Chế tạo và nghiên cứu tính chất của hệ vật liệu tổ hợp MnFe2O4/ZnO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN VĂN TÚ

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT

CỦA HỆ VẬT LIỆU TỔ HỢP MnFe2O4/ZnO

Chuyên ngành: Quang học

Mã số: 8440110

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. NGUYỄN VĂN KHIỂN

2. TS. NGÔ THỊ HỒNG LÊ

THÁI NGUYÊN - 2022

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu

và kết quả được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng

được công bố trên bất kỳ một công trình nào khác, các dữ liệu được trích dẫn

một cách đầy đủ.

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2022

Tác giả

Nguyễn Văn Tú

ii

LỜI CẢM ƠN

Với tình cảm chân thành, tôi vô cùng biết ơn Ban lãnh đạo trường Đại

Học Khoa Học – Đại Học Thái Nguyên, quý thầy cô đã tận tình giảng dạy, chỉ

dẫn cho tôi trong hai năm học tập và nghiên cứu.

Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới T.S Nguyễn

Văn Khiển – Người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên

cứu và hoàn thành luận văn. T.S Ngô Thị Hồng Lê – người đã hướng dẫn tôi

trong quá trình đo đạc và phân tích các kết quả thực nghiệm.

Tôi xin chân thành cảm ơn tới các Thầy cô, tập thể cán bộ viện Khoa học

và công nghệ – trường Đại học Khoa Học – Đại học Thái Nguyên, các anh chị

Viện Khoa học Vật liệu – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam - những người

đã luôn giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong việc thực hiện các phép đo đạc khảo sát mẫu.

Nhân dịp này, tôi xin dành những tình cảm sâu sắc nhất tới toàn thể bạn

bè, đồng nghiệp, những người thân trong gia đình đã chia sẻ những khó khăn,

thông cảm và động viên tôi trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu.

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2022

Tác giả

Nguyễn Văn Tú

iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT

Ký hiệu Ý nghĩa

FESEM Kính hiển vi điện tử quét phân giải cao

SEM Kính hiển vi điện tử quét

HR- TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua

XRD Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction)

UVA, UVB Tia cực tím

UV-vis Tử ngoại – khả kiến

UV Tử ngoại

PL Phổ huỳnh quang

AAS Phổ hấp thụ nguyên tử

MRI Cộng hƣởng từ

SFNP Hạt nano spinel ferrite (Spinel ferrite nanopaticle)

VSM Từ kế mẫu rung (Vibrating sample magetometer)

WHO Tổ chức y tế thế giới

EU Liên minh châu âu

iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1. 1 Chỉ số đặc trƣng của mạng Wurtzite.................................................. 13

Bảng 1. 2 Quy định nồng độ tối đa của các kim loại nặng trong nƣớc uống ở các

quốc gia khác nhau (μg/L) [42]........................................................................... 21

Bảng 1. 3 Mối tƣơng quan của RL và dạng mô hình đẳng nhiệt. ....................... 24

Bảng 3. 1. Khả năng hấp phụ kim loại Pb của các mẫu ...................................... 48

v

DANH MỤC CÁC ẢNH VÀ HÌNH VẼ

Hình 1. 1: Cấu trúc tinh thể spinel ferrite[64]...................................................... 5

Hình 1. 2: Cấu hình phân bố ion trong mạng tinh thể spinel ferrite[64].............. 6

Hình 1. 3. Sơ đồ quá trình hấp phụ, thu hồi và tái sử dụng của vật liệu spinel

ferrite trong xử lý nƣớc thải [29]......................................................................... 11

Hình 1. 4. Cấu trúc mạng tinh thể ZnO [33] ...................................................... 12

Hình 1. 5. Cấu trúc hình trụ lục giác Wurtzite của ZnO [34]............................. 13

Hình 1. 6. Cơ chế quang xúc tác của ZnO[65]................................................... 15

