(LUẬN văn THẠC sĩ) tổng hợp vật liệu BiOClxBr1 x và khảo sát hoạt tính xúc tác quang phân hủy một số hợp chất hữu cơ trong dung dịch nước

TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Giới thiệu chung về vật liệu xúc tác quang

1.1.1 Khái niệm xúc tác quang và cơ chế phản ứng

Xúc tác quang trong hóa học đề cập đến các phản ứng diễn ra nhờ sự kết hợp của chất xúc tác và ánh sáng, trong đó ánh sáng kích hoạt chất xúc tác để thúc đẩy phản ứng Khi ánh sáng tác động, chất bán dẫn tạo ra cặp điện tử - lỗ trống, cho phép trao đổi electron giữa các chất hấp phụ thông qua chất bán dẫn Trong hai thập kỷ qua, xúc tác quang đã trở thành một quá trình oxy hóa quan trọng, được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực xử lý môi trường.

Theo lý thuyết vùng, cấu trúc điện tử của kim loại bao gồm một vùng chứa các obitan phân tử liên kết với đủ số electron, được gọi là vùng hóa trị.

Vùng hóa trị (Valance band - VB) và vùng dẫn (Conduction band - CB) được tách biệt bởi vùng cấm, với năng lượng vùng cấm (Eg) là độ chênh lệch giữa hai vùng này Sự khác biệt về vị trí và năng lượng của vùng cấm là nguyên nhân chính phân loại vật liệu thành dẫn điện, cách điện và bán dẫn Vật liệu bán dẫn có tính chất trung gian, cho phép electron trong vùng hóa trị vượt qua vùng cấm khi có kích thích đủ lớn (lớn hơn năng lượng vùng cấm Ebg), trở thành chất dẫn điện có điều kiện Các chất có Ebg lớn hơn 3,5 eV được xem là chất cách điện, trong khi những chất có Ebg thấp hơn 3,5 eV được phân loại là bán dẫn Đặc biệt, các chất bán dẫn với Ebg thấp hơn 3,5 eV có khả năng làm chất xúc tác quang khi bị kích thích bởi photon ánh sáng có năng lượng lớn hơn Ebg.

Khi ánh sáng có bước sóng thích hợp chiếu vào, các electron trong vùng hóa trị của chất bán dẫn sẽ được tách ra khỏi liên kết và nhảy lên vùng dẫn, tạo ra các electron quang sinh (e - CB) mang điện tích âm và các lỗ trống quang sinh (h + VB) mang điện tích dương Những electron và lỗ trống này là nguyên nhân chính dẫn đến các quá trình hóa học, bao gồm quá trình oxi hóa với lỗ trống và quá trình khử với electron Đặc biệt, electron quang sinh và lỗ trống quang sinh có khả năng phản ứng cao hơn so với các tác nhân oxi hóa-khử thông thường trong hóa học.

Khi chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng (hν), quá trình tạo ra electron ở vùng dẫn (CB) và lỗ trống (VB) diễn ra, dẫn đến sự di chuyển của chúng đến bề mặt Tại đây, các electron và lỗ trống tương tác với các chất như nước và oxy, tạo ra các chất tự do trên bề mặt chất bán dẫn.

Các gốc tự do và sản phẩm trung gian tạo ra nhƣ: • O , 2 - HO , H • 2O2, O2 đóng vai trò quan trọng trong cơ chế quang phân hủy các hợp chất hữu cơ

Lỗ trống mang điện tích dương có khả năng di chuyển trong vùng hóa trị, nơi mà các electron khác có thể nhảy vào để bão hòa điện tích Khi một electron di chuyển vào lỗ trống, nó sẽ tạo ra một lỗ trống mới tại vị trí mà nó đã rời bỏ.

Trong vùng dẫn, hiện tượng tái kết hợp giữa các lỗ trống quang sinh và vùng hóa trị xảy ra, đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng, dẫn đến việc giảm hiệu quả xúc tác quang của vật liệu Gốc HO• là một tác nhân oxi hóa mạnh, không chọn lọc, có khả năng oxi hóa hầu hết các chất hữu cơ, góp phần vào quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm trên hệ xúc tác quang.

