Nghiên cứu tổng hợp vật liệu có cấu trúc Nickel Ferrite bằng phương pháp thủy nhiệt và ứng dụng xúc tác phân hủy quang hóa Methylene Blue

TP CHÍ KHOA HC VÀ CÔNG NGH, Trường Đại hc Khoa hc, ĐH Huế  
Tp 17, S2 (2020)  
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CÓ CẤU TRÚC NICKEL FERRITE  
BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG XÚC TÁC  
PHÂN HỦY QUANG HÓA METHYLENE BLUE  
1,*  
1,2  
3
HVăn Minh Hi , Nguyễn Thị Hải Ngọc , Lương Văn Tri ,  
4
5
Ngô Thuần , Dương Viết Quảng  
1
Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế  
2
Trường THPT Pleiku, Tp Gia Lai  
3
Trường PTTH Lê Lợi, Pleiku, Tp Gia Lai  
4
Sở Khoa học và Công nghệ TT Huế  
5
Trung tâm kiểm soát bệnh tật tỉnh Quảng Bình  
* Email: minhhai061186@gmail.com  
Ngày nhn bài: 02/3/2020; ngày hoàn thành phn bin: 5/3/2020; ngày duyệt đăng: 02/4/2020  
TÓM TT  
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày quá trình tng hp vt liu có cu trúc spinen  
nickel ferrite được tng hp bằng phương pháp thủy nhit, sdng các mui  
FeSO4.7H2O, Ni(NO3)2.6H2O và glucose như là các tiền chất ban đầu. Các tlmol  
Fe:Ni ảnh hưởng đến cu trúc, hình thái và tính cht ca vt liệu đã được kho sát.  
Kết quphân tích nhiu xtia X (XRD) cho thy mu có tlệ Ni:Fe=1:2 được nung ở  
o
500 C trong 5 h có dạng đơn pha cấu trúc spinen. Vt liệu có độ xp cao, loi từ  
mm, siêu thun tvà có khả năng phân hủy xúc tác quang methylene blue trong  
vùng ánh sáng khkiến, được đánh giá qua khả năng phân hủy dung dch màu xanh  
methylene khi chiếu đèn UV-Vis, hiu sut phân hy hầu như hoàn toàn trong 25  
phút chiếu x.  
Tkhóa: Nickel ferrite; glucose; phương pháp thủy nhit; xúc tác quang phân hy  
methylene blue  
1. GII THIU  
Spinen nickel ferrite là mt oxit phc hp có công thc hóa hc NiFe  
cu trúc, tinh thnicken ferrite có cu trúc lập phương tâm mặt [1]. Chúng là spinen đảo,  
2O4. Vmt  
2+  
8
2+  
vì cu hình electron hóa trca ion Ni là 3d nên sphi trí thun li là 6. Các ion Ni  
1
Nghiên cu tng hp vt liu có cu trúc nickel ferrite bằng phương pháp thủy nhit …  
3+  
nm trong các hc bát din (vtrí B) còn ion Fe phân bvào chc bát din và hc tứ  
2+  
3+  
din. Ion Ni có bán kính 0,78 Å còn ion Fe bán kính 0,67Å. Hng smng tinh thể  
dng khi ca tinh thNiFe bng 8,34 Å [2]. Trong cu trúc hình thành các tương tác  
2
O
4
3+  
3+  
2+  
3+  
siêu trao đổi gia các ion Fe (A) - Fe (B), tương tác này khác với tương tác Ni (B) - Fe (A)  
.
