Tóm tắt Luận án Chế tạo, nghiên cứu tính chất và khả năng hấp thụ sóng ra đa băng x, hấp phụ uranium của vật liệu dựa trên cơ sở nano ferrite

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN QUANG ĐẠT CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VÀ KHẢ NĂNG HẤP THỤ SÓNG RA ĐA BĂNG X, HẤP PHỤ URANIUM CỦA VẬT LIỆU DỰA TRÊN CƠ SỞ NANO FERRITE Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử Mã số: 62 44 01 05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2018 Công trình được hoàn thành tại: Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Bộ Quốc phòng Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Đỗ Quốc Hùng TS Phạm Thanh Hùng Phản biện 1: GS. TS Bạch Thành Công Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 2: PGS. TS Nguyễn Phúc Dương Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 3: TS Nguyễn Bá Tiến Viện Công nghệ xạ hiếm – Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp tại: Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Vào hồi giờ ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. - Thư viện Quốc gia Việt Nam. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH Đà CÔNG BỐ 1. Trần Quang Đạt, Lê Đình Vị, Đỗ Quốc Hùng. Nghiên cứu tính chất loại bỏ uranium của hạt nano siêu thuận từ Cu0.5Ni0.5Fe2O4 chế tạo với phương pháp hàng loạt. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 52, số 3B (2014) 66-73. 2. Tran Quang Dat, Vu Dinh Thao, Do Quoc Hung. Removal of uranium from aqueous solution using NiFe2O4 superparamagnetic nanoparticles. Tuyển tập báo cáo Hội nghị Kỹ thuật Công nghệ Hóa học và Môi trường (2015) 151-163. 3. Tran Quang Dat, Pham Van Thin, Do Quoc Hung. Adsorption of uranium (VI) from aqueous solution using Fe3O4 superparamagnetic nanoparticles. Tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lý chất rắn và khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 9 (2015) 695-698. 4. Tran Quang Dat, Pham Van Thin, Do Quoc Hung. Study on influence of temperature and duration of hydrothermal treatment to properties of nano ferrite NiFe2O4 materials. Journal of Science and Technology, Vol 54 (No 1A) (2016) 1-8. 5. Trần Quang Đạt, Nguyễn Trần Hà, Phan Nhật Giang, Đỗ Quốc Hùng. Nghiên cứu tính chất hấp thụ vi sóng của composite Zn0.5Ni0.5Fe2O4 và PANI. Proceedings of Advances in Applied and Engineering Physics IV, (2016) 193- 197. 6. Nguyễn Trần Hà, Trần Quang Đạt, Nguyễn Văn Toàn, Nguyễn Vũ Tùng, Đỗ Quốc Hùng. Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng radar băng X của composite Mn0.5Zn0.5Fe2O4 và PANI. Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, số 179 (2016) 194- 201. 7. Tran Quang Dat, Nguyen Van Toan, Pham Van Thin, Do Quoc Hung. Adsorption of uranium from aqueous solution by Cu0.5Ni0.5Fe2O4 – reduced graphene oxide. Journal of Science and Technology, Vol 54 (No 5A) (2016) 9- 19. 8. Tran Quang Dat, Nguyen Tran Ha, Do Quoc Hung, Reduced graphene oxide - Cu0.5Ni0.5Fe2O4 - polyaniline nanocomposite: Preparation, characterization and microwave absorption properties, Journal of Electronic Materials, Vol 46 (6) (2017) 3707 - 3713. 9. Tran Quang Dat, Pham Thanh Hung, Do Quoc Hung, Efficient Removal of Uranium from Aqueous Solution by Reduced Graphene Oxide–Zn0.5Ni0.5Fe2O4 Ferrite–Polyaniline Nanocomposite, Journal of Electronic Materials, Vol 46 (6) (2017) 3273 – 3278. 10. Tran Quang Dat, Nguyen Van Toan, Pham Van Thin, Pham Thanh Hung, Do Quoc Hung. Removal of uranium from aqueous solution by Zn0.5Ni0.5Fe2O4 – RGO nanocomposites, Journal of Science and Technology, Vol 183 (No 4) (2017) 3-10. 