Hiện nay, vật liệu spinel ferrite luôn được các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: y sinh, cảm biến và cảm biến sinh học, linh kiện cao tần, siêu tụ điện, gốm co-firred nhiệt độ thấp, xúc tác quang, hấp phụ xử lý môi trường, …
1.1.4.1. Ứng dụng trong y sinh
Các hạt nano từ tính có tiềm năng lớn cho nhiều ứng dụng trong y sinh như là phần tử mang từ tính trong sàng lọc sinh học, cộng hưởng từ (MRI), tách tế bào, chất dẫn thuốc điều trị ung thư có kiểm soát …[192]. Spinel ferrites có vai trò quan trọng trong phương pháp nhiệt trị để điều trị ung thư. Phương pháp nhiệt trị sử dụng các hạt nano ferrite hình cầu đưa vào mạch máu có thể tiêu diệt các tế bào ung thư và khối u một cách chọn lọc và tăng nhiệt độ của chúng lên khoảng 41 ÷ 46 oC bằng cách không xâm lấn [82].
1.1.4.2. Cảm biến và cảm biến sinh học
Vật liệu nano ferrite cũng được sử dụng rộng rãi ứng dụng trong nghiên cứu cảm biến để phân tích các chất có hàm lượng vết. CoFe2O4 có vai trò quan trọng trong chế tạo cảm biến khí, một cảm biến đơn giản đã được chế tạo bằng cách pha tạp CoFe2O4 với samarium (Sm) để phát hiện sự rò rỉ hydro [48]. Co-Mg ferrite được nhóm tác giả Sandu và cộng sự tổng hợp ứng dụng làm cảm biến khí CO2 [165].
Spinel ferrite cũng được chứng minh là vật liệu triển vọng cho cảm biến sinh học điện hóa vì độ chính xác cao, mức phát hiện thấp và thời gian phân tích nhanh. Ví dụ một số ferrite được sử dụng như Fe3O4, γ-Fe2O3,
CoFe2O4, MnFe2O4 và ZnFe2O4, trong số này các hạt Fe3O4 phủ Au được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi để phát hiện các thành phần sinh hóa [93].
1.1.4.3. Linh kiện cao tần
Trong những năm gần đây, vật liệu spinel ferrite cũng thu hút được nhiều quan tâm ứng dụng trong máy tính, thiết bị truyền thông và văn phòng, các thiết bị giám sát từ xa, thiết bị âm thanh và hình ảnh cũng như thiết bị gia dụng và công nghiệp tự động hóa.
Với sự xuất hiện của các thiết bị cao tần, các biện pháp làm giảm tổn hao dòng xoáy bằng cách sử dụng lõi sắt đã trở nên kém hiệu quả và không giảm chi phí. Ngoài ra, các thiết bị cung cấp chuyển mạch luôn yêu cầu sự tổn hao năng lượng thấp trong sự chuyển đổi năng lượng và duy trì độ từ thẩm ban đầu. Mg-Zn ferrite với sự tổn hao từ tính thấp, từ độ bão hòa lớn, độ thấm từ cao. Loại vật liệu này đã được ứng dụng trong các ngành công nghiệp điện và điện tử, đặc biệt là để sản xuất vòng đệm lệch, chíp nhớ, đầu ghi từ tính, máy biến áp,… [144].
1.1.4.4. Siêu tụ điện
CoFe2O4, SnFe2O4 và nhiều loại ferrite khác đươc ứng dụng làm điện cực trong siêu tụ điện. Gần đây, các hạt nano MnFe2O4 được gắn lên các tấm graphen làm tăng hiệu suất điện dung so với các thành phần riêng biệt do tác dụng hiệp đồng và điện dung lớp kép. Các ferrite có hình thái khác nhau ảnh hưởng đến sự thay đổi diện tích bề mặt vật liệu, dẫn đến làm thay đổi giá trị điện dung. Diện tích bề mặt càng cao thì khả năng lưu trữ điện tích càng lớn. Các ferrite có giá trị điện dung trong khoảng 50 ÷ 400 F/g [94], [105], [150].
1.1.4.5. Gốm co-fired nhiệt độ thấp (the low temperature co-fired ceramic)
Với sự ra đời của các thiết bị điện tử ngày càng được thu nhỏ, do đó vật liệu gốm co-fired nhiệt độ thấp và thiết bị chip đã trở nên quan trọng do có khối lượng và kích thước nhỏ. Các ferrites NiCuZn và M-type bari đóng vai
trò quan trọng trong sản xuất các vi thiết bị. Các sợi ferrite này được phủ lên bề mặt thiết bị như một cuộn cảm vi mạch nhiều lớp và cuộn cảm dây quấn. Cụ thể, ferrite NiCuZn là vật liệu từ tính phù hợp nhất cho sản xuất tụ điện, máy biến áp, các chi tiết điện tử trong điện thoại di dộng, máy tính và thiết bị thông tin liên lạc không dây [110], [152], [224].