Ác chất bán dẫn dưới tác dụng của photon ánh sáng tạo ra các gốc và sản phẩm trung gian như HO, •O, H2 - 2O2, O2 Những gốc và sản phẩm này sẽ tiến hành quá trình oxi hóa các thành phần hữu cơ theo cơ chế đã được trình bày ở phần trước.

- ối với hợp chất chứa nitơ dạng azo, phản ứng oxi hóa quang phân hủy xảy ra theo cơ chế sau:

Quá trình quang xúc tác oxi hóa hợp chất hữu cơ, như được thể hiện trong Hình 1.1, dẫn đến sự phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm Kết quả của quá trình này là sản phẩm khí CO2, H2O và các chất vô cơ.

Quá trình tách nước bằng chất xúc tác quang diễn ra qua 3 giai đoạn đƣợc thể hiện ở Hình 1.2

Trong giai đoạn 1, các quang xúc tác hấp thụ năng lượng photon có năng lượng lớn hơn năng lượng khe hở của vật liệu, từ đó tạo ra một số lượng lớn các cặp lỗ hổng electron.

Giai đoạn 2: electron tách ra và di chuyển đến bề mặt mà không tái tổ hợp

Giai đoạn 3: quá trình khử và oxy hóa bởi các electron và lỗ trống để tạo thành H 2 và O 2 tương ứng [35]

Hình 1.1 Quá trình ox óa ợp chất ữu cơ trên vật l ệu xúc tác quang

Hình 1.2 Quá tr n tác n ớc bằn c ất xúc tác quang không đồn n ất

1.1.2 Một số vật liệu xúc tác quang tiêu biểu đã được nghiên cứu và ứng dụng

Hiện nay, ô nhiễm nguồn nước thải đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như thuốc bảo vệ thực vật, chất hữu cơ trong nước phẩm nhuộm và các hợp chất phenol Những chất ô nhiễm này được thải ra từ nhiều hoạt động khác nhau của con người, gây ảnh hưởng lớn đến môi trường nước Mặc dù phương pháp sinh học được sử dụng để xử lý nước thải, vẫn còn nhiều thách thức trong việc loại bỏ hoàn toàn các hợp chất này.

Các nhà máy, xí nghiệp không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái Việc xử lý nước thải không hoàn toàn dẫn đến sự tồn tại của các chất ô nhiễm trong dòng nước thứ cấp, gây hại cho sức khỏe con người và sinh vật dù ở nồng độ thấp Các phương pháp xử lý truyền thống thường tạo ra chất thải thứ cấp, yêu cầu xử lý bổ sung, làm tăng chi phí Do đó, việc tìm kiếm các biện pháp hiệu quả, thân thiện với môi trường và tái sử dụng nguồn nước là rất cần thiết Gần đây, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để phân hủy các chất hữu cơ độc hại trong nước, trong đó sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời là phương pháp hứa hẹn nhất Những tiến bộ trong chế tạo chất xúc tác quang đã mở ra triển vọng cho chiến lược này, nhưng vẫn cần giải quyết vấn đề hiệu quả của xúc tác dưới ánh sáng mặt trời Trên thế giới, đã có nghiên cứu tổng hợp i2WO6 với hình dạng khác nhau cho xúc tác quang, cũng như nghiên cứu tungstate của kim loại chuyển tiếp để phân hủy phẩm nhuộm trong nước như xanh metylen và metyl da cam Một số nghiên cứu còn tìm cách tăng diện tích bề mặt bằng cách phân tán muối tungstate lên các vật liệu khác như hợp chất cacbon nano để tìm kiếm hiệu ứng hiệp trợ Tuy nhiên, lĩnh vực này vẫn còn nhiều hạn chế trong nghiên cứu.

