tổng hợp vật liệu nano composite

trình bày tổng hợp vật liệu nano composite

Bên cạnh những nguyên nhân do các yếu tố tự nhiên như quá trình hòa tan các khoáng chất ở các lớp đất đá, trầm tích thì nguyên nhân gây ra tình trạng ô nhiễm không thể không kể đến là do các hoạt động của con người Cuộc sống phát triển kéo theo sự phát triển của các ngành công nghiệp, các ngành sản xuất phục vụ

đời sống đã tạo ra một lượng lớn chất thải, đe dọa nghiêm trọng đến môi trường đất, môi trường không khí, và đặc biệt là môi trường nước Thêm vào đó sự bùng nổ dân

số thế giới làm cho nhu cầu nước sạch cho ăn uống nói riêng và sinh hoạt và sản xuất nói chung trên thế giới ngày càng gia tăng Rất nhiều các quốc gia đang đứng trước tình trạng thiếu hụt nguồn nước sạch, đảm bảo chất lượng cho sức khoẻ con người

Vấn đề ô nhiễm asen trong nước ngầm đã được thế giới đánh giá là một vấn

đề mang tính toàn cầu Đã có hơn ba mươi quốc gia trên thế giới có báo cáo về tình trạng ô nhiễm asen trong nước ngầm trong đó có Việt Nam Theo đánh giá của tổ chức y tế thế giới (WHO), trên thế giới có hơn 100 triệu người sẽ là nạn nhân của sự nhiễm độc asen, và ở Việt Nam là hơn 10 triệu người Ngoài asen ra trong nước ngầm còn có sự hiện diện của rất nhiều các kim loại nặng khác như Hg, Pb, Ni, Cr,

Mn, Fe…

Việc xử lý asen và crôm trong nước ngầm đang được giới khoa học rất quan tâm nghiên cứu, do độc tính và những ảnh hưởng nghiêm trọng mà chúng có thể gây ra cho sức khỏe con người Rất nhiều các công trình nghiên cứu đã được đưa ra nhằm tìm kiếm các công nghệ và vật liệu loại bỏ các hợp chất của asen và crôm trong nước Trên thực tế có rất nhiều vật liệu có khả năng hấp phụ asen và crôm, tuy nhiên hiện nay người ta chú ý nhiều đến các vật liệu xúc tác hấp phụ có kích thước nano do khả năng hấp phụ vượt trội và các tính chất mới của chúng khi ở cấp độ nano mét

Dựa trên một số kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về khả năng hấp phụ của các vật liệu mangan dioxit và vật liệu nano oxít sắt từ: Vật liệu nano oxít sắt từ có khả năng hấp phụ tốt cả hai dạng As(III) và As(V) dung lượng hấp phụ cao và tốc độ lớn, còn vật liệu MnO2 vừa có tính năng xúc tác oxy hoá mạnh vừa có khả năng hấp phụ tốt Cả hai loại vật liệu đều được chế tạo từ nguồn nguyên liệu dễ kiếm, rẻ tiền và thân thiện với môi trường Nhằm mục tiêu kết

hợp các đặc tính quý của hai loại vật liệu này chúng tôi lựa chọn đề tài “Tổng hợp vật liệu nano composite từ tính Fe 3 O 4 /MnO 2 Xác định các đặc trưng và hiệu ứng oxy hoá hấp phụ Asen, Crôm của vật liệu”

Mục tiêu của đề tài là :

• Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo vật liệu bột xốp nano composite sắt từ

Fe3O4/ MnO2 trong đó Fe3O4 như là lõi được bọc bởi màng MnO2 kích thước nano bằng phương pháp đồng kết tủa

• Đánh giá các đặc trưng cơ bản của vật liệu nano composite Fe3O4/ MnO2 chế tạo được

• Đánh giá sơ bộ khả năng hấp phụ crôm, asen của vật liệu nhằm định hướng ứng dụng trong công nghệ xử lý nước

ChƯơng I tổng quan tμi liệu I-Asen

Asen hay còn gọi là thạch tín có ký hiệu hóa học là As đứng thứ 33 bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev, khối lượng nguyên tử bằng 74.92, là nguyên tố rất độc phân tán trong tự nhiên Người ta có thể phát hiện ra sự hiện diện của asen trong tất cả các mẫu đất đá, khoáng vật, các mẫu trầm tích, trong các mẫu động thực vật, trong nước biển, nước ngầm… Trong môi trường nước asen thường tồn tại ở dạng asen hữu cơ và asen vô cơ Trong hai dạng asen hữu cơ và asen vô cơ, người ta quan

tâm nhiều đến các dạng asen vô cơ do

độc tính cao cũng như sự hiện diện phổ biến của chúng trong nước ngầm Các dạng asen tồn tại chủ yếu trong nước ngầm bao gồm H2AsO4- (trong môi trường pH gần axít đến trung tính), HAsO42- (trong môi trường kiềm) Hợp chất H3AsO3 được hình thành chủ yếu trong môi trường oxy hoá - khử yếu trong đó dạng As(III) thường độc hơn As(V)

I.1 Asen - Hiểm họa với sức khỏe con người

Từ lâu con người đã biết đến sự nhiễm độc asen qua đường hô hấp và qua

đường tiêu hóa Về mặt sinh học, asen ảnh hưởng đến thực vật như là một chất ngăn cản quá trình trao đổi chất, làm giảm năng suất cây trồng, đặc biệt trong môi trường thiếu phospho Đối với con người asen tụ tập trong gan, thận, hồng cầu đặc biệt tụ tập trong não, da, xương, phổi và tóc

Sự nhiễm độc asen xuất hiện như một thảm họa môi trường đối với sức khỏe con người Các biểu hiện đầu tiên đối với nhiễm độc asen là chứng sạm da, dầy biểu bì sừng hóa da, từ đó dẫn đến hoại thư hay ung thư da Các điều tra tại Đài Loan đã

tìm thấy một loạt sự liên quan giữa việc nhiễm asen với bệnh tắc nghẽn mạch máu ngoại biên (bệnh chân đen - các chi bị chuyển thành màu đen do bị hoại thư) Asen còn là nguyên nhân của rất nhiều các căn bệnh nguy hiểm khác như ung thư phổi, thận, bàng quang, ruột kết, mũi… Điểm đặc biệt quan trọng là cả hai dạng As(V)

và As(III) đều là những chất dễ hòa tan trong trong nước và khụng màu khụng vị do

