Đang tải... (xem toàn văn)
THIẾT KẾ VI MÔ TƠ TỊNH TIẾN KIỂU TĨNH ĐIỆN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật – ISSN 1859 0209 11 ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT GRAPHEN ÔXIT/MANGAN FERIT BẰNG PHƯƠNG P[.]
Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT GRAPHEN ÔXIT/MANGAN FERIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA KẾT HỢP VỚI THỦY NHIỆT Vũ Đình Thảo1,, Lương Thị Khánh Ninh1 1Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn Tóm tắt Nanocompozit graphen ơxit (GO)/mangan ferit (MnFe2O4) điều chế kết hợp phản ứng đồng kết tủa FeCl3.6H2O với MnCl2.4H2O dung dịch GO trình thủy nhiệt nhiệt độ 80°C, 130°C 180°C Đặc trưng vật liệu nanocompozit GO/MnFe2O4 nghiên cứu phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán sắc lượng tia X (EDX) phương pháp đo từ độ bão hòa nhiệt độ phòng Các kết hạt nano MnFe2O4 mọc GO với mật độ cao Khi nhiệt độ thủy nhiệt tăng từ 80°C đến 180°C, kích thước hạt MnFe2O4 tăng từ 11,4 đến 37,2 nm giá trị Ms tăng từ 8,3 đến 22,7 emu/g Từ khóa: Graphen ơxit; nanocompozit; mangan ferit Mở đầu Trong năm gần đây, vật liệu nanocompozit graphen ôxit (GO)/mangan ferit (MnFe2O4) quan tâm nhiều nhờ ứng dụng bật chúng lĩnh vực lưu trữ thông tin mật độ cao, sensor khí, chất lỏng từ, làm mát từ trường Trong đó, ứng dụng hấp phụ xúc tác có tiềm MnFe 2O4 có ưu điểm kích thước hạt nhỏ, diện tích bề mặt riêng lớn, độ bền ơxi hóa cao có tính chất từ [1 - 5] Trong GO, sản phẩm ơxi hóa graphen, sử dụng chất mang lý tưởng có diện tích bề mặt riêng lớn, độ phân tán tốt nước độ bền học cao [6, 7] Tuy nhiên, nghiên cứu trước chủ yếu tập trung điều chế vật liệu nhiệt độ thấp (80°C) Vật liệu thu có tính chất từ độ tinh thể hóa thấp [8, 9] Để khắc phục nhược điểm này, vật liệu GO/MnFe 2O4 cần tổng hợp nhiệt độ cao Trong nghiên cứu này, vật liệu nanocompozit GO/MnFe2O4 tổng hợp phương pháp thủy nhiệt Ảnh hưởng nhiệt độ đến đặc trưng tính chất vật liệu nghiên cứu chi tiết phương pháp hóa lý đại kính hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán sắc lượng tia X (EDX) phương pháp đo từ độ bão hòa nhiệt độ phòng Email: vudinhthao81@gmail.com 11 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 Thực nghiệm 2.1 Hóa chất Các hóa chất sử dụng thực nghiệm gồm: Graphit (Xilong, Trung Quốc, loại tinh khiết > 99%); K2S2O8 (Xilong, Trung Quốc); NaOH (Xilong, Trung Quốc, 99%); H2SO4 (Xilong, Trung Quốc, 98%); KMnO4 (Xilong, loại tinh thể, 99%); C2H5OH (Xilong, Trung Quốc, 99,5%); H2O2 (Xilong, Trung Quốc, 30%); FeCl3.6H2O (Xilong, Trung Quốc, 99%); MnCl2.4H2O (Xilong, Trung Quốc, 99%); HCl (Xilong, Trung Quốc, 36%) 2.2 Tổng hợp vật liệu GO-MnFe2O4 2.2.1 Tổng hợp GO Vật liệu GO tổng hợp từ bột graphit theo phương pháp Hummer cải tiến [10] Cụ thể sau: Cho 1,7 g K2S2O8 vào 12 ml dung dịch H2SO4 98% cốc 100 ml Thêm từ từ 0,35 g graphit vào hỗn hợp trên, khuấy từ liên tục 80°C 30 phút Lọc, rửa, sấy 60°C 12 thu sản phẩm bột màu xám sáng Cho sản phẩm vào 120 ml dung dịch H2SO4 98% cốc 250 ml, khuấy từ giữ lạnh hỗn hợp đá muối nhiệt độ - 5°C 30 phút Thêm từ từ 1,5 g KMnO4 vào hỗn hợp Tốc độ cho KMnO4 đảm bảo nhiệt độ hỗn hợp không vượt 10°C Tăng nhiệt độ lên 35°C khuấy từ liên tục Chuyển dung dịch sang cốc 1000 ml, thêm từ từ 250 ml H2O cho nhiệt độ không vượt 50°C, khuấy 30 phút Thêm tiếp 400 ml nước cất, khuấy từ 20 phút Thêm từ từ 20 ml H2O2 3% vào dung dịch trên, khuấy đến thu dung dịch màu vàng, để lắng qua đêm Rửa, gạn dung dịch HCl 3% - lần, lần 400 ml Lắng, lọc, li tâm, rửa nhiều lần nước đến pH = 7, sấy khô 60°C 24 thu sản phẩm GO 2.2.2 Tổng hợp vật liệu nanocompozit GO/MnFe2O4 Vật liệu nanocompozit GO/MnFe2O4 tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa kết hợp với thủy nhiệt Quá trình tổng hợp mơ tả sơ đồ hình Ban đầu chuẩn bị hỗn hợp chứa muối Mn2+ (0,01 mol), Fe3+ (0,02 mol), 300 ml nước cất lượng bột GO (0,45 mg) Hỗn hợp khuấy học Sau cho thêm từ từ dung dịch NaOH 2M vào hỗn hợp trì dung dịch pH 11 Phản ứng đồng kết tủa xảy với q trình khuấy học, nhiệt độ phịng Chất nhầy thu sau phản ứng đưa vào bình phản ứng thủy nhiệt (lót teflon) thủy nhiệt nhiệt độ khác 80°C, 130°C 180°C 24 Sau thời gian ủ thủy nhiệt, hạ nhiệt độ từ từ nhiệt độ phòng Chất kết tủa thu tách (bằng từ trường ngoài) rửa (bằng nước cất ethanol) nhiều lần Sau đó, chất kết tủa sấy khơ 60°C, 12 Sản phẩm thu bột nanocompozite GO/MnFe2O4 12 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 Hình Sơ đồ tổng hợp GO/MnFe2O4 2.3 Xác định đặc trưng hóa lý cấu trúc vật liệu Mẫu sau tổng hợp phân tích chụp ảnh TEM (JEOL TEM J1010) Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương Ảnh SEM phân tích thành phần nguyên tố phổ tán xạ tia X (EDX) thực máy Nicolet (Nhật Bản) Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam Phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD) thực nhiễu xạ kế D5005 hãng Siemens đặt khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Bước sóng xạ Cu K = 1,5406 Å; 30 kV/40 mA) Phương pháp đo tính chất từ mẫu thực hệ từ kế mẫu rung VSM EV9 (Vibrating Sample Magnetometer) Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Kết thảo luận 3.1 Kết khảo sát hình thái học vật liệu GO/MnFe2O4 Ảnh chụp từ máy kính hiển vi điện tử quét (SEM) GO trình bày hình 2a Theo thấy mỏng GO bóc tách khỏi graphit Ảnh TEM hình (b-d) vật liệu nanocompozit thể rõ có mọc cấu trúc mangan ferit GO Ta quan sát thấy hạt MnFe2O4 có kích thước khoảng từ 20 đến 40 nm phân bố tương đối bề mặt GO Các hạt nano có khuynh hướng kết tụ lại với thành đám Sự kết tụ hệ hạt nano tượng thường gặp, liên hệ mật thiết với xu hướng tự nhiên nhằm làm giảm lượng bề mặt hệ để hệ dịch chuyển phía có mức lượng thấp (bền vững hơn) Thêm vào đó, hệ chứa vật liệu có từ tính MnFe2O4 kết tụ cịn có ngun nhân tương tác từ học vật liệu Mặc dù hạt nano kết tụ với nhau, biên giới hạt phân biệt (vùng sáng nằm hạt) 13 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 Hình Ảnh SEM GO (a), ảnh TEM GO/MnFe2O4 điều chế 80°C (b), 130°C (c) 180°C (d) 3.2 Kết phân tích thành phần hóa học phương pháp EDX Phổ tán xạ lượng EDX mẫu vật liệu nêu hình Kết cho thấy thành phần mẫu nguyên tố theo hợp phần: C, O, Fe, Mn Điều cho thấy trình lọc rửa loại bỏ muối tiền chất vật liệu thu hồn tồn tinh khiết Hình Phổ EDX GO/MnFe2O4 3.3 Phân tích cấu trúc vật liệu GO/MnFe2O4 phương pháp XRD Hình thể giản đồ XRD mẫu GO/MnFe2O4 nhiệt độ điều chế khác Giản