Nghiên Cứu Đặc Trưng Cấu Trúc và Hoạt Tính Quang Xúc Tác của Vật Liệu Nano CoFe2O4 Pha Tạp La3+

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano CoFe2O4 pha tạp La3, mang lại những phát hiện mới trong lĩnh vực.

• Tác giả: Đào Thị Thu Hoài
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Tố Loan
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Nano CoFe2O4 Pha Tạp La3+ và Ứng Dụng Quang Xúc Tác
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vật liệu nano
• 1.2. Khái niệm vật liệu nano
• 1.3. Phân loại vật liệu nano
• 1.4. Tính chất của vật liệu nano
• 1.5. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano
• 1.5.1. Phương pháp đồng kết tủa
• 1.5.2. Phương pháp sol-gel
• 1.5.3. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.5.4. Phương pháp tổng hợp đốt cháy
• 1.5.4.1. Phương pháp đốt cháy dung dịch
• 1.6. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu nano
• 1.6.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen
• 1.6.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét và hiển vi điện tử truyền qua
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Nano CoFe2O4 Giới Thiệu Tiềm Năng

Vật liệu nano, đặc biệt là các oxit phức hợp như CoFe2O4, đang thu hút sự quan tâm lớn trong giới khoa học. CoFe2O4 thuộc họ spinel ferit, nổi bật với từ tính mạnh, nhiệt độ Curie cao và tính ổn định hóa học vượt trội. Nhờ những đặc tính này, CoFe2O4 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ linh kiện điện tử đến chất lỏng từ và đặc biệt là quang xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ ô nhiễm. Nghiên cứu cho thấy, việc thay thế một phần ion Fe3+ bằng các ion đất hiếm như La3+ có thể cải thiện đáng kể hoạt tính quang xúc tác của vật liệu. Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới nhằm nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm môi trường bằng vật liệu nano.

1.1. Khái niệm và phân loại vật liệu nano CoFe2O4

Vật liệu nano được định nghĩa là vật liệu có cấu trúc với kích thước đặc trưng từ 1 đến 100 nanomet. Dựa trên hình dạng, vật liệu nano được phân loại thành không chiều (0D), một chiều (1D), hai chiều (2D) và vật liệu có cấu trúc nano (nanocomposite). Vật liệu nano CoFe2O4 thuộc loại oxit spinel, có cấu trúc tinh thể đặc biệt và kích thước hạt nano, mang lại những tính chất độc đáo so với vật liệu khối thông thường.

1.2. Tính chất đặc biệt của vật liệu nano CoFe2O4 pha tạp La3

Kích thước nano mang lại cho CoFe2O4 những tính chất khác biệt so với vật liệu khối. Tỉ lệ nguyên tử trên bề mặt lớn làm tăng hoạt tính hóa học. Pha tạp La3+ vào cấu trúc CoFe2O4 có thể điều chỉnh các tính chất điện, từ, quang, và đặc biệt là khả năng quang xúc tác. Sự thay đổi cấu trúc do La3+ có thể làm giảm nhiệt độ Curie và cải thiện hiệu quả quang xúc tác.

II. Thách Thức Giải Pháp Ứng Dụng CoFe2O4 Quang Xúc Tác

Mặc dù CoFe2O4 có nhiều ưu điểm, việc ứng dụng quang xúc tác của nó vẫn còn một số thách thức. Hiệu quả quang xúc tác có thể bị giới hạn bởi tốc độ tái hợp electron-lỗ trống. Pha tạp La3+ là một giải pháp tiềm năng để cải thiện hiệu quả này. Ngoài ra, việc tối ưu hóa phương pháp tổng hợp để kiểm soát kích thước hạt nano và diện tích bề mặt riêng cũng rất quan trọng. Nghiên cứu tập trung vào việc tìm ra các vật liệu xúc tác tiên tiến có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm một cách hiệu quả và bền vững.

2.1. Vấn đề ô nhiễm môi trường và nhu cầu vật liệu quang xúc tác

Ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước bởi các hợp chất hữu cơ, là một vấn đề cấp bách. Quang xúc tác là một phương pháp hiệu quả để xử lý ô nhiễm bằng cách sử dụng ánh sáng để kích hoạt các vật liệu bán dẫn phân hủy các chất ô nhiễm. Vật liệu nano CoFe2O4 có tiềm năng lớn trong lĩnh vực này.