đú khụng thể phỏt hiện bằng trực giỏc được Chớnh vỡ vậy các nhà khoa học gọi

chúng là “Sát thủ vô hình” Một số hình ảnh nhiễm độc asen đưa ra trên hình 2

Hình2: (a, b) - Hình ảnh nhiễm độc asen,(a) (b) (c) - Người dân sử dụng nước ngầm nhiễm asen không qua xử lý

Trong hơn 10 năm qua các nhà khoa học trên thế giới đã nhận thấy rằng tình trạng phơi nhiễm asen ngày càng gia tăng và đã trở thành vấn đề mang tính toàn cầu, đặc biệt tại các quốc gia như ấn Độ, Đài Loan, Thái Lan, Mehico, Chile, Mỹ, Campuchia, Việt Nam…[1,2]

ở Việt Nam, asen có trong nước ngầm được phát hiện đầu tiên năm 1993 Sau đó tổ chức y tế thế giới WHO và UNICEF nhận thấy cấu trúc địa chất của Việt Nam có đặc thù tương tự như Bangladesh nên đã khuyến cáo về khả năng có thể có

sự hiện diện của asen trong nước ngầm Theo thông báo của Bộ tài nguyên Môi trường: các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ như Hà Nội, Hà Nam, Hưng Yên, Hà Tây, Vĩnh Phúc đều có hiện tượng ô nhiễm asen Không chỉ đồng bằng Bắc Bộ, khu vực miền Trung cũng có biểu hiện ô nhiễm với mức độ khác nhau Khu vực đồng bằng

sông Cửu Long: mức độ ô nhiễm tương đối nặng nề Tại 4 tỉnh Long An, Đồng Tháp, An Giang, Kiên Giang đều nhiễm asen trong nước ngầm Theo đánh giá của WHO, nước ta có trên 10 triệu người có thể phải đối mặt với nguy cơ tiềm tàng về nhiễm độc asen [2]

I.2 Các công nghệ loại bỏ asen trong nước:[3]

Các công nghệ loại bỏ asen trong nước chủ yếu dựa trên các quá trình sau:

Quá trình oxi hóa khử: Các quá trình này không loại bỏ được asen trong nước

nhưng góp phần làm tăng thêm hiệu quả của các quá trình sau đó

Quá trình kết tủa: Đưa asen về dạng không tan ví dụ như calcium arsenat

Chất rắn này được loại bỏ ra khỏi nước nhờ quả trình lắng và lọc Các chất keo tụ

được đưa vào trong nước, khi thủy phân chúng kết tủa dưới dạng bông có khả năng hấp phụ asen và được tách ra khỏi nước nhờ quá trình lắng và lọc

Quá trình màng: Sự phát triển của các màng lọc nano và màng thẩm thấu

ngược RO có khả năng tách đến 99,8% các dạng asen hòa tan trong nước Đây là một bước phát triển vượt bậc trong xử lý nước sinh hoạt cũng như nước tinh khiết Tuy nhiên công nghệ này rất đắt, đòi hỏi phải chi phí cho một hệ thống tiền xử lý

đạt chất lượng cao

Quá trình hấp thụ thực vật: Có rất nhiều loài thực vật có khả năng hấp thụ

asen trong đất, nước, điển hình là loài cây dương xỉ được coi là thực vật siêu hấp thụ asen Quá trình này rất phù hợp với việc cải tạo đất nhiễm kim loại nặng [4]

Quá trình hấp phụ: Rất nhiều các vật liệu trên cơ sở các hợp chất của Al, Fe,

Mn… có ái lực mạnh với asen ở trạng thái hòa tan Asen bị hấp phụ tại các tâm hấp phụ trên bề mặt vật liệu rắn Các đánh giá đều cho rằng chúng là vật liệu có hiệu quả cao trong việc loại bỏ asen trong nước

Quá trình trao đổi ion: Là phương pháp hiệu quả trong việc loại bỏ các asen

dạng hòa tan Đây là quá trình trao đổi giữa các ion trong pha rắn (nhựa trao đổi ion) và pha lỏng Phương pháp này tương đối phức tạp và đắt tiền

Trên cơ sở các quá trình trên trên thế giới đã hình thành một số công nghệ để

xử lý asen trong nước [5] được đưa ra trên hình 3

Hình 3: Các công nghệ đang được sử dụng để loại bỏ asen

Trong các công nghệ này ngoại trừ công nghệ màng và công nghệ thực vật, tất cả các công nghệ còn lại chỉ hiệu quả đối với dạng As(V) và không hiệu quả đối với As(III), do đó tính an toàn không cao Trong khi đó công nghệ màng là công nghệ có thể tách được trên 99,8% các dạng asen song lại rất đắt tiền và đòi hỏi phải

có một hệ tiền xử lý có chất lượng thích đáng Còn công nghệ thực vật đã được đánh giá là công nghệ thích hợp với các nước phát triển trong cải tạo đất và chưa thích hợp với các nước nghèo

II Crôm (Chromium)

Crôm là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Cr thuộc nhóm 6, chu kỳ 4, khối

lượng nguyên tử 51.996, trong bảng tuần hoàn Crôm là một kim loại cứng, mặt

bóng, màu xám thép và nhiệt độ nóng chảy cao (Tnc =2.180K) Crôm kim loại là chất không mùi, không vị và dễ rèn Các trạng thái phổ biến của crôm trong nước là dạng Cr(II), Cr(III), Cr(VI), trong đó dạng Cr(III) là ổn định nhất Các hợp chất của crôm dạng Cr(VI) là những chất có tính ôxi hóa rất mạnh

