2.1.3.3. Ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình tổng hợp vật liệu tổ hợp
54
Các yếu tố được lựa chọn khảo sát bao gồm độ pH của dung dịch thủy nhiệt (điều chỉnh bằng dung dịch NaOH 1M), thời gian thủy nhiệt và nồng độ dung dịch thủy nhiệt. Quy trình tổng hợp tương tự như quy trình đã nêu ở tiểu mục b của mục 2.1.3.2. Các điều kiện tiến hành khảo sát đối với từng yếu tố ảnh hưởng được thể hiện ở bảng 2.1.
Bảng 2.1. Bảng mẫu khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình tổng hợp vật liệu tổ hợp TiO2- Fe2O3
Yếu tố khảo sát Ảnh hưởng của pH Ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch thủy
55
Các mẫu vật liệu tổ hợp hai oxit TiO2- Fe2O3 sau tổng hợp được đem phân tích cấu trúc, thành phần pha tinh thể, tính toán kích thước hạt trung bình để làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình chế tạo.
b. Ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình tổng hợp vật liệu tổ TiO2- Fe2O3/GNP
Các yếu tố được lựa chọn khảo sát bao gồm độ pH của dung dịch thủy nhiệt, nhiệt độ thủy nhiệt, yếu tố khuấy trộn và hàm lượng GNP. Quy trình tổng hợp tương tự như quy trình đã nêu ở tiểu mục c của mục 2.1.3.2. Điều kiện tiến hành khảo sát đối với từng yếu tố ảnh hưởng được thể hiện ở bảng 2.2.
Bảng 2.2. Bảng mẫu khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình tổng hợp vật liệu tổ hợp TiO2- Fe2O3/GNP Yếu tố khảo sát Ảnh hưởng của pH Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy nhiệt Ảnh hưởng
Ảnh hưởng của yếu tố khuấy trộn
Các mẫu vật liệu vật liệu tổ hợp TiO2- Fe2O3/GNP sau tổng hợp được đem phân tích cấu trúc, thành phần pha tinh thể, tính toán kích thước hạt trung bình, năng lượng vùng cấm, diện tích bề mặt, hoạt tính xúc tác quang để làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình chế tạo.
2.2. Đánh giá đặc trưng tính chất vật liệu
2.2.1. Xác định hình thái học vật liệu
a. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM
Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM) là phương pháp tạo ra hình ảnh của mẫu bằng cách quét qua một dòng điện tử. Các điện tử này sẽ tương tác với các nguyên tử trong mẫu, tạo ra những tín hiệu khác nhau, detector sẽ tiếp nhận những tín hiệu này để đưa ra những thông tin về hình thái cũng như thành phần của mẫu.
Kết quả đo SEM của luận án được tiến hành trên thiết bị Hitachi S-4600 tại phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
b. Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM
Kính hiển vi điện tử truyền qua (tiếng Anh: transmission electron microscopy, viết tắt: TEM) là một phương pháp nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần). Ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số.
Ảnh TEM của mẫu vật liệu tổng hợp được đo trên thiết bị kính hiển vi điện tử truyền qua JEOL 1010 - Nhật Bản tại Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương.
57
c. Phương pháp nhiễu xạ tia X
Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) là phương pháp sử dụng với các mẫu là đa tinh thể, phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để xác định cấu trúc tinh thể, bằng cách sử dụng một chùm tia X sóng sóng hẹp, đơn sắc, chiếu vào mẫu. Trong phương pháp này mẫu và đầu thu chùm nhiễu xạ sẽ được quay trên đường tròn đồng tâm, ghi lại cường độ chùm tia phản xạ và ghi phổ nhiễu xạ bậc 1 (n =1). Phương pháp nhiễu xạ bột cho phép xác định thành phần pha, tỷ phần pha và cấu trúc tinh thể (các tham số mạng tinh thể).
