5. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
1.3.5. Giới thiệu về spinel ferrite, CoFe2O4
Trong những năm qua, các nano spinel ferrite với công thức chung MFe2O4 ( M=Mn, Fe, o, Ni, u) đã đƣợc sử dụng nhiều trong ứng dụng nhƣ lƣu trữ từ mật độ cao, xúc tác quang hóa và xử lý môi trƣờng, do đặc tính nổi bật của nó có kích thƣớc nanomet, diện tích bề mặt lớn, siêu thuận từ và độ bão hòa từ cao. Sự thu hồi của vật liệu từ tính MFe2O4 là khá dễ dàng bằng cách sử dụng từ trƣờng cho dung dịch sau phản ứng, do vậy cho hiệu quả chi phí và cho khả năng ứng dụng thực tế. Gần đây oFe2O4 đƣợc tìm thấy do có tính năng trong quá trình kích hoạt cho phản ứng oxi hóa các chất độc hữu cơ.
tính chất từ độc đáo của vật liệu nano ferrite dẫn đến một sự kết hợp kết quả cho xúc tác hiệu quả thấp. ể giải quyết vấn đề này, một số vật liệu carbon có độ dẫn điện cao và đƣợc sử dụng nhƣ chất nền cho MFe2O4 phân tán lên bề mặt lớn nâng cao hiệu quả xúc tác. So với các vật liệu carbon khác nhƣ than hoạt tính, than chì, thì graphene oxide biến tính nitrogen đƣợc sự chú ý lớn để hỗ trợ kim loại và oxide kim loại do đó nó có độ dẫn điện cao, độ bền cơ học, diện tích bề mặt lớn. Kể từ khi graphene oxide biến tính nitrogen có biểu hiện tích cực, các nhà nghiên cứu đã cố gắng để tạo composite với CoFe2O4 [91]
Các spinel ferrite có công thức hoá học chung là AB2O4, trong đó A và B là các cation kim loại chiếm các vị trí khác nhau trong cấu trúc mạng tinh thể. Các cation kim loại A nằm ở các hốc tứ diện và cation kim loại B chiếm hốc bát diện và thành phần chính trong cấu trúc của các spinel ferrite là Fe (III). Các nguyên tử oxygen liên kết với các cation kim loại ở cả hốc tứ diện và bát diện (Hình 1.8) [92]
Một ô cơ sở của spinel ferrite chứa 8 nguyên tử (A)[B2]O4, các ion kim loại hóa trị 2 và 3 có thể có mặt ở các vị trí A và B trong cấu trúc spinel ferrite. Xen kẽ bởi các nút mạng cả hai ví trí là các cation. Khi tất cả các cation hóa trị 2 chiếm ở vị trí A và các cation hóa trị 3 chiếm ở vị trí B ta có cấu trúc spinel thuận (A)[B2]O4. Còn khi tất cả các cation hóa trị 2 chiếm ở vị trí B, một nửa cation hóa trị 3 chiếm ở vị trí A và một nửa ở vị trí B, ta có cấu trúc spinel nghịch (B)[AB]O4 [93]. Cobalt spinel ferrite (CoFe2O4) là một spinel ferrite nghịch (inverse spinel ferrite), các ion Co2+
nằm ở các hốc bát diện (vị trí ) và các ion Fe3+
nằm ở cả các hốc tứ diện (vị trí A) và hốc bát diện (vị trí ) [94], [95].
Trong số các chất xúc tác dị thể khác nhau, xúc tác từ tính cobalt spinel ferrite (CoFe2O4), thuộc họ spinel ferrite, đã thu hút sự chú ý rộng rãi do diện tích bề mặt lớn, hoạt tính xúc tác cao, cấu trúc tinh thể ổn định và đặc biệt là
chúng dễ dàng tách khỏi hệ thống phản ứng bằng cách sử dụng các từ trƣờng ngoài [96], [97], [98].
