CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
3.1. Kết quả phân tích cấu trúc, thành phần và tính chất quang của vật liệu
Kết quả phân tích cấu trúc, thành phần của vật liệu TSH rơm rạ, vật liệu nano composite Fe3O4/ZnO và TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO được thực hiện qua các phép đo XRD, SEM và EDX.
Kết quả đo giản đồ nhiễu xạ tia X được thể hiện trên Hình 3.1. Kết quả cho thấy, TSH rơm rạ là dạng carbon vô định hình vì trên giản đồ XRD chỉ xuất hiện một số đỉnh nhiễu xạ có cường độ rất nhỏ (ký hiệu màu đen trên hình 3.1). Kết quả này cũng tương tự với nghiên cứu của [13], theo đó các đỉnh nhiễu xạ có cường độ rất nhỏ có thể do sự hình thành pha silica kết tinh trong TSH rơm rạ. Giản đồ XRD của mẫu Fe3O4/ZnO cho thấy chỉ thể hiện các đỉnh nhiễu xạ chính của ZnO trong khoảng góc 2 từ 20 đến 70 độ tương ứng với cấu trúc tinh thể lục giác của ZnO. Theo các tác giả [35-14], các đỉnh cực đại nhiễu xạ ở góc 2 = 31,650; 34,30; 56,430; 69,090 tương ứng với các mặt (102), (100), (110) và (201).
Như vậy, trên giản đồ XRD của vật liệu Fe3O4/ZnO không thấy có sự xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ của kim loại Fe hay các oxit của Fe. Có thể do phương pháp XRD không phát hiện được cấu trúc tinh thể nếu hàm lượng pha tạp dưới 3%. Giản đồ XRD của các mẫu của TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO (đường màu xanh) cho thấy sự hiện diện của các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho Fe3O4
tại các vị trí góc 2 là: 30,2080; 35,460; 57,0480 và 62,4380 tương ứng với các mặt (220), (311), (511) và (440). Giản đồ XRD cũng thể hiện rõ các đỉnh nhiễu xạ chính của ZnO tương ứng với cấu trúc tinh thể lục giác với các đỉnh cực đại nhiễu xạ ở góc 2 = 31,650; 34,30; 56,430; 69,090 tương ứng với các mặt mạng (100), (102), (110) và (201) [36][14]. Các kết quả thu được từ phổ XRD chứng tỏ quá trình gắn kết TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO đã thành công.
Các đỉnh nhiễu xạ còn cho thấy độ mở rộng vạch phổ của mẫu khá lớn chứng tỏ mẫu có kích thước nhỏ [16][36]. Ngoài ra, không thấy có thêm sự
41
xuất hiện các đỉnh pha khác ngoài ZnO và Fe3O4 trong phổ XRD, chứng tỏ mẫu vật liệu composite được chế tạo có độ tinh khiết cao và thành phần như mong muốn.
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của vật liệu
Hình thái học của vật liệu TSH rơm rạ và vật liệu TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO được nghiên cứu thông qua phép đo ảnh SEM trên hình 3.2.
Kết quả cho thấy, trước khi biến tính hình thái bề mặt của của TSH rơm rạ có dạng carbon vô định hình với độ rỗng, xốp khá cao. Sau khi biến tính với Fe3O4/ZnO, ảnh SEM cho thấy các hạt nano với kích thước hạt nhỏ phân tán tốt trên bề mặt than sinh học. Chứng tỏ việc gắn kết các hạt nano hai thành phần Fe3O4/ZnO với TSH rơm rạ đã thành công. Kết quả này cũng rất phù hợp với công bố của nhóm tác giả [13] khi thực hiện gắn kết TSH rơm rạ với các hạt nano hai thành phần Fe3O4/ZnO có dạng hình que với cấu trúc lõi bên trong là hạt Fe3O4 bên ngoài được bao bọc bởi nano ZnO.
42
Hình 3.2. Ảnh SEM của vật liệu TSH rơm rạ và TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO Từ hình 3.2 ta cũng thấy rằng, vật liệu composite Fe3O4/ZnO được phân bố trên bề mặt than sinh học rơm rạ không đồng đều tạo nên nhiều khoảng hổng và có tác dụng làm tăng độ xốp của vật liệu TSH[35]. Ảnh bề mặt chụp bề mặt vật liệu ở cùng độ phóng đại cũng cho thấy mẫu TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO có dạng lỗ rỗng và xốp hơn so với mẫu TSH ban đầu (hình 3.2).