2+  
3+  
Sphân bcác ion Ni và ion Fe vào các vị trí A và B đã quyết định tính cht tca  
ferit, mc dù chúng có thành phn hóa hc không đổi [3]. Vi tính cht từ đặc bit  
này, vt liu spinen nickel ferrite đã được sdng trong nhiu ng dụng như thiết bị  
điện tử, lưu trữ thông tin, y hc,.…[4]  
Trong nhng thp kgần đây, vật liu nickel ferrite nhận được squan tâm ca  
các nhà khoa học trong lĩnh vực xúc tác quang hóa bi nhiều ưu điểm ni bật như có  
tình bn nhit, ổn định hóa học và có năng lượng vùng cm hp nên có khả năng hấp  
thánh sáng trong vùng khkiến và thích hp làm vt liu xúc tác phân hy quang hóa  
trong vùng ánh sáng khkiến [5]. Khi vt liu hấp thu năng lượng sto ra nhng tác  
nhân có hot tính oxi hóa rt mạnh như các gốc tdo *OH, *O ... có khả năng phân hủy  
2
mnh các hp cht hữu cơ như phẩm nhum, các hp cht phenol, và ccác tế bào vi  
khun có hi [6]. Do đó, các hợp chất ferrite được sdng rng rãi trong hoạt động  
kháng khun, trong phân hy các chất màu như methylene blue (MB) [7], methyl orange  
(MO) [8], rhodamine B (RhB)…[9].  
Trong nghiên cu này, vt liu có cu trúc spinen nickel ferrite được tng hp  
theo phương pháp thủy nhit sdng các mui st, niken và glucose [10]. Trong sut  
quá trình thy nhit, glucose spolymer hóa to thành các polysaccharide và các cation  
kim loi sbhp phbi polysaccharide to thành các phc trung gian kim loi  
polysaccharide. Các phc trung gian này sphát trin thành ht cu đóng vai trò như  
khuôn cacbon với kích thước microspheres trong đó các cation được phân brất đồng  
o
đều trên bmt và bên trong các ht cu cacbon. Vì vy, khi nung nhiệt độ 500 C trong  
5h thu được vt liệu độ xp cao và thành phn các oxit kim loi phân bố khá đồng đều  
[11, 12].  
Vt liệu spinen nickel ferrite sau khi nung được đặc trưng bởi các phương pháp  
nhiu xtia X (XRD), tán xạ năng lượng tia X (EDX). Tính tca các vt liệu được đo  
bng thiết btkế mẫu rung (VSM) trong môi trường khí quyn. Vt liệu cũng được sử  
dụng để kho sát khả năng xúc tác quang hóa phân hủy methylene blue trong điều kin  
chiếu xVis.  
2. THC NGHIM  
2.1. Hóa cht  
Tt ccác hóa chất được sdng trong quá trình tng hp vt liu spinen nickel  
ferrite và kho sát quá trình xúc tác phân hy xanh methylene được mua tGuangzhou,  
2
TP CHÍ KHOA HC VÀ CÔNG NGH, Trường Đại hc Khoa hc, ĐH Huế  
Tp 17, S2 (2020)  
Trung Quc là Glucose (99 %), mui nickecal (II) nitrate (99 %), mui st (II) sunfat (99  
%), methylene blue (98 %), ethanol (99%).  
2.2. Phương pháp đặc trưng vật liu  
Thành phn pha và thành phn nguyên tca vt liệu spinen nickel ferrite được xác  
định bằng các phương pháp nhiễu xtia X (XRD) trên thiết bị Bruker D8 Advance (Đức)  
và tán xạ năng lượng tia X (EDX) trên thiết bị Hitachi S4800 (Nht Bn). Tính tca các  
vt liệu được đo bằng thiết btkế mẫu rung (VSM) trong môi trường khí quyn trên  
thiết b(VSM, Micro Sence Easy VSM 20130321-02).  
2.3. Tng hp vt liu  
Vật liệu nano spinen nickel ferrite được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt. Đầu  
tiên, 4 g glucose và 0,03 mol hỗn hợp muối FeSO  
4.7H  
2
O và Ni(NO  
3)  
2
.6H O (tỉ lệ số mol  
2
Fe:Ni = 2:2, 2:1, 1:1) được hòa tan trong 40 mL nước cất tạo thành dung dịch đồng nhất.  
o
Tiếp theo, hỗn hợp dung dịch được đưa vào bình teflon, đậy kín thủy nhiệt ở 185 C trong  
8h. Mẫu thu được dung dịch có màu vàng nâu. Chất bột màu đen thu được bằng cách  
ly tâm qua 3 lần nước cất và 2 lần bằng ancol etylic nguyên chất để loại bỏ tạp chất. Sấy  
o
o
khô mẫu ở 80 C trong 5 giờ, sau đó đem nung sản phẩm ở 500 C trong 5 giờ thu được  
nickel ferrite hình cầu.  
