Theo Xiao-qin Li và nnk sắt nano có khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ và các chất vơ cơ có tên dưới đây :
Bảng 9. Các chất và hợp chất có thể xử lý bằng Fe0 nano [27] TT Tên nhóm các chất và hợp chất Tên các chất và hợp chất TT Tên nhóm các chất và hợp chất Tên các chất và hợp chất 1 Các hợp chất Clo metan - Cacbontetraclorua (CCl4) - Cloroform (CHCl3) - Diclorometan (CH2Cl2) - Clorometan (CH3Cl) 2 Các hợp chất Trihalo metan - Bromoform (CHBr3) - Dibromoclorometan (CHBr2Cl) - Diclorobromometan (CHBrCl2) 3 Các hợp chất clo benzen - Hexanclorobenzen (C6Cl6) - Pentaclorobenzen (C6HCl5) - Tetraclorobenzen (C6H2Cl4) - Triclorobenzen (C6H3Cl3) - Diclorobenzen (C6H4Cl2) - Clorobenzen (C6H5Cl) 4 Các hợp chất clo eten - Tetracloroeten (C2Cl4) - Tricloroeten (C2HCl3) - Cis-Dicloroeten (C2H2Cl2) - Trans-Dicloroeten (C2H2Cl2) - 1,1- Dicloroeten (C2H2Cl2) - Vinylclorua (C2H3Cl) 5 Thuốc bảo vệ thực vật - DDT (C4H9Cl5) - Lindan (C6H6Cl6) 6 Các hợp chất polycloro khác - Các hợp chất hydrocacbon - PCBs - Pentaclorophenol 7 Các kim loại nặng - Thuỷ ngân (Hg2+) - Niken (Ni2+) - Cadimi (Cd2+) - Chì (Pb2+) - Crơm (Cr6+)
8 Các anion vô cơ - Perclorat (ClO4
-) - Nitrat (NO3-)
- Trong quân sự: ứng dụng công nghệ nano trong cải tiến các thiết bị quân sự bằng các trang thiết bị, vũ khí nano tối tân.
1.2.1.3. Tính chất của vật liệu nano
Vật liệu nano đang đi sâu vào đời sống hiện đại và đang dần dần chiếm một
ý nghĩa rất lớn đối với đời sống của con người nhờ vào các tính chất rất đặc biệt của chúng mà các vật liệu truyền thống trước đó khơng có được. Tính đặc biệt của vật
liệu nano có được là nhờ kích thước nhỏ bé của chúng. Hai nguyên nhân chính dẫn tới những thay đổi ở tính chất của vật liệu là do diện tích bề mặt được tăng lên rất nhiều và xuất hiện các hiệu ứng lượng tử. Diện tích bề mặt (trên đơn vị khối) tăng lên, sẽ dẫn tới độ phản ứng hóa học tương ứng tăng lên, làm cho một số vật liệu
nano có thể được sử dụng làm chất xúc tác. Khi kích thước của vật liệu bị giảm
xuống tới 10nm hoặc ít hơn, các hiệu ứng lượng tử bắt đầu xuất hiện và làm thay đổi các tính chất quang học, từ tính và điện tính của vật liệu.
- Hiệu ứng lượng tử:
Đối với các vật liệu thông thường hình thành rất nhiều ngun tử (1µm3 vật liệu có khoảng 1012 nguyên tử). Các hiệu ứng lượng tử được trung bình hố cho tất cả các nguyên tử, vì thế mà ta có thể bỏ qua những khác biệt ngẫu nhiên của từng nguyên tử mà chỉ xét giá trị trung bình của chúng. Nhưng đối với vật liệu nano, do kích thước của vật liệu nhỏ, hệ có rất nhiều ngun tử nên các tính chất lượng tử thể hiện rõ hơn và không thể bỏ qua. Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano các hiệu
ứng lượng tử như hiệu ứng đường ngầm…
- Hiệu ứng bề mặt:
Ở vật liệu nano, tỷ số các nguyên tử nằm trên bề mặt trên tổng số các nguyên
tử của vật liệu lớn hơn nhiều so với các vật liệu dạng khối. Vì thế các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt như: Khả năng hấp phụ, độ hoạt động bề mặt … của vật liệu nano sẽ lớn hơn nhiều. Điều đó đã mở ra những ứng dụng mới trong lĩnh vực xúc tác, hấp phụ và nhiều hiệu ứng khác mà các nhà khoa học đang quan tâm, nghiên cứu.