Crôm được khai thác chủ yếu từ quặng cromit (FeCr2O4) Gần một nửa quặng cromit trên thế giới được khai thác tại Nam Phi, Kazakhstan, ấn Độ và Thổ Nhĩ Kỳ [20] Mặc dù các trầm tích crôm tự nhiên (crôm nguyên chất) là khá hiếm, nhưng vẫn có một vài mỏ crôm kim loại tự nhiên đã được phát hiện như mỏ Udachnaya tại Nga… Trong tự nhiên, crôm tồn tại chỉ như là một kim loại vết Tuy nhiên ngày nay, lượng crôm ngày một gia tăng do các hoạt động sản xuất của con người phát tán các chất thải vào môi trường như của của một số ngành: khai thác quặng, luyện kim, mạ crôm, công nghiệp thuộc da, sản xuất thuốc nhuộm…

II.1 ảnh hưởng của Crôm tới sức khỏe con người

Cr(III) là nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho quá trình trao đổi chất nhất là

sự chuyển hoá đường trong cơ thể người, khi cơ thể thiếu crôm có thể sinh ra bệnh gọi là bệnh thiếu hụt crôm Ngược lại, dạng Cr(VI) lại rất độc hại có thể gây đột biến gen Nếu có nồng độ lớn hơn 0,1mg/l có thể gây sốc, nôn mửa… Khi thâm nhập vào cơ thể Cr(VI) liên kết với các nhóm - SH trong enzim và làm mất hoạt tính của enzim gây ra rất nhiều bệnh đối với con người:

- Phần lớn các hợp chất Cr(VI) gây kích thích mắt, da và màng nhầy Khi da tiếp xúc trực tiếp vào dung dịch Cr(VI), chỗ tiếp xúc dễ bị phồng rộp lên sau đó bị viêm loét (có thể bị loét đến xương) Phơi nhiễm kinh niên trước các hợp chất crôm (VI)

có thể gây ra tổn thương mắt vĩnh viễn, nếu không được xử lý đúng cách Crôm xâm nhập theo đường hô hấp dễ dẫn tới bệnh viêm yết hầu, viêm phế quản, viêm thanh quản do niêm mạc bị kích thích (sinh ngứa mũi, hắt hơi, chảy nước mũi)

- Nhiễm độc crôm có thể đẫn đến bệnh tiểu đường, ung thư phổi, ung thư gan, loét

da, viêm da, viêm gan, viêm thận, đau răng, tiêu hoá kém, gây ngộ độc hệ thần kinh

và hệ tuần hoàn… Tổ chức y tế thế giới khuyến cáo hàm lượng cho phép tối đa của Cr(VI) trong nước uống là 0,05mg/l Tiêu chuẩn nước ăn uống của Việt Nam (TCVN 5502-2003) cũng quy định hàm lượng crôm tối đa cho phép là 0,05 mg/l

II.2 Các phương pháp loại bỏ crôm trong nước

Phương pháp kết tủa: Crôm tồn tại trong nước ở cả hai dạng Cr(III) và

Cr(IV) Dạng Cr(IV) thường tan nhiều trong nước và không tạo được kết tủa hydroxit Do đó, để tách loại crôm ra khỏi nước, phải tiến hành khử Cr(VI) thành Cr(III), sau đó kết tủa Cr(III) bằng các dung dịch Ca(OH)2 hoặc NaOH và tách loại

kết tủa bằng phương pháp lắng, lọc

Trao đổi ion: Việc loại bỏ crôm trong nước cũng có thể được thực hiện bằng

phương pháp trao đổi ion So với phương pháp kết tủa hóa học, phương pháp này đạt hiệu quả cao, song đòi hỏi vốn đầu tư lớn, kỹ thuật vận hành nghiêm ngặt và chỉ thích hợp với các trạm xử lý quy mô nhỏ

Phương pháp màng: Thẩm thấu ngược và lọc nano có thể sử dụng để loại bỏ

crôm với khả năng tách đến 99,8% các dạng crôm trong nước Đây là sự phát triển vượt bậc trong xử lý nước sinh hoạt cũng như nước tinh khiết Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi phải có một hệ tiền sử lý đạt hiệu quả cao Do đó chi phí lắp đặt và vận hành lớn, thường xuyên phải có quan trắc và bảo dưỡng, ngoài ra pH, áp suất,

nhiệt độ phải thoả mãn các điều kiện kỹ thuật một cách nghiêm ngặt

Phương pháp điện hóa: Phương pháp này sử dụng hiệu ứng điện di của các

cation trong dung dịch nước: dưới tác dụng của điện trường một chiều có điện thế thấp (50 - 150V), các ion của chất gây ô nhiễm trong nước sẽ di chuyển về phía

điện cực mang điện tích trái dấu Phương pháp điện hóa rất thích hợp để xử lý crôm

Phương pháp sinh học: Crôm có thể lấy ra khỏi nước bằng quá trình khử sinh

học Một số các chủng vi khuẩn kị khí như chủng vi khuẩn Pseudomonas có khả năng xúc tác các phản ứng khử trực tiếp Cr(VI) thành Cr(III) Quá trình khử Cr(VI)

bằng vi sinh vật có thể được tiến hành bên trong thành tế bào hoặc trong dung dịch

Nó có thể là sự khử trực tiếp Cr(VI), hoặc khử một loại kim loại khác, sau đó khử crôm bằng kim loại đã bị khử Bên cạnh đó, người ta còn sử dụng một số loại cây trồng để xử lý đất và nước ngầm nhiễm hóa chất bằng cách hấp phụ kim loại nặng qua thân hoặc rễ Đây là một quá trình bao gồm các bước hấp thụ, tích tụ, tách hoặc phân hủy hóa sinh Phương pháp sinh học là phương pháp tương đối rẻ tiền và rất thân thiện với môi trường tuy nhiên phương pháp này được đánh giá là chỉ phù hợp với các nước phát triển trong cải tạo đất [11]

Phương pháp hấp phụ: Crôm có thể lấy ra được khỏi dung dịch nước bằng

phương pháp hấp phụ cho cả hai dạng là Cr(III) và Cr(VI) Trong các dạng tồn tại trong nước thì Cr(VI) có khả năng hấp phụ dễ dàng hơn Do vậy, để tăng hiệu quả

của quá trình hấp phụ, người ta thường phải oxi hóa Cr(III) lên Cr(VI)

