6. Cấu trúc luận văn
3.1.2. Đặc trưng vật liệu SnO2
Kết quả ở Hình 3.2A cho thấy, mẫu SO-550 hình thành SnO2 có cấu trúc kiểu rutile theo thẻ chuẩn JCPDS 41-1445 [36] với các mặt phản xạ (110), (101) và (211) có cường độ peak mạnh tại 2θ = 26,79; 34,31 và 51,78o tương ứng [53], [54], [55]. Các mặt phản xạ khác của SnO2 như (200), (220), (002), (310), (211) và (301) tại 2θ = 37,95; 54,78; 57,71; 61,84; 64,62 và 66,10o tương ứng cũng xuất hiện với cường độ peak yếu hơn [36], [47]. Mặt khác, trên giản đồ
nhiễu xạ tia X của mẫu SO-550 không thấy xuất hiện pha của tinh thể nào khác ngoài SnO2, điều này chứng tỏ mẫu tạo thành là khá tinh khiết. Tuy nhiên, khác với mẫu SO-550, ở các mẫu SO-350 và SO-450 cường độ nhiễu xạ của các peak là yếu hơn. Ngoài ra, ở các mẫu này còn xuất hiện nhiễu xạ của pha tạp chất tại 2θ = 44,33o.
Hình 3.2. (A)-Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu vật liệu SnO2, (B)-Phổ IR của các mẫu vật liệu SO-350, SO-450 và SO-550
Từ giá trị độ rộng nửa peak (FWHM) ghi trên giản đồ XRD của mẫu SO- 550 ứng với các mặt (110), (101), (200) và (211), kích thước trung bình của các tinh thể SnO2 được xác định bằng phương trình Debye – Scherrer:
0,89λ D =
β.cosθ
Với λ = 0,154 nm; β là nửa chiều rộng tối đa (FWHM) của peak, β = (FWHM).π/180, kết quả tính toán được trình bày ở Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Kết quả xác định kích thước tinh thể SnO2 của mẫu vật liệu SO-550 Mặt phản xạ 2θ (độ) FWHM (độ) D (nm) 110 26,79 0,241 33,50 101 34,31 0,267 30,78 200 37,95 0,221 37,58 211 51,78 0,285 30,63
Các mẫu vật liệu SO-350, SO-450 và SO-550 cũng được đặc trưng bởi phổ hồng ngoại, kết quả được trình bày ở Hình 3.2B. Cả ba mẫu đều có một dải hấp thụ rộng ở số sóng khoảng 3300–3500 cm-1 và peak ở 1632 cm-1 là dao động hóa trị của liên kết O-H của các phân tử H2O hấp phụ trên bề mặt các hạt vật liệu [53], [56], [57]. Vùng có số sóng thấp gồm các peak ở 635 cm-1 và 553 cm-1 là dao động đặc trưng của liên kết Sn-O-Sn phản đối xứng và đối xứng trong SnO2 [18], [57], [58]. Tuy nhiên, đối với các mẫu SO-350 và SO-450, vùng có số sóng từ 1521 – 1261 cm-1 còn xuất hiện các peak khá mạnh được cho là dao động của liên kết Sn-OH 0. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả phân tích XRD.
Dựa trên kết quả thí nghiệm và tham khảo các tài liệu đã được công bố [4], [35] sự hình thành SnO2 về bản chất có thể được đề xuất như sau:
Sn4+ + 4H2O → Sn(OH)4 + 4H+ (1) Sn(OH)4 + 2OH− → Sn(OH)62− (2) Sn(OH)62− + xH2O → SnO2.xH2O + 2OH− + 2H2O (3)
Khi SnCl4.5H2O được cho vào nước, Sn(OH)4 thu được là do quá trình thủy phân nhanh các cation Sn4+ (1). Khi thêm dung dịch NaOH, kết tủa Sn(OH)4 lưỡng tính ngay lập tức phản ứng với OH− nồng độ cao để tạo ra ion phức Sn(OH)62- hòa tan (2). Trong quá trình xử lý nhiệt, phức Sn(OH)62- bị
phân hủy và hình thành SnO2 vô định hình (3) [59]. Tiếp tục nung kết tủa ở các nhiệt độ 350, 450 và 550 oC, SnO2 nano có cấu trúc được hình thành.