2.2. Hạn chế của CoFe2O4 và vai trò của pha tạp La3

Một trong những hạn chế của CoFe2O4 là hiệu quả quang xúc tác chưa cao do tốc độ tái hợp electron-lỗ trống nhanh. Pha tạp La3+ có thể giúp giảm tốc độ tái hợp này bằng cách tạo ra các trung tâm bẫy electron, từ đó tăng cường hiệu quả quang xúc tác. Nghiên cứu của Đào Thị Thu Hoài chỉ ra rằng, việc thay thế một phần ion Fe3+ bằng các ion đất hiếm Ln3+ thuộc nhóm 4f sẽ dẫn đến sự thay đổi cấu trúc ferit, làm giảm nhiệt độ Curie và đặc biệt hoạt tính quang xúc tác được cải thiện đáng kể.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu Nano CoFe2O4 Pha La3

Có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu nano CoFe2O4, bao gồm phương pháp đồng kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp thủy nhiệt và phương pháp tổng hợp đốt cháy. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Phương pháp tổng hợp đốt cháy được ưa chuộng vì khả năng tạo ra oxit nano ở nhiệt độ thấp và thời gian ngắn. Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp phù hợp là yếu tố quan trọng để kiểm soát kích thước hạt nano, diện tích bề mặt riêng và tính chất quang xúc tác của vật liệu.

3.1. Phương pháp đốt cháy dung dịch để tổng hợp CoFe2O4 La3

Phương pháp đốt cháy dung dịch là một lựa chọn hiệu quả để tổng hợp CoFe2O4 pha tạp La3+. Phương pháp này sử dụng các chất nền như ure hoặc glixin làm nhiên liệu để tạo ra phản ứng oxi hóa khử tỏa nhiệt mạnh. Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, nhanh chóng và dễ kiểm soát thành phần, cấu trúc của sản phẩm.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp và tối ưu hóa

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp, bao gồm tỉ lệ các chất phản ứng, nhiệt độ đốt cháy, và loại nhiên liệu sử dụng. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là cần thiết để đạt được vật liệu nano CoFe2O4 với kích thước hạt nano đồng đều, diện tích bề mặt riêng lớn và hoạt tính quang xúc tác cao.

3.3. Tổng hợp vật liệu nano CoLaxFe2 xO4 x 0 0 1 bằng phương pháp đốt cháy dung dịch

Tiến hành tổng hợp nano spinel CoFe2O4 và các mẫu nano CoLaxFe2-xO4 (x=0÷0,1). Các phương pháp nghiên cứu vật liệu được sử dụng để khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng quang xúc tác phân hủy metylen xanh của các nano spinel CoLaxFe2-xO4 (x = 0 ÷0,1). Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh và khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ.

IV. Đặc Trưng Cấu Trúc Tính Chất Vật Liệu Nano CoFe2O4 La3

Việc xác định đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu nano CoFe2O4 pha tạp La3+ là rất quan trọng để hiểu rõ cơ chế hoạt động quang xúc tác. Các phương pháp phân tích như phân tích XRD, phân tích TEM, phân tích SEM, phân tích XPS và phân tích UV-Vis được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể, kích thước hạt nano, hình thái bề mặt, thành phần hóa học và khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu. Kết quả phân tích giúp đánh giá chất lượng và tiềm năng ứng dụng của vật liệu.

4.1. Phân tích XRD xác định cấu trúc tinh thể CoFe2O4 La3

Phân tích XRD (nhiễu xạ tia X) là phương pháp quan trọng để xác định cấu trúc tinh thể của CoFe2O4 pha tạp La3+. Giản đồ XRD cho phép xác định các pha tinh thể có mặt trong mẫu, kích thước tinh thể trung bình và hằng số mạng. Sự thay đổi trong giản đồ XRD khi pha tạp La3+ có thể cung cấp thông tin về sự thay đổi cấu trúc tinh thể.

4.2. Phân tích TEM và SEM khảo sát hình thái và kích thước hạt nano

Phân tích TEM (hiển vi điện tử truyền qua) và phân tích SEM (hiển vi điện tử quét) được sử dụng để khảo sát hình thái và kích thước hạt nano của CoFe2O4 pha tạp La3+. Ảnh TEM cho phép quan sát trực tiếp hình dạng và kích thước của các hạt nano, trong khi ảnh SEM cung cấp thông tin về cấu trúc bề mặt của vật liệu.

4.3. Kết quả nghiên cứu mẫu bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen

Kết quả nghiên cứu mẫu bằng phương pháp phổ hồng ngoại và kết quả nghiên cứu mẫu bằng phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (DRS). Kết quả nghiên cứu mẫu bằng phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) của các mẫu. Kết quả nghiên cứu tính chất từ của mẫu.