2.4. Kho sát sphân hy xanh methylene ca vt liu  
Khả năng ứng dng làm xúc tác quang ca mu vt liu spinen nickel ferrite nung ở  
o
500 C trong 5 h được đánh giá bằng sphân hy dung dch màu methylene blue (MB).  
Đèn được sdụng là đèn hơi thủy ngân (Philips, ML 100 W) có bước sóng khong 578  
nm. Vt liệu được phân tán trong dung dịch MB (trong nước ct nồng độ 20 ppm) vi  
hàm lượng xúc tác là 0,5 g/L, sau đó khảo sát khả năng phân hủy màu theo 3 chế độ như  
sau: (1) chiếu xVis vi shin din ca xúc tác NiFe  
2
O , (2) Không chiếu xVis và có  
4
dùng xúc tác, (3) chiếu xVis mà không có shin din ca cht xúc tác. Nồng độ MB  
được xác định bằng phương pháp quang phổ hp thu tngoi và khkiến (UV-Vis) trên  
thiết bUV-Vis (Spectro 2000 Spectrophotometer) bằng cách đo độ hp thca MB ở  
bước sóng 665 nm.  
3. KT QUVÀ THO LUN  
3.1. Đặc trưng của vật liệu spinen nickel ferrite  
Hình 1 trình bày giản đồ nhiu xXRD ca các mẫu nickel ferrite trước và sau khi  
o
nung nhiệt độ 500 C trong 5 h. Kết quca các mẫu spinen nickel ferrite trước khi  
o
nung hình 1 A cho thy quá trình thy nhit các mu 185 C trong 8 giờ đã hình  
thành pha tinh thferrite spinen NiFe  
xạ đặc trưng : (220) tại 30 ; (311) ti 36 ; (440) ti 64 đã khá rõ, cường độ trung bình, các  
2
O
4
cu trúc lập phương tâm mặt, các peak nhiu  
o
o
o
3
Nghiên cu tng hp vt liu có cu trúc nickel ferrite bằng phương pháp thủy nhit …  
o
o
peak (400) ti 44 ; (511) ti 57 trong 2 mu tlệ 1:1 và 1:2 chưa rõ nét và cường độ còn  
thp, các peak xut hin này trùng vi vtrí các peak chun ca NiFe theo JCPDS số  
2O4  
10-0325 [13], điều đó cho thấy pha tinh thể đã hình thành trong khi thủy nhiệt nhưng  
o
chưa hoàn chỉnh. Tuy nhiên, sau khi nung nhiệt độ 500 C trong 5 gi, các peak nhiu  
xạ đặc trưng của spinen nickel ferrite xut hin sắc nét và có cường độ cao (hình 1B).  
Thành phn nguyên tcó trong vt liu NiFe  
2
O được phân tích bằng phương pháp  
4
phtán xtia X. Kết quphân tích EDX ca các mu NiFe  
2
O vi các ttlmol Ni/Fe  
4
o
ban đầu bằng 1:2 khi đã nung 500 C trong 5 giờ được trình bày hình 2. Kết qucho  
thy có tn ti các nguyên tniken và st trong mu tng hợp được. Bên cạnh đó, peak  
ca C xut hin có thể do trong quá trình nung chưa hoàn toàn; peak của O và S xut  
hin có thlà tcác muối ban đầu đưa vào để tng hp mu.  
Hình thái ca vt liu được trình bày hình 3. Kết qucho thy: nickel ferrite có  
dng hình cu xp, kích thước nano cp ht rt nhvà sphân bhạt đồng đều. Vt  
o
liu có 2 lp, lp vlà các ht nickel ferrite bao phlp lõi cacbon sau khi nung 500 C  
/5 gilớp lõi cháy để li các ht nickel ferrite hình cu và mt phần cacbon chưa cháy  
hết trong vt liu trng hp.  