1 GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết của luận án: Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan tới việc thiết kế, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, hệ thống điều khiển ở kích thước nano mét. Trong các loại vật liệu, vật liệu ferrite có cấu trúc nano mét được quan tâm rất lớn nhờ các ứng dụng nổi bật của chúng trong nhiều lĩnh vực, nổi bật là hấp thụ sóng radar và xử lý nước thải, nhất là hấp phụ uranium. Vật liệu nano ferrite có ưu điểm là kích thước hạt nhỏ, diện tích bề mặt riêng rất lớn, tính chất từ được cải thiện đối với vật liệu micro mét. Ngoài khả năng hấp phụ tốt các nguyên tố nặng, vật liệu còn có tính chất từ tốt nên vật liệu sau khi hấp phụ có thể dễ dàng thu lại nhanh chóng, hiệu quả. Ngoài ra, khi đặt trong trường điện từ của sóng radar, các mô men từ sẽ liên tục bị đảo hướng và va chạm với các phân tử, nguyên tử khác, dẫn đến tiêu hao năng lượng của trường điện từ. Vật liệu nano từ tính với những ưu điểm của mình được kỳ vọng sẽ giúp cho các vật liệu có khả năng hấp phụ uranium với dung lượng hấp phụ lớn hơn; có thể hấp thụ sóng radar hiệu quả ở vùng tần số cao hơn, tăng độ rộng của dải tần hoạt động của vật liệu ngụy trang. Nhận thấy, vấn đề chế tạo vật liệu nano dựa trên vật liệu ferrite đồng thời ứng dụng vật liệu để hấp phụ uranium và hấp thụ sóng radar là một hướng nghiên cứu hiện đại, thực tiễn và cần thiết nên luận án lựa chọn tên nghiên cứu: “Chế tạo, nghiên cứu tính chất và khả năng hấp thụ sóng ra đa băng X và hấp phụ uranium của vật liệu trên cơ sở nano ferrite”. Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu chế tạo các vật liệu nano ferrite ở cấp độ phòng thí nghiệm. Khảo sát tính chất của vật liệu dựa trên những phương pháp đo tiên tiến. Đánh giá các hiệu ứng hấp phụ uranium và hấp thụ sóng radar băng X trên các vật liệu đã chế tạo được. Nâng cao khả năng hấp phụ 2 uranium và hấp thụ sóng radar băng X bằng cách tạo ra các composite chứa ferrite. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu là phương pháp thực nghiệm kết hợp với các mô hình lý thuyết. Thực nghiệm chế tạo các hệ vật liệu nano ferrite. Sử dụng các phương pháp đo xác định tính chất của vật liệu và ứng dụng các mô hình lý thuyết để luận giải và xác định các thông số của vật liệu. Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu về vật liệu nano ferrite: dạng hạt (Fe3O4, Ni ferrite, ZnNi ferrite, CuNi ferrite), dạng composite có hai thành phần (RGO – ferrite, ferrite – PANI) và dạng composite có ba thành phần (RGO – ferrite – PANI) Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo vật liệu, đo đạc và đánh giá thông số về cấu trúc và tính chất vật lý của vật liệu nano ferrite. Nghiên cứu tính chất hấp phụ uranium và hấp thụ sóng radar của vật liệu chế tạo được ở quy mô phòng thí nghiệm. Bố cục luận án: Luận án được trình bày 129 trang bao gồm phần mở đầu và kết luận. Luận án chia thành 4 chương. Chương I: Tổng quan về vật liệu nano ferrite. Chương II: Chế tạo các vật liệu nano ferrite. Chương III: Khảo sát sự hấp thụ sóng radar của vật liệu nano composite ferrite. Chương IV: Khảo sát sự hấp phụ uranium của vật liệu nano ferrite. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO FERRITE 1.1. Vật liệu nano ferrite 1.1.1. Vật liệu nano ferrite Vật liệu ferrite có công thức tổng quát MO.Fe2O3 và có cấu trúc spinel, trong đó M là kim loại hóa trị 2. Khi kích thước hạt giảm xuống cỡ 3 vài chục nano mét, các tính chất vật liệu được cải thiện rõ rệt nổi bật là tính siêu thuận từ. 1.1.2. Các phương pháp chế tạo hạt nano ferrite Các phương pháp chế tạo khá đa dạng với nhiều cấu trúc khác nhau. Luận án đề cập đến các phương pháp sử dụng: đồng kết tủa và thủy nhiệt. 