V. Ứng Dụng Quang Xúc Tác CoFe2O4 La3 Xử Lý Ô Nhiễm

Vật liệu nano CoFe2O4 pha tạp La3+ thể hiện tiềm năng lớn trong ứng dụng quang xúc tác để xử lý ô nhiễm môi trường. Khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ như metylen xanh (MB) dưới ánh sáng khả kiến đã được chứng minh. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả quang xúc tác, bao gồm nồng độ chất ô nhiễm, thời gian chiếu xạ, nhiệt độ phản ứng và pH dung dịch. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các hệ thống xử lý ô nhiễm hiệu quả và bền vững.

5.1. Phân hủy metylen xanh MB bằng CoFe2O4 La3 dưới ánh sáng

Metylen xanh (MB) là một chất ô nhiễm hữu cơ thường gặp trong nước thải công nghiệp. Vật liệu nano CoFe2O4 pha tạp La3+ có khả năng phân hủy MB dưới ánh sáng khả kiến thông qua cơ chế quang xúc tác. Quá trình này tạo ra các sản phẩm phân hủy ít độc hại hơn.

5.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu quả quang xúc tác CoFe2O4

Hiệu quả quang xúc tác của CoFe2O4 pha tạp La3+ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nồng độ MB, thời gian chiếu xạ, cường độ ánh sáng, nhiệt độ phản ứng và pH dung dịch. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là cần thiết để đạt được hiệu quả phân hủy MB cao nhất.

5.3. Kết quả nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh của các mẫu

Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ và kết quả khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các mẫu vật liệu. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu và khảo sát ảnh hưởng của lượng H2O2.

VI. Kết Luận Triển Vọng Vật Liệu CoFe2O4 La3 Tương Lai

Nghiên cứu vật liệu nano CoFe2O4 pha tạp La3+ đã mở ra hướng đi đầy tiềm năng trong lĩnh vực quang xúc tác và xử lý ô nhiễm môi trường. Việc tối ưu hóa phương pháp tổng hợp, điều chỉnh cấu trúc và tính chất vật liệu, cùng với việc nghiên cứu sâu hơn về cơ chế quang xúc tác, sẽ giúp nâng cao hiệu quả ứng dụng của CoFe2O4/La3+ trong tương lai. Hướng nghiên cứu này hứa hẹn đóng góp vào việc giải quyết các vấn đề môi trường cấp bách và phát triển các vật liệu xúc tác tiên tiến.

6.1. Tổng kết các kết quả nghiên cứu chính về CoFe2O4 La3

Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp và xác định đặc trưng cấu trúc, tính chất của vật liệu nano CoFe2O4 pha tạp La3+. Kết quả cho thấy vật liệu này có tiềm năng lớn trong ứng dụng quang xúc tác để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo và tiềm năng ứng dụng rộng rãi

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa phương pháp tổng hợp, nghiên cứu cơ chế quang xúc tác chi tiết hơn, và thử nghiệm ứng dụng vật liệu trong các hệ thống xử lý nước thải thực tế. Ngoài ra, CoFe2O4/La3+ cũng có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như năng lượng mặt trời và cảm biến.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, vật liệu nano oxit phức hợp, đặc biệt là nano spinel ferit, đã thu hút sự quan tâm lớn của cộng đồng khoa học do tính chất đặc biệt và ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực như xúc tác, y học, vật liệu và môi trường. CoFe2O4 là một loại ferit có từ tính mạnh, nhiệt độ Curie cao và tính ổn định hóa học vượt trội, được ứng dụng rộng rãi trong linh kiện điện tử và làm chất quang xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ ô nhiễm. Tuy nhiên, hoạt tính quang xúc tác của CoFe2O4 còn có thể được cải thiện thông qua việc pha tạp các ion đất hiếm như La3+, làm thay đổi cấu trúc tinh thể và tính chất từ của vật liệu.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp và nghiên cứu đặc trưng cấu trúc cũng như hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano CoFe2O4 pha tạp La3+ trong khoảng x = 0 ÷ 0,1. Nghiên cứu được thực hiện trên các mẫu vật liệu tổng hợp bằng phương pháp đốt cháy dung dịch, nung ở nhiệt độ 600oC, với các phân tích chi tiết về cấu trúc, tính chất quang, từ tính và hiệu suất phân hủy metylen xanh (MB) dưới tác động của ánh sáng và H2O2. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại phòng thí nghiệm của Đại học Thái Nguyên và các viện nghiên cứu liên quan trong năm 2020.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả quang xúc tác của vật liệu nano spinel ferit, góp phần phát triển các công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là phân hủy các chất hữu cơ độc hại trong nước thải công nghiệp. Các chỉ số hiệu suất như năng lượng vùng cấm giảm từ 1,21 eV đến 0,85 eV, kích thước tinh thể giảm từ 17 nm xuống còn khoảng 10 nm, và hiệu suất phân hủy MB đạt trên 90% sau 300 phút chiếu sáng cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu này.