Trong những năm gần đây, các vật liệu bán dẫn làm xúc tác quang đã

9 được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường và tạo nguồn năng lượng sạch, tái sinh từ việc tách nước tinh khiết thành H 2 và O2

TiO2 và các oxit kim loại chuyển tiếp với cấu hình electron d 0 và d 10 là những chất được nghiên cứu sâu rộng trong lĩnh vực xúc tác quang Các chất bán dẫn như ZnO, TiO2, Zn2TiO2, CdS, WO3 và các muối tungstate cho hiệu quả cao trong ứng dụng này TiO2, một bột màu trắng, bền, không độc và giá rẻ, tồn tại dưới ba dạng tinh thể: rutile, anatase và brookite Dạng rutile đã được sử dụng lâu đời trong xây dựng và làm chất độn màu, trong khi dạng anatase với hoạt tính quang xúc tác đang được nghiên cứu để xử lý chất độc hại trong môi trường, đặc biệt là diệt vi khuẩn và khử mùi hôi Nguyên lý xử lý môi trường bằng TiO2 dựa trên việc kích thích dưới tác dụng của tia UV, tạo ra điện tử và lỗ trống trên bề mặt hạt nano, từ đó thực hiện các phản ứng oxi hóa – khử, tiêu diệt vi khuẩn và chuyển hóa khí độc thành sản phẩm không độc hại như O2 và H2O.

Việc ứng dụng hiệu ứng quang xúc tác của nano TiO2 và nanocomposit TiO2 để phân hủy các chất ô nhiễm trong không khí được xem là giải pháp kỹ thuật quan trọng cho môi trường sạch hơn Phương pháp này ưu việt hơn so với lọc bằng chất hấp phụ truyền thống nhờ vào chi phí đầu tư và vận hành thấp, chỉ cần ánh sáng mặt trời, oxi và độ ẩm không khí Quá trình oxi hóa diễn ra hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tự nhiên.

Nghiên cứu về vật liệu nano TiO2 cấu trúc anatase trong xử lý môi trường đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Việt Nam từ những năm 1990 TiO2 anatase cho thấy khả năng diệt khuẩn hiệu quả và được ứng dụng trong các sản phẩm màng lọc môi trường, bao gồm các loại vật liệu như vải cacbon, gốm sứ và bông thủy tinh Đặc biệt, một số thiết bị xử lý không khí ô nhiễm đã được phát triển và giới thiệu tại các hội chợ công nghệ Ngoài TiO2, các chất xúc tác quang khác như Ni và NiO, cùng với K4Nb6O17, cũng đang được nghiên cứu để nâng cao hiệu quả xử lý chất độc hữu cơ.

Giới thiệu chung về các hợp chất BiOX (X = F, Cl, Br, I)

1.2.1 Đặc điểm cấu tạo của BiOX

Tất cả các hợp chất BiOX đều có cấu trúc tinh thể tứ giác, được mô tả qua phép chiếu trục và mô hình điện trường tĩnh (IEF) vuông góc với mặt tinh thể (001).

Hình 1.3.(a, b) Cấu trúc tinh thể của BiOX dọc theo trục b và c; (c) sơ đồ của đ ện tr ờn tĩn (IEF) vuôn óc với mặt phẳng tinh thể (001) [10]

Cấu trúc tinh thể của iOX được tổ chức theo cách có trật tự, với các lớp [Bi2O2] 2+ xen kẽ giữa hai ion halide Điều này tạo ra chuỗi X-Bi-O-O-Bi-X dọc theo hướng (001) Mỗi tế bào cơ sở trong cấu trúc này chứa hai nguyên tử.

16 bismuth (2Bi), hai nguyên tử oxygen (2O) và hai nguyên tử halogen (2X)

BiOX là các hợp chất có hình thái đa dạng, bao gồm dây nano, sợi nano, ống nano và cấu trúc nano rỗng, tùy thuộc vào phương pháp tổng hợp được sử dụng.

