3.1.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ NaBH4/Cu2+ đến một số đặc trưng cấu trúc
của vật liệu
Tiến hành phân tích cấu trúc tinh thể của các mẫu hạt Cu chế tạo được bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu này được trình bày trên các Hình 3.6.
Hình 3.6. Phổ XRD của vật liệu nano Cu thu được với tỉ lệ nồng độ
Kết quả thu được cho thấy giản đồ XRD của các mẫu nano Cu đều xuất hiện các pic đặc trưng của vật liệu Cu. Các pic đặc trưng trên giản đồ có cường độ mạnh, sắc nét và độ bán rộng của đỉnh hẹp, chứng tỏ mức độ tinh thể hóa của vật liệu cao. Ngoài ra, trên giản đồ XRD của vật liệu còn thấy xuất hiện các pic đặc trưng của tinh thể CuO, Cu2O.
Điều này có thể giải thích là do trong quá trình điều chế các hạt đồng đã bị oxy hóa. Hạt nano đồng sau khi mới hình thành có năng lượng bề mặt rất lớn, chúng dễ dàng phản ứng với oxi trong môi trường xung quanh để hình thành lớp màng oxit bảo vệ. Theo lý thuyết thì các pic đặc trưng cho tinh thể CuO, Cu2O trên giản đồ có cường độ giảm dần khi tỉ lệ nồng độ NaBH4/Cu2+
tăng dần. Do trong quá trình phản ửng xảy ra, ion BH4- khử ion Cu2+ thành nano Cu và một lượng ion BH4- phân huỷ trực tiếp thành H2, khí hidro sinh ra làm tác nhân chống oxy hoá, do chúng kết hợp với oxy trong môi trường nước hay môi trường không khí.
Tuy nhiên thực tế thì pic đặc trưng cho tinh thể CuO, Cu2O không giảm khi tỉ lệ nồng độ NaBH4/Cu2+ tăng do trong quá trình chế tạo và bảo quản thì một lượng Cu đã bị oxy hóa.
Tiến hành đo SEM của vật liệu để xác định mức độ phân bố của hạt Cu. Kết quả được thể hiện trên Hình 3.7.
c) NaBH4/Cu2+ = 2 d) NaBH4/Cu2+ = 3
e) NaBH4/Cu2+ = 4
Hình 3.7. Ảnh SEM của mẫu hạt nano đồng thu được với điều kiện tỷ lệ nồng
độ NaBH4-/Cu2+ thay đổi
Kết quả đo SEM cho thấy, các hạt nano Cu phân bố với kích thước không đồng đều khi tăng tỉ lệ nồng độ giữa chất khử và tiền chất. Điều này có thể giải thích do trong quá trình phản ứng, khi lượng NaBH4 vừa đủ để khử Cu2+ (NaBH4/Cu2+ = 1 và 1,5) thì các mầm tinh thể được hình thành từ từ, quá trình tập hợp và lớn lên xảy ra chậm nên các hạt Cu được tạo ra có dạng hình cầu, phân bố với kích thước trong khoảng 50 – 80 nm. Với tỉ lệ NaBH4/Cu2+ = 2 thì hạt Cu được tạo ra với kích thước 20 – 50 nm. Khi tỉ lệ NaBH4/Cu2+ = 3 và 4 hay lượng chất khử dư so với tiền chất thì tốc độ phản ứng xảy ra nhanh, quá trình hình thành các tâm phản ứng nhanh hơn, tuy nhiên trong điều kiện phản ứng không có chất bảo vệ thì các tâm phản ứng này rất dễ tập hợp lại tạo lên các hạt có kích thước lớn hơn.
Các hạt nano Cu được hình thành với cấu trúc vô định hình và kích thước không đồng đều. Tiếp tục tiến hành đo TEM để xác định kích thước hạt nano Cu. Kết quả được thể hiện trên Hình 3.8.
a) NaBH4/Cu2+ = 1 b) NaBH4/Cu2+ = 1,5
c) NaBH4/Cu2+ = 2 d) NaBH4/Cu2+ = 3
e) NaBH4/Cu2+ = 4
Hình 3.8. Ảnh TEM của mẫu hạt nano đồng thu được với điều kiện tỷ lệ nồng
độ NaBH4-/Cu2+ thay đổi
Kết quả đo TEM vật liệu cho thấy, khi tỉ lệ nồng độ NaBH4/Cu2+ = 1 và 1,5 thì các hạt nano Cu tạo ra có kích thước > 50 nm. Các hạt phân bố khá đồng
đều với kích thước khoảng 20 – 50 nm khi tỉ lệ NaBH4/Cu2+ = 2. Các hạt nano có hiện tượng co cụm lại thành từng đám, phân bố không đồng đều, kích thước > 50 nm khi tỉ lệ NaBH4/Cu2+ = 3 và 4. Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả đo SEM. Để đáp ứng mục tiêu của đề tài, chọn mẫu C3 (tỉ lệ NaBH4/Cu2 = 2).
3.1.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ Cu0 đến một số đặc trưng cấu trúc của
vật liệu
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Cu0 tạo thành tới đặc trưng vật lý của hạt nano đồng tiến hành đo XRD vật liệu để xác định sự có mặt của nguyên tố Cu trong vật liệu. Kết quả được thể hiện trên Hình 3.9.
Hình 3.9. Phổ XRD của vật liệu nano Cu thu được với nồng độ Cu0 thay đổi
Kết quả thu được cho thấy giản đồ XRD của các mẫu nano Cu đều xuất hiện các pic đặc trưng của vật liệu Cu. Các pic đặc trưng trên giản đồ có cường độ mạnh, sắc nét và độ bán rộng của đỉnh hẹp, chứng tỏ mức độ tinh thể hóa của vật liệu cao. Ngoài ra, trên giản đồ XRD của vật liệu còn thấy xuất hiện các pic đặc trưng của tinh thể CuO, Cu2O.
Trong quá trình chế tạo nồng độ Cu0 tăng dần dẫn đến phản ứng không kiểm soát được soát tốc độ hình thành, phát triển của mầm tinh thể và ảnh hưởng trực tiếp tới kích thước hạt đồng tạo thành. Do vậy, tiến hành đo SEM
của vật liệu để xác định mức độ phân bố của hạt Cu. Kết quả được thể hiện trên Hình 3.10.
a) Nồng độ Cu0 = 2g/l b) Nồng độ Cu0 = 3g/l
c) Nồng độ Cu0 = 5g/l d) Nồng độ Cu0 = 6g/l
e) Nồng độ Cu0 = 7g/l
Hình 3.10. Ảnh SEM của mẫu hạt nano đồng thu được với điều kiện với nồng
độ Cu0 thay đổi
Kết quả đo SEM vật liệu cho thấy, các hạt nano Cu tạo thành phân bố với kích thước không đồng đều khi nồng độ của Cu0 tăng. Khi nồng độ của Cu0
là 2g/l và 3g/l thì các hạt nano đồng tạo thành có kích thước trong khoảng 20 – 40 nm. Các hạt nano đồng có hiện tượng co cụm thành từng mảng khi tăng
nồng độ Cu0 tăng lên 5g/l; 6g/l và 7g/l. Điều này có thể giải thích do trong quá trình khử khi mà nồng độ dung dịch cao thì các mầm tinh thể được hình thành rất nhiều, trong điều kiện thể tích dung môi cố định và không có chất bảo vệ thì các mầm tinh thể này rất dễ tiếp xúc với nhau và tập hợp lại thành những hạt có kích thước lớn hơn.
Tiếp tục tiến hành đo TEM để xác định kích thước hạt nano Cu. Kết quả được thể hiện trên Hình 3.11.
a) Nồng độ Cu0 = 2g/l b) Nồng độ Cu0 = 3g/l
c) Nồng độ Cu0 = 5g/l d) Nồng độ Cu0 = 6g/l
e) Nồng độ Cu0 = 7g/l
Hình 3.11. Ảnh SEM của mẫu hạt nano đồng thu được với điều kiện với nồng
Kết quả đo TEM mẫu nano Cu khảo sát theo nồng độ Cu0 tạo thành cho thấy, các hạt nano Cu phân bố khá đồng đều với kích thước trong khoảng 20 – 40 nm khi nồng độ Cu0 = 2g/l. Khi tăng nồng độ Cu0 = 3; 4g/l thì các hạt đồng tạo ra bắt đầu có hiện tượng co cụm lại và tạo ra các hạt có kích thước > 50 nm, phân bố không đồng đều khi nồng độ Cu0 = 6; 7g/l. Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả đo SEM. Để thuận tiện triển khai trong quá trình sản xuất, cung cấp số lượng lớn hạt nano Cu cho quá trình kích thích hạt giống chọn mẫu N1
(nồng độ Cu0 = 2g/l).