Hình 1.8. C u trúc tinh thể của spinel [99]
1.3.6. Giới thiệu vật liệu composite CoFe2O4/GO-N
ác cobalt spinel ferrite đƣợc điều chế thông qua phƣơng pháp thông thƣờng thì các hạt kết tụ cao với diện tích cụ thể thấp, làm giảm hiệu suất xúc tác của chúng [100]. ể giải quyết vấn đề kết tụ này, một số phƣơng pháp tổng hợp đang đƣợc nghiên cứu. Trong số các phƣơng pháp nghiên cứu, phân tán các hạt kết tụ trên các chất nền khác nhau đã đƣợc tìm thấy, một phƣơng pháp hiệu quả để tăng cƣờng hoạt động xúc tác của các hạt CoFe2O4 [101],[15]. Gần đây, việc gắn các hạt nano từ tính CoFe2O4 lên chất nền là GO và GO biến tính bởi nitrogen là chủ đề nghiên cứu mạnh mẽ do các tính chất tuyệt vời của graphene và GO biến tính bởi nitrogen. Việc biến tính một số phi kim trong vật liệu bán dẫn nhƣ graphene/graphene oxide (GO), trong nghiên cứu này nguyên tố phi kim đƣợc lựa chọn là nitrogen (N), N có thể xem là chất định hƣớng cấu trúc, tăng cƣờng các nhóm chức phân cực trong cấu trúc do đó có thể ảnh hƣởng đáng kể năng lƣợng vùng cấm, tác động đến hoạt tính xúc tác quang của vật liệu trong quá trình xử lý các hợp chất màu hữu cơ [102]. Trƣờng hợp graphene cũng nhƣ vật liệu trên cơ sở
graphene biến tính bởi các nguyên tố kim loại/ oxide kim loại sẽ xảy ra hiện tƣợng tăng cƣờng quá trình trao đổi electron của chúng và các kim loại làm giảm năng lƣợng vùng cấm của các kim loại, ngoài ra còn ngăn chặn sự tái kết hợp của cặp electron và lỗ trống tạo ra, chính điều này làm tăng hiệu suất quang hóa. Chính vì những lí do đó, một số nghiên cứu tiến hành gắn kết một số nguyên tố phi kim/ kim loại/ oxide kim loại lên bề mặt của graphene và vật liệu trên cơ sở graphene nhằm tăng hoạt tính quang hóa của vật liệu ứng dụng trong xử lý môi trƣờng, đáng chú ý trong xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy trong dung dịch nƣớc.
ã có nhiều nhóm nghiên cứu vật liệu xúc tác quang nanocomposite CoFe2O4/rGO (với 40% GO) trong xúc tác quang nhằm xử lý thuốc nhuộm than hoạt tính [103]nanocomposite CoFe2O4/GO trong xử lý rhodamine B [10], nanocomposite CoFe2O4/NG trong xử lý methylene blue [5]. Việc tạo ra các vật liệu nanocomposite với graphene giúp ngăn chặn quá trình tái tổ hợp điện tử của Fe3O4 và nâng cao hoạt tính xúc tác do sự tƣơng tác giữa Fe3O4 và graphene [104] hay Fe3O4 và GO biến tính bởi nitrogen (Hình 1.9) [105]. ây là vấn đề đƣợc quan tâm nhất khi nghiên cứu phản ứng xúc tác quang.
ác hƣớng nghiên cứu gần đây nhận đƣợc sự quan tâm của các nhà khoa học không chỉ tập trung cải thiện hoạt tính các hệ quang xúc tác có thể hoạt động tốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy mà còn quan tâm đến khả năng thu hồi, tái sử dụng của các hệ vật liệu này.
1.4. Giới thiệu về Methylene blue (MB)
MB là hợp chất thơm dị vòng với công thức phân tử C16H18N3SCl. MB có nhiều công dụng trong các lĩnh vực về sinh học, y dƣợc và hóa học. MB đƣợc dùng để ứng dụng trong điều trị bệnh suy thoái máu, vẩy nến, thuốc giảm đau, giải độc cyanide, sát khuẩn. Các phản ứng phụ thƣờng gặp bao gồm nhức đầu, nôn mửa, nhầm lẫn, thở dốc, huyết áp cao. Bên cạnh đó, nó cũng là chất màu hay đƣợc sử dụng và khá bền vững, vì vậy khả năng phân hủy loại bỏ chúng để làm sạch môi trƣờng nƣớc là tƣơng đối khó.
Hình 1.10. Công thức của 3,7-bis(Dimethylamino)-phenothiazin-5-ium chloride (hay Methylene blue)
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Hóa ch t, dụng cụ, thiết bị
2.1.1. Hóa chất
Bảng 2.1. Danh mục hóa ch t dùng trong luận văn
Tên hóa ch t Nguồn gốc
Graphite Merk Graphene Merk Fe(NO3)3.9H2O Merk Co(NO3)2.6H2O Merk NH4OH Trung Quốc C2H5OH Trung Quốc
Methylene blue, MB Trung Quốc
NaNO3 Trung Quốc
H2SO4 Trung Quốc
KMnO4 Trung Quốc
Urea - (NH2)2CO Trung Quốc
H2O2 Trung Quốc
2.1.2. Dụng cụ
- Cốc sứ, cối chày mã não, micropipet (1 và 5 mL), ống đong (50 và 100 mL), bình định mức (500 và 1000 mL), đũa thủy tinh, cốc thủy tinh (100, 250, và 500 mL), đèn LE , giấy nhôm, kính lọc UV, giấy bọc thực phẩm, phễu lọc.
2.1.3. Thiết bị
- Lò nung, tủ sấy, bộ autoclave, cân phân tích điện tử, máy khuấy từ gia nhiệt, máy li tâm, máy rung siêu âm (Elmasonic S100H- 37kHz), máy rung 4
chỗ, máy pH cầm tay, máy lắc 4 chỗ - Trung Quốc, máy đo quang UV- Vis Jenway 6800.
2.2. Tổng hợp vật liệu