1.2.2 Tính chất xúc tác quang của vật liệu BiOX

Nghiên cứu lí thuyết cho thấy năng lượng vùng cấm của các chất xúc tác quang BiOF, BiOCl, BiOBr và BiOI lần lượt là 3,64; 3,35; 2,67 và 1,82 eV, cho thấy BiOX là một họ chất xúc tác quang tiềm năng Cấu trúc của các lớp [Bi2O2]2+ xen kẽ với ion halide trong BiOX tạo ra một điện trường tĩnh, giúp phân tách các cặp electron và lỗ trống quang sinh, từ đó nâng cao hoạt tính quang xúc tác Trong số đó, BiOI có Ebg nhỏ nhất, cho phép hấp thụ ánh sáng khả kiến mạnh, nhưng khả năng oxi hóa khử bị hạn chế do vị trí năng lượng vùng dẫn thấp, dẫn đến khả năng phân tách H2O không hiệu quả và dễ tái hợp cặp electron và lỗ trống Do đó, nghiên cứu kết hợp BiOI với chất bán dẫn khác như TiO2 để cải thiện hoạt tính xúc tác quang là một hướng đi khả thi.

1.2.3 Phương pháp tổng hợp vật liệu BiOX ác hợp chất của bismuth oxyhalide đã được tổng hợp với nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp thủy nhiệt, phương pháp thủy phân,

BiOCl được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ các tiền chất i(NO3)3.5H2O, dung dịch mannit và dung dịch NaI bão hòa, sau đó sấy khô ở 100 °C trong 4 giờ Trong khi đó, BiOI được tạo ra từ các tiền chất i(NO3)3.5H2O, KI và dung dịch ethylene glycol, sau khi rửa bằng nước khử ion và ethanol tuyệt đối nhiều lần, sản phẩm cuối cùng được sấy khô ở 80 °C trong 12 giờ.

Ngoài ra, iOI đƣợc tổng hợp bằng cách sử dụng các hóa chất

Bi(NO3)3.5H2O, KI và dung dịch ethylene glycol được sử dụng trong quá trình tổng hợp vật liệu Quá trình này diễn ra trong thiết bị nồi hấp ở nhiệt độ 160 °C trong 12 giờ Các hợp chất iO l và iO r cũng được điều chế theo phương pháp tương tự với tỉ lệ mol của i(NO3)3.5H2O và NaBr (KCl) là 1:1 Ngoài ra, vật liệu dạng tổ hợp như iO l (1-x) I x cũng được tổng hợp qua phương pháp thủy nhiệt Quy trình điển hình bao gồm việc hòa tan muối KI và KCl trong 30 mL nước siêu tinh khiết, sau đó thêm từ từ muối Bi(NO3)3.5H2O đã được nghiền trước và làm nóng hỗn hợp.

Trong quá trình xử lý, nhiệt độ được duy trì ở 140 độ C trong 24 giờ, sau đó vật liệu được làm mát tự nhiên đến nhiệt độ phòng Tỷ lệ mol của K l so với KI sẽ ảnh hưởng đến việc thu được vật liệu BiOCl (1-x) Ix với các giá trị khác nhau cho x.

Các quá trình tổng hợp vật liệu thường tạo ra các hạt có kích thước nanomet (nm) Tuy nhiên, phương pháp này thường yêu cầu điều kiện nghiêm ngặt và nhiệt độ cao, dẫn đến hiện tượng kết tụ, làm giảm diện tích bề mặt của vật liệu và cản trở các quá trình phân tán trong xúc tác quang.

Giới thiệu chung về vật liệu BiOCl x Br 1-x

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc chế tạo các vật liệu bismuth oxyhalide như iOCl x Br 1-x, BiO(ClBr) 1-x/2 I x và BiOBr 1-x I x có thể cải thiện hoạt tính quang xúc tác thông qua việc điều chỉnh năng lượng vùng cấm Đồng thời, các cấu trúc vật liệu ba chiều (3D) như nano hoặc nanosheets mang lại lợi thế về diện tích bề mặt hiệu dụng lớn, đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực xúc tác, lưu trữ năng lượng và cảm biến.