Các nhà khoa học đã chứng minh rằng vật liệu MnO2 là vật liệu có khả năng xúc tác oxy hoá hấp phụ cao và có thể sử dụng vật liệu này để oxi hóa Cr(III) thành Cr(VI) nhằm tăng hiệu quả hấp phụ Bên cạnh đó, MnO2 còn được sử dụng rộng rãi trong việc oxy hoá các hợp chất hữu cơ trong nước cũng như làm vật liệu trong xử

lý khí thải dễ bay hơi…

III - Công nghệ nano và vật liệu nano

III.1 Công nghệ nano

Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc phân tích, thiêt kế, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nano mét (1nm =10-9 m)

Theo sáng kiến quốc gia về khoa học và công nghệ nano (National Nanotechnology Initiative -NNI) của Mỹ [21], công nghệ nano phải bao hàm các lĩnh vực sau:

• Nghiên cứu và phát triển ở công nghệ ở cấp độ nano với kích thước khoảng từ 1nm đến 100nm

• Tạo ra và sử dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có các đặc tính và chức năng mới do kích thước rất nhỏ của chúng

III 2 Vật liệu nano

III.2.1 Định nghĩa và phân loại vật liệu nano [22]

Vật liệu nano là vật liệu mà trong cấu trúc của các thành phần cấu tạo nên nó

ít nhất phải có một chiều ở kích thước nano mét

Vật liệu nano có thể tồn tại ở 3 trạng thái: rắn, lỏng, khí Trong đó, vật liệu nano rắn đang được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, sau đó đến vật liệu lỏng và khí

Có thể phân chia vật liệu nano thành 3 loại (dạng) :

- Vật liệu nano 3 chiều (còn gọi là vật liệu nano không chiều) là vật liệu có cả 3 chiều đều có kích thước nano mét: ví dụ như đám nano, keo nano, hạt nano…

- Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó có hai chiều có kích thước nano mét: ví dụ như màng nano…

- Vật liệu nano một chiều là vật liệu chỉ có một chiều duy nhất có kích thước nano mét: ví dụ như ống nano, dây nano…

III.2.2 Đặc điểm, tính chất của vật liệu nano

Một đặc điểm vô cùng quan trọng của vật liệu nano là kích thước chỉ ở cấp

độ nano mét Chính vì vậy mà tổng số nguyên tử phân bố trên bề mặt vật liệu nano

và tổng diện tích bề mặt của vật liệu lớn hơn nhiều so với vật liệu thông thường

Điều này đã làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính dị thường, đặc biệt là khả năng xúc tác hấp phụ Với kích thước nhỏ ở cấp độ phân tử, vật liệu nano xuất hiện

ba hiệu ứng chính: hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước

• Hiệu ứng lượng tử [16, 22]

Đối với các vật liệu thông thường hình thành từ rất nhiều nguyên tử (1μm3

vật liệu có khoảng 1012 nguyên tử) Các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa cho

tất cả các nguyên tử, vì thế mà ta có thể bỏ qua những khác biệt ngẫu nhiên của từng nguyên tử mà chỉ xét giá trị trung bình của chúng Nhưng đối với vật liệu nano, do kích thước của vật liệu nhỏ, hệ có rất ít nguyên tử nên các tính chất lượng

tử thể hiện rõ hơn và không thể bỏ qua Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano các hiệu ứng lượng tử như hiệu ứng đường ngầm…

• Hiệu ứng bề mặt [16, 22]

ở vật liệu nano, tỷ số các nguyên tử nằm trên bề mặt trên tổng số các nguyên

tử của vật liệu lớn hơn nhiều so với vật liệu dạng khối nên số các tâm hoạt hoá và diện tích bề mặt của vật liệu cũng tăng lên rất nhiều so với các vật liệu dạng khối Vì thế, các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt như: khả năng hấp phụ, độ hoạt động

bề mặt… của vật liệu nano sẽ lớn hơn nhiều Điều đó đã mở ra những ứng dụng mới trong lĩnh vực xúc tác, hấp phụ và nhiều hiệu ứng khác mà các nhà khoa học đang quan tâm nghiên cứu

• Hiệu ứng kích thước [22]

Các vật liệu truyền thống thường được đặc trưng bởi một số các đại lượng vật

lý, hóa học không đổi như độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tính axit…Tuy nhiên, các đại lượng vật lý và hóa học này chỉ là bất biến nếu kích thước vật liệu đủ lớn (thường là lớn hơn 100nm) Khi giảm kích thước của vật liệu xuống đến cấp độ nano mét (nhỏ hơn 100nm), thì các đại lượng lý, hóa ở trên không còn là bất biến nữa, ngược lại chúng sẽ thay đổi Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng kích thước [2] Kích thước mà ở đó, vật liệu bắt đầu có sự thay đổi các tính chất được gọi là kích thước tới hạn Ví dụ như: Điện trở của một kim loại ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày sẽ tuân theo định luật Ω Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại (thường là vài nano mét đến vài trăm nano mét) thì định luật Ω không còn đúng nữa Lúc đó điện trở của vật liệu có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng

tử

Các nghiên cứu cho thấy các tính chất điện, từ, quang, hóa học… của các vật liệu đều có kích thước tới hạn trong khoảng từ 1nm đến 100 nm nên ở vật liệu nano các tính chất này đều có biểu hiện khác thường so với các vật liệu truyền thống [22]

III.2.3 Vật liệu nano composite [22]

Thuật ngữ “nano compotsite” mô tả một nhóm vật liệu compotsite ở đó pha tăng cường chỉ có kích thước ở mức nano mét Sự có mặt của pha tăng cường này đã tạo ra những cải tiến lớn về bản chất vật lý và cơ học của vật liệu nanocomposite Vật liệu nano composite vừa kết hợp được những tính chất quý dị thường của vật liệu nano, vừa có những tính chất riêng của từng cấu tử hợp thành Trong vật liệu composite dựa vào mục tiêu chế tạo mà người ta sử dụng những nguyên liệu khác nhau Sự có mặt của pha tăng cường tạo ra cho sản phẩm những tính chất mà bản thân các thành phần ban đầu không có Vật liệu nanocomposite là một vật liệu có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Do vậy nghiên cứu chế tạo vật liệu nano

composite là một hướng quan trọng đang được phát triển mạnh mẽ Pha tăng cường

trong vật liệu nano composite thường là các hạt nano, các hạt keo nano, màng nano, sợi…Chất mang trong vật liệu nano composite thường là các polyme, sợi cacbon, các muối, zeolit và silica, bentonite…[12]

