CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
2.3. Phương pháp phân tích
2.3.1. Phương pháp xác định đặc điểm của vật liệu
Các phương pháp sử dụng để đánh giá đặc trưng tính chất của vật liệu thông qua các phép đo: nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), phổ hồng ngoại (FTIR).
a. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
XRD là một kỹ thuật quan trọng để xác định cấu trúc của vật liệu. Từ giản đồ XRD có thể tính được hằng số mạng và ước tính kích thước.
Nguyên tắc của XRD dựa trên hiện tượng nhiễu xạ của tia X khi phản xạ trên mạng tinh thể nếu thỏa mãn điều kiện:
ΔL = 2.d.sinθ = n.λ
Ở đây, n là số nguyên nhận các giá trị 1, 2,...Đây là định luật Vulf-Bragg mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể.
Tập hợp các cực đại nhiễu xạ Bragg dưới các góc 2θ khác nhau có thể ghi nhận bằng phim hay detector.
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên tắc của phép đo nhiễu xạ tia X.
Hình ảnh nhiễu xạ được ghi lại và trình bày dưới dạng một nhiễu xạ đồ và được gọi là giản đồ nhiễu xạ. Giản đồ nhiễu xạ này so sánh với thư viện
33
các giản đồ chuẩn để xác định các pha có trong mẫu và cấu trúc. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, dựa trên các vị trí cực đại giao thoa, theo phương trình Bragg sẽ tính được khoảng cách giữa các mặt phẳng dhkl của họ các mặt phẳng. Từ mối liên hệ giữa dhklvà hằng số mạng của từng loại hệ cấu trúc tinh thể ta có thể xác định được các hằng số mạng của tinh thể đó.
b.Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét (được viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể quét bề mặt mẫu bằng một chùm tia điện tử hội tụ cao trong chân không, tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt của mẫu.
Hình 2.3. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh trong SEM:
Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng tương tự với việc tạo ra chùm điện tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua, tức là điện tử được tạo ra
34
từ súng phóng điện tử, sau đó được tăng tốc. Tuy nhiên việc hội tụ các chùm điện tử có bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ gây ra nhiều khó khăn nên thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 10kV đến 50kV. Điện tử được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Å đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu dựa vào các cuộn quét tĩnh điện. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề mặt của mẫu, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ thu được này.
c. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X(EDX)
Phổ tán xạ năng lượng tia X hay Phổ tán sắc 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
Kỹ thuật EDX chủ yếu được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử ở đó, ảnh vi cấu trúc 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 nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley:
Trong đó me là khối lượng của điện tử; qe là điện tích của điện tử, h là hằng số Planck.
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 cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này
35
Hình 2.4. 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
d. Phương pháp đo phổ hồng ngoại (FTIR)
Quang phổ hồng ngoại (gọi tắt là quang phổ IR) là quang phổ được thực hiện ở vùng hồng ngoại của phổ bức xạ điện từ, ánh sáng vùng này có bước sóng dài hơn và tần số thấp hơn so với vùng ánh sáng nhìn thấy. Nhiều kỹ thuật về quang phổ hồng ngoại dựa trên tính chất này, mà hầu hết dựa trên cơ sở của sự hấp thụ quang phổ. Cũng giống như tất cả phương pháp quang phổ khác, quang phổ hồng ngoại có thể được sử dụng trong công tác xác định và nghiên cứu các hợp chất hóa học.
Phương pháp phân tích theo quang phổ hồng ngoại (FTIR) là một trong những kỹ thuật phân tích rất hiệu quả. Một trong những ưu điểm của phương pháp phổ hồng ngoại vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X, cộng hưởng từ điện tử…) đó là cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, không đòi hỏi nhiều phương pháp tính toán phức tạp. Các số liệu ghi nhận được từ quang phổ hồng ngoại cung cấp rất nhiều thông tin về chất nghiên cứu, chẳng hạn như nhận biết và đồng nhất các chất, xác định cấu trúc phân tử, nghiên cứu động học phản ứng, xác định độ tinh khiết, suy đoán về tính đối xứng của phân tử, phân tích định lượng.
36
Hình 2.5.Nguyên lý vận hành của máy quang phổ hồng ngoại
Phương pháp FTIR hoạt động dựa trên sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của vật chất cần nghiên cứu. Phương pháp này ghi nhận các dao động đặc trưng của các liên kết hóa học giữa các nguyên tử, cho phép phân tích với hàm lượng chất mẫu rất thấp và có thể phân tích cấu trúc, định tính và cả định lượng, với độ nhạy rất cao, ngay cả khi mẫu chỉ có bề dày cỡ 50 nm
e. Phương pháp điểm điện tích không
Điểm điện tích không (pHPZC) được xác định bằng máy đo pH (Hanna, Romani) theo phương pháp đo thế điện cực thuỷ tinh. Thí nghiệm xác định sơ bộ điểm điện tích không trong dung dịch muối KCl: Lấy 25ml dung dịch KCl 0,1M đã pha vào 7 cốc, điều chỉnh giá trị pH bằng dung dịch HCl 0,1M hoặc dung dịch NaOH 0,1M để được các giá trị pHi = 2, 4, 6, 7, 8, 10 và 12. Đổ các dung dịch đã chuẩn pHi ở trên vào các bình tam giác đã chứa chất hấp phụ là than bùn (0,5g than bùn), đậy kín, cho lên máy lắc trong 48 giờ. Để lắng, lọc sạch huyền phù bằng giấy lọc, đo lại các giá trị pH gọi là pHf. Xác định được: ΔpH = pHf - pHi.
Làm tương tự với dung dịch KCl 0,01M. Thí nghiệm xác định chính xác điểm điện tích không trong dung dịch muối KCl tương tự thí nghiệm xác định sơ bộ, nhưng khoảng pH được chia nhỏ hơn.
37