Để có thêm thông tin về vật liệu, chúng tôi đã tiến hành phân tích thành phần của vật liệu thông qua phép phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX).
Kết quả phân tích phổ EDX của TSH rơm rạ trước khi biến tính và của vật liệu TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO được thể hiện trên Hình 3.3).
Qua phân tích phổ EDX của vật liệu than sinh học rơm rạ và TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO có thể thấy: Đối với TSH rơm rạ, trên phổ EDX chỉ xuất hiện các đỉnh phổ đặc trưng cho các nguyên tố C, O, Mg, Si, Cl, K và Ca với tỷ lệ
% khối lượng tương ứng là 68,23%, 24,38%, 0,26%, 1,26% và 1,95%. Trong khi đó, trên phổ EDX của vật liệu TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO có sự hiện diện của các nguyên tố chính C, O, Si, K, Fe, Zn với tỷ lệ lần lượt là C (61,23%), O (33,84%), Si (1,81%), K (0,73%), Fe (0,3%) và Zn (2,09%). Như vậy, kết quả
43
từ phân tích dữ liệu EDX đã thấy rõ sự hiện diện của các thành phần của nano Fe3O4/ZnO mà trong vật liệu TSH rơm rạ ban đầu không có. Đồng thời các thành phần Mg và Ca không phát hiện bằng phân tích EDX trong mẫu TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO. Điều đó có thế là do tỉ lệ % của các nguyên tố này giảm đáng kể hoặc bị trao đổi với các thành phần nano khi gắn kết. Kết quả này chứng tỏ vật liệu nano này đã được gắn kết thành công vào TSH rơm rạ.
Ngoài ra, không thấy sự có mặt của các nguyên tố lạ. Chứng tỏ, vật liệu TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO tổng hợp được có độ tinh khiết cao.
Hình 3.3. Kết quả phân tích EDX của vật liệu TSH rơm rạ và TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO
3.1.2. Kết quả phân tích tính chất quang của vật liệu
Để nghiên cứu các đặc trưng tính chất quang của vật liệu nano TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO chúng tôi đã tiến hành đo phổ hấp thụ quang của 3 loại vật liệu: TSH rơm rạ, Fe3O4/ZnO, TSH rơm rạ Fe3O4/ZnO. Kết quả được thể hiện qua hình 3.4.
44
Hình 3.4. Phổ hồng ngoại (IR) của các vật liệu TSH rơm rạ/Fe3O4/ZnO Kết quả cho thấy, đối với phổ của hệ Fe3O4/ZnO các đỉnh tương ứng với số sóng 3462cm-1, 1646cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết O-H, các đỉnh có cường độ bé hơn 840cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết Fe-O [14]. Đối với các vật liệu TSH rơm rạ/ Fe3O4/ZnO thì đỉnh có số sóng 3676cm-1 đặc trưng cho dao động liên kết O-H, đối với số sóng 1585 cm-1 là dao động của liên kết C=C, các số sóng 1403cm-1,1306cm-1, 793cm-1 đặc trưng cho liên kết C-H, số sóng 1064cm-1 đặc trưng cho liên kết C-O [15]. Có thể thấy so với vật liệu TSH rơm rạ thì các vật liệu Fe3O4 /ZnO và TSH rơm rạ Fe3O4/ZnO có số liên kết O-H, C-O và C=C được tạo thành nhiều hơn.
45
Hình 3.5. Giá trị điểm đẳng điện (pHpzc) của vật liệu
Đối với các vật liệu sử dụng cho phản ứng xúc tác thì giá trị của điểm đẳng điện rất quan trọng (pHpzc), điểm đẳng điện cho biết điều kiện khi đó điện tích trên bề mặt của vật liệu bằng không. Kết quả của điểm đẳng điện được thể hiện qua (hình 3.5). Kết quả cho thấy điểm đẳng điện của vật liệu than sinh học rơm rạ là 7,44 và của vật liệu TSH/ Fe3O4/ZnO là 7,64.