III.3 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano và nano composite [17, 22]

Hai phương pháp cơ bản để tổng hợp vât liệu nano là phương pháp đi từ trên xuống (top-down) và phương pháp đi từ dưới lên (bottom-up) Phương pháp đi từ trên xuống là phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn Phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử hoặc ion

III.3.1 Phương pháp từ trên xuống

Phương pháp từ trên xuống là phương pháp dùng kĩ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu có kích thước lớn về kích thước nano

những viên bi được làm từ các vật liệu siêu cứng đặt trong cối nghiền Máy nghiền

có thể là nghiền lắc, nghiền rung, hoặc nghiền quay Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều

cán ép Nhiệt độ có thể điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể Nếu nhiệt

độ lớn hơn nhiệt độ phòng thì gọi là biến dạng nóng, còn nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ phòng thì gọi là biến dạng nguội Kết quả thu được là các hạt nano một chiều hoặc hai chiều

Nhìn chung, phương pháp từ trên xuống là phương pháp đơn giản, rẻ tiền, có thể chế tạo được một lượng lớn vật liệu Tuy nhiên, tính đồng nhất của vật liệu không cao và khó điều khiển kích thước của vật liệu do vậy phương pháp từ trên xuống ít dùng để điều chế vật liệu nano so với phương pháp từ dưới lên

III.3.2 Phương pháp từ dưới lên (bottom-up)

Ngược lại phương pháp từ trên xuống, phương pháp từ dưới lên hình thành vật liệu nano từ các thành phần ở cấp độ nguyên tử hoặc ion Ưu điểm của phương pháp này là tổng hợp được vật liệu nano kích thước nhỏ, đồng đều theo mong muốn Phần lớn các vật liệu nano hiện nay điều chế từ phương pháp này Nó có thể là

phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp

• Phương pháp vật lý:

Đây là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha

- Phương pháp chuyển pha: Vật liệu gia nhiệt sau đó làm nguội với tốc độ nhanh

để thu được trạng thái vô định hình Quá trình tiếp theo là tiến hành xử lý nhiệt nhằm thu được vật liệu ở trạng thái tinh thể

- Phương pháp bốc bay nhiệt: Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra

bằng các phương pháp vật lý như bốc bay chân không, phún xạ, hồ quang Vật liệu nano thu được từ phương pháp này thường là các màng nano

- Phương pháp khử hóa học: ở phương pháp khử hóa học, muối của kim loại

tương ứng được khử với sự có mặt của các tác nhân làm bền để khống chế sự lớn lên của các hạt và ngăn cản sự keo tụ của chúng Ưu điểm của phương pháp này là quy trình thực hiện đơn giản, không đòi hỏi các thiết bị đắt tiền, có thể điều khiển kích thước như mong muốn và cho phép tổng hợp vật liệu với một lượng lớn Phương pháp này chủ yếu để chế tạo các hạt nano kim loại

- Phương pháp sử dụng nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên có cấu trúc nano: Các

nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên như zeolit, các hạt sét, các phân tử sinh học… có phân bố lỗ xốp hoặc cấu trúc lỗ có kích thước nano mét Các nguyên liệu này vì thế

có thể làm khuôn phản ứng tổng hợp vật liệu nano và nano composite

- Phương pháp sử dụng màng chất đa điện ly: Một số màng các chất đa điện ly

thường được dùng để tổng hợp vật liệu nano và nano composite là polyacrylic (PAA), polyanlyamin hidroclorua (PHA), plyetylenimit (PEI) Các màng này có các nhóm cacbonyl hoặc các nguyên tử nitơ mang điện tích âm nên sẽ hấp thụ với các ion kim loại các phức chất bền trên màng polyme đó Sau đó các chất khử thích hợp

sẽ được sử dụng để khử các ion kim loại Sản phẩm thu được là các màng cấu trúc nano đơn lớp hoặc đa lớp

- Phương pháp sol-gel [10, 20]: Phương pháp sol-gel do R.Roy đề xuất năm 1956

Phương pháp sol-gel thường được dùng để tổng hợp các vật liệu nano dạng bột, sợi màng, gốm…Ưu điểm của phương pháp này là dễ điều khiển được kích thước hạt nên hạt thu được có phân bố kích thước hạt nhỏ như mong muốn, thiết bị đơn giản, tiết kiệm được nhiều năng lượng, mang tính kinh tế hơn so với các phương pháp khác Phương pháp sol-gel những năm gần đây phát triển rất đa dạng, nhưng có thể quy tụ thành một số hướng chính sau:

phương pháp này, các hợp chất alkoxit thường được hòa tan vào dung môi hữu cơ khan và thủy phân bằng cách cho thêm một lượng nước Sự tạo thành sol - gel rất phức tạp nhưng có thể tóm tắt bằng ba quá trình sau:

- Thủy phân alkoxit kim loại M(OR)n

đặc biệt thuận lợi trong việc chế tạo vật liệu oxit kim loại

pháp này xuất phát từ chất đầu là các muối nitrat, clorua…Các ion kim loại trong môi trường nước tạo phức aquo bị thủy phân tạo thành aquohidroxo

Các phức aquohidroxo đơn nhân ngưng tụ thành phức đa nhân rồi tiếp tục phát triển thành các mạch polymer

III.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng vật liệu nano và vật liệu nano composite [10]:

Hiện nay trên thế giới việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano đang

được rất nhiều các quốc gia quan tâm Có thể kể đến mốt số cường quốc đang chiếm lĩnh thị trường công nghệ này hiện nay như: Hoa Kỳ, Nhật Bản, Trung Quốc,

Đức, Nga và một số nước Châu Âu…ở những quốc gia trên, chính phủ dành một khoản ngân sách đáng kể hổ trợ cho việc nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của ngành công nghệ nano Không chỉ các trường Đại học có các phòng thí nghiệm với các thiết bị nghiên cứu quy mô mà cả các tập đoàn sản xuất cũng tiến hành nghiên cứu và phát triển công nghệ nano với các phòng thí nghiệm với tổng chi phí nghiên cứu tương đương với ngân sách chính phủ dành cho công nghệ nano