Hình 1. Giản đồ XRD ca các mu spinen NiFe2O4 các tlệ khác nhau trước (A) và sau  
o
nung 500 C trong 5 h (B)  
4
TP CHÍ KHOA HC VÀ CÔNG NGH, Trường Đại hc Khoa hc, ĐH Huế  
Tp 17, S2 (2020)  
Hình 2. PhEDX ca mu NiFe2O4 được tng hp ttlệ mol Ni/Fe ban đầu bng 1:2.  
Hình 3. nh SEM ca mu NiFe2O4 được tng hp ttlệ mol Ni/Fe ban đầu bng 1:2.  
Tính cht tca vt liệu được xác định bằng phép đo VSM ở nhiệt độ phòng.  
Các đặc trưng từ tính ca mu vt liệu nickel ferrite như độ từ bão hòa (Ms), độ từ dư  
(Mr) và lc kháng từ (Hc) đều tăng dần khi tlệ Fe/Ni tăng trong mẫu (hình 4). Giá trị  
từ độ bão hòa đều (Ms) trong khong 10,38-33,86 emu/g; độ từ dư (Mr) 1,57-8,05 emu/g;  
trong khi lc kháng t(Hc) t(-184,83) (-116,83) Oe. Kết qunày cho thy, chúng có  
đặc trưng của tmm và siêu thun tvi lc kháng trt nh[14].  
5
Nghiên cu tng hp vt liu có cu trúc nickel ferrite bằng phương pháp thủy nhit …  
Hình 4. Đường cong thóa ca các mu nickel ferrite có tlFe/Ni khác nhau  
3.2. Nghiên cu quá trình phân hy xúc tác quang cht màu methylene blue (MB)  
Hình 5 trình bày động hc phân hy xúc tác quang MB ca mu vt liu spinen  
NiFe  
2
O
4
4
(tlmol Fe:Ni=2:1) trong 3 chế độ: (1) chiếu xVis vi shin din ca xúc tác  
, (2) Không chiếu xVis và có dùng xúc tác, (3) chiếu xVis mà không có shin  
NiFe  
2
O
din ca cht xúc tác. Kết qucho thấy, màu MB đã bị loi bhoàn toàn sau 45 phút  
trong khi khong 42 % quá trình khmàu MB xy ra do shp phtrên bmt ca  
NiFe  
2
O trong điều kin khuy từ (điều kin ti). Ngoài ra, sphân hủy MB không được  
4
quan sát thy nếu chchiếu Vis mà không có nikel ferrite. Kết quchra rng NiFe  
hoạt động như một cht xúc tác quang trong chiếu xVis.  
2O4  
Hình 5. Quá trình phân hủy quang xúc tác cho thuốc nhuộm MB sử dụng NiFe2O4 làm xúc tác.  
6
TP CHÍ KHOA HC VÀ CÔNG NGH, Trường Đại hc Khoa hc, ĐH Huế  
Tp 17, S2 (2020)  
Những kết quả này chỉ ra rằng NiFe  
2
O4 có khả năng quang xúc tác làm phân hủy  
thuốc nhuộm. Cơ chế phân hủy quang hóa của thuốc nhuộm MB trên spinel nickel ferrite  
có thể được giải thích bằng lý thuyết bán dẫn. Ferrite nicken được chiếu xạ bởi sự kích  
8
thích ảnh dẫn đến sự chuyển đổi electron trong quỹ đạo 3d , sau đó là sự hình thành cặp  
electron ( ) và cặp lỗ ( + ) trên bề mặt chất xúc tác (phản ứng 1). Khả năng oxy hóa cao  
e
h
của lỗ trống ( + ) trong chất xúc tác cho phép oxy hóa trực tiếp thuốc nhuộm (phản ứng  
2) hoặc phản ứng với các phân tử nước hoặc ion hydroxyl (  
h
) để tạo ra gốc hydroxyl  
OH  
(
) (phản ứng 3); các gốc hydroxyl này làm các phân tử hữu cơ bị oxy hóa bề mặt  
OH  
(phản ứng 4). Mặt khác, các electron được quang hóa (e) làm giảm thuốc nhuộm hoặc  
phản ứng với O  
2
bị hấp phụ trên bề mặt coban ferrite hoặc hòa tan trong nước tạo thành  
2-  
anion gốc (O ) (phản ứng 5), đây cũng là một ion làm cho MB bị oxy hóa mạnh (phản  
ứng 6).  
