Hình thái của vật liệu TiO2; Cu0.5Mg0.5Fe2O4 và Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 (ST2) được xác định bằng kỹ thuật hiển vi điện tử quét (SEM) ở cùng độ phóng đại 150.000 lần và giản đồ phân bố cỡ hạt tương ứng thể hiện ở Hình 3.16 cho thấy rằng, TiO2 có dạng hình cầu kích thước tương đối nhỏ trong khoảng 10 ÷ 20 nm và các hạt kết tụ vào nhau với bề mặt xù xì không nhẵn (Hình 3.16a). Các hạt Cu0.5Mg0.5Fe2O4 có dạng lập phương, kích thước hạt trung bình khoảng 30 nm (như bình luận ở mục 3.1.2). Ảnh SEM và TEM của vật liệu tổ hợp Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 (Hình 3.16c và 3.16d) thể hiện hình thái lai của cả TiO2 và Cu0.5Mg0.5Fe2O4. Các hạt này có xu hướng kết tụ vào nhau có thể là do tương tác tĩnh điện cao giữa bề mặt của TiO2 và Cu0.5Mg0.5Fe2O4. Nhóm tác giả Golshan cũng đưa ra bình luận hình thái học vật liệu CuFe2O4/TiO2 có bề mặt ngoài thô hơn nhiều so với bề mặt của CuFe2O4 và liên quan đến hiệu ứng kết tụ của các hạt TiO2 trên bề mặt các hạt CuFe2O4
[53]. Kích thước hạt trung bình được tính bởi phần mềm ImageJ của TiO2, Cu0.5Mg0.5Fe2O4 và Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 lần lượt là 17,69 nm; 27,45 nm và 96,69 nm.
`
Hình 3.16. Ảnh SEM và giản đồ phân bố cỡ hạt tương ứng của (a) TiO2; (b) Cu0.5Mg0.5Fe2O4; (c) Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 và (d) HR-TEM
Áp dụng công thức Debye-Scherrer, kích thước hạt TiO2 tính theo peak (101) là 16,4 nm, tương đối phù hợp với kích thước quan sát được ở ảnh SEM. Theo giản đồ XRD của vật liệu tổ hợp Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2, kích thước hạt Cu0.5Mg0.5Fe2O4 tính theo peak (311) là 27,9 nm, tương tự như kích thước hạt của spinel ferrite Cu0.5Mg0.5Fe2O4 ban đầu (29,5 nm). Trong khi đó kích thước hạt trung bình của TiO2 tăng lên đáng kể là 40,09 nm so với kích thước hạt TiO2 ban đầu (16,4 nm). Điều này có thể là do sự hiện diện của Cu0.5Mg0.5Fe2O4 chính là vị trí tạo mầm cho sự hình thành tinh thể TiO2 có kích thước lớn hơn.
3.2.3. Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp N2 (BET)
Đường hấp phụ - giải hấp N2 và sự phân bố kích thước mao quản của của vật liệu tổ hợp Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 được thể hiện ở Hình 3.15.
Hình 3.17. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp N2 và sự phân bố kích thước mao quản của vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2.
Theo Hình 3.17, đường cong đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp của vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 thuộc dạng IV theo phân loại của UIPAC và có vòng trễ loại H3 là vật liệu mao quản trung bình [182]. Diện tích bề mặt riêng, kích
thước mao quản và thể tích mao quản của Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 lần lượt là 27,08 m2/g, 10,11 nm và 0,072 cm3/g. So với vật liệu spinel ferrite Cu0.5Mg0.5Fe2O4 (SBET = 41,3 m2/g) thì vật liệu tổ hợp có diện tích bề mặt riêng nhỏ hơn, điều này có thể do TiO2 bao phủ trên bề mặt của các hạt spinel ferrite, làm giảm diện tích bề mặt riêng của vật liệu tổ hợp [132].
3.2.4. Tính chất từ của vật liệu
Đường cong từ trễ của vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4 /TiO2 được thể hiện ở Hình 3.18a. Ta thấy rằng, từ độ bão hòa của vật Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 giảm xuống còn 11,2 emu/g (so với Ms = 23,1 emu/g của Cu0.5Mg0.5Fe2O4). Sự giảm này là do lớp phủ TiO2 không có từ tính trong vật liệu tổ hợp. Từ độ bão hòa của vật liệu tổ hợp Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 gần với giá trị từ độ bão hòa của vật liệu MgFe2O4 (Ms = 13,1 emu/g). Với độ từ này, vật liệu tổ hợp có thể được tách ra khỏi môi trường nước một các dễ dàng khi sử dụng một nam châm. Hình 3.28b thể hiện hình ảnh vật liệu tổ hợp Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 được thu hồi từ dung dịch RhB bằng nam châm.
Hình 3.18. (a) Đường cong từ trễ và (a) hình ảnh hút bởi nam châm của vật liệu Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2.
3.2.5. Phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-Vis
Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 thể hiện ở Hình 3.19 thấy rắng, TiO2 hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng tử ngoại (< 420 nm ), phổ UV-Vis của vật liệu tổ hợp Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 đã mở rộng phạm vi hấp thụ ánh sáng về vùng khả kiến.
Hình 3.19. (a) Phổ UV-Vis và (b) Sơ đồ Tauc của vật liệu TiO2 và Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2.
Theo đồ thị Tauc, xác định được năng lượng vùng cấm của TiO2 và Cu0.5Mg0.5Fe2O4/TiO2 lần lượt là 3,25 eV và 2,86 eV. Giá trị năng lượng vùng cấm của TiO2 trong nghiên cứu này tương đương với kết quả của một số công bố khác [50],[60]. Như vậy, sự kết hợp của TiO2 với spinel Cu0.5Mg0.5Fe2O4 đã mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng đến vùng khả kiến bằng tổng độ hấp thụ ánh sáng của TiO2 và Cu0.5Mg0.5Fe2O4, do đó sẽ làm tăng khả năng xúc tác quang phân hủy hợp chất hữu cơ độc hại.