CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.5 Sắt (II,III) oxit (Fe3O4)
Vật liệu Sắt (II,III) oxit là chất bán dẫn loại n, do đó có thể kết hợp với chất bán dẫn loại p để hình thành một tổ hợp vật liệu n-p, tăng cường khả năng phân tách, di chuyển electron và lỗ trống quang sinh để làm tăng hiệu quả xúc tác quang. Tuy nhiên, điểm đáng chú ý nhất của Fe3O4 là tính chất từ tính của vật liệu, đây là một tính chất rất được các nhà khoa học quan tâm hiện nay bởi tính kinh tế và an tồn sinh học.
Hình 1.12 Cấu trúc tinh thể của Fe3O4
Oxit sắt từ Fe3O4 được viết dưới dạng FeO.Fe2O3 trong đó tỷ lệ Fe2+ và Fe3+
là 1:2. Hạt oxit sắt từ Fe3O4 có cấu trúc tinh thể spinel đảo, có cấu trúc tinh thể với ô đơn vị lập phương tâm mặt. Cấu trúc của sắt từ tuân theo cấu trúc ferit, các spin của 8 ion Fe3+ chiếm vị trí tứ diện, sắp xếp ngược chiều và khác nhau về độ lớn với spin của 8 ion Fe3+ và 8 ion Fe2+ ở vị trí bát diện. Các ion Fe3+ ở vị trí tứ diện ngược chiều với các ion Fe2+ ở vị trí bát diện nên chúng triệt tiêu nhau. Mỗi phân tử Fe3O4 vẫn có moment từ do các spin của các ion Fe2+ ở vị trí bát diện gây ra và có độ lớn bằng 4PB.
Vật liệu Fe3O4 là chất xúc tác quang bán dẫn, sở hữu năng lượng vùng cấm thấp, có điện trở suất thấp nhất trong tất cả các oxit kim loại (5 x 105 Ω.m). Vật liệu Fe3O4 khơng chỉ có bề mặt hấp phụ tốt, dễ chuẩn bị mà còn tạo điều kiện tái sử dụng các chất xúc tác quang nano thông qua tách từ tính.
x Anbarasu cùng cộng sự đã tổng hợp vật liệu Fe3O4 từ tính bằng phương pháp đồng kết tủa với nguồn tiền chất là FeCl3 và FeSO4, việc bổ sung thêm chất ổn định PEG để tạo mơi trường phân tán giúp hình thành các tinh thể Fe3O4 và bảo
22 vệ kết tủa tạo thành khỏi sự kết tụ. Trong 3 giờ phản ứng, các hạt nano oxit sắt từ đã được tạo thành với độ từ bão hịa dao động từ 51-62 emu/g, cùng tính chất siêu thuận từ nhằm đáp ứng nhanh với từ trường bên ngoài [42].
x Tan Heng và cộng sự cũng đã tổng hợp vật liệu Fe3O4 hình cầu bằng cách tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trong dung môi hữu cơ. Nguồn tiền chất được sử dụng là FeCl3.6H2O, khi đó Fe3+ được khử một phần về Fe2+ bởi etylen glycol và hình thành các hạt Fe3O4. Ngoài ra, phương pháp cũng báo cáo việc bổ sung thêm natri axetat nhằm mục đích tránh sự kết tụ của vật liệu. Bên cạnh đó, nghiên cứu tạo ra các hạt oxit sắt biến tính bằng ethylenediamin nhằm mục đích ngăn q trình oxy hóa của vật liệu oxit sắt từ, tuy nhiên khi không sử dụng dung mơi biến tính, độ từ bão hịa cao gấp đơi khoảng 40 emu/g [43].
x Jing Xu và cộng sự thực hiện tổng hợp vật liệu bằng phương pháp sol-gel kết hợp với ủ chân không, nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tới từ độ bão hòa của vật liệu, nhiệt độ càng cao thì độ từ bão hịa của vật liệu càng tăng, cụ thể khi thực hiện tổng hợp vật liệu ở 400°C, độ từ bão hòa là 60 emu/g, nhưng khi giảm nhiệt độ xuống 250°C và 200°C thì giá trị tương ứng của độ từ bão hòa cũng giảm theo, tương ứng là 47 và 31 emu/g [44].
Ngồi ra, tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao, khả năng hấp phụ bề mặt tốt, đồng thời có thể hình thành xúc tác quang n-p với bismuth oxyidide (BiOI) làm tăng hiệu quả của tổ hợp xúc tác quang. Trong số các nghiên cứu về tổ hợp hai chất bán dẫn thì vật liệu Fe3O4 được xem là một trong những vật liệu hứa hẹn nhất khi kết hợp với BiOI bởi Fe3O4 là chất bán dẫn loại n kết hợp với BiOI là chất bán dẫn loại p để hình thành tổ hợp xúc tác quang BiOI/Fe3O4.
x Xin Xie cùng cộng sự đã nghiên cứu tổ hợp chất bán dẫn từ tính BiOI/Fe3O4 n- p này. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hiệu quả xúc tác quang phân hủy MO đạt 81% từ 54% của BiOI dưới nguồn ánh sáng Xenon 300W trong 120 phút.. [45].
x Shengwang Gao và cộng sự cũng đã thực hiện nghiên cứu tổ hợp xúc tác quang từ tính BiOI/Fe3O4 để phân hủy bisphenol A [46]. Nghiên cứu cũng chỉ ra xúc tác có thể dễ dàng tách ra và tái sử dụng xúc tác, với 5 lần được thực hiện, xúc tác quang vẫn cho thấy hiệu quả.
Bên cạnh đó, việc thay đổi bề mặt và chức năng hóa các vật liệu từ tính cũng được nghiên cứu. Các vật liệu từ tính có xu hướng kết tụ lại thành một cụm lớn do khoảng cách giữa các hạt nhỏ, năng lượng bề mặt cao và sự tồn tại của lực Van der Waals. Tất cả những điều này liên quan đến sự phân tán khơng đồng đều của chất xúc tác từ tính trong hỗn hợp xúc tác và sau đó làm mất hoạt tính xúc tác và từ tính một cách nhanh chóng. Vấn đề này thường được giải quyết bằng cách phủ một lớp bề mặt của chúng với chất bảo vệ thích hợp để ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp giữa các hạt từ tính, do đó cải thiện sự ổn định hóa học của của chúng. Một lớp graphen hay rGO có thể giúp các hạt từ tính để tạo thành cấu trúc lõi-vỏ từ tính, có thể giúp ngăn q trình oxy hóa của kim loại.
Vật liệu oxit sắt từ Fe3O4 cho thấy đây là vật liệu từ tính có tiềm năng cao cho sự phát triển của tương lai với đặc tính từ tính phù hợp, dễ dàng tái sử dụng và thu hồi, độc tính thấp, chi phí vật liệu thấp bởi tính sẵn có và dễ tổng hợp.