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:

• Lý thuyết vật liệu nano: Vật liệu nano có kích thước từ 1 đến 100 nm, với tính chất vật lý và hóa học khác biệt do hiệu ứng bề mặt và kích thước tới hạn. Hiệu ứng bề mặt làm tăng hoạt tính hóa học do tỷ lệ nguyên tử bề mặt lớn, trong khi kích thước tới hạn ảnh hưởng đến tính chất điện, từ và quang của vật liệu.

• Mô hình cấu trúc spinel ferit: Công thức tổng quát AB2O4, trong đó ion A2+ và B3+ phân bố trong các lỗ trống tứ diện và bát diện của mạng tinh thể lập phương. CoFe2O4 là spinel nghịch với Fe3+ ở lỗ tứ diện và Co2+, Fe3+ ở lỗ bát diện. Sự pha tạp ion La3+ làm biến đổi cấu trúc mạng tinh thể, ảnh hưởng đến hằng số mạng, kích thước tinh thể và tính chất từ.

• Cơ chế quang xúc tác và phản ứng Photo-Fenton: Dưới ánh sáng khả kiến, electron từ vùng hóa trị được kích thích lên vùng dẫn tạo cặp electron-lỗ trống, tương tác với O2 và H2O2 tạo ra các gốc hydroxyl ●OH có tính oxi hóa mạnh, phân hủy các hợp chất hữu cơ như metylen xanh. Sự pha tạp La3+ làm tăng hiệu suất quang xúc tác thông qua thay đổi cấu trúc và tăng cường tạo gốc oxy hóa.

Các khái niệm chính bao gồm: kích thước tinh thể, hằng số mạng, năng lượng vùng cấm (Eg), độ bão hòa từ (Ms), lực kháng từ (Hc), hiệu suất phân hủy MB, và các phương pháp phân tích vật liệu như XRD, SEM, TEM, IR, DRS, EDX.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Các mẫu nano CoLaxFe2-xO4 (x=0÷0,1) được tổng hợp bằng phương pháp đốt cháy dung dịch sử dụng ure làm nhiên liệu, nung ở 600oC trong 3 giờ. Các mẫu được ký hiệu LCF0, LCF1, LCF3, LCF5, LCF7, LCF10 tương ứng với hàm lượng La3+ tăng dần.

• Phương pháp phân tích:

  • XRD để xác định pha, kích thước tinh thể và hằng số mạng.
  • IR để khảo sát liên kết M-O trong cấu trúc spinel.
  • DRS để đo phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis, xác định năng lượng vùng cấm.
  • EDX để phân tích thành phần nguyên tố.
  • SEM và TEM để quan sát hình thái và kích thước hạt.
  • Từ kế mẫu rung để đo các đặc tính từ như Ms, Mr, Hc.
  • Phổ UV-Vis để theo dõi quá trình phân hủy metylen xanh.

• Phương pháp khảo sát hoạt tính quang xúc tác: Đo hiệu suất phân hủy MB trong dung dịch 10 mg/L với 50 mg vật liệu, có thêm 1 mL H2O2 30%, chiếu sáng bằng đèn compac 40W trong 300 phút. Thay đổi các yếu tố như khối lượng vật liệu (25-200 mg), thể tích H2O2 (1,0-2,5 mL) để khảo sát ảnh hưởng.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích mẫu trong vòng 6 tháng, thực hiện các thí nghiệm quang xúc tác trong 3 tháng tiếp theo, phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn trong 3 tháng cuối năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc và kích thước tinh thể: Giản đồ XRD cho thấy các mẫu LCF0÷LCF7 đều là đơn pha CoFe2O4 spinel, mẫu LCF10 xuất hiện pha phụ Fe2O3. Kích thước tinh thể giảm từ 17 nm (LCF0) xuống còn khoảng 10 nm (LCF10) khi tăng hàm lượng La3+. Hằng số mạng biến đổi nhẹ, phản ánh sự biến dạng mạng tinh thể do pha tạp La3+.