1.1.3. Composite ferrite Vật liệu ferrite thường được kết hợp với một số các vật liệu khác tạo nên composite từ tính. Sự kết hợp này đã tạo ra rất nhiều loại composite và đã mở ra phạm vi ứng dụng vô cùng rộng lớn. 1.2. Sự hấp thụ sóng radar vật liệu nano ferrite 1.2.1. Cơ chế hấp thụ sóng radar của vật liệu Các cơ chế tổn hao năng lượng của sóng radar trong vật liệu nano ferrite là tổn hao điện môi (phân cực điện tử, phân cực tự phát, phân cực nguyên tử, ion dẫn); tổn hao từ (từ trễ, cộng hưởng sắt từ, hồi phục từ); dòng điện xoáy. 1.2.1. Ứng dụng vật liệu nano ferrite nhằm hấp thụ đối với sóng radar Vật liệu nano ferrite có tính chất từ ưu việt là một trong các vật liệu được ứng dụng mạnh mẽ trong lĩnh vực hấp thụ sóng radar. Composite của vật liệu nano ferrite cũng là một loại vật liệu có tiềm năng hấp thụ sóng radar rất hiệu quả. Vật liệu phối hợp với nano ferrite được lựa chọn là: polymer dẫn điện và vật liệu cacbon nano. 1.3. Sự hấp phụ uranium của vật liệu nano ferrite 1.3.1. Sơ lược về uranium Phản ứng phân chia hạt nhân uranium giải phóng một năng lượng rất lớn, khoảng 195 - 200 MeV và phát ra các tia phóng xạ alpha, beta, gama. Các tia phóng xạ này rất có hại cho sức khoẻ con người. 1.3.2. Công nghệ sản xuất uranium kỹ thuật 4 Quy trình công nghệ xử lý quặng thu sản phẩm uranium kỹ thuật gồm những công đoạn sau: làm giàu sơ bộ, gia công cơ học, hoà tách, phân chia rắn lỏng, làm sạch và làm giàu dung dịch, kết tủa sản phẩm uranium kỹ thuật, xử lý chất thải. 1.3.3. Quy trình xử lý chất thải Bã thải phóng xạ được xử lý theo quy trình: Thu gom, phân loại và lưu giữ tạm thời ; vận chuyển ; xử lý (phương pháp xử lý tuỳ thuộc vào loại và trạng thái của bã thải); vận chuyển và lưu giữ tạm thời ; chôn cất. 1.3.4. Quy trình xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng Các phương pháp sử dụng để xử lý chất thải dạng lỏng là trao đổi ion ; kết tủa và đồng kết tủa ; màng ; hấp phụ. 1.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ uranium Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ uranium bao gồm độ pH, nhiệt độ, thời gian hấp phụ, nồng độ và khối lượng chất hấp phụ. 1.3.6. Khử hấp phụ Đối với các vật liệu hấp phụ là nano ferrite, các chất khử hấp phụ thường là: axit, bazơ, dung dịch hữu cơ, chất tạo phức. Kết luận chương I Chương I trình bày các vấn đề về đặc điểm, phương pháp chế tạo vật liệu nano ferrite dạng hạt và composite, ứng dụng hấp phụ uranium và hấp phụ sóng radar băng X. Qua đó, các nội dung cần đặt ra là: tiến hành nghiên cứu chế tạo các vật liệu nano ferrite : dạng hạt và composite của nano ferrite với các vật liệu khác như graphene, polyanilin; khảo sát tính chất của các vật liệu chế tạo được: cấu trúc, hình thái, kích thước, tính chất từ; khảo sát tính chất hấp phụ ion chứa uranium trong dung dịch: khảo sát và đánh giá các thông số ảnh hưởng, các đặc điểm hấp phụ của từng loại vật liệu; khảo sát tính chất hấp thụ sóng radar băng X của các composite ferrite. 5 CHƯƠNG II: CHẾ TẠO CÁC VẬT LIỆU NANO FERRITE 2.1. Chế tạo vật liệu hạt nano ferrite MFe2O4 2.1.1. Phương pháp chế tạo Hình 2.1. Quy trình chế tạo vật liệu hạt nano ferrite. Hình 2.2. Sơ đồ hệ phun sương – đồng kết tủa. 2.1.2. Phân tích tính chất của vật liệu hạt nano ferrite Hình 2.3. Ảnh TEM của các mẫu NiFe2O4: (a) ngay sau khi phun; (b) thủy nhiệt ở nhiệt độ 120 oC, 32 h; (c) thủy nhiệt ở nhiệt độ 140 oC, 32 h; (d) thủy nhiệt ở nhiệt độ 160 oC, 32 h. Hình 2.4. Ảnh TEM của (a) Fe3O4; (b) ZNF; (c) CNF. 1 – Ống dẫn khí 2,3 – Bình chịu áp lực 4,5 – Vòi phun sương 6 – Bình phản ứng 3 4 6 2 5 1 (a) (d) (c) (a) (b) (c) (b) 6 Hình 2.5. Ảnh SEM của các mẫu: (a) Fe3O4; (b) NiFe2O4; (c) Zn0.5Ni0.5Fe2O4; (d) Cu0.5Ni0.5Fe2O4. Hình 2.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu NiFe2O4 vô định hình. Hình 2.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano NiFe2O4 sau thủy nhiệt 32h, ở các nhiệt độ khác nhau. Hình 2.8. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano NiFe2O4 sau các thời gian thủy nhiệt khác nhau, tại 1600C. (a) (b) (d) (c) 7 Hình 2.9. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các hạt: (a) Fe3O4; (b) Zn0.5Ni0.5Fe2O4; (c) Cu0.5Ni0.5Fe2O4. Hình 2.10. Phổ tán xạ năng lượng của các mẫu: (a) Fe3O4; (b) NiFe2O4; (c) Zn0.5Ni0.5Fe2O4; (d) Cu0.5Ni0.5Fe2O4. (a) (b) (c) (d) 8 -15 -10 -5 0 5 10 15 -60 -40 -20 0 20 40 60 (a) (b) M ( e m u /g ) H (kOe) (a) 120 o C (b) 140 o C (c) 160 o C (c) 0 500 1000 0 10 20 30 40 50 (e)-32h (d)-24h (c)-16h (b)-8h M ( e m u /g ) H (Oe) (a)-4h Hình 2.11. Chu trình từ trễ của mẫu NiFe2O4 thủy nhiệt sau 32h, với các nhiệt độ khác nhau. Hình 2.12. Quá trình từ hóa với từ trường nhỏ, ở nhiệt độ phòng của các mẫu NiFe2O4 thủy nhiệt tại 1600C. -15 -10 -5 0 5 10 15 -60 -40 -20 0 20 40 60 (a) (b) (c) (d) M ( e m u /g ) H (kOe) (e)-32h (d)-24h (c)-16h (b)-8h (a)-4h (e) Hình 2.13. Chu trình từ trễ ở nhiệt độ phòng của các mẫu NiFe2O4 thủy nhiệt tại 1600C. Hình 2.14. Từ độ bão hòa ở nhiệt độ phòng của các mẫu NiFe2O4 thủy nhiệt tại 1600C. 9 -15 -10 -5 0 5 10 15 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 (a) (b) M ( e m u /g ) H (kOe) (c) Cu 0.5 Ni 0.5 Fe 2 O 4 (b) Zn 0.5 Ni 0.5 Fe 2 O 4 (a) Fe 3 O 4 (c) Hình 2.15. Chu trình từ trễ ở nhiệt độ phòng của các mẫu: (a) Fe3O4; (b) Zn0.5Ni0.5Fe2O4; (c) Cu0.5Ni0.5Fe2O4. Theo Hình 2.5, hạt Fe3O4 có kích thước nằm trong dải 5 – 15 nm, hạt NiFe2O4 có kích thước cỡ 15 - 25 nm, hạt Zn0.5Ni0.5Fe2O4 có kích thước cỡ 10 - 15 nm, còn hạt Cu0.5Ni0.5Fe2O4 có kích thước cỡ 10 – 25 nm. Phổ XRD cho thấy các mẫu có cấu trúc trevorite lập phương tâm mặt. Các phổ EDX/EDS cho thấy thành phần nguyên tố khá phù hợp với tỷ phần nguyên tố trong công thức MFe2O4. Các hạt đều thể hiện tính chất siêu thuận từ với từ dư và lực kháng từ gần như bằng không. Từ độ bão hòa các mẫu Fe3O4, Zn0.5Ni0.5Fe2O4, NiFe2O4 và Cu0.5Ni0.5Fe2O4 lần lượt là 65, 68, 49 và 75 emu/g. 2.2. Chế tạo vật liệu nano ferrite composite 2.2.1. Phương pháp chế tạo nano composite RGO – Ferrite – PANI Vật liệu RGO được chế tạo từ bột graphite (99%) theo phương pháp Hummer cải tiến. Vật liệu composite RGO – MFe2O4 được chế tạo theo phương pháp thủy nhiệt. Vật liệu composite MFe2O4 - PANI được chế tạo theo phương pháp polyme hóa hỗn hợp chứa ferrite và anilin. Vật liệu composite RGO – ferrite - PANI được chế tạo lần lượt qua ba quá trình 10 công nghệ: quá trình bóc tách và khử thành RGO từ graphite; quá trình đồng kết tủa và thủy nhiệt tạo RGO-ferrite; quá trình polyme hỗn hợp tạo RGO – ferrite – PANI. 2.2.2. Phân tích tính chất của vật liệu ferrite composite 10 12 14 16 18 20 22 0 5 10 15 20 25 M Ë t ® é p h © n b è ( % ) KÝch th-íc (nm) RGO-CNF Hình 2.20. Ảnh SEM của các mẫu: (a) RGO; (b) RGO - Zn0.5Ni0.5Fe2O4; (c) RGO - Cu0.5Ni0.5Fe2O4; (d) phân bố kích thước hạt Cu0.5Ni0.5Fe2O4 trong mẫu M2.2. Hình 2.21. Ảnh SEM của các mẫu (a) ZnNi-PANI 2:1; (b) Mn0.5Zn0.5Fe2O4; (c) MnZn – PANI 3:1; (d) MnZn – PANI 2:1. Hình 2.22. Ảnh SEM của các mẫu: (a) RGO - Zn0.5Ni0.5Fe2O4 - PANI; (b) RGO - Cu0.5Ni0.5Fe2O4 – PANI. (a) (b) (c) (d) (a) (b) (c) (d) (a) (b) 11 10 20 30 40 50 60 70 (h) (g) (f) (e) (d) (c) (b) 2 (0) C - ê n g ® é ( ® vt ® ) (a) RGO (b) PANI (c) RGO-ZnNi (d) RGO-CuNi (e) ZnNi-PANI (f) MnZn-PANI (g) RGO-ZnNi-PANI (h) RGO-CuNi-PANI (a) Hình 2.23. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu composite ferrite. 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 (c) (b) G G G D D D C - ê n g ® é ( ® v t® ) Raman shift (cm-1) (a) RGO (b) RGO-ZNF-PANI (c) RGO-CNF-PANI 699665 569489 C -H C -N N = C = N 697666 570487 C -H C -N N = C = N (a) Hình 2.24. Phổ RAMAN của các mẫu: (a) RGO; (b) RGO - Zn0.5Ni0.5Fe2O4 – PANI; (c) RGO - Cu0.5Ni0.5Fe2O4 – PANI. 12 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 (c) Tetra C-H N=Q=N N-H C-NC=C (b) § é t ru y Òn q u a ( ® v t® ) Sè sãng (cm-1) (a) PANI (b) ZnNi - PANI (c) MnZn - PANI (a) C=N Hình 2.25. Phổ FTIR của các mẫu: (a) PANI; (b) ZNF - PANI (2:1); (c) MZF - PANI (2:1). 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 (b) RGO C-O C-O O-H C=C § é t ru y Òn q u a ( ® v t® ) Sè sãng (cm-1) C=O C-O C-O O-HC=C C=O (a) GO Hình 2.26. Phổ FTIR của các mẫu: (a) GO; (b) RGO. 