3.1.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X(XRD)
Thành phần pha của vật liệu perovskit SrTiO3 tổng hợp ở các nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau đƣợc khảo sát bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X. Kết quả đƣợc trình bày ở Hình 3.5.
Hình 3.5. Giản đồ XRD của các mẫu STO-T (T=160, 180 và 200)
Từ hình ảnh nhiễu xạ XRD cho thấy, Các đỉnh nhiễu xạ của STO-T ở 2θ = 22,96o; 32,42o; 40,14o; 46,52o; 57,84o; 67,82o và 77,18o tƣơng ứng với các
mặt tinh thể (100); (110); (111); (200); (211); (220) và (310). Kết quả này là hoàn toàn trùng khớp với thẻ chuẩn JCPDS (PDF-01-089-4934) của SrTiO3
[17], [31].
Nhiễu xạ XRD cho thấy, các mẫu STO-T tổng hợp có độ tinh thể cao và cƣờng độ nhiễu xạ mạnh. Kích thƣớc tinh thể trung bình của STO-T đƣợc tính dựa trên chiều rộng của một nửa pic (FWHM) tại đỉnh cực đại ứng với mặt (110) bằng phƣơng trình Debye – Scherrer:
0,89λ D =
β.cosθ
Với k = 0,89; λ = 0,154 nm và θ = 32,42o, kết quả tính kích thƣớc tinh thể của các mẫu STO-T đƣợc trình bày ở Bảng 3.1
Bảng 3.1. Kết quả đặc trƣng XRD của các mẫu vật liệu STO-T
Mẫu Thành phần pha FWHM d (nm) STO-160 SrTiO3 0,276 33,71
STO-180 SrTiO3 0,309 30,11
STO-200 SrTiO3, SrCO3 0,254 36,63
Nhƣ vậy, các mẫu STO-T tổng hợp đều đạt kích thƣớc nano, trong đó mẫu STO-180 có kích thƣớc tinh thể nhỏ nhất trong số các mẫu khảo sát. Mặt khác, mẫu STO-180 là khá tinh khiết (so với mẫu STO-200) và có cƣờng độ pic mạnh hơn (so với mẫu STO-160). Ngoài ra, việc đánh giá sơ bộ hoạt tính xúc tác quang phân hủy MB bởi các vật liệu STO-T dƣới sự chiếu xạ của ánh sáng mặt trời cũng cho kết quả tốt nhất đối với mẫu STO-180.
3.1.2.2.Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
Phổ hồng ngoại của các mẫu STO-160, STO-180, STO-200 đƣợc trình bày ở Hình 3.6.
Hình 3.6. Phổ hồng ngoại IR của các mẫu STO-T (T=160, 180, 200)
Có thể thấy rằng, các mẫu vật liệu STO-T hiển thị một số hấp thụ khá đặc trƣng: pic ở 1653 cm-1
và một dải rộng ở ∼3465 cm-1 đƣợc xác nhận là dao động của các phân tử nƣớc hấp phụ vật lý và các nhóm -OH bề mặt [57], [68]. Một pic mạnh, rộng trong khoảng từ 800–490 cm-1
đƣợc xác nhận là dao động của các liên kết Ti-O, Sr-Ti-O trong phân tử SrTiO3 [57], [68]. Riêng với mẫu STO-160 và STO-200 còn có một dải pic từ 1045–1421 cm-1
là do sử dụng rƣợu chƣa xử lý hết trong quá trình tổng hợp vật liệu [68]. Ngoài ra trên phổ IR của hai mẫu này còn xuất hiện khá nhiều pic không đặc trƣng cho liên kết trong phân tử SrTiO3 mà mẫu STO-180 không có. Điều này chứng tỏ, mẫu STO-180 là khá tinh khiết.
Nhƣ vậy, từ kết quả của nhiễu xạ tia X và phổ IR cho thấy, mẫu STO- 180 là mẫu tốt nhất trong các mẫu khảo sát. Vì vậy, mẫu STO-180 đƣợc chọn để khảo sát các đặc trƣng tiếp theo.
