1
A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, sự phát triển rất mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, nông
nghiệp, ngư nghiệp đã gây ra các tác động đến đời sống con người. Trong đó
vấn đề về ô nhiễm môi trường gây ra bởi các hoạt động công nghiệp, nông
nghiệp đã và đang trở thành một vấn đề cấp thiết của toàn xã hội. Trong thực tế
các loại ô nhiễm môi trường hiện nay, ô nhiễm nguồn nước gây ra bởi các chất ô
nhiễm hóa học khác nhau như thuốc nhuộm, các ion kim loại nặng, các hợp chất
phenon, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ… đã reo lên hồi chuông báo động. Do đó,
việc cần nâng cao ý thức bảo vệ môi trường và tìm ra các phương pháp nhằm
loại bỏ các chất gây ô nhiễm trong nước là hết sức cần thiết. Các nghiên cứu gần
đây đã cho thấy có thể xử lý các chất ô nhiễm trong nước bằng nhiều phương
pháp khác nhau. Tuy nhiên hấp phụ là một trong những phương pháp được đánh
giá cho hiệu quả xử lý tốt nhất bởi hiệu suất hấp phụ cao, chi phí thấp và quy
trình đơn giản. Vật liệu được chọn làm chất hấp phụ cho hiệu quả hấp phụ cao
đòi hỏi có diện tích bề mặt riêng lớn, tính ổn định, chi phí sản xuất thấp và độ
bền nhiệt-hóa cao.
Vật liệu oxít sắt từ (ví dụ magnetite Fe
3
O
4
)
ở kích thước nano có diện tích
bề mặt riêng lớn, đã và đang ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y
sinh, môi trường. Các hạt oxít sắt từ Fe
3
O
4
có kích thước dưới 20 nm thường ở
trạng thái siêu thuận từ ngay tại nhiệt độ phòng. Nghĩa là loại vật liệu này thể
hiện tính chất như một vật liệu thuận từ và do đó nó đang được ứng dụng trong
phân tách sinh học hoặc truyền dẫn thuốc đúng mục tiêu. Hơn nữa, các hạt nano
oxít sắt từ Fe
3
O
4
thường có giá thành rẻ, ít độc, thân thiện với môi trường cũng
cho thấy khả năng xử lý Cr(VI) hiệu quả hơn vật liệu các bon hoặc oxít truyền
thống. Và nó đang chứng tỏ là loại vật liệu tiềm năng trong xử lý các ion kim
loại nặng trong nước. Hạn chế lớn nhất của các hạt nano oxít sắt từ Fe
3
O
4
là
thường bị tích tụ, co cụm theo thời gian và làm cho diện tích bề mặt riêng giảm.
Để khắc phục thuộc tính không mong muốn này, các nhà khoa học đã tiến hành
nghiên cứu, chế tạo vật liệu nano lai/tổ hợp giữa các hạt sắt từ với một số loại
vật liệu nano chất mang khác.
Điển hình là vật liệu nano tổ hợp giữa Fe
3
O
4
với các bon (Fe
3
O
4
/C), bên
cạnh việc ngăn chặn sự tích tụ, co cụm của các hạt sắt từ ngay sau chế tạo, loại
vật liệu này còn chứng tỏ có thể cải thiện tốt quá trình hấp phụ các kim loại
nặng, chất màu trong nước. Ở dạng cấu trúc đặc biệt lõi –vỏ (Fe
3
O
4
@C với lõi là
các hạt sắt từ và lớp vỏ các bon) cho thấy lớp vỏ các bon (được gắn các nhóm
chức như carboxylic, formyl và hydroxyl) có thể bảo vệ tốt sự tác động của các
yếu tố môi trường đến các hạt sắt từ bên trong. Do đó Fe
3
O
4
@C đã và đang
được nghiên cứu khá rộng rãi nhằm ứng dụng trong năng lượng, y sinh, xử lý
môi trường. Trong số đó, việc cải thiện/nâng cao hiệu quả xử lý Asen từ loại vật
liệu này vẫn là một thách thức đang đặt ra cho các nhà nghiên cứu trên toàn thế
giới.
2
Một dạng thù hình khác của các bon nữa là tấm graphene /graphene oxít
(Grp/rGO/GO). Năm 2004, lần đầu tiên vật liệu mới này được giới thiệu với các
tính chất điện, điện tử thú vị của nó và đến năm 2010 giải thưởng Nobel Vật lý
đã được trao cho Geim và Novoselov, người có công tìm ra loại vật liệu này. Từ
đó, graphene đã trở thành đối tượng được nhiều nhà khoa học quan tâm và
nghiên cứu sâu rộng. Việc kết hợp graphene với các loại vật liệu khác đã sinh ra
nhiều tính chất điện - hóa - quang lý thú và đặc biệt là khả năng hấp phụ độc đáo
của nó cũng đang được chú trọng. Các nhà khoa học gần đây đang tập trung vào
nghiên cứu tổng hợp và đánh giá khả năng hấp phụ của kim loại nặng, chất màu
hữu cơ trên cơ sở vật liệu nano tổ hợp giữa các hạt sắt từ Fe
3
O
4
với graphene
(Grp) hoặc/và graphene oxít (rGO/GO). Tuy nhiên, số công bố khoa học về
hướng ứng dụng của loại vật liệu này trong xử lý môi trường vẫn còn rời rạc.
Hơn thế nữa, việc tìm ra và giải thích rõ ràng cơ chế hấp phụ của nó cũng đang
còn nhiều tranh cãi và chưa có lời giải thích thống nhất. Đánh giá khả năng hấp
phụ của vật liệu nano lai/tổ hợp này đối với các kim loại nặng (điển hình Asen),
chất màu (như xanh Methylen) trong dung dịch nước cho thấy chúng phụ thuộc
vào rất nhiều các yếu tố khác nhau như khối lượng, nồng độ, thời gian, pH và
nhiệt độ. Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ của nó vào thành phần tỉ lệ
khối lượng đầu vào giữa Grp, GO/rGO và các hạt sắt từ chưa được chú trọng
nhiều. Hơn thế nữa, các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng hiệu quả xử lý các chất ô
nhiễm cũng phụ thuộc rất mạnh vào cấu trúc vật liệu hấp phụ. Do đó, việc
nghiên cứu một cách chi tiết và hệ thống để đánh giá khả năng hấp phụ các kim
loại nặng, chất màu trong dung dịch nước trên cơ sở vật liệu tổ hợp giữa các
bon, rGO, GO/rGO và các hạt sắt từ với các cấu trúc khác nhau (như lõi-vỏ, lai
hóa) đã trở nên cần thiết. Trong đó, công nghệ chế tạo là yếu tố rất quan trọng sẽ
quyết định đến sự hình thành các cấu trúc vật liệu nano tổ hợp này.