Hình 1. 7. Phổ huỳnh quang của ZnO dạng thanh và dạng ống [36]................. 15

Hình 2. 1. Sơ đồ tổng hợp hạt MnFe2O4............................................................. 29

Hình 2. 2. Sự tán xạ của tia X trên bề mặt tinh thể [56]..................................... 31

Hình 2. 3. Nguyên lý phƣơng pháp đo nhiễu xạ tia X mẫu bột[56]................... 31

Hình 2. 4. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét [57].......................................... 32

Hình 2. 5. Hệ thống chụp ảnh hiển vi điện tử quét SEM ................................... 33

Hình 2. 7. Sơ đồ khối của từ kế mẫu rung [59].................................................. 36

Hình 3. 1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của MnFe2O4 ................................................ 37

Hình 3. 2. Ảnh FESEM của hạt nano MnFe2O4 ................................................. 38

Hình 3. 3. Đƣờng cong từ trễ của MnFe2O4 ...................................................... 39

Hình 3. 4. Đƣờng từ độ phụ thuộc vào nhiệt độ của MnFe2O4 .......................... 40

Hình 3. 5. Ảnh FESEM của các mẫu thuỷ nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau ....... 41

Hình 3. 6. ẢNh FESEM của các mẫu thuỷ nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau ...... 43

Hình 3. 7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu M1, M2 và M3 ở nhiệt độ chế tạo

khác nhau............................................................................................................. 44

Hình 3. 8. (Trên) Phổ hấp thụ và (dƣới) năng lƣợng vùng cấm của các mẫu M1,

M2 và M3 đƣợc chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau. ............................................ 45

Hình 3. 9. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu tổ hợp MnFe2O4/ZnO. ................... 46

Hình 3. 10. Phổ FTIR của các mẫu MnFe2O4, ZnO và MnFe2O4/ZnO.............. 46

Hình 3. 11. Đƣờng thực nghiệm và làm khớp theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt

Langmuir của hạt nano MnFe2O4........................................................................ 50

vi

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT..........................................................iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................ iv

DANH MỤC CÁC ẢNH VÀ HÌNH VẼ.............................................................. v

MỞ ĐẦU............................................................................................................... 1

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN................................................................................. 5

1.1. Tổng quan về vật liệu Spinel Ferrite........................................................... 5

1.1.1 Cấu trúc vật liệu spinel ferrite................................................................ 5

1.1.2 Tính cơ bản của vật liệu spinel ferrite. .................................................. 6

1.1.2.1 Tính chất từ. ........................................................................................ 6

1.1.2.2 Tính dị hƣớng tinh thể. ....................................................................... 7

1.1.3. ng dụng của vật liệu spinel ferrite. .................................................... 7

1.1.3.1 ng dụng trong y sinh. ....................................................................... 8

1.1.3.2 ng dụng cảm biến và cảm biến sinh học.......................................... 8

1.1.3.3 ng dụng trong linh kiện cao tần. ...................................................... 8

1.1.3.4 ng dụng trong siêu tụ điện. .............................................................. 9

1.1.3.5 ng dụng gốm co-fired nhiệt độ thấp................................................. 9

1.1.3.6 ng dụng xúc tác quang. .................................................................. 10

1.1.3.7 ng dụng hấp phụ xử lý kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc....... 10

1.2. Tổng quan về vật liệu ZnO. ...................................................................... 12

1.2.1 Cấu trúc mạng tinh thể ZnO. ............................................................... 12

1.2.2 Tính chất quang của ZnO..................................................................... 14

1.2.2.1 Tính chất quang xúc tác của ZnO. .................................................... 14

1.2.2.2 Phổ huỳnh quang của ZnO................................................................ 15

1.2.2.3 ng dụng xúc tác quang của vật liệu ZnO. ...................................... 16

1.3 Vật liệu tổ hợp MnFe2O4/ZnO................................................................ 17

1.4 Hiện trạng và giải pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng................................ 20