đồ XRD mẫu GO/MnFe2O4 điều chế phương pháp thủy nhiệt 180°C (Hình 4c) thể đầy đủ pic nhiễu xạ điển hình MnFe2O4 cấu trúc 14 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 spinel 2 = 29,58°; 35,64°; 43,24°; 56,87° 63,15° Các pic tương tự với pic phổ chuẩn MnFe2O4 cấu trúc lập phương spinel theo JCPDS 10-0319 Không thấy xuất pic khác phổ tạp chất, có mặt MnFe2O4 tổng hợp phương pháp đồng kết tủa thủy nhiệt điều kiện thí nghiệm thực Tuy nhiên, mẫu điều chế 80°C 130°C cho thấy, cường độ đỉnh nhiễu xạ yếu, quan sát rõ ràng pic 35,64° 63,15° với chân đỉnh rộng, cho thấy mẫu có độ tinh thể hóa thấp cịn nhiều thành phần dạng vơ định hình Đỉnh nhiễu xạ GO khơng quan sát thấy, có mặt MnFe2O4 bề mặt GO làm cho GO không xếp chồng lên nhau, dẫn tới cường độ nhiễu xạ tia X không đủ lớn so với MnFe2O4 để quan sát Kích thước hạt tinh thể tính theo phương trình Scherrer [11] sau: d = k.λ/(β.cosθ) (1) Trong độ dài bước sóng xạ Cu Kα, λ = 1,5406 Å, β độ rộng đỉnh nửa cực đại, θ góc Bragg (vị trí đỉnh), k = 0,9 số Kết tính tốn với đỉnh có cường độ nhiễu xạ tương ứng với khoảng cách mặt (311) cho thấy kích thước tinh thể mẫu thủy nhiệt 80°C, 130°C 180°C 11,38; 17,87; 37,21 nm Kết chứng tỏ, nhiệt độ tăng, màng kết tinh tốt kích thước hạt tinh thể tăng lên Hình Phổ XRD mẫu GO/MnFe2O4 điều chế 80°C (a), 130°C (b) 180°C (c) 3.4 Phân tích tính chất từ vật liệu GO/MnFe2O4 Chu trình từ trễ mẫu GO/MnFe2O4 thủy nhiệt sau 24 nhiệt độ 80°C, 130°C, 180°C đo nhiệt độ phịng trình bày hình Độ từ hóa bão hịa (Ms) mẫu GO/MnFe2O4 điều chế 80°C 8,3 emu/g, 130°C 15,4 emu/g 15 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 180°C 22,7 emu/g, đạt từ trường khoảng 10000 Oe Khi nhiệt độ thủy nhiệt tăng, tính chất từ cải thiện rõ rệt Trong đó, mẫu điều chế 180°C thể tính chất siêu thuận từ, với lực kháng từ từ dư gần khơng Tính chất từ chứng tỏ hạt MnFe2O4 mọc GO giữ cấu trúc kết tinh Khi tăng nhiệt độ thủy nhiệt, mức độ tinh thể hóa tăng dẫn đến tính chất từ cải thiện Mặt khác, việc cải thiện tính chất từ hiệu ứng kích thước Cấu trúc hạt nano thường có cấu trúc lõi - vỏ Các lõi xếp trật tự, lớp vỏ khơng trật tự, có số phối trí thay đổi, tạo lớp vỏ gồm spin trật tự, dẫn đến suy giảm từ độ bão hịa Các hạt có kích thước nhỏ lớp vỏ chiếm tỉ phần so với lõi lớn Khi tăng kích thước hạt, tỉ lệ lớp vỏ giảm, từ độ bão hòa tăng [12] Tính chất từ tốt cho phép thu hồi lại vật liệu môi trường phân tán từ trường dễ dàng phân tán trở lại loại bỏ từ trường ngoài, nhằm đáp ứng cho ứng dụng xử lý môi trường [13] Hình Đường cong từ hóa mẫu GO/MnFe2O4 điều chế 80°C (a), 130°C (b) 180°C (c) Kết luận Vật liệu nanocompozit GO/MnFe2O4 điều chế kết hợp phản ứng đồng kết tủa phương pháp thủy nhiệt sau Ảnh hưởng nhiệt độ điều chế lên tính chất vật liệu nghiên cứu Kết nhiệt độ thủy nhiệt tăng từ 80°C đến 180°C đường kính hạt tinh thể tăng từ 11,38 đến 37,21 nm, giá trị từ độ bão hịa tăng từ 8,3 đến 22,7 emu/g Vật liệu điều chế 180°C có mức độ tinh thể giá trị từ tính cao mẫu điều chế Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ đề tài NAFOSTED mã số 103.02-2015.100 16 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 Tài liệu tham khảo C N T Samuel, M C L Irene (2013) Magnetic