Phổ XRD của các mẫu vật liệu tổng hợp được đo trên thiết thiết bị nhiễu xạ tia X mẫu bột (XRD) X’Pert Pro của hãng PAN Anatycal sử dụng bức xạ Cu Kα với bước quét là 0,5o, điện áp nguồn tia X là 45 kV và dòng electron là
40 mA, góc quét 2θ từ 5 đến 90o tại Viện Hóa học - Vật liệu, thuộc viện Khoa học và Công nghệ quân Sự.
Kích thước hạt trung bình (d) của hỗn hợp oxit có thể được tính toán thông qua công thức Debye Scherrer:
d= 0,89.λ
β.cosθ Trong đó: d là kích thước hạt trung bình (nm), λ là bước sóng bức xạ Kλ
của anot Cu (0,154056 nm), β là độ rộng (FWHM) nửa độ cao của pic cực đại (radian), θ là góc nhiễu xạ Bragg ứng với pic cực đại (độ).
2.2.2. Xác định thành phần, cấu trúc vật liệu
a. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X (EDX)
Nguyên lý: Trong kỹ thuật EDX, ảnh vi cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua tương tác của chùm điện tử có năng lượng cao với vật rắn. Khi chùm điện tử được chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử và tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử. Tương tác này tạo ra các tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley. Trong luận án, các phân tích EDX được thực hiện trên máy Hitachi S-4800, tại
b. Phương pháp Quang phổ điện tử (XPS)
Phương pháp quang phổ điện tử tia X (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện tử được tạo ra khi chiếu một chùm bức xạ có bước sóng ngắn vào bề mặt vật liệu. Khi được hấp thu năng lượng, các electron ở lớp ngoài cùng hoặc electron hóa trị thoát ra với năng lượng động năng:
Ek = h - Eb -
Trong đó, Ek là động năng của các quang electron, là công thoát electron (phụ thuộc vào thiết bị), Eb là năng lượng liên kết của electron, là tần số photon, h là hằng số Planck. Năng lượng liên kết Eb là đại lượng đặc trưng cho nguyên tử nên từ giá trị này chúng ta có thể xác định thành phần nguyên tố và trạng thái oxi hóa của chúng trong mẫu.
Phổ quang điện tử tia X được áp dụng để xác định thành phần nguyên tố và trạng thái oxi hóa của chúng trong mẫu vật liệu. Trong luận án này, phổ XPS được đo trên máy Shimadzu Kratos Axisultra DLD spectrometer, sử dụng nguồn phát tia X với bia Al, ống phát làm việc ở 15 kV - 10 mA tại trường Đại học Kyuonggi - Hàn Quốc. Các dải năng lượng liên kết được hiệu chỉnh bằng cách chuẩn nội với peak C1s.
c. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)
Phương pháp phân tích theo phổ hồng ngoại được sử dụng để xác định các thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, không đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp. Kỹ thuật này dựa trên khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại của hợp chất hóa học. Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các phân tử này dao động với các vận tốc dao động khác nhau và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Các đám phổ khác nhau có mặt trong phổ
59
hồng ngoại tương ứng với các nhóm chức đặc trưng và các liên kết có trong phân tử hợp chất hoá học.
Các mẫu vật liệu được phân tích phổ FT-IR trên thiết bị Tensor II (hãng Bruker) tại Viện Hóa học - Vật liệu, Viện KHCN Quân sự.
d. Phương pháp quang phổ RAMAN
Nguyên lý: Hiệu ứng Raman dựa trên sự biến dạng của phân tử trong điện trường E được xác định bởi khả năng phân cực α (hệ số phân cực) của phân tử. Chùm sáng laser có thể được coi là một sóng điện từ dao động với vector điện E. Khi tương tác với mẫu nó sẽ giảm momen lưỡng cực điện P = αE và làm biến dạng phân tử. Do hiện tượng biến dạng theo chu kỳ, phân tử sẽ bắt đầu dao động với tần số đặc trưng υm.