6. Cấu trúc của luận văn
1.6.2 Vật liệu ZnFe2O4 và vai trò của hạt nano ZnFe2O4 trên bề mặt ZnO.
1.6.2.1 Vật liệu ZnFe2O4
Gần đây, một số oxit tổng hợp như spinel AB2O4 và perovskite ABO3, được quan tâm hơn các binary oxit, vì chúng có tính chọn lọc và độ nhạy tốt hơn với các loại khí nhất định. Đặc biệt, nhiều oxit bán dẫn ternary với cấu trúc spinel, như ferit ZnFe2O4 đang được quan tâm nghiên cứu do có triển vọng trong ngành công nghiệp như các vật liệu từ, cảm biến khí, chất xúc tác, xúc tác quang và các vật liệu hấp thụ. Cấu trúc của oxit spinel AB2O4 gồm mạng lưới lập phương tâm mặt của các nguyên tử oxy, với hai vị trí lỗ hỏng tứ diện và lỗ hỏng bát diện là các nguyên tử A và B. Trong ferit kẽm, các ion Zn2+ và Fe3+ được phân bố ở cả hai vị trí A và B vì vậy công thức có thể viết là (Zn1_δFeδ)[ZnδFe2_δ]O4trong đó phần trong ngoặc tròn là nguyên tử ở vị trí A, phần trong ngoặc vuông là các nguyên tử ở vị trí B và δ là tỉ phần của B ở vị trí A được gọi là thông số ngược. δ= 1 đối với spinen ngược hoàn toàn, δ = 2/3 đối với sự sắp xếp ngẫu nhiên và δ = 0 đối với spinen hoàn toàn thường. Một số phương pháp đã được sử dụng để tổng hợp nano tinh thể ZnFe2O4 như hợp kim hóa cơ học (MA), đồng kết tủa, sol – gel và phương pháp thủy nhiệt.
Trong số các phương pháp tổng hợp ferrit spinen, hợp kim hoá cơ học (MA) có ưu điểm là thao tác đơn giản, chi phí thấp và có thể sản xuất khối lượng lớn. Trong quá trình MA các hạt bột được hoạt hoá bằng năng lượng cơ học, cùng với việc giảm kích thước hạt, tăng bề mặt tiếp xúc và giảm khoảng cách khuếch tán giữa các hạt bột. Ngoài ra, dưới tác động cơ học sinh ra biến dạng mạng, khuyết tật mạng chính là nơi khởi điểm phản ứng cơ hóa.Tinh thể kẽm ferrit (ZnFe2O4) được tổng hợp bằng phương pháp nghiền bi năng lượng cao sau 12 giờ từ một bột trộn hỗn hợp kẽm oxit (ZnO) và hematit (α-Fe2O3) với bóng với tỷ lệ khối lượng bột là 20: 1. Cấu trúc, tính chất quang học, tính chất từ và các thông số Mossbauer đã được phân tích. Bột nghiền tinh thể thu được là ZnFe2O4 có cấu trúc kiểu spinel với hành vi siêu thuận từ. Sau khi ủ, tham số mạng giảm trong khi kích thước tinh thể tăng. Việc giảm tham số mạng được giải thích bằng sự phân phối lại các ion Zn2+ và Fe3+ ở các vị trí A và vị trí B, trong khi sự gia tăng kích thước tinh thể là do sự kết hợp của các hạt nano bằng khuếch tán trạng thái rắn. Các phép đo phát quang cho thấy độ rộng vùng cấm ZnFe2O4 là khoảng 2,13 eV[29].
1.6.2.2 Vai trò của hạt nano ZnFe2O4 trên bề mặt ZnO
Trong các oxit kim loại bán dẫn, ZnO đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong cảm biến khí, với đặc tính phát hiện ra nhiều loại khí độc như CO, NH3, NOx và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC). Tuy nhiên, với đặc trưng độ nhạy rộng với nhiều loại khí khác nhau nhưng lại làm cho ZnO mất đi tính chọn lọc đối với một loại khí nhất định. Do đó, việc nâng cao tính chọn lọc, cũng như hạ nhiệt độ làm việc của cảm biến là một trong những thách thức lớn đối với các nhà khoa học.
Nhiều nghiên cứu đã cho thấy việc biến tính bề mặt ZnO bằng ZnFe2O4
là một cách hiệu quả để tăng cường các thuộc tính của ZnO. Vi cầu rỗng ZnO đã được trang trí bởi các hạt nano ZnFe
phương pháp hai bước dễ dàng. Hình 1.15 Mô tả sơ đồ minh họa sự hình thành cấu trúc dị thể ZnO/ZnFe2O4 sử dụng phương pháp hai bước dễ dàng.
Hình 1.15. Sơ đồ minh họa sự hình thành cấu trúc dị thể ZnO/ZnFe2O4 sử dụng phương pháp hai bước dễ dàng[14].
Kêt quả đo nhạy khí cho cảm biến trên cấu trúc ZnO vi cầu rỗng, độ đáp ứng tối đa ở nhiệt độ hoạt động tối ưu (350°C) là 5,4. Đối với cảm biến dựa trên ống nano ZnFe2O4, đáp ứng tối đa với 100 ppm acetone là 9,1, thu được tại 225°C. Khi nhiệt độ làm việc là 250°C, cảm biến dựa trên vật liệu tổng hợp ZnO/ZnFe2O4 đạt mức đáp ứng tối đa là 16.8. Đáng chú ý là nhiệt độ hoạt động tối ưu của cảm biến dựa trên ZnFe2O4 và vật liệu tổng hợp ZnO/ZnFe2O4 thấp hơn nhiều so với cảm biến dựa ZnO tinh khiết.
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU
Trong chương này, chúng tôi trình bày phương pháp biến tính bề mặt hạt ZnO bằng các hạt ZnFe2O4 sử dụng hạt nano ZnO thương mại kết hợp phương pháp dung môi nhiệt phân; trình bày các dụng cụ, thiết bị, hóa chất phục vụ cho quá trình chế tạo mẫu. Một số phương pháp khảo sát đặc trưng của mẫu vật liệu chế tạo: phép đo nhiễu xạ tia X (XRD), phép đo phổ UV - Vis, chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và tính chất nhạy hơi VOCs.