CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.4. Vật liệu từ tính TiO2@Fe3O4
Nhược điểm của vật liệu TiO2 nano là khó tách khỏi nước sau khi xử lý thuốc trừ sâu. Nhằm khắc phục nhược điểm này, nhiều nghiên cứu đã phát triển vật liệu từ tính trên cơ sở TiO2 bằng cách phủ nano TiO2 lên trên lõi sắt từ Fe3O4.
Hình 1.10. Hình ảnh vật liệu TiO2@SiO2@Fe3O4 [45]
Fe3O4 (magnetite) là hợp chất oxít phổ biến của nguyên tố sắt, vật liệu này thuộc họ ferrite spinel có hai phân mạng từ không tương đương và tương tác giữa các phân mạng là phản sắt từ. Vật liệu Fe3O4 có cấu trúc spinel đảo.
Cơng thức phân tử: FeO.Fe2O3 =Fe.Fe2O4 Mơ hình ion: [Fe3+]A[Fe3+Fe2+]BO42-
Các ion O2- hình thành nên mạng lập phương tâm mặt với hằng số mạng a = 8,398 Å. Các ion Fe3+, Fe2+ có bán kính ion nhỏ hơn sẽ phân bố trong khoảng trống giữa các ion O2-. Ion Fe2+ chiếm 1/4 ở vị trí bát diện và ion Fe3+ chiếm 1/8 ở vị trí tứ diện và 1/4 ở vị trí bát diện. Cấu trúc này được mơ tả như hình 1.10, trong đó một ơ cơ bản bao gồm 8 ô đơn vị và công thức Fe24O32 phân bố như sau: [Fe3+]8A[Fe3+Fe2+]8BO322- trong đó A là vị trí tứ diện, B là vị trí bát diện [6,19].
Hình 1.11. Cấu trúc tinh thể của Fe3O4
Kích thước vật liệu Fe3O4 giảm đến cỡ nano mét thì cấu trúc tinh thể của các hạt nano Fe3O4 không thay đổi so với vật liệu khối.
Khi từ hoá vật liệu sắt từ người ta thấy rằng q trình này khơng thuận nghịch do tính từ dư. Bằng cách thay đổi từ trường đặt vào vật liệu sắt từ rồi khảo sát từ trường của vật liệu đó ta vẽ được chu trình có dạng:
Hình 1.12. Đường cong từ trễ điển hình (mối liên hệ giữa từ hóa M với từ trường bên ngồi H)
Từ tính của vật liệu được thể hiện qua đường cong từ trễ của vật liệu, được tạo bởi 2 đường: đường cong từ hoá và đường cong khử từ. Từ trường (Hc), từ hóa dư (Mr) và từ hóa bão hịa (Ms) có thể thu được từ đường cong từ trễ.
Mr, Hc và diện tích của chu trình từ trễ là những đặc trưng quan trọng của vật liệu sắt từ. Mr cho ta biết độ từ dư mà vật liệu có thể giữ lại được, Hc cho ta biết từ trường đủ để khử hoàn toàn từ dư của vật liệu, hai thông số này quyết định hình dạng của chu trình từ trễ.
Vật liệu siêu từ dẫn có 2 đường này chập thành một, cả Hc và Mr đều bằng không. Tuy nhiên, một số nghiên cứu chỉ ra rằng có một số tồn tại cần khắc phục khi ứng dụng vật liệu TiO2@Fe3O4. Hoạt tính quang hố của vật liệu không bền do hiện tượng hịa tan quang hố lõi từ làm mất hoạt tính của TiO2. Vì năng lượng vùng dẫn của Fe3O4 nằm thấp hơn so với năng lượng vùng dẫn của TiO2, nên khi TiO2 tiếp xúc trực tiếp với lõi từ Fe3O4 có sự chuyển dịch điện tích từ vùng dẫn của TiO2 xuống vùng dẫn của Fe3O4, dẫn tới quá trình khử xảy ra đối với lõi từ, hoà tan tạo thành các ion Fe, gây mất hoạt tính từ. Mặt khác, q trình oxi hố Fe2+ hồ tan từ lõi từ thành Fe3+ cũng là một quá trình cạnh tranh đối với phản ứng oxi hố chất hữu cơ ô nhiễm của TiO2.
Hơn thế nữa, sự chuyển điện tích xuống vùng dẫn của Fe3O4 có thể làm tăng sự tái kết hợp của electron và lỗ trống quang sinh, dẫn tới giảm hoạt tính xúc tác của vật liệu.
Hình 1.13. Sơ đồ chuyển điện tích cảm ứng cho chất bán dẫn titan dioxide (a) khơng có lớp trung gian trơ (b) với lớp trung gian trơ.
Để khắc phục hạn chế đó, nhiều cơng trình đã đưa thêm vào một lớp trung gian trơ giữa TiO2 và Fe3O4, ví dụ như SiO2 nhằm mục đích: ngăn cản sự dịch chuyển của electron và bảo vệ khơng cho q trình hồ tan lõi từ [21,24].