XRD là một phương pháp được sử dụng rộng rãi trong khoa học vật liệu để xác định tinh thể và tính chất cấu trúc và phát hiện ra sự khiếm khuyết tinh thể . Thậm chí vật liệu mao quản trung bình trật tự là vật liệu vô định hình , nhưng do cấu trúc mao quản đồng đều có độ trật tự cao nên vẫn có thể s ử dụng nhiễu xạ tia X. Do có đường kính mao quản rộng nên góc quét ở vùng góc hẹp 0o< 2 < 5o.
Nguyên tắc: Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo mô ̣t quy luâ ̣t xác đi ̣nh . Mỗi mặt mạng như một lớp phản xạ các tia X khi chúng chiếu vào các mặt này. Chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lưới thì mạng lưới đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ.
Hình 2.7 : Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể.
Các nguyên tử, ion này được phân bố trên các mặt song song, hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng song song cạnh nhau được tính theo công thức:
= 2.dhkl.sinhkl
Khi các tia này giao thoa với nhau ta sẽ thu được các cực đại nhiễu xạ, lúc đó bước sóng của tia X phải thoả mãn :
= 2.dhkl.sinθhkl = n Trong đó: : Hiệu quang trình của hai tia phản xạ θhkl: Góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ
dhkl: Khoảng cách giữa hai mặt phản xa ̣ h,k,l: Chỉ số Miller
n: Các số nguyên 0, 1, 2… chỉ các bậc phản xạ Đây chính là hệ thức Vulf-Bragg, là phương trình cơ bản dùng để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Khi biết các giá trị góc quét , θhkl ta có thể xác định được d. So sánh giá trị của d với d chuẩn, sẽ xác định được thành phần, cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu (vì mỗi chất có các giá trị d đặc trưng riêng). Vì thế phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu.
Các pic ở vùng 2θ thấp được định danh theo chỉ số Mille là (100), (110), (200). Pic (100) đặc trưng cho mao quản trung bình, pic (110) và (200) đặc trưng cho mức độ trật tự của vật liệu.
Với hệ có cấu trúc mao quản lục lăng:
d100 là khoảng cách của hai lớp mao quản song song. Khoảng cách 2 tâm mao quản hay tế bào mạng là:
a0 =
3 2d100
Độ dày thành mao quản là: tW = a0 – Dpore
Đối với các mạng tinh thể khác nhau thì không phải bất cứ mặt nào cũng thấy sự phản xạ. Đối với dạng lập sáu phương xếp chặt thì phản xạ xuất hiện đối với h+2k=3N với l chẵn, h+2k=3N1 với l lẻ hoặc h+2k=3N1 với l chẵn nhưng với h+ 2k=3N và l lẻ thì phản xạ không xuất hiện .
Thông số tế bào mạng a của cấu trúc tinh thế thu được bằng các phương trình phụ thuộc sau theo từng loại nhóm không gian :
a= Qhkl.dhkl
Với nhóm không gian lục lăng P6mm SBA-15:
Qhkl = 222 2 2 3 4 c l a hk k h
Đối với dạng lục lăng thì a = dhkl
3 2
Phương pháp này đã cung cấp các thông tin rõ ràng vể các phân tử có tỉ lệ thành phần khối lượng trong hơ ̣p chất đủ lớn . Tuy nhiên đối với các ha ̣t có tỉ lê ̣ thành phần khối lượng ≤ 5% hoă ̣c vô đi ̣nh hình thì không thể phát hiê ̣n được . Do đó không bao giờ chắc chắn rằng không có pha la ̣ khi sử du ̣ng phương pháp XRD . Mă ̣c khác, bề mă ̣t – nơi tâ ̣p trung hoạt tính xúc tác cũng không nhận biết qua nhiễu xạ tia X.
Với các vật liệu mao quản trung bình có thể dùng phương pháp nhiễu xạ tia X để xác định, do chúng cấu trúc mao quản đồng đều với độ trật tự cao, cho dù thành mao quản là vô định hình. Do có đường kính mao quả rộng nên vùng quét đặc trưng cho cấu trúc MQTB thấp, có giá trị 2 từ 0-100. Đối với các oxit kim loại như TiO2, giá trị 2 thường từ 100 – 600. Chính vì vậy để đặc trưng hệ vật liệu nghiên cứu, sử dụng phương pháp này để đặc trưng cấu trúc trong vùng giá trị 2 từ 00 – 600 .
Phổ XRD đựơc ghi trên máy VNU - SIMENS - 5005, với ống phát tia X bằng đồng với bước sóng Kα = 1,5406 Å, góc quét 2θ tương ứng với mỗi chất, tốc độ quét 0,20/s tại khoa Hóa học - trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội.