b. Tính chất của sắt nano
- Cấu trúc lõi sắt
Cấu trúc lõi - vỏ, cấu trúc điển hình của hạt sắt nano đóng một vai trị quan trọng trong việc phục hồi môi trường. Người ta đã thừa nhận rằng hoạt tính của
những hạt nano có cấu trúc lõi – vỏ được quyết định bởi sự oxi hố của lõi Fe0. Do kích thước siêu nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn, hạt nano Fe0 rất dễ bị oxi hố trong khơng khí. Nhiều nhà nghiên cứu đã phủ một lớp mỏng chứa oxit hoặc lớp vỏ kim loại quý lên bề mặt vật liệu để tránh sự oxi hoá sắt.
Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng vật liệu nano chế tạo bị kết lại, hình thành cấu trúc chuỗi hoặc cụm. Sự kết đám của vật liệu nano là điều khó tránh khỏi dưới
những điều kiện môi trường. Sự kết đám của những hạt sắt nano sẽ ngăn cản chúng thâm nhập vào những môi trường xốp như đất, điều này có thể làm giảm sự vận
chuyển của chúng trong những nơi bị ô nhiễm.
- Diện tích bề mặt riêng.
Cùng với kích thước vật liệu, cấu trúc lõi- vỏ, và kết cấu, diện tích bề mặt riêng cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến những tính chất vật lý và hố
học của vật liệu nano. Vật liệu nano đã được chứng minh là có diện tích bề mặt
riêng tương đối lớn.
Những nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng vật liệu sắt nano có tốc độ phản ứng với chất ô nhiễm lớn hơn, do đó chúng hiệu quả hơn trong việc khử một số
dạng chất ô nhiễm. Zhang và các cộng sự đã so sánh diện tích bề mặt của vật liệu nano lớn hơn 1-2 bậc so với vật liệu micro. Diện tích bề mặt lớn như vậy cho phép phản ứng xảy ra ở nhiều điểm, đây là một trong những lý do làm cho hạt sắt nano có thể phản ứng với chất ơ nhiễm ở tốc độ cao hơn.
- Từ tính của hạt sắt nano
Từ tính của vật liệu sắt nano đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh
vực, như ghi từ, chất lỏng từ, các ứng dụng trong y sinh và chất xúc tác. Tuy nhiên
những nhà nghiên cứu trong lĩnh vực mơi trường lại có xu hướng tránh đặc tính này. Do có diện tích bề mặt lớn và tính lưỡng cực từ - lực hút lưỡng cực, vật liệu nano từ tính có xu hướng kết đám, hình thành những sợi lớn hơn nhiều và làm giảm hoạt
tính cũng như sự vận chuyển của hạt nano tại những điểm bị ơ nhiễm. Vì vậy, phân tán vật liệu nano từ tính là một yếu tố được ưu tiên để tăng hiệu quả phản ứng của những vật liệu này.
c. Tính chất của nano lưỡng kim
Do kích thước siêu nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn, hạt Sắt nano rất dễ bị oxy hóa trong khơng khí. Chính vì vậy mà nhiều nhà nghiên cứu đã phủ một lớp
mỏng chứa oxit hoặc lớp vỏ kim loại quý lên bề mặt vật liệu để tránh sự oxy hóa
sắt. Để nâng cao hiệu quả của phản ứng oxi-hóa khử, giảm bớt những tác động ảnh hưởng đến kết quả, bổ xung một lượng nhỏ kim loại xúc tác thứ 2 như Pd, Pt, Ag,
Cu, Ni vào bề mặt để tăng tốc độ khử của Fe0 nano.Kim loại hóa trị 2 phủ trên bề mặt sắt giống như một lớp bảo vệ để chống ăn mòn bề mặt, đồng thời tạo chất xúc
tác kim loại đơi, có hiệu quả hơn trong xử lý chất ô nhiễm bởi tốc độ phản ứng
nhanh hơn so với sắt nano. Ưu điểm khi sử dụng nano lưỡng kim:
+ Làm giảm năng lượng kích hoạt các chất ơ nhiễm, tăng tốc độ phản ứng
dechlorination và làm giảm sự hình thành các sản phẩm phụ [33] + Giảm các vấn đề hình thành các oxit trên bề mặt hạt sắt.
+ Nhanh chóng giải phóng electron từ Fe0 của Fe0 nano kim loại [27]
1.2.2.2. Các phương pháp chế tạo sắt nano
a. Phương pháp nghiền
Phương pháp nghiền sử dụng kỹ thuật mài cơ khí thơng thường để phá vỡ các hạt kim loại có kích thước lớn thành các hạt có kích thước micro hoặc là nano. Sự va chạm của các hạt hình cầu có thể phá vỡ kích thước của các hạt riêng biệt xuống còn vài nm và dẫn đến sự biến dạng bẻ gẫy và nối lại của chúng khi nghiền người ta
thường sử dụng chất hoạt hoá bề mặt giúp cho quá trình nghiền được dễ dàng và đồng thời tránh các hạt kết tụ với nhau. Phương pháp nghiền có ưu điểm là đơn giản và chế tạo được vật liệu với khối lượng lớn. Nhược điểm của phương pháp này là tính đồng chất của các hạt nano khơng cao vì khó có thể khống chế q trình hình thành hạt.
b. Phương pháp đồng kết tủa
Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp thường được
dùng để tạo các hạt oxit sắt. Có 2 cách để tạo oxit sắt từ phương pháp này là
hydroxit sắt bị oxi hóa một phần bằng một chất oxi hóa nào đó hoặc già hóa hỗn
hợp dung dịch có tỉ phần hợp thức Fe2+ và Fe3+ trong dung môi nước. Phương pháp thứ nhất có thể thu được hạt nano có kích thước từ 30nm – 100nm. Phương pháp
thứ 2 có thể tạo hạt nano có kích thước từ 2nm – 15nm. Bằng cách thay đổi pH và
nồng độ ion trong dung dịch mà người ta có thể có được kích thước hạt như mong
muốn địng thời làm thay đổi điện tích bề mặt của các hạt đã được hình thành.
c. Phương pháp vi nhũ tương
Vi nhũ tương cũng là một phương pháp được dùng khá phổ biến được dùng
để tạo hạt nano. Với nhũ tương “nước – trong – dầu”, các giọt dung dịch nước bị
bẫy bởi các phân tử chất hoạt hóa bề mặt trong dầu (các mixen). Đây là một dung dịch ở trạng thái cân bằng nhiệt động trong suốt, đẳng hướng. Do sự giới hạn về
khơng gian của các phân tử chất hoạt hóa bề mặt, sự hình thành phát triển các hạt nano bị hạn chế và tạo nên các hạt nano rất đồng nhất. Kích thước các hạt có thể từ 4 – 12nm với độ sai khác khoảng 0,2 – 0,3nm. Ví dụ dodexyl sulfate sắt (Fe(DS)2),
được dùng trong phương pháp vi nhũ tương để tạo hạt nano từ tính với kích thước
có thể được điều khiển bằng nồng độ chất hoạt hóa bề mặt là AOT và nhiệt độ.