Như vậy, từ việc phân tích kết quả XRD và IR, có thể thấy rằng, mẫu SO- 550 có sự hình thành SnO2 tốt nhất và SnO2 tạo thành đạt kích thước nano. Với kết quả này, mẫu SO-550 được chọn để khảo sát các đặc trưng tiếp theo.
Hình thái bề mặt ngoài của SnO2 được đặc trưng bằng phương pháp SEM, kết quả được trình bày ở Hình 3.3A.
Hình 3.3. (A)-Ảnh SEM của mẫu vật liệu SnO2, (B)-Phổ tán xạ năng lượng tia X của mẫu vật liệu SnO2
Ảnh SEM hiển thị sự hình thành của các hạt SnO2 kích thước nano. Hình dạng của SnO2 là các hạt hình cầu có kích thước từ khoảng 50–100 nm (tính theo thang đo). Các hạt sắp xếp theo một trật tự nhất định và có độ phân tán tốt. Đặc điểm này làm cho diện tích riêng của bề mặt mẫu vật liệu SO-550 là khá lớn.
Phổ tán xạ năng lượng tia X đã được sử dụng để xác định thành phần nguyên tố của mẫu vật liệu, kết quả được trình bày ở Hình 3.3B.
Từ Hình 3.3B quan sát thấy, sự xuất hiện các đỉnh của nguyên tố Sn tương ứng ở các mức năng lượng khoảng 3,1 KeV và 3,5 KeV. Đồng thời cũng có sự xuất hiện của nguyên tố O mức năng lượng 0,5 KeV. Kết quả không thấy sự xuất hiện các peak của các nguyên tố nào khác. Thành phần phần trăm các nguyên tố trong mẫu SnO được xác định và được trình bày ở Bảng 3.2.
Bảng 3.2. Thành phần các nguyên tố trong mẫu SnO2
Nguyên tố % khối lượng % nguyên tố
O 24,59 68,07 Sn 75,41 31,93 Tổng 100,00 100,00
Quan sát bảng thành phần có thể nhận thấy trong mẫu SO-550 chỉ có thành phần của Sn và O. Điều này chứng tỏ, mẫu SO-550 với sự tạo thành SnO2 có độ tinh khiết khá cao. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả phân tích XRD và IR.
Mẫu vật liệu SO-550 tiếp tục được đặc trưng bởi phổ UV–Vis trạng thái rắn, kết quả được trình bày ở Hình 3.4.
Hình 3.4. (A)-Phổ UV-Vis DRS và (B)-Năng lượng vùng cấm của mẫu vật liệu SO-550
Quan sát Hình 3.4A cho thấy, bờ hấp thụ ánh sáng của mẫu vật liệu SO- 550 nano nằm phần lớn trong vùng tử ngoại (λ < 390 nm). Trên cơ sở của phương pháp này, năng lượng vùng cấm của mẫu vật liệu SnO-550 được xác định dựa vào đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc hàm Kubelka – Munk theo năng lượng ánh sáng hấp thụ (Hình 3.4B). Giá trị năng lượng vùng cấm của mẫu vật liệu SO-550 nano được xác định khoảng 3,55 eV. Kết quả này khá phù hợp với công trình đã công bố về giá trị năng lượng vùng cấm của vật liệu SnO [60],
[61].
Như vậy, dựa vào dữ liệu này cho phép dự đoán vật liệu SnO2 thể hiện hoạt tính quang xúc tác mạnh trong vùng ánh sáng UV.