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 (d) (c) (b) (C = C ) (C = C ) (F ) (F ) (F ) (F ) § é t ru y Òn q u a ( ® v t® ) Sè sãng (cm-1) (a)RGO-ZNF (b)RGO-CNF (c)RGO-ZNF-Pani (d)RGO-CNF-Pani (C = N ) (C = C ) (C -N ) (C -N ) (N = Q = N ) (C -H ) (a) Hình 2.27. Phổ FTIR của các mẫu: (a) RGO - Zn0.5Ni0.5Fe2O4; (b) RGO - Cu0.5Ni0.5Fe2O4; (c) RGO - Zn0.5Ni0.5Fe2O4 – PANI; (d) RGO - Cu0.5Ni0.5Fe2O4 – PANI. 13 -15 -10 -5 0 5 10 -60 -40 -20 0 20 40 60 (e) (a) (f) (b) (c) M ( e m u /g ) H (kOe) (f) RGO-CNF-PANI (e) RGO-ZNF-PANI (d) RGO-CNF (c) RGO-ZNF (b) ZNF-PANI(2-1) (a) MZF-PANI(2-1) (d) Hình 2.28. Chu trình từ trễ ở nhiệt độ phòng của các mẫu ferrite composite. Theo các ảnh SEM và tính toán kích thước kết tinh theo phổ XRD, các composite ferrite được chế tạo có các hạt ferrite kích thước nanomét (từ 15 nm đến 25 nm). Các hạt này có cấu trúc trevorite lập phương tâm mặt. Phổ RAMAN và FTIR cho thấy thành phần composite chứa ferrite và các thành phần RGO, PANI. Các vật liệu đều thể hiện tính chất siêu thuận từ với từ dư và lực kháng từ gần như bằng không. Từ độ bão hòa của các composite giảm khi đưa thêm vào các thành phần RGO, PANI. Kết luận chương II Chương II trình bày các quy trình công nghệ để chế tạo các vật liệu ferrite có kích thước nanomét: hạt nano ferrite, composite ferrite – PANI, RGO – ferrite, RGO – ferrite – PANI. Các vật liệu chế tạo được là 04 loại 14 ferrite dạng hạt: Fe3O4, NiFe2O4, Zn0.5Ni0.5Fe2O4, Cu0.5Ni0.5Fe2O4; 04 loại composite ferrite hai thành phần: ZNF-PANI, MZF-PANI, RGO-ZNF, RGO-CNF; 02 loại composite ferrite ba thành phần: RGO-ZNF-PANI, RGO-CNF-PANI. Các nghiên cứu hình thái, kích thước, thành phần và cấu trúc tinh thể của các vật liệu tạo được bằng các phương pháp đo TEM, SEM, XRD, EDX/EDS, RAMAN, FTIR. Trên cơ sở đó khẳng định các vật liệu thu được có các hạt ferrite kích thước nanomét (từ 5 nm đến 25 nm), các composite được tạo thành có các thành phần RGO, PANI và thể hiện tính siêu thuận từ. CHƯƠNG III: KHẢO SÁT SỰ HẤP THỤ SÓNG RA ĐA CỦA VẬT LIỆU NANO COMPOSITE FERRITE 3.1. Thực nghiệm khảo sát quá trình hấp thụ sóng ra đa của vật liệu nano ferrite Tiến hành làm ướt trộn bột nano vào dung môi toluen, sau đó khuấy đều với parafin dạng lỏng. Hỗn hợp thu được đổ khuôn tạo thành các mẫu RAM dạng phiến có kích thước 0,9 inch x 0,45 inch. Bằng cách thay đổi bề dày mẫu và hàm lượng trong vật liệu có thể điều chỉnh được khả năng hấp thụ sóng ra đa băng X. Khả năng hấp thụ sóng ra đa băng X của các mẫu được đánh giá bởi tổn hao phản xạ (RL). Tổn hao phản xạ của hỗn hợp vật liệu phụ thuộc vào trở kháng đầu vào (Zin) của các mẫu đối với trở kháng không gian tự do (Z0). Hơn nữa giá trị trở kháng đầu vào phụ thuộc vào hệ số điện môi εr và độ từ thẩm µr của các mẫu. Tổn hao phản xạ được xác định bởi: 0 0 20    in in Z Z RL(dB) log Z Z (3.28) 0 2         r in r r r ft Z Z tanh i c     (3.29) 15 Trong đó Zin là trở kháng đầu vào của mẫu vật liệu, f là tần số của sóng điện từ, t là độ dày của mẫu, rε = ε' - iε'' và rμ = μ' - iμ'' là hệ số điện môi phức và độ từ thẩm phức của mẫu vật liệu được đo bằng máy PNA network analyzer E8362C. Hình 3.7. Sơ đồ hệ đo bằng phương pháp đường truyền. 3.2. Kết quả khảo sát quá trình hấp thụ sóng ra đa của vật liệu nano ferrite 8 9 10 11 12 0 2 4 6 8 10 ' f (GHz) Tû lÖ 3:1 Tû lÖ 2:1 Tû lÖ 1:1 Tû lÖ 1:2 8 9 10 11 12 0 2 4 6  ' f (GHz) Tû lÖ 3:1 Tû lÖ 2:1 Tû lÖ 1:1 Tû lÖ 1:2 8 9 10 11 12 0 5 10 15 20 25 ' ' f (GHz) Tû lÖ 3:1 Tû lÖ 2:1 Tû lÖ 1:1 Tû lÖ 1:2 8 9 10 11 12 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0  '' f (GHz) Tû lÖ 3:1 Tû lÖ 2:1 Tû lÖ 1:1 Tû lÖ 1:2 Hình 3.8. Các thông số điện từ của MnZn-PANI với các tỷ lệ khác nhau 16 6.8 6.9 7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 8 9 10 11 12 13 14 15 16 ' ' ' 8 9 10 11 12 0.002 0.004 0.006 0.008 C 0 f (GHz) Hình 3.11. Đường cong ’’(’) của composite MnZn-PANI tỷ lệ 2:1, bề dày 2,5 mm. Hình 3.12. Giá trị C0 của composite MnZn-PANI tỷ lệ 2:1, bề dày 2,5 mm. Với mẫu MZF-PANI, phần ảo của hệ số điện môi giảm đáng kể thì phần thực và phần ảo của hệ số điện môi và độ từ thẩm thay đổi khá nhỏ trong