Chƣơng 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT
LIỆU
2.4.1. Phƣơng pháp phân tích nhiệt (Thermal analysis)
Phân tích nhiệt cho phép xác định tính chất nhiệt của vật chất hoặc là trực tiếp, hoặc là thông qua ảnh hƣởng của tác động nhiệt lên các tính chất cơ bản khác của vật liệu. Ba dạng phổ biến trong phân tích nhiệt:
- Phân tích nhiệt trọng lƣợng TG (Thermal Gravity): theo dõi sự thay đổi khối lƣợng của mẫu theo thời gian hoặc nhiệt độ khi mẫu đƣợc gia nhiệt theo chƣơng trình trong những điều kiện cụ thể cho trƣớc.
- Phân tích nhiệt vi sai DTA (Differential Thermal Analysis): là phƣơng pháp phân tích nhiệt dựa trên việc thay đổi nhiệt độ của mẫu đo và mẫu chuẩn đƣợc xem là một hàm của nhiệt độ.
- Phân tích nhiệt lƣợng vi sai quét DSC (Differential Scanning Calorimetry): là một kỹ thuật phân tích nhiệt đƣợc dùng phổ biến trong nghiên cứu vật lý chất rắn, khoa học vật liệu, hóa học, cho phép xác định các tính chất chuyển pha nhiệt của mẫu thơng qua việc đo dịng nhiệt tỏa ra (hoặc thu vào) từ một mẫu đƣợc đốt nóng trong dịng nhiệt với nhiệt độ quét trong các tốc độ khác nhau. Thuật ngữ "vi sai" chỉ việc xác định sự sai khác
giữa nhiệt độ (hay dòng nhiệt) của mẫu đối với một mẫu chuẩn đƣợc đặt trong cùng điều kiện.
Trong luận văn này, các mẫu đƣợc ghi TG-DSC trên máy Labsys EvoTG/DSC-SETARAM - Pháp (Khoa Hóa học - Trƣờng đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội) với tốc độ quét 10oC/phút, từ nhiệt độ phòng đến 800oC.
2.4.2. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Trong luận văn này, phƣơng pháp XRD đƣợc sử dụng để xác định mức độ kết tinh của vật liệu, thành phần các pha, kích thƣớc trung bình của các hạt vi tinh thể có mặt trong mẫu...
Các giản đồ XRD của bột TiO2 đƣợc ghi trên nhiễu xạ kế tia X D8 Advance Brucker (Đức) tại khoa Hóa học - Trƣờng đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội với tia phát xạ CuKα có bƣớc sóng λ = 0,154056 nm, công suất 40 KV, 40 mA, ghi ở nhiệt độ 25oC, góc quét 2 từ 20o - 70o và tốc độ qt 0,03o/s.
Kích thƣớc hạt trung bình D (nm) đƣợc xác định theo công thức Scherrer nhƣ sau: 0,89 cos cos K D B B (2.5) Trong đó:
- là bƣớc sóng của tia X (nm) ( = 0,154056 nm đối với CuK );
- B là độ rộng bán cực đại của vạch và B = (FWHM.π)/180 (radian); - là góc nhiễu xạ (độ) (lƣu ý trên giản đồ vị trí của peak làgóc 2); - K là hệ số chuyển đổi thƣờng đƣợc lấy giá trị là 0,89.
Dựa vào sự phụ thuộc giữa cƣờng độ peak nhiễu xạ và hàm lƣợng mỗi pha trong hỗn hợp có thể xác định thành phần pha anata và rutin có trong các mẫu TiO2 qua biểu thức:
% 100 . ) / ( 8 , 0 1 1 R A R I I X (2.6)
Trong đó: XR là hàm lƣợng (%) của pha rutin.
IA là cƣờng độ của peak đặc trƣng pha anata (101) IR là cƣờng độ của peak đặc trƣng pha rutin (110)
Các thông số mạng a (a = b) và c trong cấu trúc tinh thể TiO2 có thể đƣợc tính bằng cách dựa vào định luật Bragg (2d sinθ = λ) và công thức cho hệ tứ phƣơng: 2 2 2 2 2 2 1 h k l d a c (2.7)
2.4.3. Phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX)
Khi chùm điện tử có năng lƣợng lớn đƣợc chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tƣơng tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử. Tƣơng tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X, năng lƣợng của tia X đặc trƣng này là năng lƣợng chênh lệch của các electron ở hai lớp khác nhau. Nó hồn tồn xác định và phụ thuộc vào số khối của nguyên tử. Đêtectơ có nhiệm vụ biến đổi tia X đặc trƣng thành tín hiệu điện có biên độ tỷ lệ thuận và tuyến tính với năng lƣợng các tia X này. Phân tích vị trí, cƣờng độ các vạch phổ của các tia X đặc trƣng cho ta biết thành phần và hàm lƣợng của các nguyên tố tại vị trí phân tích.
Các phổ EDX trong luận văn này đƣợc đo cùng với hiển vi điện tử quét SEM trên hệ máy JEOL JED-2300 Analysis Station tại khoa Vật lí, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
2.4.4. Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua TEM
Khi một chùm electron đƣợc gia tốc bởi điện áp cao xuyên qua một mẫu mỏng, chúng sẽ tƣơng tác với các nguyên tử trong mẫu. Chùm tia truyền qua mẫu đƣợc khuếch đại thành ảnh hiển vi điện tử. Phân tích các ảnh hiển vi điện tử này cho thấy các thơng tin về kích thƣớc, hình dạng, sự phân bố của các hạt
tinh thể, khoảng cách giữa các mặt phẳng mạng và sai hỏng của cấu trúc bên trong mẫu vật liệu. Nhờ những tiến bộ về kĩ thuật điện tử và máy tính, hình thái của vật liệu có kích thƣớc nm và kích cỡ phân tử có thể đƣợc ghi nhận bởi kính hiển vi điện tử phân giải cao (HRTEM).
Trong luận văn này, ảnh TEM của sản phẩm đƣợc ghi trên kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010 tại Viện Vệ sinh dịch tễ trung ƣơng, hệ số phóng đại M = 600000, độ phân giải δ = 3Å, điện áp gia tốc U = 40 ÷ 100 kV.