Với những tiềm năng lớn của cấu trúc nano tổ hợp trên cơ sở của ôxít sắt
từ và carbon trong xử lý môi trường như vậy, nghiên cứu sinh cùng với tập thể
hướng dẫn tại Viện Tiên tiến Khoa học và Công Nghệ (AIST) - Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội đã trao đổi, thảo luận và lựa chọn đề tài nghiên cứu:
―Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano tổ hợp trên cơ sở oxít sắt và các bon, định
hướng ứng dụng trong xử lý ion As(V) và xanh Methylen trong nước‖. Các
tiếp cận của luận án tập trung nghiên cứu vào tối ưu cấu trúc tổ hợp của vật liệu
để nâng cao hiệu quả xử lý hấp phụ của chúng trên 2 đối tượng ô nhiễm điển
hình trong nguồn nước là ion As(V) và chất màu hữu cơ xanh methylen (MB).
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo các vật liệu nano tổ hợp trên cơ
sở các hạt ôxít sắt từ với carbon dạng cấu trúc lõi-vỏ (core-shell) và dạng lai hóa
(hybrid);
- Đánh giá thử nghiệm các hệ vật liệu nano tổ hợp trong xử lý (hấp phụ)
một số các chất ô nhiễm trong nguồn nước như ion kim loại nặng As(V) và chất
màu hữu cơ (Methylene Blue-MB).
3
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Để thực hiện các mục tiêu trên, phương pháp nghiên cứu được lựa chọn
của luận án là nghiên cứu thực nghiệm. Công nghệ chế tạo các vật liệu nano
lai/tổ hợp Fe
3
O
4
@C, GO-Fe
3
O
4
, GO-MnFe
2
O
4
thực hiện bằng phương pháp
đồng kết tủa và phương pháp thủy nhiệt.
4. Các đóng góp mới của luận án
- Đã phát triển thành công công nghệ chế tạo vật liệu Fe
3
O
4
@C cấu trúc
lõi – vỏ bằng phương pháp hai bước đồng kết tủa và thủy nhiệt. Vật liệu
Fe
3
O
4
@C xử lý tốt ion As(V) trong nước với dung lượng hấp phụ cực đại lên
đến 20,08 mg/g tại thời gian hấp phụ cân bằng 105 phút.
- Đã xây dựng quy trình công nghệ chế tạo vật liệu nano lai GO-Fe
3
O
4
sử
dụng phương pháp đồng kết tủa, trong đó các hạt sắt từ Fe
3
O
4
được gắn trên các
tấm GO. Vật liệu có khả năng xử lý nhanh và hiệu quả cao chất màu MB trong
nước với dung lượng hấp phụ cực đại 72,9 mg/g tại thời gian hấp phụ cân bằng
3 phút.
- Đã chế tạo thành công vật liệu nano lai GO-MnFe
2
O
4
với quy trình ổn
định, độ lặp lại cao bằng phương pháp đồng kết tủa. Vật liệu nano lai GO-
MnFe
2
O
4
có thể xử lý nhanh và hiệu quả cao cả ion As(V) và MB trong nước.
Dung lượng hấp phụ cực đại và thời gian hấp phụ cân bằng đạt được tương ứng
trong xử lý ion As(V) là 240,4 mg/g và 20 phút, trong khi cho MB là 177,3 mg/g
và 25 phút.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Chúng tôi hy vọng với việc giải quyết hiệu quả các nhiệm vụ (bài toán) nghiên
cứu đã đặt ra sẽ đóng góp vào việc:
- Đánh giá mức độ hấp phụ của các vật liệu nano tổ hợp chế tạo được đối
với As(V) và xanh Methylen (MB). Trên cơ sở đó chỉ ra các điều kiện chế tạo
phù hợp cũng như các ưu và nhược điểm của từng phương pháp thực nghiệm.
Từ đó đánh giá được các tiềm năng ứng dụng của vật liệu nano tổ hợp đã chế tạo
được trong xử lý nước bị nhiễm kim loại nặng.
- Làm sáng tỏ hơn nữa cơ chế hấp phụ của các vật liệu nano tổ hợp chế
tạo được đối với asen và xanh Methylen (MB). Tìm ra quy trình công nghệ thu
hồi các vật liệu nano tổ hợp sau khi xử lý.
6. Bố cục luận án
Các kết quả nghiên cứu của luận án, được tổng hợp, phân tích và viết
thành 4 chương với nội dung và bố cục cụ thể như sau:
Chương 1: Trình bày tổng quan lý thuyết về cấu trúc và tính chất của vật
liệu sắt từ Fe
3
O
4
và vật liệu nano lai/tổ hợp Fe
3
O
4
@C, GO-Fe
3
O
4
, GO-
MnFe
2
O
4
. Bên cạnh đó, hệ thống chi tiết lý thuyết hấp phụ và đánh giá khả năng
xử lý kim loại nặng, chất nhuộm màu của các loại vật liệu lai này, từ đó làm rõ
các vấn đề nghiên cứu đặt ra của luận án. Các phương pháp phân tích mẫu cũng
được đề cập trong chương này.
4
Chương 2: Trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu nano tổ hợp
Fe
3
O
4
@C có cấu trúc lõi-vỏ bằng phương pháp thủy nhiệt hai bước. Kết quả
khảo sát đánh giá và so sánh khả năng hấp phụ As của vật liệu này.
Chương 3: Trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu nano lai GO-
Fe
3
O
4
bằng phương pháp đồng kết tủa. Kết quả khảo sát đánh giá khả năng hấp
phụ MB và giải thích cơ chế hấp phụ của loại vật liệu lai này.
Chương 4: Trình bày các kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu nano lai
GO-MnFe
2
O
4
trên cơ sở phương pháp đồng kết tủa. Các kết quả nghiên cứu về
khả năng hấp phụ MB và As của vật liệu cũng được đề cập chi tiết trong chương
này.
5
B. NỘI DUNG LUẬN ÁN
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1.Giới thiệu
1.2. Vật liệu nano sắt từ (Fe
3
O
4
và MnFe
2
O
4
) và các ứng dụng
1.2.1. Cấu trúc của Fe
3
O
4
và MnFe
2
O
4
1.2.2. Ứng dụng của vật liệu nano Fe
3
O
4
và MnFe
2
O
4
1.3. Vật liệu nano tổ hợp Fe
3
O
4
@C
1.3.1. Một số phương pháp chế tạo
1.3.2. Ứng dụng của vật liệu Fe
3
O
4
@C
1.3.2.1. Ứng dụng vật liệu Fe
3
O
4
@C trong tích trữ năng lượng
1.3.2.2. Ứng dụng của vật liệu Fe
3
O
4
@C trong y sinh
1.3.2.3. Ứng dụng của vật liệu Fe
3
O
4
@C trong xử lý môi trường
Bên cạnh hướng ứng dụng trong năng lượng và y sinh, vật liệu tổ hợp
Fe
3
O
4
@C cũng được đặc biệt quan tâm trong hướng ứng dụng xử lý môi trường
bởi loại vật liệu này có quy trình thực hiện đơn giản, dễ thu hồi sau xử lý và đặc
biệt là thân thiện với môi trường. Hơn nữa lớp các bon xốp trên bề mặt các hạt
Fe
3
O
4
có số lượng lỗ rỗng lớn, dẫn đến diện tích bề mặt riêng cao và khá ổn định
nhiệt nên cho hiệu quả xử lý vượt trội hơn hẳn so với Fe
3
O
4
hoặc các bon riêng
lẻ. Điển hình năm 2011, Zhengyong Zhang và cộng sự đã chế tạo thành công các
hạt sắt từ Fe
3
O
4
@C bằng phương pháp thủy nhiệt hai bước. Kết quả của bài báo
chỉ ra rằng các hạt Fe
3
O
4
@C có cấu trúc dạng lõi-vỏ với đường kính khoảng
250 nm. Ứng dụng loại vật liệu này để xử lý chất nhuộm hữu cơ trong nước và
cho thấy dung lượng hấp phụ cực đại MB và CR có giá trị lần lượt là 44,38
mg/g, 11,22 mg/g. Đến năm 2013, cấu trúc xốp C@Fe
3
O
4
đã được chế tạo thành
công bởi nhóm của Chun Zhang và họ đã chứng tỏ rằng vật liệu xốp các
C@Fe
3
O
4
có khả năng xử lý Cr(VI) tốt hơn nhiều lần so với các hạt sắt từ Fe
3
O
4
.
Gần đây nhất là năm 2016, Ming Chen và cộng sự đã chế tạo các hạt nano tổ
hợp Fe
3
O
4
@C bằng phương pháp thủy nhiệt một bước đi từ tiền chất ban đầu
glucose. Kết quả của nghiên cứu này cho vật liệu Fe
3
O
4
@C có hiệu suất xử lý
môi trường tốt hơn so với các hạt sắt từ Fe
3
O
4
và dung lượng hấp phụ cực đại
Cr(VI) của Fe
3
O
4
@C lên đến 61,69 mg/g, trong khi giá trị này đối với các hạt
sắt từ 3,38 mg/g.
1.4. Vật liệu tổ hợp GO-Fe
3
O
4
1.4.1. Một số phương pháp chế tạo và tính chất của vật liệu nano tổ
hợp GO-Fe
3
O
4
1.4.2. Ứng dụng của vật liệu nano tổ hợp GO-Fe
3
O
4
1.4.2.1. Ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng và y sinh
1.4.2.2. Ứng dụng trong xử lý môi trường
Bên cạnh các ứng dụng tiềm năng trong lưu trữ năng lượng và y sinh, các
nghiên cứu gần đây còn cho thấy vật liệu nano tổ hợp GO-Fe
3
O
4
có khả năng
hấp phụ tốt các kim loại nặng như Br, Cr, Pb, As trong môi trường nước. Do đó
nó đã và đang thu hút sự quan tâm sâu rộng của nhiều nhóm nghiên cứu trên
6
toàn thế giới. Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, loại vật liệu này có khả năng
loại bỏ gần như hoàn toàn đối với các kim loại nặng và cao hơn rất nhiều lần khi
so sánh với hạt sắt từ thông thường. Hơn nữa, một khó khăn thường gặp là các
hạt nano oxít sắt từ dễ bị kết tụ/co cụm vì ảnh hưởng/thay đổi nhiều của các điều
kiện môi trường như nhiệt độ, pH. Trong khi vật liệu GO có thể ngăn cản sự tích
tụ này và làm diện tăng tích bề mặt riêng của GO-Fe
3
O
4
so với các hạt sắt từ
Fe
3
O
4
. Do đó, nó có hiệu quả xử lý môi trường cao. Điển hình là năm 2010,
nhóm tác giả V.Chandra và cộng sự đã tổng hợp thành công vật liệu tổ hợp của
nano tổ hợp Fe
3
O
4
-rGO bằng cách đồng kết tủa Fe
2+
/Fe
3+
trong dung dịch chứa
GO với sự có mặt của chất khử hydrazin. Kết quả của bài báo cho thấy kích
thước hạt và từ tính phụ thuộc rất mạnh vào tỉ lệ khối lượng của hai muối
Fe
2+
/Fe
3+
. Ứng dụng vật liệu này xử lý As cho hiệu suất lên đến 99,9% trong
phạm vi 1 ppb. Một nghiên cứu khác do nhóm tác giả của Bhunia chủ trì đã chế
tạo vật liệu tổ hợp Fe
3
O
4
-rGO và ứng dụng để xử lý một số kim loại nặng Cr
(VI), Hg (II), Pb (II), Cd (II) và As (III). Kết quả của nghiên cứu này cho thấy
dung lượng hấp phụ cực đại của As (III) là lớn nhất (44 mg/g), của Cd (III) là
nhỏ nhất (2,1 mg/g). Nguyên nhân của sự sai khác này được nhóm nghiên cứu
giải thích là do cơ chế hấp phụ của Fe
3
O
4
-rGO đối với các kim loại khác nhau là
không giống nhau (hấp phụ có chọn lọc).
1.5. Vật liệu nano tổ hợp GO-MnFe
2
O
4
1.5.2. Ứng dụng của vật liệunano tổ hợp GO-MnFe
2
O
4
1.5.2.1.Ứng dụng vật liệu nano tổ hợp GO-Me
2
O
4
trong lưu trữ năng
lượng
1.5.2.1.Ứng dụng vật liệu nano tổ hợp GO-MnFe
2
O
4
trong xử lý môi
trường
Vật liệu nano tổ hợp GO-MnFe
2
O
4
có thêm tính chất quang xúc tác vượt
trội hơn so với các vật liệu GO, Fe
3
O
4
.