2. Tính chất quang và năng lượng vùng cấm: Phổ DRS cho thấy các mẫu hấp thụ mạnh trong vùng ánh sáng khả kiến. Năng lượng vùng cấm giảm từ 1,21 eV (LCF0) xuống 0,85 eV (LCF10), cho thấy pha tạp La3+ làm giảm dải năng lượng, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu quả quang xúc tác.

3. Tính chất từ: Đường cong từ trễ cho thấy mẫu LCF7 có độ bão hòa từ (Ms) giảm từ 44,4 emu/g (LCF0) xuống 30,48 emu/g, lực kháng từ (Hc) giảm từ 1683,84 Oe xuống 1155,96 Oe. Điều này chứng tỏ pha tạp La3+ làm thay đổi sự phân bố ion và giảm tính từ cứng của vật liệu.

4. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy MB: Hiệu suất phân hủy MB đạt trên 90% sau 300 phút chiếu sáng với mẫu LCF7 và H2O2, cao hơn đáng kể so với mẫu LCF0 (khoảng 70%). Hiệu suất tăng theo khối lượng vật liệu và thể tích H2O2, đạt tối ưu với 100 mg vật liệu và 1,5 mL H2O2.

Thảo luận kết quả

Sự giảm kích thước tinh thể và biến dạng mạng tinh thể do pha tạp La3+ làm tăng diện tích bề mặt riêng, tạo nhiều vị trí hoạt động hơn cho phản ứng quang xúc tác. Năng lượng vùng cấm giảm giúp vật liệu hấp thụ ánh sáng khả kiến hiệu quả hơn, kích thích tạo ra nhiều cặp electron-lỗ trống, từ đó tăng sinh các gốc hydroxyl ●OH có tính oxi hóa mạnh.

Tính chất từ giảm do sự thay thế ion Fe3+ bằng La3+ làm giảm tương tác Fe-Fe trong mạng spinel, ảnh hưởng đến từ tính. Tuy nhiên, vật liệu vẫn thuộc loại từ cứng, thuận lợi cho việc tách và tái sử dụng trong quá trình xử lý nước.

So sánh với các nghiên cứu trước, kết quả phù hợp với xu hướng cải thiện hoạt tính quang xúc tác khi pha tạp ion đất hiếm, đồng thời cho thấy phương pháp đốt cháy dung dịch là hiệu quả trong việc kiểm soát kích thước hạt và tính chất vật liệu. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD, phổ DRS, đường cong từ trễ và đồ thị hiệu suất phân hủy MB theo thời gian để minh họa rõ ràng các xu hướng và so sánh.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa hàm lượng La3+ pha tạp: Khuyến nghị sử dụng hàm lượng La3+ khoảng 7% (mẫu LCF7) để đạt hiệu suất quang xúc tác tối ưu, cân bằng giữa kích thước hạt, tính chất từ và năng lượng vùng cấm. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do các phòng thí nghiệm có thể tái sản xuất và kiểm tra.

2. Điều chỉnh liều lượng H2O2 trong quá trình quang xúc tác: Sử dụng thể tích H2O2 khoảng 1,5 mL cho 100 mL dung dịch MB để tăng hiệu quả phân hủy mà không gây lãng phí hóa chất. Chủ thể thực hiện là các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp, thời gian áp dụng ngay trong giai đoạn vận hành.

3. Phát triển quy trình tổng hợp đốt cháy dung dịch quy mô lớn: Áp dụng phương pháp đốt cháy dung dịch với ure làm nhiên liệu để sản xuất vật liệu nano CoLaxFe2-xO4 với chi phí thấp, thiết bị đơn giản, tiết kiệm năng lượng. Thời gian triển khai dự kiến 1 năm để hoàn thiện quy trình công nghiệp.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu trong xử lý các chất ô nhiễm khác: Khuyến khích khảo sát khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ khác như rhodamin B, metyl da cam, p-nitrophenol để đa dạng hóa ứng dụng. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học, thời gian nghiên cứu 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học vật liệu và Hóa vô cơ: Luận văn cung cấp kiến thức sâu về tổng hợp, đặc trưng cấu trúc và tính chất quang xúc tác của vật liệu nano spinel ferit pha tạp, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

2. Chuyên gia và kỹ sư trong lĩnh vực xử lý môi trường: Thông tin về hiệu suất phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm bằng vật liệu nano CoFe2O4 pha tạp La3+ giúp thiết kế và tối ưu công nghệ xử lý nước thải công nghiệp.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và thiết bị quang xúc tác: Cung cấp cơ sở khoa học và quy trình tổng hợp vật liệu hiệu quả, giúp phát triển sản phẩm mới với tính năng cải tiến, tiết kiệm chi phí sản xuất.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Tham khảo để đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ quang xúc tác trong xử lý ô nhiễm, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ xanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu nano CoFe2O4 pha tạp La3+ có ưu điểm gì so với CoFe2O4 tinh khiết?
   Pha tạp La3+ làm giảm kích thước tinh thể từ 17 nm xuống khoảng 10 nm, giảm năng lượng vùng cấm từ 1,21 eV xuống 0,85 eV, tăng hiệu suất phân hủy metylen xanh lên trên 90% so với khoảng 70% của mẫu tinh khiết.

