền BiFeO3 bằng phƣơng pháp thủy nhiệt. - Nghiên cứu một số tính chất quang – từ và khả năng xử lý nƣớc thải công nghiệp của vật liệu. Phạm vi nghiên cứu Hệ vật liệu composite nền BiFeO3 nhƣ BiFeO3/spinel (CoFe2O4), BiFeO3/hexaferrite (SrFe12O19), BiFeO3/selenite (Bi25FeO40) và ứng dụng xử lý chất màu hữu cơ trong nƣớc thải công nghiệp.

Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài là phƣơng pháp thực nghiệm. Chế tạo vật liệu composite bằng phƣơng pháp sol-gel, thủy nhiệt, và nghiền cơ năng lƣợng cao…. Nghiên cứu các tính chất cấu trúc, hình thái, tính chất quang xúc tác, tính chất từ bằng XRD, TEM, FTIR, UV-VIS, … 5. Đối tƣợng nghiên cứu - Hệ vật liệu composite BiFeO3/spinel (CoFe2O4), BiFeO3/hexaferrite (SrFe12O19), BiFeO3/selenite (Bi25FeO40).

- Xử lý chất màu hữu cơ nhƣ Methyl vàng (MO), Rhodamine B (RhB), Methylene xanh (MB), Congo đỏ (CR), Reactive Back-5 (RB-5). Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về vật liệu composite nền BiFeO3. - Nghiên cứu chế tạo dạng composite của BiFeO3 với các vật liệu spinel, hexaferrite, … - Nghiên cứu các tính chất quang xúc tác, từ của vật liệu thu đƣợc. - Viết và hoàn thiện luận văn.

Khái niệm vật liệu tổ hợp Thuật ngữ “vật liệu tổ hợp - composite” đƣợc dùng để chỉ bất kỳ vật liệu nào bao gồm hai hay nhiều pha thành phần. Vật liệu tổ hợp thƣờng thể hiện các tính chất vật lý mới so với các tính chất ban đầu của vật liệu nền ban đầu. Bằng cách điều chỉnh thích hợp các hợp chất thành phần và từng giai đoạn công nghệ có thể tạo ra những tính chất Hình 1. Cấu trúc ô mạng perovskite, trong đó:‘A’, ‘B’ và ‘O’ vật lý mới hoặc cải thiện những đặc tính lần lượt là các vị trí của cation và sẵn có của vật liệu tổ hợp nhƣ mong anion.

Hốc bát diện tạo thành bởi 8 muốn. Việc nghiên cứu các loại vật liệu anion ‘O’ bao quanh tâm là cation tổ hợp ngày càng đƣợc phát triển và mở ‘B’. rộng trên nhiều đối tƣợng khác nhau. Tuy nhiên, trong luận văn này, chúng tôi chủ yếu tập trung vào việc chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu tổ hợp dựa trên nền vật liệu perovskite đa pha điện - từ [6, 7].

“Perovskite” đƣợc đặt theo tên của nhà khoáng vật học ngƣời Nga, Lev Perovski, và đƣợc sử dụng làm tên chung cho tất cả các vật liệu có cấu trúc tinh thể giống nhƣ hợp chất CaTiO3. Tinh thể perovskite thƣờng đƣợc viết dƣới dạng hợp thức ABO3 và có cấu trúc ô mạng đƣợc mô tả nhƣ trên Hình 1. Kí hiệu „A‟, „B‟ trên hình đƣợc đại diện cho vị trí của các cation trong khi kí hiệu „O‟ thể hiện vị trí các anion [8]. Vị trí „B‟ đƣợc bao quanh bởi khối bát diện oxy là vị trí của cation có bán kính nguyên tử nhỏ hơn.

Nói chung, có 4 rất nhiều nguyên tử có thể chiếm các vị trí „A‟, „B‟ hoặc „O‟ trong tinh thể perovskite, vì vậy vật liệu có cấu trúc perovskite cũng rất đa dạng. Vật liệu sắt điện Vật liệu sắt điện là vật liệu thể hiện sự phân cực điện tự phát có thể đƣợc đảo chiều phân cực dƣới tác dụng một điện trƣờng ngƣợc. Tính sắt điện của các vật liệu này thƣờng xảy ra ở dƣới một nhiệt độ chuyển pha nhất định gọi là nhiệt độ Curie (TC). Dƣới nhiệt độ TC, sự phân cực điện tuân theo một vòng lặp trễ trong điện trƣờng ngoài.

Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ TC, các chất này phản ứng với trƣờng ngoài đặt vào tƣơng tự nhƣ một chất thuận từ, tức là, các lƣỡng cực điện sắp xếp dọc theo hƣớng của trƣờng ngoài theo một quá trình đƣợc gọi là hiện tƣợng thuận điện. Các họ vật liệu perovskite ABO3 là vật liệu sắt điện đƣợc biết đến nhiều nhất [9, 10]. Trong các vật liệu này, tính sắt điện đƣợc tăng cƣờng do sự biến dạng cấu trúc tinh thể thành những pha tinh thể có tính đối xứng thấp hơn với sự dịch chuyển lệch tâm của vị trí „B‟ dọc theo đƣờng chéo chính của ô mạng. Chính sự dịch chuyển này tạo ra một mô-men lƣỡng cực điện và do đó gây ra tính sắt điện.

Tính chất sắt điện của vật liệu này thƣờng liên quan đến một đặc tính khác của tinh thể đƣợc gọi là hiệu ứng áp điện, xuất hiện trong một số tinh thể có thể sinh ra điện tích dƣới áp suất cơ học [11].