dải tần số 8 – 12 GHz. Mẫu MZF-PANI 2:1, bề dày 2 mm, có dải 8 9 10 11 12 -20 -15 -10 -5 f (GHz) R L ( d B ) Tû lÖ 1:2 Tû lÖ 1:1 Tû lÖ 2:1 Tû lÖ 3:1 8 9 10 11 12 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 R L ( d B ) f (GHz) d = 1.5 mm d = 2.0 mm d = 3.0 mm d = 4.0 mm MZF:PANI = 2:1 -21dB -20dB Hình 3.9. Tổn hao phản xạ của các mẫu composite, có bề dày 2 mm. Hình 3.10. Tổn hao phản xạ của các mẫu MnZn – PANI 2:1, bề dày khác nhau. 17 hấp thụ trên 90% khá rộng từ 9,0 GHz đến 12 GHz. Đỉnh hấp thụ quan sát thấy ở tần số 10,1 GHz và đạt 97% (-15,2 dB). Đối với mẫu có bề dày 4 mm có phổ RL dưới -17,5 dB trong dải tần từ 9 - 12 GHz. Xuất hiện hai đỉnh hấp thụ tại 9,9 GHz và 11 GHz với giá trị RL đạt lần lượt bằng - 21,05 dB và -20 dB. Đường cong ε''(ε') phụ thuộc phức tạp vào tần số. Như vậy quá trình hồi phục trong hệ mẫu là hồi phục đa điện môi. Ở tần số dưới 9 GHz, giá trị C0 tương đối ổn định, tổn hao từ chủ yếu do hiệu ứng dòng xoáy. Ở tần số cao hơn, tổn hao từ do hiệu ứng cộng hưởng tự nhiên chiếm ưu thế. Đặc biệt, trong dải tần số từ 10,5 - 12 GHz tổn hao từ do cả hai hiệu ứng cộng hưởng tự nhiên và hiệu ứng dòng xoáy. Với mẫu ZNF-PANI 2:1, đỉnh hấp thụ quan sát được với mẫu có bề dày 2,5 mm là -26,85 dB (99,8 %) tại 9,5 GHz. Kết quả hấp thụ vi sóng của hệ composite ZNF-PANI là tốt hơn kết quả của vật liệu ZNF (tổn hao phản xạ tốt nhất là – 19 dB, ứng với mẫu dày 4 mm, hàm lượng khối lượng ferrite là 30 %). Tổn hao phản xạ (RL) của các mẫu RGO – CNF – PANI tốt nhất là ứng với mẫu dày 3 mm. Đỉnh hấp thụ với mẫu này đạt – 40,7 8 9 10 11 12 -25 -20 -15 -10 -5 0 -21.52 dB R L ( d B ) f (GHz) (a) ZnNi (b) ZnNi:PANI=2:1 (c) ZnNi:PANI=1:1 -14.5 dB (a) (b) (c) 8 9 10 11 12 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 (d) (c) R L ( d B ) f (Ghz) (a) d=1.5 mm (b) d=2mm (c) d=2.5 mm (d) d=3 mm (a) (b) Hình 3.14. Tổn hao phản xạ của các mẫu composite, có bề dày 2 mm. Hình 3.15. Tổn hao phản xạ của các mẫu ZnNi – PANI 2:1, bề dày khác nhau. 18 dB tại tần số 9,8 GHz. Kết quả này tốt hơn so với các hệ vật liệu hai thành phần như ZNF–PANI, MNF – PANI đã khảo sát. Kết quả này tốt hơn hệ vật liệu NiFe2O4 – graphene – PANI của nhóm tác giả P. Liu trong vùng sóng ra đa băng X. 8 9 10 11 12 -50 -40 -30 -20 -10 0 f (GHz) R L ( d B ) d=2 mm d=3 mm d=4 mm Hình 3.19. Tổn hao phản xạ của các mẫu RGO – CNF – PANI bề dày khác nhau. Kết luận chương III Trong Chương III, các kết quả khảo sát sự hấp thụ sóng ra đa băng X của các composite chứa ferrite: ferrite – PANI, RGO – ferrite – PANI đã được trình bày. Các vật liệu này đã chứng tỏ có khả năng hấp thụ tốt sóng ra đa băng X. Với vật liệu chứa hai thành phần, tổn hao phản xạ của vật liệu MZF-PANI là -21,05 dB tại 10 GHz; bề dày 4 mm; thành phần MZF:PANI = 2:1; của vật liệu ZNF-PANI là -26,85 dB tại 9,5 GHz; bề dày 2,5 mm; thành phần ZNF:PANI = 2:1. Khả năng hấp thụ của vật liệu RGO-CNF-PANI là -40,7 dB tại 9,8 GHz; bề dày 3 mm. CHƯƠNG IV: KHẢO SÁT SỰ HẤP PHỤ URANIUM CỦA VẬT LIỆU NANO FERRITE 4.1. Thực nghiệm khảo sát quá trình hấp phụ uranium của vật liệu nano ferrite Tạo dung dịch muối UO2(NO3)2 bằng cách pha vào trong nước khử 19 ion. Sau đó cho vật liệu nano ferrite vào, khuấy đều trong ống nghiệm hình côn tại 25 0C và quá trình hấp phụ xảy ra dưới tác động của máy lắc. Sau mỗi quá trình hấp phụ uranium, chất rắn được lấy ra bằng cách sử dụng một từ trường bên ngoài. Quá trình tách chất rắn chỉ mất thời gian rất ngắn, cỡ vài phút nên không ảnh hưởng đến thời gian hấp phụ của mẫu. Sau đó, chất lỏng được lọc qua giấy lọc và nồng độ uranium có trong chất thải lỏng này được xác định bằng khối phổ kế plasma cảm ứng (ICP-MS). 4.2. Hấp phụ uranium của vật liệu hạt nano ferrite 10 20 30 40 50 60 70 40 50 60 70 80 90 @ C 0 =50 mg/L; V = 50 mL; 240 min; pH = 6; T = 298K Q e ( m g /g ) m (mg) 4 5 6 7 8 9 10 30 40 50 60 70 80 90 100 @ C 0 =50 mg/L; V = 50 mL; m = 50 mg; 240 min; T = 298K pH Q e ( m g /g ) Hình 4.1. Ảnh hưởng của khối lượng Fe3O4 đến lượng uranium bị hấp phụ. Hình 4.2. Ảnh hưởng của pH đến lượng uranium bị hấp phụ của Fe3O4. 