CHƢƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.4. NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU
2.4.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ ti aX (XRD)
Hình 2.5. Nguyên lí cấu tạo của máy nhi u xạ tia X
Phƣơng pháp xác định cấu trúc tinh thể dựa trên việc xác định cƣờng độ của tia bức xạ bị lệch hƣớng so với phƣơng truyền của tia X do sự phản xạ gây ra khi tia X lan truyền trong tinh thể đƣợc gọi là phƣơng pháp nhiễu xạ tia X. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X là một trong những phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng để nhận dạng cấu trúc và độ tinh thể của vật liệu.
Chùm tia Rơnghen đi qua tinh thể bị tán xạ bởi các nguyên tử trong tinh thể. Hiện tƣợng này xảy ra trên lớp vỏ điện tử của các nguyên tử trong tinh thể. Các nguyên tử trở thành tâm phát sóng cầu, các sóng này sẽ giao thoa với nhau nếu thỏa mãn một số điều kiện nhất định. Cấu trúc tinh thể sẽ quyết định vị trí hình học cũng nhƣ cƣờng độ của các cực đại giao thoa. Vì vậy, mỗi cấu trúc tinh thể sẽ có một ảnh nhiễu xạ tia X đặc trƣng.
Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể cấu tạo từ những nguyên tử hay ion đƣợc phân bố một cách tuần hoàn trong không gian theo một quy luật xác định. Khoảng cách giữa các nguyên tử hay ion trong tinh thể khoảng vài Angstron cỡ bƣớc sóng tia X . Khi chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi vào bên trong thì mạng tinh thể đóng vai trò nhƣ một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ trở thành tâm phát ra các tia tán xạ, và nếu chúng thỏa mãn một số điều kiện nhất định sẽ giao thoa với nhau.
Sự giao thoa của sóng điện từ là hiện tƣợng tăng cƣờng biên độ dao động ở những điểm này trong không gian và giảm yếu cƣờng độ dao động ở những điểm khác trong không gian do sự chồng chất của hai hay nhiều sóng kết hợp cùng lan truyền đến các điểm đó.
Hình 2.6. Cấu tạo của thiết bị quan sát nhi u xạ tia X
(1)- Ống tia X,(2) – Đầu thu bức xạ, (3) – Mẫu đo, (4) – Giác kế đo góc Phương trình Vulf-Bragg
Chiếu chùm tia X vào tinh thể tạo với mặt phẳng tinh thể một góc θ, khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể là d. Trên Hình 1.22, tia X đến điểm A và B của hai mặt phẳng tinh thể I và II, sau đó phản xạ, trên các nút ở cùng một mặt phẳng có cùng pha, còn trên các nút ở hai mặt phẳng là khác pha. Giả sử quang trình của hai tia 11’ và 22’ chiếu vào hai điểm A và B của hai mặt có hiệu số là CB + DB. Theo định luật giao thoa ánh sáng thì hiệu quang trình phải bằng một số nguyên lần bƣớc sóng λ:
CB + DB = nλ, n là số nguyên
Hình 2.7.Sự phản xạ tia X trên các mặt tinh thể
Khi dùng một tia X có bƣớc sóng xác định chiếu vào mẫu chất thì khả năng phản xạ cực đại phụ thuộc vào góc θ giữa tia X chiếu vào và mặt phẳng tinh thể. Nếu tăng đều đặn tƣơng ứng với các giá trị n = 1, 2, 3… thì sự phản xạ sẽ cực đại tƣơng ứng với các giá trị của θ nhƣ sau:
θ1 = arsin 1. ( ) 2d θ2 = arsin 2. ( ) 2d θ3 = arsin 3. ( ) 2d … θn = arsin n. ( ) 2d
Căn cứ các cực đại nhiễu xạ trên giản đồ, tìm đƣợc 2θ. Từ đó suy ra d theo hệ thức Vulf – Bragg. So sánh giá trị d tìm đƣợc với d chuẩn sẽ xác định đƣợc thành phần cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu [1],[10]. Cƣờng độ của các đỉnh phổ thay đổi theo giá trị của hay theo bậc phản xạ, do đó khi nghiên cứu cƣờng độ của phổ tia X có thể nhận đƣợc các thông tin về sự sắp xếp các mặt phẳng của các nguyên tử khác nhau trong tinh thể.
Phƣơng pháp này đã cung cấp các thông tin rõ ràng vể các phân tử có tỉ lệ thành phần khối lƣợng trong hợp chất đủ lớn. Tuy nhiên đối với các hạt có tỉ lệ thành phần khối lƣợng 5% hoặc vô định hình thì không thể phát hiện đƣợc. Do đó không bao giờ chắc chắn rằng không có pha lạ khi sử dụng phƣơng pháp XRD. Mặc khác, bề mặt nơi tập trung hoạt tính xúc tác cũng không nhận biết qua nhiễu xạ tia X.
Ảnh nhiễu xạ tia X của các vật liệu tổng hợp đƣợc ghi bằng thƣớc đo nhiễu xạ X-Ray bột Bruker D4 sử dụng bức xạ Cu-K α, tại khoa Hóa dầu, trƣờng Đại học Bách khoa, Đà Nẵng.