Do đó nó đang được nghiên cứu hết sức
sâu rộng trên toàn thế giới nhằm định hướng ứng dụng trong xử lý môi trường.
Điển hình là xử lý các kim loại nặng như Pb, Cr, As và các chất màu như MB,
CR trong nước. Năm 2014, nhóm tác giả Suresh Kumar và cộng sự đã tiến hành
tổng hợp vật liệu lai MnFe
2
O
4
-GO nhằm ứng dụng loại bỏ Pb (II), As (III), As
(V) trong môi trường nước. Kết quả của nghiên cứu này chỉ ra rằng vật liệu
MnFe
2
O
4
-GO có thể hấp phụ các kim loại nặng Pb (II), As (III), As (V) cao hơn
nhiều lần so với các công bố trước đó. Dung lượng hấp phụ cực đại của loại vật
liệu này khi xử lý Pb (II), As (III), As (V) có giá trị lần lượt là 673 mg/g, 146
mg/g, 207 mg/g, trong khi hiệu suất hấp phụ từ 96 đến 99,8 %.
Vật liệu nano lai MnFe
2
O
4
-rGO có cấu trúc xốp với diện tích bề mặt riêng
lớn có thể xử lý màu của Rhodamine B (RHB), xanh Methylen (MB) với hiệu
suất hấp phụ lên đến 92% (cho RHB) và gần 100% (cho MB), điểm đặc biệt ở
đây là thời gian hấp phụ cân bằng rất ngắn (khoảng 2 phút). Nguyên nhân của
hiện tượng này được nhóm tác giả lý giải là do MnFe
2
O
4
-rGO có hoạt tính xúc
tác quang mạnh khi xử lý RHB và MB. Một nghiên cứu khác nữa do Yongsheng
Fu và các công sự công bố năm 2015 cho thấy MnFe
2
O
4
-GO có hoạt tính xúc tác
7
quang cao hơn nhiều lần so với MnFe
2
O
4
khi được chiếu bằng ánh sáng nhìn
thấy. Điều này được giải thích là do có sự truyền năng lượng từ MnFe
2
O
4
sang
các tấm rGO. Do đó MnFe
2
O
4
-GO có khả năng xử lý môi trường tốt hơn so với
MnFe
2
O
4
. Các kết quả khác trong các công bố cũng đã chứng minh rằng các vật
liệu lai graphene - ferit từ là vật liệu tiềm năng, đầy hứa hẹn trong ứng dụng
khác như loại bỏ các vi sinh vật và khử trùng trong nước uống. Tuy nhiên, thách
thức lớn nhất trong ứng dụng này là cần phải kiểm soát tốt kích thước, hình thái
và sự phân tán đồng đều các hạt nano từ trên các vật liệu graphene. Một ví dụ
điển hình cho ứng dụng này là công bố của nhóm nghiên cứu Chella Santhosh
và các cộng sự. Họ đã chứng tỏ rằng vật liệu lai MnFe
2
O
4
-GO có thể xử lý đồng
thời các kim loại nặng và vi khuẩn trong nước với hiệu suất cao. Kết quả cho
thấy hiệu quả xử lý Pb (II) và Cd (II) có giá trị lần lượt là 100 mg/g và 76,90
mg/g, trong khi khả năng tiêu diệt vi khuẩn trong nước lên đến 82%.
1.6. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
1.7. Lý thuyết hấp phụ
1.7.1. Các khái niệm cơ bản
1.7.2. Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
1.8. Các phƣơng pháp phân tích tính chất của vật liệu
1.9. Kết luận chƣơng 1
CHƢƠNG 2
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
NANO TỔ HỢP CẤU TRÚC LÕI-VỎ Fe
3
O
4
@C VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ
As(V) TRONG NƢỚC
2.1. Giới thiệu
2.2. Thực nghiệm chế tạo mẫu
2.2.1. Thiết bị và hóa chất
2.2.2. Quy trình thực nghiệm chế tạo vật liệu Fe
3
O
4
@C bằng
phương pháp đồng kết tủa và thủy nhiệt
2.2.3. Quy trình thực nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ Asen (V)
trong nước
2.3. Phân tích tính chất của vật liệu nano tổ hợp cấu trúc lõi-vỏ
Fe
3
O
4
@C
2.3.1. Phân tích hình thái bề mặt sử dụng phép đo hiển vi điện tử
truyền qua (TEM)
2.3.2. Phân tích cấu trúc vật liệu sử dụng phép đo XR
8
Hình 2.4. Ảnh TEM của mẫu sắt từ Fe
3
O
4
(a) và các mẫu Fe
3
O
4
@C theo tỉ lệ khối
lượng m
Fe3O4
:m
Glucose
khác nhau: (b)
1:1,125, (c) 1:2,5, (d) 1:5 chế tạo bằng
phương pháp thủy nhiệt
Hình 2.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các
hạt sắt từ Fe
3
O
4
(a) và các mẫu Fe
3
O
4
@C
có tỷ lệ khối lượng m
Fe3O4
:m
Glucose
khác
nhau: (b) 1:1,125, (c) 1:2,5, (d) 1:5, (e)
1:10 chế tạo bằng phương pháp thủy
nhiệt
Kết quả ảnh TEM cho thấy hầu hết các hạt sắt từ Fe
3
O
4
có hình dạng gần
cầu với kích thước trung bình khoảng từ 10 nm đến 20 nm. Sau quá trình thủy
nhiệt, chúng tôi quan sát thấy rằng các hạt Fe
3
O
4
bị che phủ bởi các lớp các bon
bên ngoài. Với nồng đồ glucose thấp, mẫu có tỉ lệ m
Fe3O4
to m
glucose
=1:1,25 trên
hình chèn nhỏ của hình 2.4b chứng tỏ có lớp carbon mỏng bao bọc bên ngoài
các hạt sắt từ Fe
3
O
4
để hình thành cấu trúc lõi – vỏ (Fe
3
O
4
là lõi và Carbon là
vỏ). Kết quả XRD của các mẫu cho thấy tất cả các đỉnh nhiễu xạ đều đặc trưng
cho cấu trúc lập phương tâm mặt và đa tinh thể của vật liệu sắt từ Fe
3
O
4
(theo
thẻ chuẩn số hiệu 19-0629).
2.3.3. Phân tích các liên kết của vật liệu sử dụng phép đo FTIR
2.3.4. Phân tích các liên kết trong vật liệu sử dụng phép đo XPS
Hình 2.6. Phổ FTIR của mẫu Fe
3
O
4
(a)
và các mẫu Fe
3
O
4
@C theo tỉ lệ khối
lượng m
Fe3O4
:m
Glucose
khác nhau: (b)
1:1,125, (c) 1:2,5, (d) 1:5, (e) 1:10 chế
tạo bằng phương pháp đồng kết tủa và
thủy nhiệt
Hình 2.7. Phổ XPS của mẫu Fe
3
O
4
@C
theo tỉ lệ khối lượng m
Fe3O4
:m
Glucose
=1:2.5
chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa và
thủy nhiệt: (a) đường tổng, (b) đường O1s,
(c) đường Fe2p và (d) đường C1s
9
Trên Hình 2.6a cho thấy mẫu Fe
3
O
4
tồn tại các vùng hấp thụ đặc trưng
cho các loại liên kết khác nhau. Vùng hấp thụ rộng quanh số sóng 3400–3850
cm
−1
và 1607 cm
−1
đặc trưng tương ứng cho liên kết -OH của nước và lượng dư
-OH trên bề mặt hạt Fe
3
O
4
. Các đỉnh hấp thụ tại 2362 cm
–1
được giải thích liên
quan đến liên kết C=O của CO
2
có mặt trong không khí trên bề mặt mẫu. Trong
khi hai đỉnh hấp thụ tại 570 cm
-1
và 635 cm
-1
có nguồn gốc từ liên kết Fe-O của
vật liệu Fe
3
O
4
. Kết quả FTIR của các mẫu Fe
3
O
4
@C trên hình 2.4 (b-e) cho thấy
ngoài các đỉnh hấp thụ đặc trưng cho vật liệu Fe
3
O
4
còn có các đỉnh hấp thụ mới
tại số sóng 1708 cm
-1
, 1397 cm
-1
và 1047 cm
-1
. Trong đó đỉnh hấp phụ tại 1708
cm
-1
có nguồn gốc từ liên kết C=O của nhóm -COOH có trên bề mặt các hạt sắt
từ, đỉnh 1397 cm
-1
đóng góp của liên kết C-OH và đỉnh 1047 cm
-1
có nguyên
nhân từ liên kết C-O của glucose dư trong mẫu. Kết quả này là bằng chứng quan
trong cho thấy có sự tồn tại lớp các bon trên các hạt sắt từ Fe
3
O
4.
Phổ XPS C1s
được fit theo hàm Gaussian-Lorentzian trình bày trên hình 2.7d. Kết quả cho
thấy tồn tại 4 đỉnh ứng với năng lượng liên kết tại 284.1 eV, 285.2 eV, 286.7 eV
và 288.6 eV. Nguồn gốc của các đỉnh phổ này được giải thích liên quan đến liên
kết C=C (284.1 eV), C-OH (285.2 eV), C-O-C (286.7 eV) và C=O (288.6 eV).
Kết quả này một lần nữa khẳng định đã tồn tại các liên kết giữa carbon với các
nhóm liên kết trên bề mặt hạt sắt từ Fe
3
O
4
và khá phù hợp với phép phân tích
FTIR như đã chỉ ra trên hình 2.6.
2.3.5. Kết quả phân tích tính chất từ của vật liệu bằng từ kế mẫu
rung
Kết quả cho thấy từ độ bão hòa
(Ms) của mẫu Fe
3
O
4
có giá trị lớn hơn
so với các mẫu Fe
3
O
4
@C. Bảng 2.3
trình bày các thông số từ tính của các
mẫu thực nghiệm. Dễ dàng nhận thấy
rằng mẫu Fe
3
O
4
@C có Ms nhỏ hơn so
với vật liệu sắt từ Fe
3
O
4
và giá trị này
giảm dần khi tăng lượng glucose trong
mẫu. Điều này được giải thích do hiệu
ứng che chắn của lớp phi từ các bon
trên bề mặt Fe
3
O
4
. Kết quả này chứng
tỏ có thể điều khiển mô men từ hóa
bão hòa của các hạt sắt từ Fe
3
O
4
bằng
cách thay đổi nồng độ khối lượng
glucose trong mẫu.
Hình 2.8. Kết quả đo VSM của mẫu Fe
3
O
4
(a) và các mẫu Fe
3
O
4
@C theo tỉ lệ khối
lượng m
Fe3O4
:m
Glucose
khác nhau: (b)
1:1.125, (c) 1:2.5, (d) 1:5, (e) 1:10 chế tạo
bằng phương pháp thủy nhiệt.
2.4. Thử nghiệm ứng dụng vật liệu nano tổ hợp cấu trúc lõi-vỏ
Fe
3
O
4
@C để xử lý As(V) trong nƣớc
2.4.1. Khảo sát hiệu suất hấp phụ As(V) của vật liệu theo thời gian
10
Kết quả cho thấy các hạt Fe
3
O
4
có
hiệu suất hấp phụ cực đại là 43,2% tại
thời điểm 120 phút. Trong khi đó hiệu
suất hấp phụ của tất cả các mẫu vật
liệu Fe
3
O
4
@C đều cao hơn so với các
hạt sắt từ Fe
3
O
4
. Mẫu FeOC-1,25 có
giá trị hiệu suất hấp phụ cực đại cao
nhất bằng 99,6% tại thời điểm 150
phút, cao hơn ~2,2 lần so với vật liệu
sắt từ (43,2%). Điều đặc biệt ở đây là
khi tăng lượng glucose trong mẫu, thời
gian và hiệu suất hấp phụ cực đại có xu
hướng giảm xuống rõ rệt.
Hình 2.9. Khảo sát hiệu suất hấp phụ As
(V) theo thời gian của mẫu Fe
3
O
4
và các
mẫu Fe
3
O
4
@C có tỷ lệ khối lượng
m
Fe3O4
:m
Glucose
khác nhau chế tạo bằng
phương pháp đồng kết tủa và thủy nhiệt
2.4.2. Kết quả nghiên cứu động học quá trình hấp phụ As của vật
liệu
Kết quả fit các số liệu thực
nghiệm cho thấy Fe
3
O
4
tuân theo mô
hình động học bậc một, trong khi các
mẫu Fe
3
O
4
@C tuân theo mô hình
động học bậc hai với hệ số tương
quan lớn hơn 96%. Tính năng lượng
hoạt hóa (Ea) của các mẫu Fe
3
O
4
@C
cho thấy có giá trị nhỏ hơn 25
kJ/mol, do đó hấp phụ As(V) của vật
liệu này tuân theo cơ chế hấp phụ vật
lý. Đây chính là sơ sở để cho chúng
tôi thực hiện các nghiên cứu tiếp theo.
