8. Bố cục của luận án
4.1.2. So sánh cấu trúc, hình thái và tính chất của các thanh nano Fe3O4/α-
Fe3O4/α-FeOOH, γ-Fe2O3 và α-Fe2O3
Trong Hình 4.3a-c biểu diễn giản đồ nhiễu xạ tia X của các ô-xít sắt dạng bột điển hình. Có thể quan sát được trong Hình 4.3a, các đỉnh đặc trưng phù hợp với thẻ chuẩn của Fe3O4 và α-FeOOH như đã phân tích trong Phần 4.1.1. Sau khi nung nóng vật liệu nano Fe3O4/α-FeOOH ở 200 oC, 6 giờ trong không khí thì toàn bộ các đỉnh của α-FeOOH đã biến mất và thay vào đó là tất cả các đỉnh mạnh phù hợp với thẻ JCPDS số 39-1346 của γ-Fe2O3, như quan sát trong Hình 4.3b. Giống như trong Hình 4.3b, Hình 4.3c cũng thể hiện các đỉnh nhiễu xạ với cường độ rất mạnh trùng khớp với các vị trí trong thẻ JCPDS số 33-0664 của α-Fe2O3. Như vậy kết quả XRD đã xác nhận γ-Fe2O3 và α-Fe2O3 có thể được chuyển hóa hoàn toàn từ Fe3O4/α-FeOOH khi nung 6 giờ ở trong không khí tại nhiệt độ 200 và 600 oC [107], [108], [165]. Các nhóm chức trên bề mặt và liên kết của các vật liệu nano ô-xít sắt đã được khảo sát thông qua phổ hồng ngoại FT-IR, như trong Hình 4.3d. Trong mẫu Fe3O4/α-FeOOH có các dao động tại vị trí 3410, 3190, và 1626 cm-1 tương ứng với các dao động của phân tử hơi nước và nhóm O-H [148], [2]. Trong khi đó, các đỉnh đặc trưng của liên kết Fe-O-H xuất hiện ở các đỉnh 890 và 795 cm-1 [122], [146] và tại các bước sóng từ 570 – 630 cm-1 là các vị trí tương ứng với các dao động của liên kết Fe-O có trong tất cả các ô-xít sắt điển hình [96], [149]. So sánh với Fe3O4/α-FeOOH, phổ FT-IR của γ- Fe2O3 có sự tương đồng ở hầu hết các vị trí đỉnh tương ứng với dao động của các liên kết đặc trưng. Tuy nhiên, các đỉnh ở vị trí 890 và 795 cm-1 bị suy yếu, chứng minh rằng các liên kết Fe-O-H đặc trưng của vật liệu FeOOH đã bị biến đổi mạnh khi nung
87
ở nhiệt độ 200 oC. Hơn nữa, trong phổ FT-IR của α-Fe2O3 cho thấy sự vắng mặt của hầu hết các dao động của liên kết nhóm O-H, đặc biệt liên kết Fe-O-H đã hoàn toàn biến mất. Tuy nhiên, các đỉnh hấp phụ mạnh tại vị trí 530 và 450 cm-1 xác nhận sự có mặt của các liên kết Fe-O trong mẫu [108], [122], [146].Nhưng vậy, kết quả khảo sát XRD hoàn toàn phù hợp với phổ FT-IR đã chỉ ra rằng pha α-FeOOH bị biến mất khi nung trong không khí và vật liệu Fe3O4/α-FeOOH có thể chuyển hóa thành các thanh nano γ-Fe2O3 và α-Fe2O3 ở nhiệt độ 200 oC và 600 oC.
