CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ
2.4. Phương pháp phân tích
- Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X - EDX: được sử dụng xác định thành phần hóa học trong thành phần mẫu chất rắn, vật liệu dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ gây ra mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử. Dưới tác dụng của chùm điện tử có năng lượng lớn khi được chiếu vào mẫu vật rắn sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử tạo nên các tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho các thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ lệ các nguyên tố này dựa trên nguyên tắc cường độ tia X được tạo ra tỉ lệ với tỉ phần nguyên tố có mặt trong mẫu. Tuy nhiên, độ phân giải của phép phân tích phụ thuộc vào kích cỡ chùm điện tử và độ nhạy của detector. Trong khuôn khổ luận án, phép phân tích được thực hiện trên thiết bị FESEM S-4800 tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
- Phương pháp nhiễu xạ tia X - XRD: được sử dụng với mục đích xác định cấu trúc vật liệu, chất rắn, dạng cấu trúc tinh thể của mẫu, độ đơn pha của mẫu, khoảng cách các mặt của tinh thể của mẫu, định lượng các pha có trong mẫu, kích thước hạt tinh thể và có thể áp dụng cho các mẫu có cấu trúc nano. Nhiễu xạ tia X được ứng dụng rộng rãi để khảo sát cấu trúc của các tinh thể nano và tính toán kích thước tinh thể [112]. Trong khuôn khổ luận án, phép phân tích được thực hiện trên máy D8 Advance-Bruker tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.
- Phương pháp phổ khối plasma ICP: được dùng để phân tích các nguyên tố cơ bản trong bảng hệ thống tuần hoàn với độ nhạy cao, được dùng để phân tích nguyên tố vết, nguyên tố đồng vị với giới hạn phát hiện thấp và có độ chính xác cao. Ưu điểm của
phương pháp là có thể xác định đồng thời nhiều nguyên tố kim loại trong một mẫu phân tích. Trong khuôn khổ luận án, phép phân tích dùng để xác định hàm lượng kim loại, kim loại đất hiếm có trong mẫu rắn, trong dung dịch hòa tách, muối đất hiếm thu hồi.
Phép phân tích được thực hiện trên thiết bị ICP-MS ELAN 9000 tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội và tại Viện công nghệ xạ hiếm.
- Phương pháp kính hiển vi điện tử quét - SEM: được dùng để quan sát, đánh giá vi cấu trúc bề mặt của vật liệu dựa trên khả năng độ phóng đại từ 10 đến hàng triệu lần với độ phân giải rất lớn tới kích thước nanomet bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu. Hình ảnh của vật liệu được thực hiện thông qua ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu. Tuy nhiên các yếu tố ảnh hưởng đến thông số và chất lượng ảnh của phép đo SEM gồm: độ sâu trường, nguồn điện tử, độ phân giải, các kiểu ảnh, cách chuẩn bị mẫu [113]. Trong khuôn khổ luận án, phép đo được thực hiện trên thiết bị hiển vi điện tử quét Hitachi-S4800 tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
- Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng - TGA: đây là kỹ thuật phân tích nhiệt dùng trong nghiên cứu vật lý chất rắn, vật liệu và hóa học. Phương pháp này cho phép xác định tính chất chuyển pha nhiệt của mẫu thông qua việc đo dòng nhiệt tỏa ra hoặc thu vào từ mẫu được đốt nóng trong dòng nhiệt với nhiệt độ quét ở các tốc độ khác nhau. Nguyên lý của phương pháp là phân tích sự thay đổi khối lượng của mẫu theo sự thay đổi nhiệt được ghi lại như hàm số của nhiệt độ hoặc thời gian và dựa trên sự thay đổi nhiệt, nhiệt lượng tỏa ra từ mẫu khi bị đốt nóng và so sánh với thông tin từ mẫu chuẩn. Trên biểu đồ thu được sẽ thể hiện sự biến đổi của vật liệu với các quá trình như chuyển pha, kết tinh, oxy hóa, thăng hoa, nóng chảy… Trong khuôn khổ luận án, phương pháp phân tích được thực hiện trên thiết bị Netsch STA 409 PC Luxx thuộc Viện Kỹ thuật Hóa học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Phương pháp hấp phụ đa lớp Brunauer-Emmett-Teller (BET): được sử dụng để xác định diện tích bề mặt riêng của vật liệu, kích thước lỗ hổng mao quản. Trong phương pháp này diện tích bề mặt riêng được tính theo công thức 2.16 [114]:
S = N.Am.nm (m2/g) (2.16) Trong đó: N – số Avogadro (số phân tử/mol)
Am – diện tích bị chiếm bởi một phân tử (m2/phân tử) nm – dung lượng hấp phụ (mol/g)
Bên cạnh đó, phép phân tích có thể xây dựng đường phân bố mao quản, từ đó tìm kích thước trung bình của mao quản dựa theo phân loại của IUPAC (International Union of Pure Applied Chemistry) [115] với các loại đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ đặc trưng biểu diễn trên hình 2.10.
