Hình 3.1. Giản đồ XRD của vật liệu nano oxit sắt vô định hình khi vừa được chế tạo và sau khi đã nung với nhiệt độ từ 200 – 600 °C.
Có thể thấy trên giản đồ nhiễu xạ, mẫu vật liệu khi mới chế tạo không có đỉnh đặc trưng nào, chứng tỏ đang ở dạng vô định hình. Nung mẫu lên trên 200 °C, có thể lờ mờ nhận thấy một vài đỉnh, nhưng khó để xác định chính xác vị trí của chúng. Khi nung lên đến 300 °C, một số đỉnh hiện ra rõ ràng hơn ở các vị trí 30.42° và 35.70° tương ứng với các mặt (206) và (313) của pha γ-Fe2O3. Ở 370 °C, có thể thấy rõ ràng sự tồn tại của 2 pha α và γ với sự xuất hiện của các đỉnh nhiễu xạ 30.46° (tương ứng với mặt 206), 35.84° (313), 43.47° (012), 57.43° (214) của γ-Fe2O3 và các đỉnh 33.26° (104), 35.72° (110), 49.55° (024) của α- Fe2O3. Khi nung đến khoảng 400 °C – 600 °C , sự kết tinh α-Fe2O3 có thể nhận thấy rõ ràng, các đỉnh nhiễu xạ mạnh của cấu trúc α-Fe2O3. Các đỉnh đã xuất hiện của γ-Fe2O3, đặc biệt là các đỉnh đặc trưng cho mặt (206) và (012) biến mất khi nung ở nhiệt độ cao. Dữ liệu XRD chỉ ra rằng quá trình kết tinh pha γ- Fe2O3 xảy ra ở khoảng 300 °C. α-Fe2O3 có thể được tạo thành cùng thời điểm, nhưng khó để nhận biết từ giản đồ XRD. Quá trình chuyển pha từ α-Fe2O3 sang γ-Fe2O3 ở nhiệt độ cao hơn. Từ 400 °C trở lên, quá trình chuyển pha hoàn thành, chỉ còn α- Fe2O3 trong mẫu.
Sự hình thành các hạt nano oxit sắt vô định hình trong quá trình phản ứng diễn ra như sau. Đầu tiên, Fe3+ hydrat hóa có thể kết hợp với phần tử nước hoặc ion -
OH để tạo ra chuỗi hidroxit - (3-y)+
2 x y
Fe(H O) (OH ) . Chuỗi hydroxit này được dùng làm tiền chất cho sắt (III) oxit. Nước trong dung dịch với tư cách là phân tử phân cực có xu hướng nhận proton từ hidroxit theo phương trình phản ứng như sau [16]:
(3 )
2 2 2 3 2 3
( ) (x )y y . ( )
Fe H O OH− − + +H O→Fe O n H O +H O+
Vi sóng sẽ làm cho quá trình gia nhiệt nhanh và đồng đều, kích thích đồng thời nhiều mầm oxit sắt hơn các phương pháp gia nhiệt thông thường. Việc gia nhiệt nhanh và đồng đều tạo nên các hạt nhỏ có kích cỡ và hình dạng tương tự nhau. Thêm vào đó, chất ổn định phân tán Polyethylenglycol có thể ngăn cản sự kết tủa không đồng đều trong quá trình phản ứng. Độ pH của dung dịch được điều chỉnh bởi sự thủy phân Urea, thuận lợi cho phản ứng thủy phân Fe3+ [16].