Hình 2.10. Kết quả các đường fit theo mô
hình động học bậc hai của mẫu sắt từ
Fe
3
O
4
và các mẫu vật liệu nano tổ hợp
Fe
3
O
4
@C
2.4.3. Xây dựng đường đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich
Hình 2.11. Đường fit các giá trị thực
nghiệm theo mô hình đẳng nhiệt
Langmuir cho quá trình hấp thụ As(V)
của mẫu FOC-2.5 tại nhiệt độ 25 ◦C,
pH=1-2, m=0,02g và thời gian 105 phút
Hình 2.12. Đường fit các giá trị thực
nghiệm theo mô hình đẳng nhiệt
Freundlich cho quá trình hấp thụ As(V)
của mẫu FOC-2.5 tại nhiệt độ 25 ◦C,
pH=1-2, m=0,02g và thời gian 105 phút
11
Các số liệu thực nghiệm đã được fit theo hai mô hình đẳng nhiệt
Langmuir và Freundlich cho quá trình hấp thụ asen của các mẫu Fe
3
O
4
@C tại
nhiệt độ 25 ◦C, pH=1-2, m=0,02g và thời gian 105 phút. Kết quả cho thấy dung
lượng hấp phụ cực đại (q
m
) và hằng số hấp phụ Langmuir (k
L
) có giá trị cỡ 20,08
mg/g và 0,0056 L/mg trong khi hệ số tương quan R
2
~ 0,9886. Tuy nhiên, hệ số
tương quan trong trường hợp fit theo mô hình Freundlich có giá trị nhỏ hơn cỡ
~0,8760. Kết quả này chứng tỏ quá trình hấp phụ As(V) của vật liệu nano lai
FOC-2,5 phù hợp với mô hình đẳng nhiệt Langmuir, nghĩa là quá trình hấp phụ
xảy ra trên bề mặt đồng nhất và đơn lớp.
2.5. Kết luận chƣơng 2
Chúng tôi đã chế tạo thành công vật liệu nano tổ hợp Fe
3
O
4
@C bằng
phương pháp thủy nhiệt. Kết quả cho thấy vật liệu tổ hợp Fe
3
O
4
@C với kích
thước cỡ 10-20 nm cho hiệu suất hấp thụ As(V) trong nước tốt hơn so với các
hạt sắt từ Fe
3
O
4
. Hiệu suất và thời gian hấp phụ cân bằng phụ thuộc rất mạnh
vào tỉ lệ khối lượng giữa Fe
3
O
4
và glucose trong mẫu. Ở điều kiện tối ưu, mẫu
có tỉ lệ khối lượng m
Fe3O4
:m
glucose
=1:2,5 cho hiệu suất hấp phụ cực đại cỡ
93,2% tại thời điểm bão hòa 105 phút. Đã chứng minh quá trình hấp phụ
As(V) của vật liệu Fe
3
O
4
@C tuân theo đường động học bậc hai và mô hình đẳng
nhiệt Langmuir. Giá trị dung lượng hấp phụ cực đại As(V) của vật liệu tổ hợp
Fe
3
O
4
@C là ~20,08 mg/g.
CHƢƠNG 3
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU TỔ
HỢP GO-Fe
3
O
4
VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ METHYLENE BLUE TRONG
NƢỚC
3.1. Giới thiệu
3.2. Thực nghiệm chế tạo mẫu và hấp phụ Methylene Blue
3.2.1. Thiết bị và hóa chất
3.2.2. Quy trình thực nghiệm chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc lai hóa
GO-Fe
3
O
4
3.2.3. Quy trình xử lý hấp phụ MB của vật liệu nano tổ hợp cấu trúc
lai hóa GO-Fe
3
O
4
3.3. Kết quả phân tích hình thái bề mặt, cấu trúc, liên kết và tính
chất từ của vật liệu
3.3.1. Phân tích hình thái bề mặt sử dụng phép đo kính hiển vi điện
tử truyền qua (TEM)
12
Hình 3.3a cho thấy các tấm GO
rất mỏng đã được hình thành. Kết quả
trên hình 3.3.b chỉ ra rằng vật liệu sắt
từ Fe
3
O
4
ngay sau khi chế tạo có cấu
trúc dạng hạt gần cầu với kích thước
khoảng 10 nm. Ảnh TEM trên hình 3.3
(c,d) chứng tỏ có các hạt sắt từ Fe
3
O
4
có kích thước nhỏ đính hoặc/và bị che
phủ bởi các tấm GO kích thước lớn
hơn nhiều lần sau quá trình đồng kết
tủa và ủ nhiệt trong môi trường không
khí. Ở tỉ lệ khối lượng giữa GO và
Fe
3
O
4
thấp (tỷ lệ 1:1) chúng tôi quan
sát rất rõ ràng các hạt sắt từ Fe
3
O
4
với
kích thước khoảng 9,6 nm, đứng tách
riêng lẻ đính trên tấm GO (xem hình
3.3c). Tuy nhiên, khi tăng khối lượng
các hạt sắt từ có trong mẫu (tỷ lệ 5:1),
các hạt sắt từ có xu hướng co cụm, kết
đám để tạo thành các ―đám hạt‖ có
kích thước lớn hơn và gắn chặt trên
tấm GO, như trên hình 3.3.d.