Hình 2.10. Các dạng đường hấp phụ - giải hấp phụ theo tiêu chuẩn IUPAC [115]
Trong khuôn khổ luận án, các phân tích được thực hiện trên thiết bị đo Tristart- 3000 Micromeritic tại Phòng thí nghiệm Vật liệu và Công nghệ Thân thiện Môi trường - Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST) - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
- Phương pháp phản xạ khuyếch tán UV-vis chất rắn: đây là phương pháp áp dụng đối với các mẫu không trong suốt như các mẫu rắn khi chùm sáng không thể xuyên qua được mà bị tán xạ (phản xạ-khuyếch tán), theo rất nhiều hướng khác nhau do bề mặt của chất rắn không thực sự bằng phẳng. Nguyên lý của phương pháp là khi ánh sáng tương tác với mẫu sẽ tạo ra các tia tán xạ theo nhiều hướng khác nhau, các tia tán xạ này va đập vào thành trong của cầu tích phân và bị tán xạ nhiều lần cho đến khi thoát ra được cửa sổ đề đi vào detector. Ứng dụng của phương pháp đo UV-Vis phản xạ đó là xác định độ sáng của vật liệu, xác định độ phản xạ khuyếch tán của các mẫu bột và trong nghiên cứu này là tính độ rộng vùng cấm của các vật liệu bán dẫn. Trong khuôn khổ luận án, mẫu phân tích được thực hiện trên thiết bị UV-vis NIR Spectrometer (Cary 5000, Varian
– USA), tại Trung Tâm khoa học vật liệu (CMS) - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội.
- Phương pháp pháp phổ UV – Vis: Đây là phương pháp trắc quang được sử dụng để xác định nồng độ của các chất thông qua độ hấp thu của dung dịch. Nguyên lý của phương pháp là cho chùm ánh sáng có độ dài sóng xác định có thể thấy được -Vis hay không thấy được UV - IR đi qua dung dịch thể hiện trên hình 2.11. Dựa vào lượng ánh sáng đã bị hấp thu bởi dung dịch mà suy ra nồng độ hay hàm lượng của dung dịch đó. Phổ hấp thụ của một chất được đặc trưng bởi bước sóng max mà tại đó sự hấp thụ là lớn nhất.
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý đo của phương pháp UV-VIS
Io = IA + Ir + l (2.17)
Trong đó: Io - Cường độ ban đầu của nguồn sáng.
I - Cường độ ánh sáng sau khi đi qua dung dịch.
IA - Cường độ ánh sáng bị hấp thu bởi dung dịch.
Ir - Cường độ ánh sáng phản xạ bởi thành cuvet và dung dịch.
C - Nồng độ mol chất ban đầu.
L - Chiều dày lớp dung dịch mà ánh sáng đi qua.
Trong khuôn khổ luận án, mẫu phân tích được thực hiện trên thiết bị Shimadzu UV-2600 tại Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Kết luận chương 2
Từ các kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hòa tách, thu hồi và bằng phương pháp tối ưu hóa đã xác định được điều kiện tối ưu thu hồi tổng kim loại có trong nam châm đất hiểm trong ổ cứng máy tính thải bỏ. Thành phần, pha cấu trúc của bột nam châm và muối thu hồi được xác định bằng phương pháp phổ khối plasma ICP và giản đồ nhiễu xạ tia X.
Với các khảo sát thực nghiệm để chế tạo ra vật liệu được đưa ra thành quy trình tổng hợp vật liệu nano perovskite đất hiếm bằng phương pháp sol - gel từ muối đất hiếm được thu hồi từ bộ phận nam châm của ổ cứng máy tính thải bỏ. Thành phần, cấu trúc, kích thước và hình dạng được xác định thông qua giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ tán xạ năng lượng tia X, kính hiển vi điện tử quét và hấp phụ đa lớp Brunauer-Emmett-Teller.
Qui trình nung dựa trên kết quả phân tích nhiệt trọng lượng – TGA. Đặc tính quang xúc tác của vật liệu được xác định bằng phép đo phản xạ khuyếch tán UV-vis chất rắn và thông qua các thí nghiệm phân hủy MB, nồng độ dung dịch được xác định bằng phương pháp pháp phổ UV - Vis.