2. Phương pháp đốt cháy dung dịch có ưu điểm gì trong tổng hợp vật liệu nano?
   Phương pháp này nhanh chóng, thiết bị đơn giản, tiết kiệm năng lượng, tạo sản phẩm có độ tinh khiết cao và kiểm soát tốt kích thước hạt, phù hợp cho sản xuất quy mô lớn.

3. Tại sao cần sử dụng H2O2 trong quá trình quang xúc tác?
   H2O2 tham gia phản ứng Photo-Fenton, tạo ra các gốc hydroxyl ●OH có tính oxi hóa mạnh, tăng hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ như metylen xanh dưới ánh sáng khả kiến.

4. Ảnh hưởng của hàm lượng La3+ đến tính chất từ của vật liệu như thế nào?
   Hàm lượng La3+ tăng làm giảm độ bão hòa từ (Ms) và lực kháng từ (Hc), do sự thay thế ion Fe3+ làm thay đổi tương tác từ trong mạng tinh thể, nhưng vật liệu vẫn giữ tính từ cứng thuận lợi cho tách lọc.

5. Có thể ứng dụng vật liệu này trong xử lý các chất ô nhiễm khác không?
   Có, các nghiên cứu cho thấy vật liệu spinel ferit pha tạp đất hiếm có khả năng phân hủy hiệu quả nhiều hợp chất hữu cơ khác như rhodamin B, metyl da cam, p-nitrophenol, mở rộng ứng dụng trong xử lý môi trường.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu nano CoLaxFe2-xO4 (x=0÷0,1) bằng phương pháp đốt cháy dung dịch, thu được các mẫu đơn pha spinel với kích thước tinh thể từ 17 nm giảm xuống 10 nm khi tăng hàm lượng La3+.

• Pha tạp La3+ làm giảm năng lượng vùng cấm từ 1,21 eV xuống 0,85 eV, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và hiệu suất quang xúc tác phân hủy metylen xanh lên trên 90% sau 300 phút chiếu sáng.

• Tính chất từ của vật liệu thay đổi theo hàm lượng La3+, với độ bão hòa từ và lực kháng từ giảm nhưng vẫn thuộc loại từ cứng, thuận lợi cho việc tách và tái sử dụng.

• Các yếu tố như khối lượng vật liệu và lượng H2O2 ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất phân hủy MB, cần được tối ưu trong ứng dụng thực tế.

• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu trong xử lý các chất ô nhiễm khác và phát triển quy trình tổng hợp quy mô công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng kết quả để phát triển công nghệ xử lý môi trường hiệu quả, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các vật liệu nano pha tạp khác nhằm nâng cao hiệu suất và đa dạng hóa ứng dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐÀO THỊ THU HOÀI TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO CoFe2O4 PHA TẠP La3+ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2020 c ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐÀO THỊ THU HOÀI TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO CoFe2O4 PHA TẠP La3+ Ngành: HÓA VÔ CƠ Mã số: 8 440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS. NGUYỄN THỊ TỐ LOAN THÁI NGUYÊN – 2020 i c LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Thị Tố Loan các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, tháng 06 năm 2020 Tác giả Đào Thị Thu Hoài Xác nhận của khoa chuyên môn Nguời hướng dẫn khoa học Trưởng khoa PGS. Nguyễn Thị Hiền Lan PGS. Nguyễn Thị Tố Loan ii c LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng, biết ơn và chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc của mình tới PGS.TS Nguyễn Thị Tố Loan - người đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập,nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành luận văn. Đồng thời tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Hóa học ứng dụng, các thầy cô trong khoa Hóa học- trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên, các bạn học viên cao học K25 đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại trường. Tôi xin cảm ơn các em sinh viên nghiên cứu đề tài khoa học, các em sinh viên thực hiện khóa luận tốt nghiệp tại phòng thí nghiệm Hóa Vô cơ đã tạo môi trường nghiên cứu khoa học thuận lợi giúp đỡ tôi hoàn thành các thí nghiệm trong khuôn khổ luận văn. Tôi xin chân thành cám ơn! Thái Nguyên, tháng 06 năm 2020 Tác giả Đào Thị Thu Hoài iii c MỤC LỤC Trang TRANG BÌA PHỤ .i LỜI CAM ĐOAN . ii LỜI CẢM ƠN . iii MỤC LỤC . iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .v DANH MỤC CÁC BẢNG . vi DANH MỤC CÁC HÌNH . Vật liệu nano . Khái niệm vật liệu nano . Phân loại vật liệu nano. Tính chất của vật liệu nano . Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano . Phương pháp đồng kết tủa . Phương pháp sol-gel . Phương pháp thủy nhiệt . Phương pháp tổng hợp đốt cháy . Các phương pháp nghiên cứu vật liệu nano . Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen. Phương pháp hiển vi điện tử quét và hiển vi điện tử truyền qua. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X . Phương pháp phổ hồng ngoại . Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến . Phương pháp nghiên cứu tính chất từ của mẫu . Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại- khả kiến. Giới thiệu về oxit phức hợp kiểu spinel . Oxit hỗn hợp kiểu spinel. Tính chất và ứng dụng của spinel . Một số kết quả nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng nano spinel ferit . Giới thiệu về metylen xanh . Dụng cụ, hóa chất . Tổng hợp vật liệu nano CoLaxFe2-xO4 (x=0÷0,1) bằng phương pháp đốt cháy dung dịch . Tổng hợp nano spinel CoFe2O4 . Tổng hợp các mẫu nano CoLaxFe2-xO4 (x=0÷0,1). Các phương pháp nghiên cứu vật liệu . Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng quang xúc tác phân hủy metylen xanh của các nano spinel CoLaxFe2-xO4 (x = 0 ÷0,1) . Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh . Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ . Khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh của các mẫu. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu . Khảo sát ảnh hưởng của lượng H2O2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . Kết quả nghiên cứu mẫu bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen. Kết quả nghiên cứu mẫu bằng phương pháp phổ hồng ngoại . Kết quả nghiên cứu mẫu bằng phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (DRS) . Kết quả nghiên cứu mẫu bằng phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X . Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) của các mẫu . Kết quả nghiên cứu tính chất từ của mẫu . Kết quả nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác phân hủy metylen xanh của các mẫu . Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ . Kết quả khảo sát hoạt tính quang xúc tác của các mẫu vật liệu . Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu . Khảo sát ảnh hưởng của lượng H2O2. 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 51 PHỤ LỤC vi c DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết Tên nguyên gốc tắt CH Cacbohydrazide CTAB Cetyl trimetyl amoni bromua DTA Differential Thermal Analysis (phân tích nhiệt vi sai) EDA Etylen điamin Energy Dispersive X- ray Spectroscopy (Phổ tán xạ năng lượng tia EDX X) GPC Gas Phase Combustion MB Methylene blue MDH Malonic acid dihydrazide ODH Oxalyl dihydrazide PEG Poli etylen glycol PGC Polimer Gel Combustion PVA Poli vinyl ancol SC Solution Combustion SDS Natri dodecyl sunfat SDS Sodium dodecyl sulfate SEM Scanning Electron Microscopy (Hiển vi điện tử quét) SHS Self Propagating High Temperature Synthesis Process SSC Solid State Combustion TEM Transnission Electron Microscopy (Hiển vi điện tử truyền qua) TFTA Tetra formal tris azine TGA Thermo Gravimetric Analysis-TGA (Phân tích nhiệt trọng lượng) UV Ultraviolet (Tử ngoại) XRD X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ Rơnghen) v c DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2. Lượng chất trong các mẫu LCF0÷LCF10. Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh . Kích thước tinh thể (r) của mẫu CoFe2O4 nung ở 500÷800oC . Kích thước tinh thể trung bình (r) và hằng số mạng (a) của các mẫu LCF0÷LCF10 nung ở 600oC . Giá trị số sóng (cm-1) đặc trưng cho dao động của liên kết M-O trong hốc tứ diện ( 1 ) và bát diện (  2 ) của các mẫu LCF0÷LCF10 . Giá trị năng lượng vùng cấm (Eg) của các mẫu LCF0 ÷LCF10 . Phần trăm về khối lượng các nguyên tố trong mẫu LCF0, LCF7 . Độ bão hòa từ (Ms), độ từ dư (Mr) và lực kháng từ (Hc) của mẫu LCF0 và LCF7 . Bảng giá trị ln(Co/Ct) theo thời gian khi có mặt LCF0÷LCF10 . Giá trị hằng số tốc độ phản ứng phân hủy MB khi có mặt H2O2 và các vật liệu LCF0 ÷LCF10, sau 300 phút chiếu sáng. 48 vi c DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1. Đường cong từ trễ của vật sắt từ . Các hốc tứ diện và bát diện trong ferit spinel. Minh họa cơ chế phân hủy quang xúc tác phân hủy RhB trên chất xúc tác ZnFe2O4 [39] . Dạng oxi hóa và dạng khử của metylen xanh . Phổ Uv-Vis của dung dịch metylen xanh . Đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh . Giản đồ XRD của mẫu CoFe2O4 nung ở các nhiệt độ khác nhau . Giản đồ XRD của mẫu LCF0÷LCF10 nung ở 600oC . Phổ IR của các mẫu LCF0÷LCF10 .Phổ DRS của các mẫu LCF0÷LCF10 . Sự phụ thuộc của giá trị (αhν)2 vào năng lượng photon ánh sáng hấp thụ hν của mẫu LCF0 ÷LCF10 . Phổ EDX của mẫu LCF0 . Phổ EDX của mẫu LCF7 . Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của mẫu LCF0 . Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của mẫu LCF1 . Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của mẫu LCF7 . Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của mẫu LCF0 . Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của mẫu LCF1 . Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của mẫu LCF7 . Đường cong từ trễ của mẫu LCF0 và LCF7. Phổ UV-Vis của dung dịch MB theo thời gian khi có mặt vật liệu LCF0. Phổ UV-Vis của dung dịch MB theo thời gian khi chỉ có mặt H2O2 (a) ; LCF0 (b) . Phổ UV-Vis của dung dịch MB theo thời gian khi được chiếu sáng, có mặt H2O2 và chất xúc tác LCF0 ÷ LCF10 . Hiệu suất phân hủy MB khi có mặt H2O2 và chất xúc tác LCF0÷LCF10 sau 300 phút chiếu sáng . Phổ UV-Vis của dung dịch MB theo thời gian khi có mặt H2O2 và vật liệu LCF7 với các khối lượng khác nhau . Hiệu suất phân hủy MB khi có mặt H2O2 và vật liệu LCF7 với các khối lượng vật liệu khác nhau sau 270 phút chiếu sáng . Phổ UV-Vis của dung dịch MB theo thời gian khi có vật liệu LCF7 và H2O2 với thể tích 1,0 ÷ 2,5mL . Hiệu suất phân hủy MB khi có mặt vật liệu LCF7 và H2O2 với thể tích khác nhau sau 300 phút chiếu sáng . Sự phụ thuộc ln(Co/Ct) vào thời gian khi có mặt LCF0,LCF1. Sự phụ thuộc ln(Co/Ct) vào thời gian khi có mặt LCF3, LCF5 . Sự phụ thuộc ln(Co/Ct) vào thời gian khi có mặt LCF7, LCF10 . 48 viii c MỞ ĐẦU Tổng hợp, nghiên cứu tính chất và ứng dụng của các hạt nano oxit phức hợp nói chung và hạt nano spinel ferit nói riêng là hướng nghiên cứu đã và đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học. Các spinel ferit được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xúc tác, y học, vật liệu, môi trường… CoFe2O4 là ferit có từ tính mạnh, nhiệt độ Curie cao, tính ổn định hóa học lớn nên CoFe2O4 đã được ứng dụng rộng rãi trong các linh kiện điện tử, chất lỏng từ, làm chất quang xúc tác phân hủy nhiều hợp chất hữu cơ ô nhiễm… Kết quả nghiên cứu của nhiều công trình cho thấy, sự khác nhau về tính chất của ferit phụ thuộc vào spin của các electron 3d phát sinh do tương tác Fe- Fe. Khi thay thế một phần ion Fe3+ bằng các ion đất hiếm Ln3+ thuộc nhóm 4f sẽ dẫn đến sự thay đổi cấu trúc ferit, làm giảm nhiệt độ Curie và đặc biệt hoạt tính quang xúc tác được cải thiện đáng kể. Trên cơ sở đó chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: "Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano CoFe2O4 pha tạp La3+”. 1 c Chương 1 TỔNG QUAN 1. Vật liệu nano 1. Khái niệm vật liệu nano Vật liệu nano là loại vật liệu có cấu trúc các hạt, các sợi, các ống, các tấm mỏng,.có kích thước đặc trưng khoảng từ 1 nanomet đến 100 nanomet. Phân loại vật liệu nano 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. Dựa vào hình dạng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: + 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.