3.1.2.3.Phổ tán xạ năng lượng tia X hay EDX (Energy Disphersive X-ray)
Thành phần nguyên tố của mẫu STO-180 đƣợc đặc trƣng bởi phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX), kết quả đƣợc trình bày ở Hình 3.7 và Bảng 3.2.
Hình 3.7. Phổ tán xạ tia X của mẫu vật liệu peroskit STO-180
Trên phổ EDX thu đƣợc các pic cực đại khác nhau của các nguyên tố Sr, Ti, O và không thấy xuất hiện bất kì pic của các nguyên tố khác. Điều này xác nhận sự hình thành SrTiO3. Mẫu vật liệu SrTiO3 là khá tinh khiết mà nhiễu xạ XRD cũng đã chỉ ra.
Bảng 3.2. Thành phần nguyên tố của mẫu STO-180 đặc trƣng bởi phổ EDS
Nguyên tố % Khối lƣợng % Nguyên tử O 32,93 65,46
Sr 33,23 12,06
Ti 33,84 22,48
Tổng 100 100
Nhƣ vậy, thành phần nguyên tố trong mẫu vật liệu STO-180 chỉ có các nguyên tố O, Sr, Ti mà không có sự xuất hiện của nguyên tố nào khác chứng tỏ mẫu vật liệu SrTiO3 khá tinh khiết.
3.1.2.4.Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Hình thái bề mặt mẫu vật liệu STO-180 đƣợc tiếp tục đặc trƣng bởi phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM). Kết quả đƣợc trình bày ở Hình 3.8.
Hình 3.8. Ảnh SEM của mẫu vât liệu STO-180
Đa số các hạt có dạng gần nhƣ hình cầu với kích thƣớc không đều, chủ yếu tập trung khoảng 10 – 200 nm tính theo thang đo. Kết quả này phản ánh đúng hình dạng của SrTiO3 [8].
Tóm lại, vật liệu perovskit SrTiO3 kích thƣớc nano đã đƣợc tổng hợp thành công bằng phƣơng pháp thủy nhiệt. Sản phẩm đƣợc đặc trƣng và xác nhận bởi các phƣơng pháp XRD, EDS, SEM, IR.
3.1.2.5. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến (UV-Vis- DRS)
Vùng hấp thụ ánh sáng của mẫu vật liệu STO-180 đƣợc xác nhận bởi phổ UV-Vis-DRS trạng thái rắn, kết quả đƣợc trình bày ở Hình 3.9
Hình 3.9. Phổ UV-Vis (A) và năng lƣợng vùng cấm (B) của mẫu vật liệu STO-180
Phƣơng pháp này đã chỉ ra, bờ hấp thụ ánh sáng của mẫu vật liệu STO- 180 nằm hoàn toàn trong vùng tử ngoại (λ < 390 nm).
Năng lƣợng vùng cấm của vật liệu cũng đƣợc xác định theo phƣơng pháp đặc trƣng này bằng cách sử dụng hàm Kubelka-Munk. Trong đó, (F[R]*hv)2 đƣợc vẽ với Eg (eV) theo đƣờng cong ngoại suy xác định giá trị năng lƣợng vùng cấm nhƣ trong Hình 3.9B, kết quả tính đƣợc Eg = 3,26 eV. Kết quả này là khá trùng hợp với một số công trình đã đƣợc công bố về SrTiO3 [58].
Biên EVB (vùng hóa trị) và ECB (vùng dẫn) đƣợc tính theo công thức: [58]
EVB = X - Ee 0.5Eg ECB = X - E - 0.5E e g
Trong đó, X là độ âm điện tuyệt đối của SrTiO3, đƣợc định nghĩa là trung bình số học của ái lực electron và năng lƣợng ion hóa thứ nhất của các nguyên tố thành phần (X = 5,34 eV), Ee
là năng lƣợng của các electron tự do theo thang đo hydro (4,5 eV), Eg là năng lƣợng vùng cấm của vật liệu SrTiO3
(Eg = 3,26 eV). Kết quả tính đƣợc ECB = – 0,79 eV; EVB = + 2,47 eV.