Hình 3.3. Ảnh TEM của tấm GO chế tạo
bằng phương pháp Hummer (a) và các
hạt Fe
3
O
4
chế tạo bằng phương pháp
đồng kết tủa (b). Ảnh TEM của mẫu vật
liệu nano tổ hợp GO-Fe
3
O
4
tương ứng với
tỉ lệ khối lượng mFe
3
O
4
:mGO bằng 1:1
(c) và 5:1(d). Các hình chèn nhỏ là đồ thị
biểu diễn kích thước hạt của các mẫu
tương ứng
3.3.2. Phân tích cấu trúc vật liệu sử dụng phép đo nhiễu xạ tia X
(XRD)
Kết quả phân tích XRD của GO
trên hình 3.4a cho thấy tồn tại đỉnh
nhiễu xạ đặc trưng cho vật liệu graphit
tại góc 2θ ~10,9
o
tương ứng với mặt
(002). Dễ dàng quan sát được trên phổ
XRD của mẫu Fe
3
O
4
tồn tại các đỉnh
nhiễu xạ đặc trưng cho vật liệu Fe
3
O
4
với cấu trúc lập phương tâm mặt, đơn
pha và đa tinh thể. Các mẫu vật liệu
nano lai GO-Fe
3
O
4
cho thấy ngoài các
đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho vật liệu sắt
từ Fe
3
O
4
còn có đỉnh nhiễu xạ đặc
trưng cho graphen tại góc 2θ ~26,8
o
(xem mẫu FGO1). Điều này được giải
thích do một phần GO đã bị khử thành
graphene (rGO) sau quá trình đồng kết
tủa và ủ nhiệt trong môi trường không
khí
Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu
GO (a), các hạt sắt từ Fe
3
O
4
và các mẫu
vật liệu nano lai GO-Fe
3
O
4
chế tạo bằng
phương pháp đồng kết tủa (b)
13
3.3.3. Kết quả phân tích các liên kết của vật liệu bằng phổ hồng
ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và phổ tán xạ Raman
Hình 3.5. Phổ FTIR của các mẫu Fe
3
O
4
,
GO và mẫu vật liệu lai GO-Fe
3
O
4
có tỉ lệ
khối lượng mFe
3
O
4
:mGO bằng 1:5
(FGO2) chế tạo bằng phương pháp đồng
kết tủa
Hình 3.6. Phổ Raman của mẫu GO và
mẫu vật liệu lai GO-Fe
3
O
4
với tỉ lệ khối
lượng mFe
3
O
4
:mGO bằng 1:5 (FGO2)
chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa
Kết quả phân tích FTIR và Raman là bằng chứng quan trọng cho sự tương
tác giữa các hạt sắt từ và GO trong sự hình thành vật liệu lai GO-Fe
3
O
4
và kết
quả này khá phù hợp với phân tích XRD trước đó.
3.3.5. Kết quả phân tích tính chất từ của vật liệu bằng từ kế mẫu
rung (VSM)
Kết quả cho thấy mô men từ hóa
bão hòa (Ms) của các mẫu vật liệu lai
GO-Fe
3
O
4
phụ thuộc mạnh vào tỉ lệ
khối lượng m
GO
:m
Fe3O4
. Giá trị Ms
của các mẫu FGO1, FGO2, FGO3 và
hạt sắt từ Fe
3
O
4
lần lượt là 3,7
emu/g, 16,3 emu/g, 35,1 emu/g và
61,2 emu/g. Dễ dàng nhận thấy rằng
giá trị Ms của các mẫu vật liệu lai
GO-Fe
3
O
4
tăng dần theo khối lượng
hạt sắt từ trong mẫu và đều nhỏ hơn
vật liệu Fe
3
O
4
. Điều này được giải
thích là do hiệu ứng che chắn của lớp
phi từ GO trên mẫu vật liệu lai như đã
được công bố trước đây. Hình ảnh thu
hồi bằng từ trường ngoài của vật liệu
lai FGO2 được trình bày trên hình
chèn nhỏ
Hình 3.7. Kết quả đo VSM ở nhiệt độ
phòng của hạt sắt từ Fe
3
O
4
và các mẫu vật
liệu lai giữa GO-Fe
3
O
4
với tỷ lệ khối lượng
m
GO
:m
Fe3O4
khác nhau: 1:1 (FGO1); 1:5
(FGO2); 1:10 (FGO3) được chế tạo bằng
phương pháp đồng kết tủa
3.4. Thử nghiệm ứng dụng vật liệu nano tổ hợp cấu trúc lai hóa GO-
Fe
3
O
4
để xử lý MB trong nƣớc
14
3.4.1. Khảo sát khả năng hấp phụ MB theo khối lƣợng của vật liệu
Dễ dàng nhận thấy hiệu suất hấp
phụ tăng nhanh khi tăng khối lượng
hấp phụ từ 0,005 g đến 0,01 g, trong
khi thời gian hấp phụ cân bằng giảm
xuống rất nhanh từ 75 phút về 3 phút.
Tuy nhiên các mẫu có khối lượng 0,02
g/100mL, 0,04 g/100mL cho thấy hiệu
suất thay đổi không nhiều so với mẫu
0,01 g/100mL, trong khi thời gian hấp
phụ cân bằng vẫn là 3 phút. Do đó
chúng tôi chọn mẫu 0,01 g để thực
hiện các nghiên cứu tiếp theo.
Hình 3.8. Kết quả khảo sát sự phụ thuộc
hiệu suất hấp phụ MB vào khối lượng vật
liệu FGO2 theo thời gian
3.4.2. Nghiên cứu động học hấp phụ MB của vật liệu
Kết quả cho thấy quá trình hấp
phụ MB của vật liệu GO-Fe
3
O
4
phù
hợp với mô hình động học bậc hai. Các
đường fit động học bậc hai cho quá
trình hấp phụ MB theo thời gian của
các mẫu FGO2 có khối lượng khác
nhau được trình bày trên hình 3.10.
Tính năng lượng hoạt hóa (Ea) của các
mẫu có giá trị nhỏ hơn 24 kJ/mol, do
đó hấp phụ giữa FGO2 và MB theo cơ
chế hấp phụ vật lý.
Hình 3.10. Các đường fit động học bậc
hai cho quá trình hấp phụ MB theo thời
gian của các mẫu FGO2 với khối lượng
khác nhau được chế tạo bằng phương
pháp đồng kết tủa
2.4.3. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ
Hình 3.11. Kết quả đường đẳng nhiệt
Langmuir hấp phụ MB của mẫu GO-
Fe
3
O
4
(FGO2) tại nhiệt độ 25
o
C, pH=7
và thời gian 3 phút
Hình 3.12. Kết quả đường đẳng nhiệt
Freundlich hấp phụ MB của mẫu GO-
Fe
3
O
4
(FGO2) tại nhiệt độ 25
o
C, pH=7
và thời gian 3 phút
15
Nhận xét: Với hệ số tương quan lớn (R
2
= 0,9975) khi fit theo mô hình
mô hình đẳng nhiệt Langmuir so với fit mô hình Freundlich (R
2
=0,9453), chứng
tỏ các số liệu thực nghiệm phù hợp trong nghiên cứu này với mô hình hấp phụ
đẳng nhiệt Langmuir. Tức là vật liệu bị hấp phụ MB xảy ra ở đơn lớp của vật
liệu hấp phụ GO-Fe
3
O
4
. Dung lượng hấp phụ MB cực đại có giá trị 72,9 mg/g
và hiệu suất hấp phụ đạt 97,3 % (ở 35
o
C), trong khi thời gian hấp phụ ở trạng
thái cân bằng rất ngắn (khoảng 3 phút).