1.1.4.6. Xúc tác quang hóa
Gần đây, spinel ferrite được sử dụng làm vật liệu xúc tác quang hóa dưới ánh sáng khả kiến để phân hủy các chất ô nhiễm trong môi trường nước ngày càng được quan tâm. Do có năng lượng vùng cấm hẹp trong khoảng 1,1 ÷ 2,3 eV cho phép hấp thụ ánh sáng khả kiến để tạo ra các cặp e- và h+. Tuy nhiên, các cặp e-/h+ có xu hướng tái tổ hợp nhanh chóng làm giảm hiệu quả phân hủy chất ô nhiễm nên thường được kết với vật liệu khác như TiO2, ZnO, GNPs, rGO để tạo thành vật liệu tổ hợp. Ngoài ra, vật liệu spinel ferrite còn khắc phục được nhược điểm về phân tách và tái sử dụng so với các vật liệu xúc tác quang khác. Spinel ferrite có đặc tính xúc tác quang hóa quan trọng đối với nhiều quy trình công nghiệp, bao gồm quá trình oxy hóa khử hydrocacbon [179]; Fenton; phân hủy rượu; oxy hóa các hợp chất như CO, H2, CH4, clobenzen; phản ứng alkyl hóa; phân hủy phẩm màu độc hại; tách nước tạo H2 [52],… Việc nghiên cứu ứng dụng spinel ferrite ứng dụng trong xúc tác quang hóa góp phần thúc đẩy các công nghệ sạch, thân thiện với môi trường [35], [188].
1.1.4.7. Hấp phụ xử lý kim loại nặng trong môi trường nước
Xử lý nguồn nước ô nhiễm kim loại nặng bằng phương pháp hấp phụ được coi là một trong những pháp pháp hiệu quả và kinh tế nhất, vì loại bỏ được các chất gây ô nhiễm thông qua chất hấp phụ một cách đơn giản, tiết kiệm chi phí và không tạo ra chất ô nhiễm thứ cấp [73], [205].
xử lý kim loại nặng vì chúng có dung lượng hấp phụ cao, có tâm hoạt động lớn để tương tác với các chất gây ô nhiễm trong môi trường nước [127]. Ngoài ra, nhờ tính chất từ của chúng nên cho phép dễ dàng tách ra khỏi dung dịch bằng một từ trường bên ngoài và có thể tái sử dụng nhiều lần. Đây là lợi thế của vật liệu spinel ferrite so với các loại vật liệu hấp phụ khác. Vật liệu spinel ferrite này có thể được sử dụng trực tiếp hoặc làm vật liệu nền để phủ lên các nhóm chức phù hợp để xử lý nước ô nhiễm.
Cơ chế hấp phụ chủ yếu phụ thuộc vào loại tương tác xảy ra giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, đặc biệt là điện tích bề mặt và các nhóm hydroxyl đóng vai trò quan trọng. Tương tác hóa lý để loại bỏ kim loại nặng ra khỏi nguồn nước thông qua sự hấp phụ chính là sự trao đổi ion, sự hình thành phức nội cầu (inner-sphere adsorption) hoặc ngoại cầu (outer-sphere adsorption) và lực tương tác, như lực Van der Waals, liên kết hydro, tương tác lưỡng cực - lưỡng cực, tương tác π-π [186]. Hấp phụ hóa học xảy ra khi có các liên kết hóa học mạnh bằng cách dịch chuyển electron giữa bề mặt chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, trong khi hiện tượng hấp phụ vật lý khi xảy ra lực tương tác yếu giữa chất ô nhiễm và chất hấp phụ.
Hình 1.3. Sơ đồ quá trình hấp phụ, thu hồi và tái sử dụng của vật liệu spinel ferrite trong xử lý nước thải [92].
Các phản ứng có thể xảy ra giữa cation kim loại (Mn+) và spinel ferrite bởi các nhóm hydroxyl hoặc anion O- trên bề mặt, thể hiện ở phản ứng sau:
SFNP - OH + Mn+ → SFNP - O - M(n-1)+ + H+ (phức nội cầu) SFNP - O- + Mn+ → SFNP - O … M(n-1)+ (phức ngoại cầu)
Nói chung, cơ chế hấp phụ có thể khác nhau tùy thuộc vào chất gây ô nhiễm và spinel ferrite được sử dụng. Ví dụ, đối với sự hấp phụ Pb2+ bởi Co0.6Fe2.4O4 thì sự trao đổi ion hóa học được xác định là cơ chế chính. Khi pH < 7 nó là sự trao đổi ion và hình thành phức ngoại cầu, trong khi pH > 7 nó lại là sự hình thành phức nội cầu [45]. Trong nghiên cứu của nhóm tác giả Neyaz đã đưa ra cơ chế hấp phụ chính của quá trình loại bỏ Cu2+ bởi vật liệu Fe3O4 phủ silica là sự trao đổi ion và lực hút tĩnh điện [134]. Trong khi đó, cơ chế hấp phụ loại bỏ Cr(VI) bởi NiFe2O4 được xác định là quá trình hấp phụ vật lý [85]. Tóm lại, bản chất của chất gây ô nhiễm và chất hấp phụ như các nhóm chức, cấu trúc xốp, trạng thái oxy hóa và điện tích bề mặt đóng vai trò quyết định đến cơ chế hấp phụ.