)(e + h  
+
(NiFe  
2
O
4
) + h → (NiFe  
2
O4  
)
(1)  
(2)  
+
.
h + MB MBsản phẩm phân hủy  
+
+
H + H  
2
O H + 2 OH  
+
-
H + 2OH 2 OH  
(3)  
(4)  
(5)  
OH  
+ MB sản phẩm phân hủy  
2−  
2
e + O2 O  
2  
sản phẩm phân hủy  
(6)  
O + RDM  
4. KT LUN  
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tổng hp thành công vt liu có cu trúc  
o
spinen nickel ferrite bằng phương pháp thủy nhit. Sau khi nung 500 C trong 5 h, vt  
liu có cu trúc xp, hình cu và các nguyên tniken và st trong mu tng hợp được  
phân bố khá đồng đều bng cách sdng khuôn cng cacbon. Các giá trị đặc trưng từ  
tính Ms, Mr, Hc ca mẫu Niken ferrit tăng dần khi tăng tỷ lFe/Ni, vt liu thuc loi  
tmm, siêu thun tcó thể sử dụng làm chất xúc tác phân hủy quang hóa ở bước  
sóng 578 nm, có khả năng phân hủy hoàn toàn xanh Methylen (MB).  
TÀI LIU THAM KHO  
[1]. Gaudon, Pailhe, Wattiaux and Demourgues, 2009, Structural defects in AFe2O4 (A = Zn, Mg)  
spinels. Materials research Bulletin 44: 479-484.  
[2]. Casbeer, Sharma and Li, 2012, Synthesis and photocatalytic activity of ferrites under visible light:  
A review. Separation and Purification Technology 87: 1-14.  
[3]. Harraz, Mohamed, Rashad, Wang and Sigmund, 2014, Magnetic nanocomposite based on  
titania-silica/cobalt ferrite for photocatalytic degradation of methylene blue dye. Ceramics  
International 40: 375-384.  
7
Nghiên cu tng hp vt liu có cu trúc nickel ferrite bằng phương pháp thủy nhit …  
[4]. Kefeni, Msagati and Mamba, 2017, Ferrite nanoparticles: Synthesis, characterisation and  
applications in electronic device. Materials Science and Engineering B 215: 37-55.  
[5]. Albuquerque, Tolentino, Ardisson, Moura, Mendonca and Macedo, 2012, Nanostructured  
ferrites: Structural analysis and catalytic activity. Ceramics International 38: 2225 - 2231  
[6]. Casbeer, Sharma and Li, 2012, Synthesis and photocatalytic activity of ferrites under visible light:  
A review. Separation and Purification Technology 87: 1-14.  
[7]. Samavati and Ismail, 2016, Antibacterial properties of copper-substitued cobalt ferrite nanoparticles  
synthesized by co-precipitation method.Particuology 30: 158 -163.  
[8]. Sharma and Singhal, 2013, Structural, magnetic and electrical properties of zinc doped nickel ferrite  
and their application in photo catalytic degradation of methylene blue. Physica B Condensed Matter  
414: 83- 90.  
[9]. Kharisov, Dias and Kharissova, 2014, Ferrite nanoparticles in the catalytics. Arabian journal of  
Chemistry.  
[10]. Sun, X.; Liu, J.; Li, Y, 2006, Use of Carbonaceous Polysaccharide Microspheres as Templates for  
Fabricating Metal Oxide Hollow Spheres. Chem. - Eur. J. 12, 20392047.  
[11]. Sun, X.; Li, Y, 2004, Colloidal Carbon Spheres and Their Core/Shell Structures with Noble-Metal  
Nanoparticles. Angew. Chem., Int. Ed. 43, 597601.  
[12]. Padmanathan, N.; Selladurai, S, 2014, Mesoporous MnCo2O4 Spinel Oxide Nan structure  
synthesized by Solvothermal Technique for Supercapacitor. Ionics, 20, 479487.  
