Nghiên cứu chế tạo vật liệu CO3O4 pha tạp các bon có khả năng phân hủy thuốc nhuộm xanh methylene

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CO3O4
PHA TẠP CÁC BON CÓ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY
THUỐC NHUỘM XANH METHYLENE
1

2

Bùi Thị Hồn , Phạm Hùng Vượng
1
Bộ mơn Vật lý - Khoa Năng Lượng - Trường Đại học Thủy lợi
Email:buithihoan@ tlu.edu.vn
2
Viện Tiên tiến khoa học và công nghệ - Đại học Bách Khoa Hà Nội

1. GIỚI THIỆU CHUNG

300 mg. PH của dung dịch được điều chỉnh
đến 10 bằng dung dịch amoniac. Sau đó tiến
hành thủy nhiệt ở 200 o C trong 12 h. Sản
phẩm sau thủy nhiệt được quay ly tâm và rửa
bằng nước cất 3 lần để loại bỏ các sản phẩm
phụ hữu cơ. Sản phẩm cuối cùng được sấy
khô ở 150 o C trong 12 h. Các mẫu Co3 O4 và
Co3 O4 – C được khảo sát khả năng phân hủy
bằng cách cho 20 mg sản phẩm thu được vào
50 ml dung dịch xanh methylen (MB) 20ppm
đã được điều chỉnh pH. Khuấy đều dung dịch
trên trong bóng tối, trong điều kiện thường và
khi chiếu bằng đèn UV – 6W. Đặc tính của

vật liệu Co3 O4 -C được phân tích bằng hiển vi
điện tử truyền qua (TEM, JEOL, JEM 1010,
JEOL Techniques). Phổ nhiễu xạ tia X được
chụp bằng máy nhiễu xạ tia X, Siemens
D5000. Phổ hồng ngoại (FTIR) của mẫu đo
bằng thiết bị Fourier FTIR 6700- Thermo
Nicolet. Các phổ UV-Vis được đo trên máy
Cary 500.

Coban oxít (Co3 O4 ) là một chất bán dẫn có
tiềm năng ứng dụng trong cảm biến, dụng cụ
điện hóa, pin ion Li, vật liệu từ và quang xúc
tác. Co3 O4 đơi khi cịn được viết dưới dạng
CoO.Co2 O3 . Việc sử dụng tương tác giữa các
oxít kim loại vô cơ và các chất phụ gia hữu
cơ như vitamin C, glucose có thể cung cấp
một giải pháp hữu hiệu để tổng hợp oxít kim
loại pha tạp các bon. Kích thước hạt có thể
điều khiển theo chiều hướng làm tăng diện
tích bề mặt để tăng cường khả năng hấp thụ
thuốc nhuộm. Xanh methylene là một thuốc
nhuộm được sử dụng phổ biến trong cơng
nghiệp dệt nhuộm. Nó có thể gây ra các bệnh
về mắt, da, đường hô hấp, tiêu hóa và thậm
chí gây ung thư. Ở đây chúng tơi trình bày
phương pháp tổng hợp Co3 O4 pha tạp các
bon (ký hiệu Co3 O4 -C) nhờ sử dụng glucose.
Sản phẩm thu được có khả năng phân hủy
thuốc nhuộm xanh methylene nhờ tăng diện
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

tích bề mặt và giảm độ rộng vùng cấm.
Hình 1 là ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
của các mẫu không pha tạp và pha tạp các
Mẫu CO3 O4 pha tạp các bon (ký hiệu Co3 O4 - bon. Khi khơng pha tạp (x = 0) thì đa phần
C) được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt các hạt oxít kim loại có dạng lập phương với
từ muối coban clorua CoCl2 .6H2 O, glucose kích thước nằm trong khoảng 37 đến 83 nm.
(tiền chất cacbon) và dung dịch amoniac. Khi có mặt glucose (x = 100) thì tinh thể ưu
Muối coban clorua và x mg glucose được tiên phát triển theo một chiều và hình thành
hịa tan vào nước cất để thu được dung dịch các thanh. Khi lượng glucose tăng lên
trong suốt. Trong nghiên cứu này lượng (x = 200, 300) thì chúng có thể được hấp thụ
glucose được sử dụng là x = 0; 100; 200; và vào một số mặt phẳng tinh thể hoặc tạo càng
503


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

với nguyên tử Co như một chất phủ ngăn cản
chúng kết đám do đó kích thước hạt bị giảm.

ứng với mặt phẳng (222) về phía góc nhiễu
xạ nhỏ hơn (hình 3). Điều này được cho là do
bán kính ion C4- (0,26 nm) lớn hơn nhiều ion
O2- (0,14 nm) nên khi C thay thế vào vị trí của
O kéo theo sự dãn mạng [2].

Hình 1. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua
(TEM) của coban oxít khi thay đổi
nồng độ glucose

Hình 3. Phổ nhiễu xạ tia X của CO3 O4
và CO3 O4 – C (x = 300)

Hình 2 là phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu.
Tất cả các đỉnh phổ thu được đều là các đỉnh
đặc trưng của Co3 O4 (JCPDS42-1467): đỉnh
nhiễu xạ 31,85o ứng với mặt phẳng (220),
39,31 o ứng với mặt phẳng (222) [1].