ở Việt Nam, xu hướng tiếp cận với công nghệ nano trong những năm gần

đây đã tạo ra những chuyển biến có sức lôi cuốn đối với lĩnh vực này Nhà nước cũng đã dành một khoản ngân sách khá lớn cho chương trình nghiên cứu công nghệ nano cấp quốc gia với sự tham gia của nhiều trường Đại học và Viện nghiên cứu trong cả nước Bước đầu đã thu được nhiều kết quả đáng khích lệ Sở dĩ mà công nghệ nano được chú trọng phát triển như vậy là do những ứng dụng kỳ diệu mà công nghệ nano đã và đang đạt được trong các lĩnh vực của khoa học và công nghệ Sau đây là các lĩnh vực mà công nghệ nano có ưu thế :

III.4.1 Công nghệ điện tử, công nghệ thông tin

Trong công nghệ thông tin nhu cầu sử dụng bộ nhớ có dung lượng lớn ngày càng cao Các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo ra các chip máy tính với chấm lượng tử gọi là các chip nano (nano chip) có độ tích hợp rất cao, cho phép tăng dung lượng bộ nhớ của máy tính Công nghệ nano cũng được ứng dụng trong chế tạo các linh kiện quang điện tử trong các màn hình tinh thể lỏng, thiết bị phát tia laze với

độ chính xác cỡ vài nano mét [19]

III.4.2 Công nghệ chế tạo máy, công nghiệp nhẹ

Các vật liệu nano có nhiều ứng dụng trong thực tế Do có cấu trúc đặc biệt nên ống nano cacbon (cacbon nanotubes) hoặc các tổ hợp composite của chúng có

độ bền cơ học cao gấp 10 lần thép, tính bền nhiệt cao, vì vậy, các ống cacbon là nguyên liệu rất thích hợp để sản xuất các thiết bị cho ngành sản xuất xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ…

Các vật liệu nano được điều chế dưới dạng aerogel có cấu trúc xốp và độ xốp cao thể làm vật liệu cách nhiệt, khử tiếng ồn, cách nhiệt …[20] 

III.4.3 Y sinh học

- Phân tách và chọn lọc tế bào: Dựa vào đặc trưng siêu thuận từ của các hạt nano

sắt từ các nhà nghiên cứu đã sử dụng nó để tiến hành phân tách tế bào Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: Đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu thông qua các hạt nano sắt từ Sau đó tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trườngngoài

- Dẫn truyền thuốc: Khi xâm nhập vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh thường bị

phân tán và không tập trung gây ảnh hưởng cho các tế bào khoẻ mạnh, sinh ra các tác dụng phụ Do đó người ta sử dụng các hạt từ tính như là hạt mang thuốc đến vị trí mong muốn trên cơ thể (các khối u, ung thư…) bằng từ trường ngoài

- Tăng thân nhiệt cục bộ: Phương pháp này dùng trong chữa trị ung thư Các hạt

nano từ tính được phân tán trong các mô bị bệnh, sau đó sử dụng một từ trường xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số tác dụng lên các hạt nano sắt từ, làm cho các hạt nano hưởng ứng và tạo ra nhiệt cục bộ nung nóng tế bào ung thư (cỡ 42oC) Tại nhiệt độ cục bộ này có thể giết chết các tế bào ung thư [26]

III.4.4 Năng lượng mới

Với công nghệ nano, người ta có thể tạo ra những loại pin mới có khả năng quang hợp nhân tạo, giúp con người sản xuất ra năng lượng sạch, hay tạo ra những thiết bị ít tiêu tốn năng lượng do sử dụng những loại vật liệu nhỏ nhẹ Các màng nano (với chi phí sản xuất thấp) hứa hẹn có thể hấp thụ được nhiều năng lượng mặt trời hơn các vật liệu quang điện hiện nay Đây là khởi đầu cho một cuộc cách mạng trong việc sử dụng năng lượng mặt trời.[19]

III.4.5 Công nghệ xử lý Môi trường

Các vật liệu xử lý môi trường đang là vấn đề đang được quan tâm, đặc biệt là vật liệu dùng trong công nghệ làm sạch nước Các máy lọc được tạo ra bởi công nghệ nano với các màng lọc có đường kính lỗ chỉ vài nano như màng lọc thẩm thấu ngược (RO), các màng vi lọc…có thể lọc được các vi khuẩn và virus trong nước và

có thể tách loại được trên 99,8% các chất tan trong nước[13]

Mới đây nhà khoa học người Nhật đã phát hiện ra một loại vi khuẩn chuyên

ăn các chất lơ lửng trong nước và các hạt nano từ tính Khi các vi sinh vật đã ăn no (chất bẩn lẫn các hạt nano từ tính), chúng sẽ được lắng và tách ra khỏi nước nhờ từ trường ngoài

Vật liệu nano có diện tích và số điện tử phân bố trên bề mặt lớn hơn rất nhiều

so với các vật liệu dạng khối Do đó ở vật liệu nano xuất hiện nhiều đặc tính nổi trội, đặc biệt là khả năng xúc tác, hấp phụ Lợi dụng các ưu thế đó các nhà khoa học đã và đang đi sâu nghiên cứu tìm tòi chế tạo các vật liệu hiệu năng cao, sử dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường: vật liệu hấp phụ, các vật liệu có khả năng xúc tác,

xử lý các hợp chất vô cơ, hữu cơ, các loại khí thải dễ bay hơi (VOCs)…

Chương II Vật liệu vμ phương pháp nghiên cứu:

I- Vật liệu nano oxit sắt từ Fe 3 O 4:

I.1 Cấu trúc tinh thể Fe 3 O 4 :

Oxit sắt từ Fe3O4 được xếp vào nhóm vật liệu ferit có công thức tổng quát MO.Fe2O3 (M là kim loại hóa trị 2 như Fe,

Ni, Co, Mn, Mg hoặc Cu) Trong loại vật liệu ferit các ion oxi có bán kính khoảng 1,32Ao lớn hơn rất nhiều bán kính ion kim loại (0,6 ữ 0,8 A) nên chúng nằm rất sát nhau và sắp xếp thành một mạng lưới có cấu trúc lập phương tâm mặt Oxit sắt từ Fe3O4 là một ferit có cấu trúc spinel đảo