Kim và cộng sự đã chỉ ra rằng các hợp phần iO lxI1-x (với x = 0,8, 0,6 và 0,4) có hình dạng giống như bông hoa, cho thấy hiệu suất quang xúc tác vượt trội so với các vật liệu nano hình tấm xếp chồng, nhờ vào khả năng tản nhiệt của vật liệu kim loại được sử dụng trong ứng dụng làm mát.

Liu và cộng sự đã thành công trong việc điều chế các hợp phần iOCl 1-x Brx thông qua phản ứng thủy nhiệt ở nhiệt độ 160°C trong 12 giờ Đồng thời, Andapat và các cộng sự cũng đã chỉ ra rằng BiOCl x Br 1-x có các mặt {001} tiếp xúc với nhau trong điều kiện kết tủa, khi có mặt của một số loại acid.

Các phương pháp tổng hợp vật liệu bismuth oxyhalide có cấu trúc phân cấp thường yêu cầu nhiệt độ cao, áp suất hoặc thời gian dài, điều này hạn chế ứng dụng trong xúc tác quang quy mô công nghiệp Do đó, việc phát triển các phương pháp tổng hợp thân thiện với môi trường và hiệu quả về kinh tế, đồng thời tạo ra vật liệu bismuth oxyhalide phân cấp 3D có khả năng xúc tác quang cao là rất quan trọng và cấp thiết.

Giới thiệu về rhodamine B

1.4.1 Đặc điểm và tính chất của rhodamine B

Rhodamin B có công thức phân tử là C28H31ClN2O3 và có cấu tạo của

Rh đƣợc mô tả ở Hình 1.4 nhƣ sau:

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của thuốc nhuộm rhodamin B

RhB là một chất màu đỏ tím với khối lượng phân tử 479,02 g/mol và nhiệt độ nóng chảy từ 210 đến 211 °C Chất này có khả năng hấp thụ quang mạnh trong vùng ánh sáng khả kiến, với bước sóng cực đại λmax đạt 553 nm Độ hòa tan của RhB trong nước là 15 g/L và trong dung dịch axit axetic 30%.

RhB, với nồng độ khoảng 400 g/L, thường được sử dụng làm chất đánh dấu để xác định hướng và lưu tốc của dòng chảy Nó được áp dụng rộng rãi trong công nghệ sinh học, bao gồm kính hiển vi huỳnh quang, phân tích dòng chảy tế bào và xét nghiệm hấp thụ miễn dịch liên kết với enzyme (ELISA) Ngoài ra, RhB còn được sử dụng như phẩm nhuộm phát huỳnh quang để phát hiện các sinh vật kháng acid, đặc biệt là các vi khuẩn thuộc chi Mycobacterium, gây bệnh cho con người như lao và phong.

Trong tự nhiên, rhodamin B có mặt trong một số loại quả và hạt như hạt điều và quả gấc, nhưng ở dạng tự nhiên này hầu như không độc Tuy nhiên, để đáp ứng nhu cầu sản xuất công nghiệp, rhodamin B thường được tổng hợp hóa học Sản phẩm này chủ yếu là kết quả của công nghệ hóa dầu và được phân loại là thuốc nhuộm công nghiệp, dùng để nhuộm quần áo và vải Khi tích tụ đủ nồng độ trong cơ thể qua tiếp xúc hoặc tiêu thụ, rhodamin B có thể trở nên độc hại và gây ảnh hưởng xấu đến các cơ quan quan trọng như gan và thận, đồng thời có khả năng gây ung thư.

1.4.2 Cơ chế quang phân hủy RhB ơ chế của quá trình quang phân hủy RhB (Hình 1.5) đã đƣợc công bố cho thấy, trước tiên RhB bị chuyển hóa thành các hợp chất trung gian bao gồm các 4-(methoxycarbonyl) benzoic acid; 2-(methoxycarbonyl)benzoic acid, isophthalic acid; terephthalic acid và anhydrid phthalic acid Tiếp đó, diễn ra quá trình mở vòng phthalic anhydride để tạo thành 2- hydroxypentanedioic acid; maleic acid và cuối cùng, các acid này bị phân hủy thành CO 2 và H 2 O [17], [41]

Hình 1.5 Sơ đồ chuyển hóa của quá trình quang phân hủy RhB [41]

Theo nghiên cứu của Xuefeng Hu và nhóm, quá trình phá hủy cấu trúc chromophore của phân tử thuốc nhuộm diễn ra dễ dàng thông qua việc cắt đứt các hệ liên hợp π Quá trình này tạo ra các sản phẩm trung gian như alcol thơm và đồng đẳng của phenol, có hệ liên hợp π ngắn hơn, và cuối cùng các sản phẩm này sẽ bị phân hủy hoàn toàn.

H NG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Tổn ợp vật l ệu

2.1.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị anh mục hóa chất, dụng cụ và thiết bị sử dụng trong quá trình thực nghiệm đƣợc trình bày ở ảng 2.1 nhƣ sau: ản 2.1 Dan mục óa c ất, dụng cụ và t ết b

Hóa c ất, dụn cụ và t ết b Xuất xứ

Ethylene glycol; C28H31ClN2O3 (99%) Trung Quốc

Bi(NO3)3.5H2O (99%); KBr (99%); KCl (99%) Ấn ộ ốc thủy tinh (100 mL, 250 mL, 500 mL, 1000 mL); ình định mức (50 mL, 100 mL, 250 mL,

500 mL, 1000 mL); Bình thủy tinh có nắp; Pipet (1 mL, 5 mL, 10 mL, 25 mL)

Bơm hút chân không ài Loan ối mã não ức Bình hút ẩm

Máy li tâm EBA 20 ân phân tích điện tử (Shimadzu)

Nhật Máy quang phổ UV-1800 (Shimadzu)

Bộ phá mẫu COD (ECO 16 Thermoreactor) Ý Máy khuấy từ èn LE (60W – 220V) Việt Nam

2.1.2 Quy trình tổng hợp vật liệu

Vật liệu đƣợc tổng hợp theo quy trình đƣợc mô tả theo sơ đồ (Hình 2.1) Theo quy trình này, trước tiên các tiền chất gồm i(NO3)3.5H2O; KCl; KBr

22 được lấy theo tỉ lệ mol ban đầu tương ứng với công thức hợp thức iOCl x Br1- x với x = 0,7; 0,6; 0,5; 0,4 và 0,3 và cho vào cốc thủy tinh 100 mL đã chứa sẵn

Để tổng hợp vật liệu dạng BiOX (X = Cl, Br), đầu tiên khuấy đều 50 mL ethylene glycol (EG), sau đó chuyển toàn bộ vào bình thủy nhiệt và tiến hành phản ứng ở nhiệt độ 150 °C trong 3 giờ Sau khi kết thúc phản ứng, mẫu vật liệu được rửa sạch hai lần bằng nước cất, sau đó sấy khô ở 105 °C trong 2 giờ, nghiền nhỏ và bảo quản trong bình hút ẩm Tỉ lệ mol ban đầu của các chất được điều chỉnh đúng theo tỉ lệ hợp thức để tạo ra BiOCl và BiOBr.

Hình 2.1 Sơ đồ quy tr n tổn ợp vật l ệu BiOCl x Br 1-x

Sau khi tổng hợp các mẫu vật liệu, chúng sẽ được nghiên cứu để xác định đặc trưng vật liệu và khảo sát khả năng quang phân hủy Rh Mục tiêu là tìm ra tỉ lệ mol Cl/Br có hoạt tính xúc tác quang tốt nhất Tiếp theo, sẽ tiến hành khảo sát ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ thủy nhiệt, với thời gian khảo sát từ 1 đến 5 giờ và nhiệt độ từ 120 đến 160 độ C.

2.2 P ơn p áp n ên cứu đặc tr n óa lý của vật liệu

Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X bị nhiễu xạ trên bề mặt tinh thể của chất rắn, tạo ra các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ do cấu trúc tinh thể có tính tuần hoàn Kỹ thuật này được áp dụng để nghiên cứu sự sắp xếp của các nguyên tử trong vật liệu, giúp hiểu rõ hơn về tính chất và cấu trúc của chúng.

