Chế tạo và nghiên cứu tính chất của hệ vật liệu tổ hợp mnfe2o4 zno

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN VĂN TÚ CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA HỆ VẬT LIỆU TỔ HỢP MnFe2O4/ZnO Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VĂN KHIỂN TS NGÔ THỊ HỒNG LÊ THÁI NGUYÊN - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu kết trình bày luận văn hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác, liệu trích dẫn cách đầy đủ Thái Nguyên, tháng năm 2022 Tác giả Nguyễn Văn Tú i LỜI CẢM ƠN Với tình cảm chân thành, tơi vơ biết ơn Ban lãnh đạo trường Đại Học Khoa Học – Đại Học Thái Nguyên, quý thầy cô tận tình giảng dạy, dẫn cho tơi hai năm học tập nghiên cứu Đặc biệt xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới T.S Nguyễn Văn Khiển – Người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu hồn thành luận văn T.S Ngơ Thị Hồng Lê – người hướng dẫn tơi q trình đo đạc phân tích kết thực nghiệm Tơi xin chân thành cảm ơn tới Thầy cô, tập thể cán viện Khoa học công nghệ – trường Đại học Khoa Học – Đại học Thái Nguyên, anh chị Viện Khoa học Vật liệu – Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam - người giúp đỡ hỗ trợ việc thực phép đo đạc khảo sát mẫu Nhân dịp này, tơi xin dành tình cảm sâu sắc tới toàn thể bạn bè, đồng nghiệp, người thân gia đình chia sẻ khó khăn, thông cảm động viên suốt thời gian học tập nghiên cứu Thái Nguyên, tháng năm 2022 Tác giả Nguyễn Văn Tú ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa FESEM Kính hiển vi điện tử quét phân giải cao SEM Kính hiển vi điện tử quét HR- TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua XRD Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction) UVA, UVB Tia cực tím UV-vis Tử ngoại – khả kiến UV Tử ngoại PL Phổ huỳnh quang AAS Phổ hấp thụ nguyên tử MRI Cộng hƣởng từ SFNP Hạt nano spinel ferrite (Spinel ferrite nanopaticle) VSM Từ kế mẫu rung (Vibrating sample magetometer) WHO Tổ chức y tế giới EU Liên minh châu âu iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1 Chỉ số đặc trƣng mạng Wurtzite 13 Bảng Quy định nồng độ tối đa kim loại nặng nƣớc uống quốc gia khác (μg/L) [42] 21 Bảng Mối tƣơng quan RL dạng mơ hình đẳng nhiệt 24 Bảng Khả hấp phụ kim loại Pb mẫu 48 iv DANH MỤC CÁC ẢNH VÀ HÌNH VẼ Hình 1: Cấu trúc tinh thể spinel ferrite[64] Hình 2: Cấu hình phân bố ion mạng tinh thể spinel ferrite[64] Hình Sơ đồ trình hấp phụ, thu hồi tái sử dụng vật liệu spinel ferrite xử lý nƣớc thải [29] 11 Hình Cấu trúc mạng tinh thể ZnO [33] 12 Hình Cấu trúc hình trụ lục giác Wurtzite ZnO [34] 13 Hình Cơ chế quang xúc tác ZnO[65] 15 Hình Phổ huỳnh quang ZnO dạng dạng ống [36] 15 Hình Sơ đồ tổng hợp hạt MnFe2O4 29 Hình 2 Sự tán xạ tia X bề mặt tinh thể [56] 31 Hình Nguyên lý phƣơng pháp đo nhiễu xạ tia X mẫu bột[56] 31 Hình Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét [57] 32 Hình Hệ thống chụp ảnh hiển vi điện tử quét SEM 33 Hình Sơ đồ khối từ kế mẫu rung [59] 36 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X MnFe2O4 37 Hình Ảnh FESEM hạt nano MnFe2O4 38 Hình 3 Đƣờng cong từ trễ MnFe2O4 39 Hình Đƣờng từ độ phụ thuộc vào nhiệt độ MnFe2O4 40 Hình Ảnh FESEM mẫu thuỷ nhiệt nhiệt độ khác 41 Hình ẢNh FESEM mẫu thuỷ nhiệt nhiệt độ khác 43 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu M1, M2 M3 nhiệt độ chế tạo khác 44 Hình (Trên) Phổ hấp thụ (dƣới) lƣợng vùng cấm mẫu M1, M2 M3 đƣợc chế tạo nhiệt độ khác 45 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu tổ hợp MnFe2O4/ZnO 46 Hình 10 Phổ FTIR mẫu MnFe2O4, ZnO MnFe2O4/ZnO 46 Hình 11 Đƣờng thực nghiệm làm khớp theo mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir hạt nano MnFe2O4 50 v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iv DANH MỤC CÁC ẢNH VÀ HÌNH VẼ v MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu Spinel Ferrite 1.1.1 Cấu trúc vật liệu spinel ferrite 1.1.2 Tính vật liệu spinel ferrite 1.1.2.1 Tính chất từ 1.1.2.2 Tính dị hƣớng tinh thể 1.1.3 ng dụng vật liệu spinel ferrite 1.1.3.1 ng dụng y sinh 1.1.3.2 ng dụng cảm biến cảm biến sinh học 1.1.3.3 ng dụng linh kiện cao tần 1.1.3.4 ng dụng siêu tụ điện 1.1.3.5 ng dụng gốm co-fired nhiệt độ thấp 1.1.3.6 ng dụng xúc tác quang 10 1.1.3.7 ng dụng hấp phụ xử lý kim loại nặng môi trƣờng nƣớc 10 1.2 Tổng quan vật liệu ZnO 12 1.2.1 Cấu trúc mạng tinh thể ZnO 12 1.2.2 Tính chất quang ZnO 14 1.2.2.1 Tính chất quang xúc tác ZnO 14 1.2.2.2 Phổ huỳnh quang ZnO 15 1.2.2.3 ng dụng xúc tác quang vật liệu ZnO 16 1.3 Vật liệu tổ hợp MnFe2O4/ZnO 17 1.4 Hiện trạng giải pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng 20 vi 1.4.1 Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng 20 1.4.2 Hiện trạng sử dụng vật liệu hấp phụ 22 1.5 Tổng quan hấp phụ kim loại nặng môi trƣờng nƣớc 22 1.5.1 Đẳng nhiệt hấp phụ 23 1.5.2 Động học hấp phụ 25 CHƢƠNG II CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 28 2.1 Tổng hợp vật liệu MnFe2O4; ZnO MnFe2O4/ZnO 28 2.1.1 Hóa chất 28 2.1.2 Tổng hợp vật liệu MnFe2O4 28 2.1.3 Tổng hợp vật liệu ZnO 29 2.1.4 Tổng hợp vật liệu tổ hợp MnFe2O4/ ZnO 30 2.2 Các kỹ thuật khảo sát mẫu 30 2.2.1 Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) 30 2.2.2 Chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) 32 2.2.3 Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS 34 2.2.4 Phép đo từ kế mẫu rung (VSM) 35 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 Vật liệu MnFe2O4 37 3.1.1 Cấu trúc hình thái vật liệu 37 3.1.2 Tính chất từ 39 3.2 Vật liệu ZnO 41 3.3 Hệ vật liệu tổ hợp MnFe2O4/ZnO 46 KẾT LUẬN CHUNG 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 vii MỞ ĐẦU Trong hình thành phát triển sống trái đất, nƣớc đóng vai trị vơ quan trọng, mang yếu tố định đến hình thành phát triển sống Đối với ngƣời, nƣớc tài nguyên cho phát triển kinh tế, xã hội, đảm bảo cho thịnh vƣợng văn minh Trong giai đoạn nay, nƣớc phát triển, có Việt Nam bùng nổ mạnh mẽ từ quy mơ tới số lƣợng ngành công nghiệp khai thác, chế biến, sản xuất; khu công nghiệp đƣợc xây mở rộng kéo theo vấn đề ô nhiễm môi trƣờng có môi trƣờng nƣớc Nƣớc thải cơng nghiệp ngun nhân làm nhiễm độc nguồn nƣớc, gây ảnh hƣởng trực tiếp mạnh mẽ tới môi trƣờng sinh thái, làm ảnh hƣởng tiêu cực tới sinh vật nhƣ ảnh hƣởng trực tiếp tới sức khỏe ngƣời Các báo cáo môi trƣờng gần cho thấy rằng, nguồn nƣớc ngày bị nhiễm bẩn loại chất thải độc hại từ khu cơng nghiệp, nhà máy, xí nghiệp phải kể đến kim loại nặng nhƣ Pb, Hg, Cd, As, Cr, [1] Các kim loại nặng bƣớc hủy hoại hệ sinh thái, chúng ảnh hƣởng trực tiếp tới sức khỏe ngƣời, chúng gây bệnh lý da liễu, hệ thần kinh, ung thƣ Do việc tìm kiếm giải pháp nhƣ phƣơng pháp để loại bỏ kim loại nặng khỏi nguồn nƣớc thu hút nhiều đầu tƣ cho cơng trình