Trên Hình 3.1 (a,b,c) là ảnh FESEM tương ứng của than sinh học, Fe3O4-Ag với [Ag+] = 10 mM và Fe3O4-Ag-than sinh học. Ảnh FESEM (Hình 3.1a) cho thấy bề mặt của than sinh học được chế tạo từ vỏ trấu (hydro carbon hóa tại 400oC, trong 4 giờ) có cấu trúc lỗ xốp với hàm lượng khoáng chất cao, được bao phủ bên trong các lỗ xốp có kích thước micro hay macro và một ít lượng khoáng chất rải rác trên bề mặt của than sinh học, đây là nguyên nhân dẫn đến làm giảm diện tích bề mặt của than sinh học [39]. Ảnh FESEM của Fe3O4-Ag (Hình 3.1b) cho thấy chúng có cấu trúc lõi/vỏ với kích thước khoảng 20-30 nm, trong khi đó Hình 3.1c chỉ ra cấu trúc nano Fe3O4- Ag đã được thẩm thấu trên nền than sinh học. Kết quả phân tích thành phần bằng phổ tán sắc năng lượng EDS của than sinh học, Fe3O4-Ag, Fe3O4-Ag-than sinh học được chỉ ra trên Hình 3.1(d,e,f) tương ứng. Chỉ số phần trăm khối lượng và phần trăm nguyên tử của các nguyên tố có trong các mẫu than sinh học, Fe3O4-Ag, Fe3O4-Ag- than sinh học được chỉ ra tương ứng trong các Bảng 3.1, Bảng 3.2 và Bảng 3.3.
Từ những kết quả phân tích hình thái, thành phần có thể khẳng định rằng đã chế tạo thành công cấu trúc nano Fe3O4-Ag trên nền than sinh học bằng phương pháp thẩm thấu ướt. Chúng tôi đề xuất cơ chế hình thành cấu trúc Fe3O4-Ag-than sinh học như sau: (1) Dung dịch Fe2+ và Fe3+ được hòa tan trong nước cất dưới điều kiện khuấy từ; (2) dung dịch Fe(OH)2 và Fe(OH)3 được hình thành từ Fe2+ và Fe3+ khi NH4OH được thêm vào; (3) trong suốt quá trình bay hơi của dung môi, dung dịch Fe(OH)2 và Fe(OH)3 mất nước để hình thành các hạt nano oxit sắt từ Fe3O4; (4) dung dịch Ag+ được bơm tiếp vào trong hỗn hợp chứa nano oxit sắt từ Fe3O4 và NH4OH hình thành lên lớp vỏ Ag bao quanh hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 nhờ có PVP; (5) cấu trúc nano oxit sắt từ Fe3O4-Ag được chất lên mạng nền than sinh học thông qua quá
trình thẩm thấu ướt. Các phương trình phản ứng sau để mô tả cho cơ chế hình thành các hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 [27,40].
Fe2+ + 2OH¯ → Fe(OH)2
3Fe(OH)2+1/2O2 → Fe(OH)2+2FeOOH+ H2O Fe(OH)2 + 2FeOOH → Fe3O4 + 2H2O
(3.1) (3.2) (3.3) Cơ chế tạo ra lớp vỏ Ag bao xung quanh hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 [27,41].
2Ag+ + 2OH- →Ag2O + H2O Ag2O+2NH4+→Ag(NH3)2++H2O Ag(NH3)2+ → Ag0
(3.4) (3.5) (3.6)
Hình 3.1. (a,b,c) là ảnh FE-SEM và (d,e,f) là phổ tán sắc năng lượng tương ứng
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của mẫu than sinh học được phân tích từ phổ tán
sắc năng lượng.
Nguyên tố Khối lượng (%) Nguyên tử (%)
C 54.67 62.68
O 40.74 35.06
Si 4.60 2.25
Tổng 100.00
Bảng 3.2. Thành phần hóa học của mẫu Fe3O4-Ag được phân tích từ phổ tán sắc
năng lượng.
Nguyên tố Khối lượng (%) Nguyên tử (%)
O 31.82 63.69
Cl 6.92 6.25
Fe 42.93 24.62
Ag 18.33 5.44
Tổng 100.00
Bảng 3.3. Thành phần hóa học của mẫu Fe3O4-Ag-than sinh học được phân tích từ
phổ tán sắc năng lượng.
Nguyên tố Khối lượng (%) Nguyên tử (%)
C 19.87 30.56 O 44.64 51.54 Si 20.05 13.18 Fe 12.99 4.30 Ag 2.44 0.42 Tổng 100.00
Chúng tôi đã khảo sát và so sánh cấu trúc tinh thể của hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 và cấu trúc nano Fe3O4-Ag với các nồng độ [Ag+] khác nhau: 1 mM, 5 mM và 10 mM để kiểm chứng về sự hình thành của các nguyên tử bạc xung quanh lõi Fe3O4. Hình 3.2 trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X của các hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 và cấu
trúc nano lõi/vỏ Fe3O4-Ag với các nồng độ của Ag+ khác nhau. Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ cho thấy khi thay đổi các nồng độ [Ag+] khác nhau, đã xuất hiện thêm các đỉnh nhiễu xạ của Ag. Điều này được khẳng định thông qua xuất hiện thêm các đỉnh nhiễu xạ mới của Ag với góc 2𝜃 bằng 32.24o; 39.45o; 46.37o tương ứng với chỉ số Miller là (113); (111); (200).
Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của: (a) hạt nano oxit sắt từ Fe3O4; (b,c,d) cấu trúc (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nano lõi-vỏ Fe3O4-Ag với các nồng độ [Ag+] tương ứng: 1 mM, 5 mM và 10 mM. Hình 3.3 (a,b) tương ứng trình bày đường cong từ hóa của cấu trúc nano lõi/vỏ Fe3O4-Ag với nồng độ [Ag+] = 10 mM và Fe3O4-Ag-than sinh học ở nhiệt độ phòng. Kết quả chỉ ra cho thấy từ độ bão hòa của cấu trúc nano lõi/vỏ Fe3O4-Ag và Fe3O4- Ag-than sinh học lần lượt là 37.55 và 31.52 emu/g. Sự giảm từ độ bão hòa của Fe3O4- Ag-than sinh học so với cấu trúc Fe3O4-Ag có thể là do có một lớp mạng nền than sinh học trong cấu trúc Fe3O4-Ag-than sinh học. Hình 3.3 cũng chỉ ra rằng, lực kháng từ cũng như từ dư có giá trị không đáng kể, do vậy các hạt nano Fe3O4-Ag và Fe3O4- Ag-than sinh học thu được từ thực nghiệm này có thể xem là siêu thuận từ. Trong ứng dụng xử lý môi trường, vật liệu hấp phụ là Fe3O4-Ag hoặc Fe3O4-Ag-than sinh học có thể dễ dàng thu lại và tái sử dụng được nhờ có một từ trường ngoài đủ lớn tác động.
Hình 3.3. Đường cong từ trễ của: (a) cấu trúc nano lõi-vỏ Fe3O4-Ag với nồng độ
[Ag+] = 10 mM và (b) Fe3O4-Ag-than sinh học.