Rửa sạc bằn n ớc cất

23 xếp nguyên tử trong tinh thể của chất rắn [9]

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp XRD để nghiên cứu cấu tạo mạng tinh thể dựa vào phương trình Vulf-Bragg: 2.d.sin  = n. (2.1)

Trong đó, n là bậc nhiễu xạ (n = 1, 2, 3, );  là bước sóng của tia Rơnghen (nm); d là khoảng cách giữa các mặt tinh thể và  là góc phản xạ

Hình 2.2 Sơ đồ mô tả sự phản xạ trên mặt tinh thể

Từ cực đại nhiễu xạ trên giản đồ XRD, góc 2 được xác định để suy ra khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể theo hệ thức Vulf-Bragg Mỗi vật liệu có bộ giá trị d hkl đặc trưng, cho phép so sánh với giá trị d hkl chuẩn để xác định đặc điểm và cấu trúc mạng tinh thể của mẫu nghiên cứu Phương pháp này hữu ích trong việc nghiên cứu cấu trúc tinh thể, đánh giá mức độ kết tinh và phát hiện pha tinh thể lạ của vật liệu.

Thực nghiệm: mẫu đƣợc đo tại phòng máy quang phổ, Khoa Vật lí, Trường ại học Sư phạm à Nẵng

2.2.2 Hiển vi điện tử quét (SEM)

Phương pháp hiển vi điện tử quét sử dụng chùm tia điện tử để tạo ra hình ảnh mẫu nghiên cứu Chùm tia điện tử được tạo ra từ catot và sau đó được hội tụ lên mẫu thông qua hai tụ quang Khi chùm tia điện tử va chạm với mẫu, nó sẽ phát ra các chùm tia điện tử thứ cấp từ bề mặt mẫu.

Mỗi điện tử phát xạ được gia tốc qua điện thế vào bộ phận thu nhận tín hiệu, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu ánh sáng Tín hiệu này được khuếch đại và đưa vào mạng lưới điều khiển, tạo ra độ sáng trên màn hình của mẫu nghiên cứu.

Thực nghiệm: mẫu đƣợc đo tại phòng máy quang phổ, Khoa Vật lí,

Trường ại học Sư phạm à Nẵng

2.2.3 Phổ quang phát quang (PL-Photoluminescence)

Quang phổ phát quang (PL) là hiện tượng phát xạ ánh sáng từ vật liệu khi bị kích thích quang học, cho phép mô tả nhiều thông số vật liệu Phương pháp này rất nhạy để khảo sát các trạng thái điện tử và có thể xác định bề mặt, mức độ tạp chất, cũng như đánh giá hợp kim và độ nhám bề mặt Cường độ tín hiệu PL cung cấp thông tin quan trọng về thành phần và chất lượng của các bề mặt.

Nguyên lý phổ PL diễn ra khi một chất hấp thụ photon và tái phát ra photon, được mô tả theo cơ học lượng tử như một sự kích thích lên trạng thái năng lượng cao hơn, sau đó trở về trạng thái năng lượng thấp hơn kèm theo phát xạ photon Đây là một dạng phát quang đặc trưng bởi photoexcitation Thời gian giữa hai quá trình hấp thụ và phát xạ thường rất ngắn, khoảng 10 ns, nhưng trong một số trường hợp đặc biệt, thời gian này có thể kéo dài.

Thực nghiệm: mẫu đƣợc đo tại phòng máy quang phổ, Khoa Vật lí,

Trường ại học Sư phạm à Nẵng

Trong quang phổ Raman, mẫu được chiếu sáng bằng chùm laser mạnh trong vùng tử ngoại-khả kiến (v0) Ánh sáng tán xạ thường được quan sát theo phương vuông góc với chùm tia tới, và nó bao gồm nhiều thành phần khác nhau.

THỰ NGHIỆM

KẾT QUẢ V THẢO LUẬN