2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng độ pH và nhiệt độ đến dung lượng và
hiệu suất hấp phụ MB của vật liệu
Hình 3.13. (a) Kết quả ảnh hưởng của pH dung dịch đến dung lượng hấp phụ
của mẫu FGO2 tại nhiệt độ 25
o
C, thời gian 3 phút và (b) ảnh hưởng nhiệt độ
dung dịch đến dung lượng hấp phụ của mẫu FGO2 tại pH=7, thời gian 3 phút
Kết quả trên hình 3.13a cho thấy dung lượng hấp phụ tăng dần theo pH.
Khi pH thấp bề mặt của GO-Fe
3
O
4
trở nên tích điện dương, các ion H
+
trong
môi trường sẽ cạnh tranh với MB để liên kết với nhóm carboxyl, hydroxyl trên
GO và làm giảm dung lượng hấp phụ. Tuy nhiên khi pH tăng cao, bề mặt vật
liệu tích điện âm, liên kết chặt chẽ với các cation MB thông qua các nhóm chức
trên GO và làm tăng dung lượng hấp phụ. Hình 3.13b chỉ ra rằng dung lượng
hấp phụ tăng nhanh và đạt giá trị bão hòa sau 3 phút. Giá trị hiệu suất hấp phụ
cực đại tương ứng với nhiệt độ dung dịch 25
o
C, 35
o
C và 45
o
C là 91,2, 97,3 và
97,3%. Dễ dàng nhận thấy hiệu suất hấp phụ MB tăng dần khi nhiệt độ dung
dịch tăng từ 25
o
C đến 35
0
C và gần như không thay đổi ở nhiệt độ 45
o
C.
3.4.4. So sánh đánh giá dung lượng hấp phụ MB của các vật liệu
Thời gian hấp phụ cân bằng và
dung lượng hấp phụ cực đại của các
mẫu lần lượt là 35 phút, 33 mg/g (GO),
3 phút, 28 mg/g (FGO2) và 3 phút, 2
mg/g, (Fe
3
O
4
). Dễ dàng nhận thấy
dung lượng hấp phụ cực đại của vật
liệu lai GO-Fe
3
O
4
có giá trị nhỏ hơn
GO nhưng cao hơn vật liệu sắt từ
Fe
3
O
4
nhiều lần. Trong khi thời gian
hấp phụ cân bằng của vật liệu lai GO-
Hình 3.14. Kết quả đo dung lượng hấp
phụ theo thời gian của các hạt sắt từ
16
Fe
3
O
4
nhỏ hơn nhiều lần (3 phút) so
với GO (55 phút).
Fe
3
O
4
, mẫu GO- Fe
3
O
4
(FGO2) và GO tại
nhiệt độ 25
o
C, pH=7
3.4.5. Cơ chế hấp phụ MB của vật liệu GO-Fe
3
O
4
Trên các tấm GO luôn tồn tại các nhóm chức chứa ôxi như nhóm carboxyl
(-COOH), cacbonyl (-C=O), epoxy (C-O-C) và nhóm hydroxyl (-OH). Quá
trình đồng kết tủa và ủ nhiệt, các nhóm chức này sẽ bị khử một phần để tạo
thành rGO như đã được công bố trước đây. Một số nhóm chức chưa bị khử có
thể liên kết với các ion Fe. Sự kết hợp giữa các hạt sắt từ với GO để tạo thành
vật liệu lai GO-Fe
3
O
4
có thể theo hai xu hướng đó là: (i) Fe
3
O
4
liên kết với
nhóm chức này nhờ lực hút tĩnh điện hoặc/và (ii) Fe
3
O
4
điền kẽ vào các vị trí nút
khuyết trên các tấm GO.
Các nhóm chức chứa ôxi trên GO luôn giữ vai trò quan trọng như những ô hoạt
hóa (active sites) trong quá trình hấp phụ MB. Các cation MB sẽ tương tác với
các nhóm chức trên GO nhờ lực hút tĩnh điện. Các phương trình mô tả sự hấp
phụ MB trên tấm GO là:
GO—COOH + MB
+
→ GO—COO
-
— MB
+
+ H
+
(3.3)
GO—OH + MB
+
→ GO—O
-
— MB
+
+ H
+
(3.4)
Hình 3.15. Mô hình giải thích cơ chế hình
thành vật liệu lai GO-Fe
3
O
4
chế tạo bằng
phương pháp đồng kết tủa
Hình 3.16. Mô hình giải thích cơ chế hấp
phụ của vật liệu lai GO-Fe
3
O
4
chế tạo
bằng phương pháp đồng kết tủa
3.5. Kết luận chƣơng 3
Chúng tôi đã phát triển thành công công nghệ chế tạo vật liệu lai GO-
Fe
3
O
4
bằng phương pháp đồng kết tủa, trong đó các hạt sắt từ Fe
3
O
4
được với
kích thước 10 nm gắn kết bền vững trên tấm GO. Kết quả dùng vật liệu lai GO-
Fe
3
O
4
thu được để xử lý MB trong nước cho thấy tuân theo động học hấp phụ
bậc hai và mô hình đẳng nhiệt Langmuir. Dung lượng hấp phụ MB cực đại có
giá trị 72,9 mg/g và hiệu suất hấp phụ đạt 97,3 % (ở 35
o
C), trong khi thời gian
hấp phụ ở trạng thái cân bằng rất ngắn (khoảng 3 phút).
Bên cạnh đó ảnh hưởng của nhiệt độ và pH dung dịch đến quá trình hấp
phụ cũng được chúng tôi khảo sát nghiên cứu chi tiết. Kết quả chứng tỏ dung
lượng hấp phụ MB ở trạng thái cân bằng tăng dần theo pH dung dịch, trong khi
nhiệt độ dung dịch có giá trị lớn hơn 35
o
C không ảnh hưởng nhiều đến quá trình
hấp phụ. Việc nghiên cứu so sánh khả năng hấp phụ MB của ba vật liệu GO,
GO-Fe
3
O
4
và Fe
3
O
4
cho thấy dung lượng hấp phụ của GO có giá trị lớn nhất,
