1.1 .Laterit
1.1.1 .Giới thiệu về laterit
2.4. Phương pháp nghiên cứu đặc trưng cấu trúc của vật liệu
2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD).
Nguyên tắc xác định: Theo nguyên lý về cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây
dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một quy định xác
định. Khi chùm tia Rơnghen đến bề mặt tinh thể và đi vào bên trong mạng lưới tinh thể
thì mạng lưới này đóng vai trị như các phân tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ phát ra thành các tâm phát ra các tia phản xạ.
Hình 2.1. Tia tới và tia phản xạ trên tinh thể
Nguyên tắc cơ bản của phương pháp nhiễu xạ tia X là dựa vào phương trình Vulf-
bragg: nλ= 2d.sinθ
Trong đó: n là bậc nhiễu xạ λ- là bước sóng của tia X
d- khoảng cách giữa hai mặt phẳng tinh thể
θ- góc giữa tia tới và mặt phẳng phản xạ
Với mỗi nguồn tia X có bước sóng xác định, khi thay đổi góc tới θ, mỗi vật liệu có giá trị đặc trưng. So sánh giá trị d và d chuẩn sẽ xác định được cấu trúc mạng tinh thể của chất nghiên cứu.
Có nhiều phương pháp để nghiên cứu cấu trúc bằng tia X:
- Phương pháp bột: khi mẫu nghiên cứu là bột tinh thể, gồm những vi tinh thể nhỏ li ti.
- Phương pháp đơn tinh thể: khi mẫu bột nghiên cứu gồm những đơn tinh thể có kích thước đủ lớn, thích hợp cho việc nghiên cứu.
Từ hình ảnh nhiễu xạ ghi nhận được ta biết được cấu trúc của mẫu.
Ứng dụng: phương pháp nhiễu xạ tia X được dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể
vật liệu. Ngoài ra phương pháp này cịn có thể ứng dụng để xác định động học của q trình chuyển pha, kích thước hạt và xác định đơn lớp bề mặt của xúc tác kim loại trên chất mang [13, 14].
Thực nghiệm: Phổ nhiễu xạ Rơnghen của vật liệu được đo bằng máy D8 Advance - Bruker, tại Khoa hóa học, Trường đại học khoa học tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội.
2.4.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)[16, 18]
Hiển vi điện tử là phương pháp sử dụng chùm tia electron năng lượng cao để khảo sát những vật thể rất nhỏ. Kết quả thu được qua những khảo sát này phản ánh về mặt hình thái, diện mạo và tinh thể của vật liệu mà chúng ta cần xác định. Phương diện hình thái bao gồm hình dạng, kích thước của hạt cấu trúc nên vật liệu. Diện mạo là các đặc trưng bề mặt của một vật liệu bao gồm kết cấu bề mặt hoặc độ cứng của vật liệu. Phương diện tinh thể học mô tả cách sắp xếp của các nguyên tử trong vật thể như thế nào. Chúng có thể sắp xếp có trật tự trong mạng tạo nên trạng thái tinh thể hoặc sắp xếp ngẫu nhiên hình thành dạng vơ định hình. Cách sắp xếp của các ngun tử một cách có trật tự sẽ ảnh hưởng đến các tính chất như độ dẫn, tính dẫn điện và độ bền của vật liệu.
Phương pháp hiển vi điện tử quét được phát triển lần đầu tiên vào năm 1942 và
thiết bị có giá trị thương mại được giới thiệu vào năm 1965. Phương pháp này được phát triển muộn hơn so với TEM là do những khó khăn về mặt điện tử trong việc quét dòng electron. Nhưng phương pháp SEM tỏ ra phổ biến hơn so với TEM do SEM có thể thu được những bức ảnh có chất lượng ba chiều cao, có sự rõ nét hơn và khơng đòi hỏi phức
tạp trong khâu chuẩn bị mẫu. Phương pháp SEM đặc biệt hữu dụng bởi vì nó cho độ phóng đại có thể thay đổi từ 10 đến 100.000 lần với hình ảnh rõ nét, hiển thị ba chiều phù
hợp cho việc phân tích hình dạng và cấu trúc bề mặt.