0 60 120 180 240 300 0 20 40 60 80 100 Q t (m g /g ) t (phót) @ C 0 =150 mg/L; pH = 6; T = 298K 0 60 120 180 240 300 0 1 2 3 4 M« h×nh gi¶ ®éng häc bËc 2: Qe (cal) = 97.37 mg/g k2 = 4.43.10 -4 (g.mg -1 .min -1 ) R = 99.42% t/ Q t (p h ó t. g /m g ) t (phót) (B) Hình 4.3. Ảnh hưởng của thời gian đến độ hấp phụ của Fe3O4. Hình 4.4. Đường mô hình giả động học hai (B) của quá trình hấp phụ U(VI) bởi Fe3O4. 20 0 10 20 30 40 50 60 0 20 40 60 80 100 @ pH = 6; 25 0 C ; 240 min Ce (mg/L) Q e ( m g /g ) 0 20 40 60 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 C e /Q e ( g /L ) Ce (mg/L) Langmuir : Q m = 92.6 (mg/g) R = 99.95% K L = 0.813 (L/mg) (a) Hình 4.5. Ảnh hưởng của nồng độ uranium cân bằng đến độ hấp phụ của Fe3O4. Hình 4.6. Đường tuyến tính hoá của hấp phụ đẳng nhiệt theo mô hình Langmuir (a) với Fe3O4. Các điều kiện tối ưu trong quá trình hấp phụ uranium của hạt nano Fe3O4 là: 50 mg Fe3O4, độ pH ban đầu 6 và thời gian hấp phụ 240 phút. Theo các kết quả tính toán với các mô hình giả động học, quá trình hấp phụ uranium trên các hạt Fe3O4 phù hợp với mô hình giả động học bậc hai. Sự phụ thuộc của lượng chất hấp phụ theo nồng độ dung dịch cân bằng cũng được tính toán theo các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich, Dubinin-Radushkevich. Theo đó, sự hấp phụ uranium là phù hợp với mô hình Langmuir nhất, với dung lượng hấp phụ cỡ 92,6 mg/g. Tất cả dung lượng hấp phụ của các vật liệu hạt nano đều trong cùng một bậc (từ 10 – 100 mg/g). Sự hấp phụ khác nhau có thể do hiệu ứng kích thước hạt (diện tích bề mặt riêng), hiệu ứng điện tích bề mặt, các tương tác trên bề mặt các hạt nano khi đưa vào trong dung dịch uranium. Vật liệu Fe3O4 tuy có dung lượng hấp phụ lớn nhất nhưng tính chất của hạt Fe3O4 thường không bền vững nên khả năng tái sử dụng thấp. Với các vật liệu khác như NiFe2O4, Zn0.5Ni0.5Fe2O4, Cu0.5Ni0.5Fe2O4 độ bền vững của các hạt cao hơn, tuy nhiên dung lượng hấp phụ thấp hơn. Vật liệu NiFe2O4 có độ bền vững cao hơn Fe3O4, kích thước hạt lớn hơn nên dung lượng hấp phụ nhỏ hơn Fe3O4. Vật liệu Cu0.5Ni0.5Fe2O4 có tính chất từ tốt hơn, bề mặt 21 có thể có sự thay đổi trạng thái hóa trị của Cu nên dung lượng hấp phụ cao hơn so với vật liệu Zn0.5Ni0.5Fe2O4. Dung lượng hấp phụ của mẫu Cu0.5Ni0.5Fe2O4 thấp hơn so với mẫu NiFe2O4 có thể do sự kết tụ khác nhau của các hạt nano trong dung dịch uranium. Thông số của quá trình hấp phụ uranium của các vật liệu nano ferrite. Ký hiệu M1.1 M1.2 M1.3 M1.4 M2.1 M2.2 M3.1 M3.2 Tên mẫu F NF ZNF CNF RGO- ZNF RGO- CNF RGO- ZNF- PANI RGO- CNF- PANI Độ pH 6 6 7 7 6 6 5 5 Thời gian hấp phụ 240 phút 120 phút 120 phút 120 phút 240 phút 240 phút 240 phút 240 phút Mô hình giả động học Bậc II Bậc II Bậc II Bậc II Bậc II Bậc II Bậc II Bậc II Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Lang muir Lang muir Lang muir Lang muir Lang muir Lang muir Lang muir Lang muir Dung lượng hấp phụ 92,6 mg/g 76,5 mg/g 27,5 mg/g 56 mg/g 210 mg/g 256 mg/g 1885 mg/g 2000 mg/g Composite RGO – ferrite – PANI có nhiều nhóm phức trên bề mặt như S-NH2, S=NH, S-COOH. Các nhóm phức này tương tác với ion UO22+ thông qua các tương tác tĩnh điện hoặc liên kết hidro, do đó làm tăng khả năng hấp phụ của hệ vật liệu. Kết quả này có thể so sánh được với hệ vật 22 liệu GO/PANI, cao hơn hệ Fe-PANI-GAvà tốt hơn các công bố khác về vật liệu hai thành phần. Sau 6 chu trình, với mẫu RGO – ZNF – PANI, tỷ phần hấp phụ giảm từ 92,8% xuống 90,6%. Sự thay đổi tỷ phần hấp phụ này là nhỏ, do đó hệ vật liệu RGO – ferrite – PANI có thể hấp phụ hiệu quả uranium từ dung dịch. 1 2 3 4 5 6 86 88 90 92 94 96 98 100 (a) - RGO - ZNF - PANI § é h Ê p p h ô ( % ) Sè chu tr×nh 1 2 3 4 5 6 86 88 90 92 94 96 98 100 (b) - RGO -CNF- PANI § é h Ê p p h ô ( % ) Sè chu tr×nh Hình 4.21. Sự tái sử dụng trong hấp phụ uranium của vật liệu: (a) RGO – Zn0.5Ni0.5Fe2O4 – PANI; (b) RGO – Cu0.5Ni0.5Fe2O4 – PANI. Kết luận chương IV Nội dung chương IV trình bày quá trình khảo sát sự hấp phụ ion uranium trên các hệ vật liệu nano ferrite. Các vật liệu này đã chứng tỏ có khả năng hấp phụ uranium. Quá trình hấp phụ được khảo sát theo các yếu tố phụ thuộc: khối lượng chất hấp phụ, pH, thời gian hấp phụ, nồng độ uranium. Kết quả phân tích cho thấy mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và mô hình giả động học bậc II là phù hợp với các quá trình hấp phụ trên các loại vật liệu. Theo đó dung lượng hấp phụ của vật liệu hạt nano tốt nhất là 92,6 mg/g (Fe3O4), vật liệu composite hai thành phần là 256 mg/g (RGO-CNF) và vật liệu composite ba thành phần là 2000 mg/g (RGO-CNF-PANI). Quá trình giải hấp phụ trên hệ vật liệu chứa ba thành 23 phần cho thấy độ hấp phụ giảm nhẹ sau 6 chu trình hấp phụ - khử hấp phụ (vật liệu RGO-ZNF-PANI: từ 92,8% xuống 90,6%; vật liệu RGO-ZNF- PANI: từ 93,6% xuống 91,5%). KẾT LUẬN A. Các kết quả của luận án - Chế tạo 4 loại vật liệu nano ferrite dạng hạt, 4 loại vật liệu composite hai thành phần phần và 2 loại vật liệu composite ba thành phần. - Các vật liệu thu được có các hạt ferrite kích thước từ 5 nm đến 25 nm; các composite được tạo thành có các thành phần RGO, PANI. Các vật liệu đều thể hiện tính chất siêu thuận từ, từ độ bão hòa lớn nhất đạt 75 emu/g với vật liệu hạt CNF. - Khả năng hấp thụ sóng ra đa băng X dựa trên các hệ vật liệu composite ferrite có hai, ba thành phần : tổn hao phản xạ lớn nhất của vật liệu ZNF – PANI là -26,85 dB tại 9,5 GHz; bề dày 2,5 mm; thành phần ZNF:PANI = 2:1. Khả năng hấp thụ cực đại của vật liệu RGO-CNF-PANI là -40,7 dB tại 9,8 GHz; bề dày 3 mm. - Khả năng hấp phụ uranium của các vật liệu nano ferrite: vật liệu hạt nano ferrite có khả năng hấp phụ từ 27,5 mg/g (ZNF) đến 92,6 mg/g (F); vật liệu nano ferrite composite hai thành phần là 210 mg/g (RGO – ZNF) và 256 mg/g (RGO – CNF); vật liệu nano ferrite composite ba thành phần là 1885 mg/g (RGO – ZNF - PANI) và 2000 mg/g (RGO – CNF - PANI). Quá trình giải hấp phụ trên hệ vật liệu chứa ba thành phần cho thấy độ hấp phụ giảm nhẹ sau 6 chu trình hấp phụ - khử hấp phụ (vật liệu RGO-ZNF- PANI: từ 92,8% xuống 90,6%; vật liệu RGO-ZNF-PANI: từ 93,6% xuống 91,5%). 24 B. Các đóng góp mới của luận án - Chế tạo thành công 04 mẫu composite hai thành phần phần và 02 mẫu composite ba thành phần theo các bước dựa trên các phương pháp công nghệ sử dụng như phun sương đồng kết tủa, ủ thủy nhiệt, polyme hóa: RGO – ZNF, RGO – CNF, ZNF – PANI, MZF – PANI, RGO – ZNF – PANI, RGO – CNF – PANI. - Khả năng hấp thụ sóng ra đa băng X dựa trên các hệ vật liệu composite ferrite có hai, ba thành phần : tổn hao phản xạ lớn nhất của vật liệu ZNF – PANI là - 26,85 dB; vật liệu MZF – PANI là - 21,05 dB; vật liệu RGO - CNF – PANI là - 40,7 dB. - Khả năng hấp phụ uranium của các vật liệu nano ferrite: vật liệu hạt nano ferrite có khả năng hấp phụ từ 27,5 mg/g (ZNF) đến 92,6 mg/g (F); vật liệu nano ferrite composite hai thành phần là 210 mg/g (RGO – ZNF) và 256 mg/g (RGO – CNF); vật liệu nano ferrite composite ba thành phần là 1885 mg/g (RGO – ZNF - PANI) và 2000 mg/g (RGO – CNF - PANI). C. Hướng phát triển của luận án Phát triển các hệ vật liệu có khả năng hấp phụ uranium: các dạng ferrite có cấu trúc nano khác: cầu rỗng, thanh; composite giữa ferrite và các vật liệu có khả năng hấp phụ uranium cao. Ứng dụng các vật liệu nano ferrite để hấp phụ các nguyên tố nặng khác, các chất hữu cơ định hướng tới ứng dụng loại bỏ chất thải, làm sạch nước. Phát triển các hệ vật liệu có khả năng hấp thụ sóng ra đa băng X dựa trên cải thiện cấu trúc vi mô: thêm vào hệ composite các thành phần có tổn hao năng lượng sóng điện từ lớn. Phát triển các cấu trúc đa lớp với các hệ vật liệu chế tạo được nhằm nâng cao khả năng hấp thụ vi sóng và mở rộng băng tần.