Hình 4.3: Giản đồ XRD của (a) Fe3O4/α-FeOOH; (b) γ-Fe2O3 và (c) α-Fe2O3 và (d) phổ FT-IR của ba vật liệu thanh nano ô-xít sắt
Như quan sát được trên ảnh FE-SEM và TEM trong Hình 4.4, hình ảnh của cả ba ô-xít sắt được hiển thị chủ yếu dạng thanh. Đường kính và chiều dài của Fe3O4/α- FeOOH quan sát được trong Hình 4.4a,d lần lượt là 30 và 100 nm. Kích thước của γ- Fe2O3 quan sát được trong Hình 4.4b,e tương tự như của mẫu gốc. Các thanh nano α- Fe2O3 trong Hình 4.4c,f có chiều dài từ 100 – 150 nm và đường kính từ 40 – 50 nm. Từ các kết quả ảnh FE-SEM và TEM chỉ ra rằng hình thái và bề mặt của các thanh nano Fe3O4/α-FeOOH hầu như không bị biến đổi khi nung ở nhiệt độ 200 oC, 6 giờ trong không khí. Ngược lại, các thanh có xu hướng bị biến đổi cả về hình thái và bề mặt khi nung ở 600 oC, các thanh nhẵn hơn, chiều dài giảm đi và còn các hạt có kích thước tăng lên. Hình ảnh quang học 3 cảm biến IR0, IR200, IR600 đã được chế tạo khi phủ lần lượt các thanh nano Fe3O4/α-FeOOH, γ-Fe2O3 và α-Fe2O3 được biểu diễn trong Hình 4.4. Hình ảnh này cho thấy màu sắc của các vật liệu có sự biến đổi sau
88
khi nung. Cụ thể, vật liệu Fe3O4/α-FeOOH có màu nâu đất, biến đổi thành màu đỏ cam và cuối cùng là màu đỏ tươi dưới tác dụng của hiệu ứng nhiệt ở 200 và 600 oC trong 6 giờ. Như vậy, có thể thấy vật liệu nano Fe3O4/α-FeOOH đã chuyển hóa hoàn toàn thành γ-Fe2O3 và α-Fe2O3, giống như kết quả XRD đã chứng minh.
Hình 4.4: Ảnh FE-SEM và TEM của thanh nano (a, d) Fe3O4/α-FeOOH, (b, e) γ-
Fe2O3, (c, f) α-Fe2O3 và hình ảnh thực tế của cảm biến IR0, IR200, IR600
Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp N2 và đường cong phân bố kích thước lỗ rỗng của các mẫu Fe3O4/α-FeOOH, γ-Fe2O3 và α-Fe2O3 được phân tích để xác định diện tích bề mặt và độ xốp của các vật liệu, kết quả được biểu diễn trong Hình 4.5.
89
Hình 4.5: Đường đẳng nhiệt hấp thụ - giải hấp phụ N2 và phân bố kích thước lỗ rỗng của thanh nano (a) Fe3O4/α-FeOOH; (b) γ-Fe2O3 và (c) α-Fe2O3
90
Mẫu gốc Fe3O4/α-FeOOH, γ-Fe2O3 và α-Fe2O3 có diện tích bề mặt khoảng 40, 43 và 20 m2/g như thể hiện trong Hình 4.5a-c. Hình ảnh hỗ trợ trong Hình 4.5 cho thấy sự phân bố kích thước lỗ rỗng đã được tính toán sử dụng BJH, các đỉnh phân bố xuất hiện ở 58, 63 và 77 nm tương ứng với Fe3O4/α-FeOOH, γ-Fe2O3 và α-Fe2O3. Thể tích lỗ rỗng của Fe3O4/α-FeOOH, γ-Fe2O3 và α-Fe2O3 lần lượt là 0,37; 0,32 và 0,28 cm3/g. Hơn nữa, các kết quả phân tích này cho thấy diện tích bề mặt, kích thước và thể tích lỗ rỗng của Fe3O4/α-FeOOH và γ-Fe2O3 là tương đương nhau, trong khi diện tích bề mặt và thể tích lỗ rỗng của mẫu α-Fe2O3 bị suy giảm đáng kể trong khi kích thước lỗ rỗng tăng lên sau khi nung ở 600 oC.
Từ các kết quả so sánh về hình thái cấu trúc và tính chất hóa lý của ba vật liệu