Khi ion Co2+ kết hợp với H2 O tạo ra coban
hydroxit (Co(OH)2 ), sau đó Co(OH)2 bị
glucose khử thành Co3O4 cịn glucose bị oxi
hóa thành gluconic axít. Glucose và gluconic
axít có các nhóm carboxyl có thể tạo càng
với mặt phẳng tinh thể như là chất bao bọc
tương tự như chất hoạt động bề mặt cản trở
khơng gian [3]. Khi sấy khơ ở 150o C thì do
có tác động của nhiệt độ nên có sự thay thế
một phần oxy trong mạng Co3 O4 bằng C từ
đó hình thành hợp chất Co3 O4 pha tạp các
bon (Co3 O4 – C). Như vậy glucose cản trở sự
kết đám của các hạt nên khi tăng nồng độ
glucose thì kích thước các hạt giảm.

Hình 4 là phổ hồng ngoại FTIR của các mẫu
pha tạp và không pha tạp. Đỉnh 586 và 738
cm-1 tương ứng với dao động Co(II)-O và
Co(III)-O của Co3 O4 dạng spinel. Đỉnh ứng
với 3568 cm-1 tương ứng với dao động của
Hình 2. Phổ nhiễu xạ tia X của Co3 O4

nhóm OH. Khi lượng glucose tăng thì xuất
và các mẫu Co3 O4 -C
hiện các đỉnh ứng với dải dãn đối xứng C = O
Khi tăng nồng độ glucose lên thì cường độ ở 1707 cm-1 và dải dãn C = C ở 1616 cm-1 .
đỉnh phổ giảm và các đỉnh có xu hướng rộng Điều này chứng tỏ sự có mặt của các bon
ra chứng tỏ có sự vơ định hình hóa. Quan sát trong các mẫu có pha tạp glucose. Từ phổ
trên phổ nhiễu xạ tia X cũng nhận thấy rằng FTIR có thể khẳng định sự có mặt của C
có sự dịch chuyển nhẹ của đỉnh phổ tương trong cấu trúc của hạt thu được và sự dịch
504


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

chuyển đỉnh nhiễu xạ trong phổ XRD cho
thấy đã có sự thay thế của C vài vị trí của O
trong Co3 O4 .



Hình 4. Phổ hồng ngoại của các mẫu Co3 O4
khơng pha tạp và pha tạp các bon
Hình 5 thể hiện sự suy giảm nồng độ xanh
methylene 20 ppm theo thời gian khi dùng
chất xúc tác là Co3 O4 – C với x = 300,
pH = 10 khi được chiếu tia UV.

cation. Trong mơi trường bazơ số lượng
nhóm OH- bám trên bề mặt của hạt nhiều hơn
dẫn đến MB bị hấp thụ mạnh hơn. Hiệu suất
hấp thụ là tỷ lệ giữa nồng độ dung dịch bị

hấp thụ trên nồng độ dung dịch ban đầu. Khi
không được chiếu tia UV thì xảy ra quá trình
hấp thụ MB trên bề mặt của các hạt. Khi
được chiếu xạ bởi tia UV thì các điện tử được
tạo ra bởi ánh sáng kết hợp với các nhóm
OH- tạo ra nhóm hydroxyl hoạt tính (OH)
làm cho hiệu suất phân hủy MB tăng. Như
vậy hiệu suất phân hủy MB của mẫu Co3 O4 C (x = 300) trong môi trường pH = 10 khi
được chiếu tia UV là cao nhất đạt 85%. Mẫu
không pha tạp thì hiệu suất phân hủy chỉ đạt
chừng 60%.
4. KẾT LUẬN

Co3 O4 pha tạp cacbon được chế tạo bằng
phương pháp thủy nhiệt. Các hợp chất này
thể hiện khả năng hấp phụ và phân hủy xanh
methylene ở môi trường bazơ với hiệu suất
cao nhất đạt đến 85% trong thời gian 10 phút.
Nhờ pha tạp các bon mà hiệu suất phân hủy
MB đã tăng từ 60% lên 85%.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO

Hình 5. Phổ hấp thụ của MB theo thời gian
Ngoài ra chúng tôi đã khảo sát ảnh hưởng
của pH, lượng glucose, điều kiện chiếu sáng
lên hiệu suất phân hủy MB. Kết quả cho thấy
chỉ trong môi trường bazơ hợp chất Co3 O4 –
C hấp thụ MB nhiều nhất. MB bị hấp thụ là
do tương tác Coulomb giữa các nhóm OH- có
trên bề mặt các hạt vì MB có cấu hình của

[1] AnaFernádez-Osorio, et al, 2009, “Hydrothermal
synthesis
of
Co3O 4
nanooctahedra and their magnetic
properties”, Rev.Adv. Mater.Sci., Vol 22,
60-66.
[2] Seungho Cho, et al, 2010, “Carbon-doped
ZnO nanostructures synthesized using vitamin C for visible light photocatalysis”, Cryst
Eng Comm, Vol 12, 3929–3935.
[3] Xiaohong Sun, et al, 2009, “SizeControlled Synthesis of Magnetite
(Fe3O4) Nanopar-ticles Coated with
Glucose and Gluconic Acid from a Single
Fe(III) Precursor by a Sucrose
Bifunctional Hydrothermal Method”,
J. Phys. Chem. C, Vol 113, 16002-16008.

505