[13]. P. Sivakumar; R. Ramesh, A. Ramanand,2013, Synthesis and characterization of NiFe2O4  
nanoparticles and nanorods. Journal of Alloys and Compounds 563, 611  
[14]. 14. K. Dukenbayev, I.V. Korolkov, D.I. Tishkevich, A.L. Kozlovskiy, S.V. Trukhanov, Y.G.  
Gorin, E.E. Shumskaya, E.Y. Kaniukov,  
D.A. Vinnik, M.V. Zdorovets, 2019, Fe3O4  
nanoparticles for complex targeted delivery and boron neutron capture therapy. Nanomaterials 9,  
494.  
8
TP CHÍ KHOA HC VÀ CÔNG NGH, Trường Đại hc Khoa hc, ĐH Huế  
Tp 17, S2 (2020)  
SYNTHESIS OF NICKEL FERRITE WITH SPINEL FERRITE  
BY THE HYDROTHERMAL METHOD AND APPLICATION FOR  
PHOTOCATALYTIC DEGRADATION METHYLENE BLUE  
1,*  
1,2  
3
Ho Van Minh Hai , Nguyen Thi Hai Ngoc , Luong Van Tri ,  
4
5
Ngo Thuan , Duong Viet Quang  
1
2
University of Sciences, Hue University  
Pleiku Senior high school, Gia Lai city  
3
Le Loi senior high school, Pleiku, Gia Lai city  
4
Thua Thien Hue Department of Science and Technolgy  
5
Center for Disease control and prevention, Quang Binh province  
* Email: minhhai061186@gmail.com  
ABSTRACT  
In the present paper, the synthesis of nickel ferrite with spinel structure from  
precursors as FeSO4.7H2O, Ni(NO3)2.6H2O and glucose by hydrothermal process is  
demonstrated. The different Fe/Ni molar ratios and calcination temperature affected  
on the structure and morphology, magnetic properties are studied. It is found that  
o
the sample with initial molar Ni/Fe of 1/2 calcined at 500 C for 5 hours provides the  
single phase of nickel ferrite. The obtained nickel ferrite exhibits the soft magnetic  
property and high porosity. It can be used as a photo-catalyst for methylene blue  
degradation.  
Keywords: Nickel ferrite; glucose, hydrothermal method, photo-catalyst for  
methylene blue degradation.  
9
Nghiên cu tng hp vt liu có cu trúc nickel ferrite bằng phương pháp thủy nhit …  
Hồ Văn Minh Hải sinh ngày 06/11/1986. Ông tốt nghiệp đại học năm  
2009 ngành Hóa Silicat tại Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. Năm  
2013, ông học thạc sĩ chuyên ngành Hóa Vô cơ tại trường Đại học Khoa  
học, ĐH Huế. Hiện tại, ông đang công tác tại Khoa Hóa học, trường Đại  
học Khoa học, Đại học Huế  
Lĩnh vực nghiên cứu: vật liệu nano, xúc tác và hấp phụ, điện hóa.  
Nguyễn Thị Hải Ngọc hiện đang công tác tại trường THPT Pleiku,  
Tp Gia Lai.  
Lĩnh vực nghiên cu: xúc tác và hp ph.  
Lương Văn Tri hiện ông đang công tác tại trường THPT Lê Lợi, Tp Gia  
Lai .  
Lĩnh vực nghiên cứu: vật liệu tân tiến xúc tác và hấp phụ .  
Ngô Thuần hiện ông đang công tác tại Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh  
Thừa Thiên Huế.  
Lĩnh vực nghiên cu: vt liu ng dụng trong điện hóa.  
Dương Viết Quảng hiện ông đang công tác tại Trung tâm Kiểm soát  
bệnh tật tỉnh Quảng Bình.  
Lĩnh vực nghiên cu: phân tích hóa hc.  
10  
pdf 10 trang yennguyen 18/04/2022 1400
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu tổng hợp vật liệu có cấu trúc Nickel Ferrite bằng phương pháp thủy nhiệt và ứng dụng xúc tác phân hủy quang hóa Methylene Blue", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfnghien_cuu_tong_hop_vat_lieu_co_cau_truc_nickel_ferrite_bang.pdf