Nó có một nửa số ion Fe3+ chiếm hốc bát diện, nửa còn lại chiếm hốc tứ diện, các ion Fe2+ đều chiếm hốc bát diện Chính cấu trúc spinel đảo đã quyết định tính chất

từ của Fe3O4, đó là tính chất feri từ

Cation Hốc bát diện

(nhóm B)

Hốc tứ diện (nhóm A)

Trong oxit sắt từ, vì ion Fe3+ có mặt ở cả hai phân mạng với số lượng như

nhau nên momem từ chỉ do Fe2+ quyết định

Trong môi trường không khí Fe3O4 dễ bị oxy hóa và chuyển về dạng γ-Fe2O3.Fe3O4 γ-Fe2O3 và Fe3O4 có cấu tinh thể và tính chất vật lý tương tự như

nhau γ-Fe2O3 cũng là chất feri từ nhưng có Ms nhỏ hơn Fe3O4

Trên thực tế, khi điều chế hạt nano sắt từ, người ta thấy xuất hiện một lượng

nhỏ γ-Fe2O3 do Fe3O4 dễ bị oxy hoá khi có mặt oxy kể cả trong môi trường lỏng

I.2 Tính chất từ của vật liệu:

Vật liệu Fe3O4 kích thước < 20nm là vật liệu siêu thuận từ Hiện tượng này

chỉ xảy ra đối với sắt từ có cấu tạo bởi các hạt tinh thể nhỏ Khi kích thước hạt lớn,

hệ ở trạng thái đa đômen (tức là mỗi hạt sẽ cấu tạo bởi nhiều đômen từ) Khi kích

thước hạt giảm dần, chất sẽ chuyển sang trạng thái đơn đômen (mỗi hạt sẽ là một

đômen) Hiện tượng siêu thuận từ xảy ra khi kích thước hạt giảm quá nhỏ, năng

lượng định hướng (mà chi phối chủ yếu ở đây là năng lượng dị hướng từ tinh thể)

nhỏ hơn nhiều so với năng lượng nhiệt, khi đó năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ sự định

hướng song song của các mômen từ, và mômen từ của hệ hạt sẽ định hướng hỗn

loạn như trong chất thuận từ [4]

I.3 ứng dụng của nano sắt từ

Vật liệu nano sắt từ ngày càng được nghiên cứu kỹ lưỡng nhằm phát hiện ra

những hiệu ứng mới định hướng cho các ứng dụng mới trong sản xuất cũng như đời

sống Đặc biệt trong lĩnh vực xử lý môi trường nano sắt từ kích thước cỡ 20 nm có

khả năng hấp phụ cả hai dạng arsenate - As(III) và arsenite - As(V), dung lượng hấp

phụ cao gấp 200 lần so với vật liệu dạng khối Khi cân bằng hấp phụ hàm lượng

asen trong nước có thể đạt dưới mức 10 ppb (là nồng độ asen cho phép theo tiêu

chuẩn của WHO) chỉ trong vài phút [2] Ngoài ra rất nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ

rằng nano sắt từ ngoài khả năng hấp phụ asen còn có khả năng hấp phụ các kim loại

nặng khác như: chì, niken, thuỷ ngân và đặc biệt có khả năng hấp phụ rất tốt Cr(VI) khi ở dộ pH thấp (cỡ pH= 2-3) [14] Những phát hiện đó là nền tảng cho một hướng nghiên cứu mới: Nghiên cứu chế tạo nano sắt từ hoặc tổ hợp compossite của chúng với các thành phần khác định hướng xử dụng trong xử lý môi trường Các ứng dụng chung của nano sắt từ đưa ra trên hình 5

Hình 5: Các ứng dụng chung của nano sắt từ

II- Vật liệu Mangan dioxit (MnO 2 ):

Manganese dioxide hoặc manganese peroxide tồn tại dưới dạng chất bột vô

định hình, màu đen, có khối lượng riêng 5,03 g/cm3 Khi nung đến 535oC MnO2phân huỷ thành Mn2O3 và O2 MnO2 không tan trong nước, tan trong axit Trong tự nhiên, mangan dioxit tồn tại trong ba lọai khoáng vật: pyrolusit, ramsdellit, akhtenskit ở Việt Nam, chỉ riêng nguồn khoáng pyrolusit có đến hàng triệu tấn tập trung ở Cao Bằng, Nghệ An

Do các ưu điểm của mangan dioxit như là nguồn nguyên liệu dễ kiếm, rẻ tiền, khả năng oxy hóa cao, thân thiện với môi trường nên mangan dioxit được các nhà khoa học đặc biệt nghiên cứu và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong đời sống

Ví dụ: dùng điều chế clo (với dung dịch HCl đậm đặc), chế tạo pin khô (chất khử cực), sản xuất sắc tố đen, men gốm, sứ, chế tạo hợp kim feromangan và các hợp chất mangan, dùng trong công nghiệp cao su…Ưu điểm nổi trội nhất của mangan dioxit là khả năng xúc tác oxi hóa cao Do vậy nó được sử dụng trong các phản ứng

hóa học như là một chất xúc tác điển hình Sự có mặt MnO2 trong phản ứng phân hủy H2O2 được coi là một hệ xúc tác dị thể (rắn - lỏng) Tác dụng của MnO2 là sự hấp phụ của chất xúc tác đối với H2O2 Sự hấp phụ đó dẫn tới hiện tượng tăng nồng

độ các chất tham gia ở vùng bề mặt chất xúc tác, tạo thuận lợi cho phản ứng về mặt năng lượng, khiến cho phản ứng tăng Đó là lời giải thích cho hiện tượng tại sao khi không có MnO2, ta không thể nhìn thấy sự phân hủy H2O2, còn khi có nó thì phản ứng xảy ra mãnh liệt [18]