nghiên cứu tồn giới Trong phƣơng pháp xử lý để tách ion kim loại nặng khỏi nguồn nƣớc phƣơng pháp sử cơng nghệ lắng/lọc, thẩm thấu ngƣợc, kết tủa, công nghệ trao đổi ion, điện thẩm tách, hấp phụ… [2] đƣợc sử dụng phổ biến Qua nhiều cơng trình nghiên cứu cơng bố phƣơng pháp sử dụng cơng nghệ hấp phụ đƣợc ứng dụng rộng rãi nguyên nhân hệ thống hấp phụ đƣợc thiết kế đơn giản, dễ sử dụng, tiết kiệm cho thấy hiệu cao việc loại bỏ nhiều kim loại nặng độc hại khác nhau[3] Với phát triển mạnh mẽ ngành vật liệu ứng dụng công nghệ nano mở nhiều hƣớng nghiên cứu vật liệu có khả hấp phụ mạnh ion kim loại nặng Nhiều công bố khoa học khẳng định vật liệu từ có cấu trúc nano, đặc biệt loại vật liệu từ thuộc họ mang cấu trúc spinel loại vật liệu cho hiệu cao việc loại bỏ kim loại nặng nƣớc [4] Do vật liệu nano ferrite spinel có tỷ lệ diện tích bề mặt lớn cấu trúc bề mặt lại có tính linh hoạt cao,vì dễ dàng tƣơng tác với ion kim loại nặng nƣớc Mặt khác có tính chất từ nên dƣới tác dụng từ trƣờng ngoài, vật liệu dễ dàng đƣợc tách tuyển, thu hồi tái sử dụng lâu dài sau hấp phụ chất gây ô nhiễm [5] Vì vậy, loại vật liệu tối ƣu hóa đƣợc mục đích loại bỏ kim loại nặng khỏi nguồn nƣớc với chi phí kinh tế Trong vật liệu nano ferrite spinel hạt nano oxit sắt có khả hấp phụ mạnh với dải rộng kim loại nặng nhƣ Pb,As, Cr, Cu, [6] Trong vật liệu MnFe2O4 đƣợc đặc biệt ý bởi độ bền hóa học cao, diện tích bề mặt chúng lớn từ tính tƣơng đối cao xấp xỉ với vật liệu oxit sắt Mặt khác chúng có tính chất ổn định mơi trƣờng axit có pH thấp (pH 2,0-6,0) nên chúng có lợi để ứng dụng vấn đề xử lý nƣớc ô nhiễm [7] Ngoài ra, nhiều công bố khoa học cho thấy vật liệu ZnO cho khả hấp phụ ion kim loại nặng cao (hơn 95%) Tuy nhiên, vật liệu lại khó thu hồi để tái sử dụng Một số nghiên cứu gần cho kết tích cực việc sử dụng vật liệu tổ hợp kết hợp ferrite spinel với ZnO để xử lý ion kim loại nặng Loại vật liệu này, giữ nguyên đặc tính từ vật liệu ferrite spinel tính chất quang ZnO giúp cải thiện khả xúc tác thu hồi sản phẩm cho tái sử dụng đem lại hiệu kinh tế cao Với lý trên, thấy vấn đề loại bỏ ion kim loại nặng chất thải màu hữu khỏi nguồn nƣớc cấp thiết nên lựa chọn đề tài luận văn đƣợc mang tên “Chế tạo nghiên cứu tính chất hệ vật liệu tổ hợp MnFe2O4 /ZnO” [25] Sundararajan M., Sailaja V., Kennedy L.J., "Photocatalytic degradation of rhodamine B under visible light using nanostructured zinc doped cobalt ferrite: kinetics and mechanism." Ceramics International, 43 (1), pp.540548 et al (2017) [26] Iakovleva E Sillanpää M "The use of low-cost adsorbents for wastewater purification in mining industries." Environmental Science Pollution Research, 20 (11), pp.7878-7899 (2013) [27] Moeinpour F., Alimoradi A Kazemi M "Efficient removal of Eriochrome black-T from aqueous solution using NiFe2O4 magnetic nanoparticles." Journal of environmental health science engineering, 12 (1), p.112 (2014) [28] Sun W., Pan W., Wang F., "Removal of Se (IV) and Se (VI) by MFe2O4 nanoparticles from aqueous solution." Chemical Engineering Journal, 273, pp.353-362, (2015) [29] Kefeni K.K., Mamba B.B Msagati T.A (2017), "Application of spinel ferrite nanoparticles in water and wastewater treatment: a review." Separation Purification Technology, 188, pp.399-422 [30] Duan S., Tang R., Xue Z., "Effective removal of Pb(II) using magnetic Co0.6Fe2.4O4 micro-particles as the adsorbent: Synthesis and study on the kinetic and thermodynamic behaviors for its adsorption." Colloids Surfaces A: Physicochemical Engineering Aspects, 469, pp.211-223, (2015) [31] Neyaz N Siddiqui W.A."Removal of Cu (II) by modified magnetite nanocomposite as a nanosorbent." Int J Sci Res, (2), pp.1868-1873, (2015) [32] Jia Z., Peng K Xu L "Preparation, characterization and enhanced adsorption performance for Cr(VI) of mesoporous NiFe2O4 by twice pore-forming method." Materials Chemistry Physics, 136 (2- 3), pp.512-519, (2012) [33] Wu, L., Y Wu, and W LÜ, Preparation of ZnO Nanorods and optical characterizations, Shandong, PR China: Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures (2005) 56 [34] Vaseem, M., A Umar, and Y.-B Hahn, ZnO Nanoparticles: Growth, Properties, and Applications, Chonju, South Korea metal oxide nanostructures and their applications.(1998) [35] Jaffe, J.E., R Pandey, and A.B Kunz, Electronic structure of the rocksaltstructure semiconductors ZnO and CdO, Houghton, Michigan: American Physical Society(1991) [36] Shibin, O.M., S Yesodharan, and E.P Yesodharan, Sunlight induced photocatalytic degradation of herbicide diquat in water in presence of ZnO Journal of Environmental Chemical Engineering 3(2): p 1107-1116.( 2015) [37] Rahmayeni Yeni, Syukri Arief, Novesar Jamarun, Emriadi Emriadi, Y Stiadi; Magnetically Separable ZnO-MnFe2O4 Nanocomposites Synthesized in organic-free Media for dye Degradation Under Natural Sunlight; Oriental Journal of Chemistry 33(6):2758-2765, December (2017) [38] Zamani A, Mahjoub AR, Seyed Sadjadi MA Synthesis and Characterization of MnFe2O4@ZnO-GO and MnFe2O4@ZnO-rGO Nanocomposites with Evaluation of Improved Photocatalytic Performance under Sun Light, doi:10.22052/JNS.2020.03.013, (July 2020) [39] Michel Rahal, Yomen Atassi, Ibrahim Alghoraibi, Preparation of separable MnFe2O4/ZnO/CQDs as a visible light photocatalyst for Gentamicin treatment, Materials Chemistry and Physics, (July 2022) [40] Sarma G.K., Gupta S.S.Bhattacharyya K.G "Nanomaterials as versatile adsorbents for heavy metal ions in water: a review." Environmental Science Pollution Research, 26 (7), pp.6245-6278 (2019) [41] Hashim M.A., Mukhopadhyay S., Sahu J.N., "Remediation technologies for heavy metal contaminated groundwater." Journal of environmental management, 92 (10), pp.2355-2388 (2011) [42] Kong Q., Shi X., Ma W., et al "Strategies to improve the adsorption properties of graphene-based adsorbent towards heavy metal ions and their 57 compound pollutants: A review." Journal of Hazardous Materials, p.125690.( (2021) [43] Sahoo T.R.Prelot B, "Adsorption processes for the removal of contaminants from wastewater: the perspective role of nanomaterials and nanotechnology", in Nanomaterials for the Detection and Removal of Wastewater Pollutants, Elsevier p 161-222 (2020) [44] Burakov A.E., Galunin E.V., Burakova I.V., "Adsorption of heavy metals on conventional and nanostructured materials for wastewater treatment purposes: A review." Ecotoxicology environmental safety, 148, pp.702-712 (2018) [45] Carolin C.F., Kumar P.S., Saravanan A., "Efficient techniques for the removal of toxic heavy metals from aquatic environment: A review." Journal of environmental chemical engineering, (3), pp.2782-2799 (2017), [46] Wang D."Environmental protection in clothing industry In Sustainable Development": Proceedings of the 2015 International Conference on Sustainable Development (ICSD2015) World Scientific, (2016) [47] Zollinger H, John Wiley & Sons Color chemistry: syntheses, properties, and applications of organic dyes and pigments (2003) [48] Mbu E.E., Ntwampe S.K., Nyembwe K.J "Photocatalytic degradation of azo and rhodamine dyes using copper (ii) oxide nanoparticles", in 10th Int'l Conference on Advances in Science, Engineering, Technology & Healthcare (2018) [49] Hall K.R., Eagleton L.C., Acrivos A., et al "Pore-and soliddiffusion kinetics in fixed-bed adsorption under constant-pattern conditions." Industrial Engineering Chemistry Fundamentals, (2), pp.212-223 (1966) [50] Ho Y.-S.Wang C.-C "Pseudo-isotherms for the sorption of cadmium ion onto tree fern." Process Biochemistry, 39 (6), pp.761-765 (2004) 58 [51] Sarma G.K., Gupta S.S.Bhattacharyya K.G "Nanomaterials as versatile adsorbents for heavy metal ions in water: a review." Environmental Science Pollution Research, 26 (7), pp.6245-6278 (2019) [52] Lagergren S.K "About the theory of so-called adsorption of soluble substances." Sven Vetenskapsakad Handingarl, 24, pp.1-39 (1898) [53] Cheung C., Porter J.McKay G "Sorption kinetic analysis for the removal of cadmium ions from effluents using bone char." Water research, 35 (3), pp.605-612 (2001) [54] Zand A.D.Abyaneh M.R "Adsorption of Lead, manganese, and copper onto biochar in landfill leachate: implication of non-linear regression analysis." Sustainable Environment Research, 30 (1), pp.1-16 (2020) [55] Weber Jr W.J.Morris J.C , "Kinetics of adsorption on carbon from solution." Journal of the sanitary engineering division,89 (2), pp.31-59, (2021) [56] DavidAlderton, Royal Holloway, University of London, Egham, United Kingdom, Encyclopedia of Geology (Second Edition), Pages 520-531 (2021) [57] Yougui Liao, book: “Practical Electron Microscopy and Database”, 2007 [58] Thomas M.Moore, book, Atomic Absorption Spectrometry (AAS), Characterization of Integrated Circuit Packaging Materials, Page 213 (1993) [59] T.M.El-Alaily, M.K.El-Nimr, S.A.Saafan, M.M.Kamel, M.Meaz, S.T.Assar, Construction and calibration of a low cost and fully automated vibrating sample magnetometer, ournal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 386, Pages 25-30 (15 July 2015) [60] Jian Bao, Yezi Zhu, Sijia Yuan, Fenghe Wang, Huang Tang, Zhihao Bao , Haiyun Zhou1 and Yajun Chen: Adsorption of Tetracycline with Reduced Graphene Oxide Decorated with MnFe2O4 Nanoparticles, (2018) [61] Khadijah Mohammedsaleh M Katubi, Saifeldin M Siddeeg, Norah Salem Alsaiari, Fatimah Mohammed Alzahrani , and Mohamed A Tahoon, 59 Synthesis of Manganese Ferrite/Graphene Oxide Magnetic Nanocomposite for Pollutants Removal from Water, doi.org/10.3390/pr9040589, (28 March 2021) 60 CONG HoA xA HOI CHU NGHiA VIET NAM DQc lAp - Tu.'do - Hgnh phfc DAI HQC THAI NGUYEN TRUONG DAI HOC KHOA H OC so 146f nsrut-or V/v giao nhiQm vp kj xric nh6n bAn gidi trinh sria chta, bO sung luAn vdn thac si cta hoc vi6n cao hoc Thdi NguyAn, n thcing 10 ndm 2021 Kinh gti: Cric Khoa,A/iQn c6 dao tAo trinh tl6 thac si Cin cri vho Didu cta Quy dinh tam thdi ,6 nhigm qr, quydn han cta Dqi hqc Th6i Nguy6n vd c6c don vl thdnh vi€n tuy6n sinh vd qu6n l! tlio tao trinh d6 sau