- Hiệu ứng kích thước:
Các vật liệu truyền thống thường được đặc trưng bởi một số các đại lượng
vật lý, hố học khơng đổi như độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt
độ sơi, tính axit… Tuy nhiên, các đại lượng vật lý và hố học này chỉ là bất biến
nếu kích thước của vật liệu đủ lớn (thường là lớn hơn 100nm). Khi giảm kích thước của vật liệu xuống cấp độ nano mét (nhỏ hơn 100nm), thì các đại lượng lý, hoá ở
trên khơng cịn là bất biến nữa, ngược lại chúng sẽ thay đổi. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng kích thước. Kích thước mà ở đó, vật liệu bắt đầu có sự thay đổi các tính
chất được gọi là kích thước tới hạn. Ví dụ như: Điện trở của một kim loại ở kích
thước vĩ mô mà ta thấy hằng ngày sẽ tuân theo định luật Ohm. Nếu ta giảm kích
thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong
kim loại (thường là vài nm đến vài trăm nm) thì định luật Ohm sẽ khơng cịn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật liệu có kích thước nano sẽ tn theo quy tắc lượng tử.
1.2.2. Giới thiệu sắt nano, nano lưỡng kim
1.2.2.1. Đặc điểm và tính chất của sắt nano
a. Đặc điểm của sắt nano
Đặc tính bề mặt của Fe0 nano có tầm rất quan trọng tới cơ chế phản ứng, tính năng động lực học và sản phẩm trung gian. Quá trình vận chuyển, phân phối và số
phận của các hạt nano trong môi trường cũng phụ thuộc vào những đặc tính bề mặt này. Về cơ bản, Fe0 nano có những tính năng hoạt hố đặc biệt và tính năng bề mặt của chúng thay đổi một cách nhanh chóng bởi thời gian, dung dịch hố chất và điều kiện mơi trường.
Thí nghiệm về tỉ lệ diện tích đỉnh của Fe/OH- và OH-/O2- chỉ ra rằng màng oxit được hình thành chính từ sắt hydroxit và sắt oxyhyđroxit. Kết quả của quá trình ơxy hố sắt, Fe2+ được hình thành đầu tiên trên bề mặt theo phản ứng dưới đây:
2Fe + O2 + 2H2O 2Fe2+ + 4OH- Fe0 + 2H2O Fe2+ + H2 + 2OH- Fe2+ cũng có thể bị ơxy hố thành Fe3+:
4Fe2+ + 4H+ +O2 4Fe3+ + H2O
Fe3+ phản ứng với OH- hoặc H2O và tạo thành hydroxit hoặc oxyhydroxit: Fe3+ + 3OH- Fe(OH)3
Fe3+ + 2H2O FeOOH + 3H+ Fe(OH)3 cũng có thể bị đehydrat tạo thành dạng FeOOH:
Fe(OH)3 + 3H+ FeOOH + H2O
và các phản ứng khử xảy ra trên bề mặt của hạt Fe0 nano ở môi trường axit, Fe0 đóng vai trị là chất khử, cho electron.
Fe0 Fe2+ + 2e - (1) RCl + H+ + 2e - RH + Cl - (2) Tổng hợp của hai phản ứng 1 và 2 là:
RCl + Fe0 + H+ RH + Fe2+ + Cl- (3)
Các kim loại ví dụ như ZVI (zero-valent iron) có khả năng đóng vai trị như là chất cho electron (chất khử), ZVI (Fe2+/Fe) có mức thế khử chuẩn (E0) là - 0,44V, thấp hơn so với nhiều kim loại như Pb, Cd, Ni và Cr đồng thời cũng như
nhiều hợp chất hữu cơ chứa clo. Những hợp chất này có thể tham gia phản ứng
khử với Fe0 nano.