Trong công nghệ môi trường mangan dioxit được sử dụng khá phổ biến để xử

lý môi trường nước và không khí

Các nhà khoa học Đài Loan đã phát hiện ra rằng, sử dụng MnO2 đóng vai trò như là một chất xúc tác có thể làm giảm lượng amoni trong nguồn nước Các kết quả thực nghiệm cho thấy, sử dụng MnO2 có thể giảm 89.5% lượng amoni trong nước, một kết quả hết sức khả quan Thêm vào đó, so với phương pháp phổ biến là dùng TiO2 để xử lý amoni trước đây, thì phương pháp này ít tốn kém hơn, đem lại hiệu quả kinh tế cao Mangan dioxit (MnO2) từ lâu đã được sử dụng trong công nghệ xử lý nước sinh hoạt và nước thải như là một loại vật liệu có khả năng tự xúc tác hấp phụ cho mục đích xử lý sắt và mangan đồng thời trong nước Ngày nay hướng nghiên cứu chế tạo MnO2 kích thước nano dưới dạng Black Birnessite đang

được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu chế tạo và ứng dụng để xử lý crôm, asen cũng như các hợp chất hữu cơ trong nước và không khí

Các loại vật liệu mới trên cơ sở MnO2 - Black Birnessite có diện tích bề mặt riêng cực lớn ở dạng lỗ xốp rỗng (dạng tổ chim - Bird’s Nest) [15] Diện tích bề mặt lớn giúp tạo ra nhiều điểm hấp phụ hơn cho các phân tử dễ bay hơi Hơn nữa, các chất ô nhiễm bị hấp phụ phân hủy rất có hiệu quả do oxi được cung cấp cho quá trình oxi hóa diễn ra ngay tại mạng lưới của MnO2

Điều này dẫn đến những nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu trên nền nano MnO2 nhằm loại bỏ một cách hiệu quả các hợp chất hữu cơ dễ bay hơI (VOCs), các hợp chất NOx và SO2 Theo đánh giá của các nhà khoa học MnO2 có thể là vật liệu xúc tác oxy hoá của tương lai, chúng thậm chí có thể thay thế các vật liệu xúc tác truyền thống rất đắt tiền như Platin Hình 6 là ảnh SEM của MnO2- Black Birnessite

ở độ phóng đại khác nhau

Tại Việt Nam cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng MnO2 trên

nền quặng pyrolusite để loại bỏ asen trong nước (Lê Văn Cát với vật liệu MF-97, Bùi Quang Cư…) Tuy nhiên dung lượng hấp phụ của vật liệu còn rất thấp vì dựa trên cơ sở vật liệu dạng khối (0,175mg As/kg vật liệu)

III - Các phương pháp đo đạc, khảo sát:

III.1 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen ( Xray diffracsion: XRD) [23]

Phương pháp nhiễu xạ tia X( tia Rơnghen) cung cấp các thông tin về thành phần cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu, đồng thời nó còn cho phép tính được kích thước trung bình của hạt tinh thể Nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X là xác

định kích thước và thành phần cấu trúc mạng dựa vào ảnh hưởng khác nhau của kích thước tinh thể lên phổ nhiễu xạ

Khi chiếu 1 chùm tia X vào tinh thể, điện từ trường của tia X sẽ tương tác với các nguyên tử nằm trong mạng tinh thể Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ trở thành các tâm phát ra các tia phản xạ Sơ đồ tia tới và tia phản xạ được trình bày trên hình 7

Hình 7: Sơ đồ tia tới và tia phản xạ

Các tia phản xạ từ tương tác này có thể giao thoa với nhau và xảy ra hiện tượng nhiễu xạ Nếu gọi góc tới của tia X với mặt phẳng tinh thể là θ thì sự giao thoa chỉ có thể xảy ra nếu phương trình Vuff- Bragg được thỏa mãn:

2d sinθ = nλ Trong đó:

d : là khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song

θ : góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ

λ : là bước sóng của tia X

Detecter sẽ ghi nhận lại tất cả các tia nhiễu xạ Hình ảnh nhiễu xạ sẽ được trình bày dưới dạng một nhiễu xạ đồ Sau khi ghi phổ, máy sẽ so sánh với thư viện các phổ chuẩn để xác định các pha có trong mẫu, cấu trúc và tỉ phần pha của mẫu

Có thể tính được kích thước trung bình của hạt bằng công thức Scherrer:

Debye-Trong đó:

d : là kích thước hạt trung bình (nm)

β : là độ rộng nửa vạch phổ của pic cực đại ( rad)

Do những tính năng trên mà phương pháp này được dùng khá phổ biến trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể

III.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Phương pháp SEM được sử dụng để khảo sát hình dạng và cấu trúc bề mặt của vật liệu Hình 8 đưa ra toàn cảnh hệ kính hiểm vi điện tử phân giải cao Hitachi S-4800 đặt tại phòng thí nghiệm trọng điểm của viện Khoa học Vật liệu - Viện KH&CN Việt Nam

Hình 8: Toàn cảnh hệ kính hiểm vi điện tử phân giải cao Hitachi S-4800

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp SEM là dùng chùm điện tử để tạo ảnh của mẫu nghiên cứu, ảnh đó khi đến màn huỳnh quang có thể đạt độ phóng đại lên

đến 100.000 lần Chùm electron được tạo ra sau khi ra khỏi thấu kính hội tụ sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu Các electron đập vào mẫu, bị phản xạ tạo thành một tập hợp các hạt thứ cấp đi tới detecter Tại đây electron sẽ được chuyển thành tín hiệu

điện Các tín hiệu điện sau khi được khuyếch đại đi tới ống tia catot và được quét lên ảnh Các vùng tối hay sáng trên ảnh phụ thuộc vào số các hạt thứ cấp đập vào ống tia catot Ưu điểm của phương pháp SEM là có thể thu được những bức ảnh ba chiều rõ nét về hình dạng và cấu trúc bề mặt vật liệu

III.3 Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR)

Phổ hồng ngoại dùng để xác định cấu trúc phân tử của phân tử chất nghiên cứu dựa vào các tần số đặc trưng trên phổ của các nhóm chức trong phân tử Khi chiếu bức xạ hồng ngoại vào phân tử chất nghiên cứu, trong bản thân các phân tử luôn có trạng thái dao động Quá trình tương tác đó dẫn đến sự hấp thụ năng lượng

có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc của các phân tử Phương trình cơ bản của sự hấp thụ bức xạ điện từ là phương trình Lanbert-Beer:

A = lgI o /I =γ.L.C