Hình 2.2. Sơ đồ ngun lý của kính hiển vi điện tử quét
qua một vật kính và được lọc thành một dịng hẹp. Vật kính chứa một số cuộn dây (cuộn
lái electron) được cung cấp với điện thế thay đổi, cuộn dây tạo nên một trường điện từ tác động lên chùm electron, từ đó chùm electron sẽ quét lên bề mặt mẫu tạo thành trường
quét. Tín hiệu của cuộn lái cũng được chuyển đến ống catôt để điều khiển quá trình quét
ảnh trên màn hình đồng bộ với quá trình quét chùm electron trên bề mặt mẫu. Khi chùm electron đập vào bề mặt mẫu tạo thành một tập hợp các hạt thứ cấp đi tới detector,
tại đây nó được chuyển thành tín hiệu điện và được khuyếch đại. Tín hiệu điện được gửi tới ống tia catôt và được quét lên màn hình tạo nên ảnh. Độ nét của ảnh được xác định bởi số hạt thứ cấp đập vào ống tia catơt, số hạt này lại phụ thuộc vào góc bắn ra của electron khỏi bề mặt mẫu, tức là phụ thuộc vào mức độ lồi lõm bề mặt. Vì thế ảnh thu được sẽ phản ánh diện mạo bề mặt của vật liệu.
Thực nghiệm: Hình ảnh bề mặt vật liệu qua kính hiển vi điện tử quét SEM được đo
bằng máy Nova Nano SEM 450 – FEI – HUS - VNU, tại bộ môn chất rắn, khoa vật lý,
Đại học khoa học tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội.
2.4.3. Phương pháp tán xạ năng lượng EDX
Phổ tán xạ năng lượng tia X, hay phổ tán xạ năng lượng là kỹ thuật phân tích
thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi
điện tử). Trong các tài liệu khoa học, kỹ thuật này thường được viết tắt là EDX hay EDS
xuất phát từ tên gọi tiếng Anh Energy-Dispersive X- ray Spectroscopy [15].
Nguyên lí EDX
Kỹ thuật EDX chủ yếu được thực hiện qua kính hiển vi điện tử, trong đó, ảnh vi cấu trúc vật rắn được chi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao tương tác với vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao tương tác với vật rắn. Khi chùm điện tử có năng lượng lớn được chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử. Tương tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với số nguyên tử (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley:
Có nghĩa là, tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ thơng tin về các ngun tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này.
Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhưng chủ yếu EDX được phát triển trong các kính hiển vi điện tử, ở đó các phép phân tích được thực hiện nhờ các chùm điện tử có
năng lượng cao và được thu hẹp nhờ các chùm điện tử có năng lượng cao và được thu hẹp
nhờ hệ thấu kính điện tử. Phổ tia X phát ra sẽ có tần số (năng lượng photon tia X) trải trong một vùng rộng và được phân tích nhờ phổ kế tán sắc năng lượng do đó ghi nhận thông tin về các nguyên tố cũng như thành phần. Kỹ thuật EDX được phát triển từ những
năm 1960 và thiết bị thương phẩm xuất hiện vào đầu những năm 1970 với việc sử dụng
detector dịch chuyển Si, Li hoặc Ge.
Hình 2.3. Nguyên lý của phép phân tích EDX
Khi chùm điện tử có năng lượng cao tương tác với các lớp vỏ điện tử bên trong của
nguyên tử vật rắn, phổ tia X đặc trưng sẽ được ghi nhận.
Thực nghiệm: Phổ tán xạ năng lượng tia X của vật liệu được đo bằng máy JED-
2300-Analysis station, JEOL, tại bộ môn chất rắn, khoa vật lý, Đại học khoa học tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội.