CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM
2.2. Quy trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu
2.2.1. Tổng hợp vật liệu Fe3O4/GO
Quá trình tổng hợp Fe3O4/GO được tiến hành theo sơ đồ Hình 2.1:
Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp Fe3O4/GO
GO được tổng hợp từ nguồn graphit sigma tại phịng thí nghiệm Hóa lý bề
mặt, Viện Hóa học sử dụng tác nhân oxy hóa là H2SO4 và KMnO4 so với phương
pháp Humer ban đầu phương pháp này không sử dụng tiền chất độc hại NaNO3
trong q trình oxy hóa cũng như giảm bớt lượng H2SO4 sử dụng.
Bƣớc 1: Cân một lượng GO được tổng hợp tại phịng thí nghiệm Hóa lý bề
mặt, Viện Hóa học theo quy trình đã cơng bố [1,10] theo tính tốn, phân tán với 110 mL nước cất sau đó cho vào trong thiết bị phản ứng bình 3 cổ dung tích 1L với thiết bị sục khí N2.
ƣớc 2: Nhỏ dung dịch hỗn hợp hai muối Fe3+ và Fe2+ (tỷ lệ mol Fe3+/Fe2+ = 2:1)
vào hệ phản ứng chứa GO sao cho hàm lượng Fe3O4 chiếm 30 % về khối lượng và
khuấy 15 phút.
ƣớc 3: Nâng nhiệt độ lên 80o
C rồi thêm NH4OH vào hệ phản ứng (pH = 10).
ƣớc 4: Sản phẩm được lọc rửa b ng H2O và C2H5OH đến pH = 7, sấy chân
không ở 60oC trong 6 giờ và sau đó được ủ nhiệt ở 500oC trong 1 giờ (trong khí N2
99,9%) thu được vật liệu Fe3O4/GO.
2.2.2. Tổng hợp vật liệu Fe-Fe3O4/GO
Quá trình tổng hợp Fe-Fe3O4/GO với hàm lượng 10% Feo về khối lượng được
tiến hành theo sơ đồ Hình 2.2
Hình 2.2. Sơ đồ tổng hợp Fe-Fe3O4/GO
ƣớc 1: 1 g Fe3O4/GO được phân tán trong 100 mL nước cất có thiết bị sục
khí N2 được đặt vào trong hệ siêu âm, hỗn hợp được khuấy mạnh (500 vòng/p)
trong 30 phút.
ƣớc 2: Cho FeCl3.6H2O (Fe ~10% khối lượng) vào hệ phân tán Fe3O4/GO đã
chuẩn bị ở trên, khuấy kết hợp siêu âm trong 1 giờ để trao đổi ion.
ƣớc 3: Nhỏ từ từ 100 mL dung dịch NaBH4 0,15 M tốc độ 10ml/phút vào hệ phân tán trên, và siêu âm tiếp 30 phút.
2.2.3. Tổng hợp Fe/GO và Cu-Fe/GO bằng phương pháp cấy nguyên tử
Thiết bị phản ứng tổng hợp vật liệu b ng phương pháp cấy ngun tử được mơ tả trên Hình 2.3.
Hình 2.3. Mơ hình thiết bị theo phương pháp tổng hợp gián tiếp
1 – Buồng chứa chất mang; 2 – buồng chứa muối sắt và muối đồng có thể thăng hoa; 3 - ống thạch anh; 4 – vách ngăn có lỗ; 5 – l nung; 6 – bộ điều chỉnh nhiệt
độ l nung; 7 – van điều chỉnh tốc độ d ng khí N2; 8 – bình chứa khí N2
Điều chỉnh nhiệt độ lò nung đến nhiệt độ thăng hoa của muối sắt hoặc đồng. Muối khi bị phân hủy bởi nhiệt độ cao tạo ra các nguyên tử kim loại, hơi nguyên tử Fe (Cu) được dịng khí mang cuốn sang buồng chứa GO. Dưới sự dao động nhiệt của các tâm C, C-OH, COOH… cùng với động năng lớn của các nguyên tử Fe (Cu), các nguyên tử Fe (Cu) có thể thay thế các tâm cacbon trong mạng lưới GO. Ưu điểm của phương pháp này là có thể đưa một lượng lớn kim loại vào vật liệu khi tăng thời gian bắn. Tuy nhiên, nếu lượng kim loại vào q nhiều thì có thể làm giảm độ phân tán do sự co cụm của các nguyên tử kim loại.
Tổng hợp Fe/GO
- ƣớc 1: Cân một lượng muối Fe(III) và GO được tính tốn theo tỷ lệ 20% về
khối lượng
- ƣớc 2: Lắp vào hệ thiết bị lị ống có hệ thống gia nhiệt tự động b ng bộ
điều khiển nhiệt độ, sục khí N2 tạo mơi trường khí trơ.
- ƣớc 3: Nâng nhiệt độ lên 500oC rồi giữ trong 30 phút.
- ƣớc 4: Để nguội và lấy sản phẩm ra.
Tổng hợp Cu-Fe/GO
ƣớc 1: Cân một lượng FeCl3.6H2O, CuCl2.4H2O và GO sao cho hàm lượng
Cu/Fe/GO theo tỷ lệ 2/18/80 về khối lượng theo tính tốn. Sản phẩm được lắp vào hệ thiết bị như hình 2.3
ƣớc 2: Hệ thiết bị được gia nhiệt lên 500oC với tốc độ nâng nhiệt nhỏ hơn
10oC/ phút, sau thời gian phản ứng 30 phút, để nguội thu được sản phẩm Cu-Fe/GO.
Có thể mơ tả q trình thăng hoa của các muối như sau: Thứ nhất, các nguồn
Fe, Cu đều đi từ dạng muối dễ hóa hơi ở nhiệt độ tương đối thấp (400oC – 600oC) ở
đây chúng tôi dùng FeCl3, CuCl2. Q trình hình thành các nano oxit Fe, Cu có thể
xảy ra như sau: GO ở nhiệt độ 450-500 thì các liên kết C-O-C, C=O bị dãn ra, dễ bị tấn cơng, thậm chí 1 phần bị cắt đứt b ng nhiệt phân. Trong khi đó các ion Fe, Cu ở dạng thăng hoa rất hoạt động, có động năng lớn tấn cơng vào các liên kết bị suy yếu hoặc các khuyết tật tạo ra từ sự đứt gãy của liên kết để hình thành các oxit kích thước nhỏ, phân tán cao trong khung mạng của GO. Đây là phương pháp mới để đưa các ion kim loại lớn khó tổng hợp trực tiếp vào trong khung mạng của zeolit cũng như các vật liệu tương tự.
2.2.4. Tổng hợp vật liệu CuFe2O4/GO
Hình 2.4. Sơ đồ tổng hợp CuFe2O4/GO