Nanoparticles: Essential Factors for Sustainalble Environmental Applications Water Res., 47, 2613-2632 L Wang, J Li, Y Wang, L Zhao, Q Jiang (2012) Adsorption Capability for Congo Red on Nanocrystalline MFe2O4 (M = Mn, Fe, Co, Ni) Spinel Ferrites Chem Eng J., 181-182, 72-79 S Zhang, H Niu, Y Cai, X Zhao, Y Shi (2010) Arsenite and Arsenate Adsorption on Coprecipitated Bimetal Oxide Magnetic Nanomaterials: MnFe2O4 and CoFe2O4 Chem Eng J., 158, 599-607 X Hou, J Feng, Y Ren, Z Fan, M Zhang (2010) Synthesis and Adsorption Properties of Sponge Like Porous MnFe2O4 Colloids Surface A, 363, 1-7 Phan Ngọc Minh (2014) Vật liệu cacbon cấu trúc nano ứng dụng tiềm Hà Nội: Nxb Khoa học tự nhiên Công nghệ Z Li, F Chen, L Yuan, Y Liu, Y Zhao, Z Chai, W Shi (2012) Uranium(VI) Adsorption on Graphene Oxide Nanosheets from Aqueous Solutions J Chem Eng., 210, 539-546 Ravi Kant Upadhyay, Navneet Soin, and Susanta Sinha Roy (2014) Role of Graphene/Metal Oxide Composites As Photocatalysts, Adsorbents and Disinfectants in Water Treatment: A Review RSC Adv., 4, 3823-3851 S Kumar, R R Nair, P B Pillai, S N Gupta, M A R Iyengar, A K Sood (2014) Graphene Oxide-MnFe2O4 Magnetic Nanohybrids for Efficient Removal of Lead and Arsenic from Water ACS Appl Mater Interfaces, 6, 17426-17436 Pham Thi Lan Phuong, Le Thanh Huy, Vu Ngoc Phan, Tran Quang Huy, Man Hoai Nam, Vu Dinh Lam, Le Anh Tuan (2016) Application of Graphene Oxide-Mnfe2o4 Magnetic Nanohybrids as Magnetically Separable Adsorbent for Highly Efficient Removal of Arsenic from Water Journal of Elec Materi., 45, 2372-2380 10 W S Hummers and R E Offeman (1958) Preparation of Graphitic Oxide J Am Chem Soc., 80, 1339-1339 11 A L Patterson (1939) The Scherrer Formula for X-Ray Particle Size Determination Physical Review, 56, 978-982 12 N K Thanh, N P Duong, D Q Hung, L N Anh, D H Tu, T T Loan, T D Hien (2014) Crystallization and Magnetic Behavior of CuFe2O4 Nanoparticles Synthesized by Spray Co Precipitation Method J Sci Tech., 52, 38-44 13 P D Bhalara, D Punetha, K Balasubramanian (2014) A Review of Potential Remediation Techniques for Uranium(VI) Ion Retrieval from Contaminated Aqueous Environment J Env Chem Eng., 2, 1621-1634 17 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 PREPARATION OF GRAPHENE OXIDE/MANGANASE FERRITE NANOCOMPOSITES BY CO-PRECIPITATION METHOD COMBINED WITH HYDROTHERMAL Abstract: Graphene oxide (GO)/manganase ferrite (MnFe2O4) nanocomposites are synthesized by combining a coprecipitation reaction of FeCl3.6H2O and MnCl2.4H2O in the GO solution with the subsequent process of hydrothermal method at 80°C, 130°C, and 180°C The characterization of the obtained material was studied by energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and vibrating sample magnetometer The results showed that MnFe2O4 nanocrystals were evenly grown on GO sheets at high density When hydrothermal temperature increases from 80°C to 180°C, the size of MnFe2O4 crystallites increases from 11.4 to 37.2 nm, whereas Ms increases from 8.3 to 22.7 emu/g Keywords: Graphene oxide; nanocomposite; manganase ferrite Ngày nhận bài: 22/3/2018; Ngày nhận sửa lần cuối: 07/8/2018; Ngày duyệt đăng: 21/8/2018 18