Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nano fe3o4 tio2 go (graphene oxit) và khảo sát hoạt tính kháng khuẩn e coli và xử lý phẩm màu rhodamine blue

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN THỊ MỸ HẠNH

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU TỔ HỢP NANO Fe3O4 – TiO2 – GO
(GRAPHENE OXIT) VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH KHÁNG KHUẨN E. COLI
VÀ XỬ LÝ PHẨM MÀU RHODAMINE BLUE
(SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF GRAPHENE OXIT-Fe3O4-TiO2
NANOCOMPOSITES AND ANTI E. COLI
AND DETRUCTION RHODAMINE BLUE)

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC
Mã số chuyên ngành: 60520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HCM, tháng 7 năm 2018


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. VÕ NGUYỄN ĐĂNG KHOA
....................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 04 tháng 8 năm 2018

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

ii


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRẦN THỊ MỸ HẠNH
MSHV: 1670188 Ngày, tháng, năm sinh: 29/6/1991

Nơi sinh: Lâm Đồng

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học

Mã số: 60520301

I. TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nano Fe3O4-TiO2-GO
(Graphene oxit) và khảo sát hoạt tính kháng E. coli và xử lý phẩm màu
Rhodamine Blue”.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
2.1.

Tổng quan về: graphene, graphene oxit, nano sắt từ, nano titan, tính chất, phương

pháp tổng hợp vật liệu composite graphene oxit-sắt từ- Titan, ứng dụng, và cơ chế quang
xúc tác kháng khuẩn.
2.2.

Thực nghiệm

2.2.1 Tổng hợp graphene oxit từ graphite, tổng hợp nano sắt từ từ Fe(II) và Fe(III), tổng
hợp hạt nano Fe3O4-TiO2 và tổ hợp graphene oxit-Fe3O4-TiO2.
2.2.2. Phân tích hình thái, cấu trúc, và đặc tính của vật liệu (graphene oxit, Fe3O4-TiO2 và tổ
hợp graphene oxit-Fe3O4-TiO2) tổng hợp được.
2.2.3 Khảo sát khả năng quang xúc tác của vật liệu đối với chất màu hữu cơ Rhodamine
Blue và Escherichia Coli.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/2018
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. VÕ NGUYỄN ĐĂNG KHOA
Tp. HCM, ngày …..tháng….. năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PTN TTTB & PT Sinh hóa lý Viện Khoa

(Họ tên và chữ ký)

học Vật liệu Ứng dụng
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
(Họ tên và chữ ký)

iii


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tác giả xin cảm ơn đến gia đình đã ln tạo điều kiện tốt nhất giúp tác giả
có thể thực hiện luận văn thuận lợi. Tiếp đến, tác giả xin cảm ơn các thầy tại Phòng thí
nghiệm Trung tâm Thiết bị & Phân Tích sinh hóa lý Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng
TP. HCM đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá
trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS. Võ Nguyễn Đăng Khoa đã tận
tình hướng dẫn tác giả hồn thành luận văn. Tác giả cũng xin cảm ơn Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hỗ trợ tài chính thơng qua chương trình đề tài Độc
lập Cán bộ trẻ để tác giả thực hiện đề tài.
Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn tập thể các anh, chị, em Phịng thí nghiệm Trung tâm

Thiết bị & Phân Tích sinh hóa lý Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng đã tạo điều kiện
thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn.
Tác giả
Trần Thị Mỹ Hạnh

iv


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của cá nhân tác giả và được thực
hiện dưới sự hướng dẫn của thầy TS. Võ Nguyễn Đăng Khoa, Trung tâm Thiết bị &
Phân Tích sinh hóa lý Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng TP.HCM.
Số liệu, kết quả nghiên cứu và kết luận trong luận văn này là hồn tồn trung thực,
chưa từng được cơng bố trong bất cứ một cơng trình nào khác trước đây.
Tác giả xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2018
Tác giả
Trần Thị Mỹ Hạnh

v


TÓM TẮT
Trong luận văn này đã thực hiện tổng hợp các tấm graphene oxit kết hợp với các
hạt nano Fe3O4-TiO2. Sự kết hợp của các hạt nano Fe3O4-TiO2 và graphene oxit được
nghiên cứu sự ảnh hưởng của các điều kiền ban đầu lên đặc tính hình thái của các vật
liệu tổng hợp được. Kết quả hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi
điện tử truyền qua (TEM), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ Raman, phép
phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phổ UV-Vis đã cho thấy sự thành công trong việc

gắn kết các hạt nano Fe3O4-TiO2 lên các tấm graphene oxit. Hơn nữa, ở luận văn cũng
đã cho thấy việc áp dụng tổ hợp graphene oxit-Fe3O4-TiO2 cho hoạt tính kháng khuẩn
E. coli và xử lý phẩm màu Rhodamine B.
Từ khóa : hạt nano TiO2, graphene oxit, Fe3O4, nanocomposite.

vi


ABSTRACT
In this study, the Fe3O4-TiO2 nanoparticles-assembled graphene oxide sheets
were synthesized. The combination of Fe3O4-TiO2 and graphene oxide nanoparticles
was investigated for the effect of initial conditions on morphological characterization of
synthetic materials. The results of scanning electron microscopic (SEM) and
transmission electron microscopic (TEM) images, Fourier-transformed infrared (FTIR),
Raman spectroscopy, thermal gravimetric analysis (TGA), UV-Vis spectroscopy
indicated that the Fe3O4-TiO2 nanoparticles were successfully assembled on the
graphene oxide sheets. Futhermore, we also reported the application of the synthesized
Fe3O4-TiO2–graphene oxdie nanocomposite for the antibacterial activity and
photocatalytic properties of Rhodamine B.
Keywords: TiO2 nanoparticles, graphene oxide, Fe3O4, nanocomposite.

vii


MỞ ĐẦU
Hiện nay, ô nhiễm môi trường, đặc biệt là môi trường nước, là một trong những
vấn đề nhức nhối và nan giải nhất mà loài người phải đối mặt. Không chỉ làm cạn kiệt
nguồn tài nguyên nước vốn đã khan hiếm, ơ nhiễm cịn gây cho con người nhiều loại
bệnh nguy hiểm (ung thư, tả,…), đe dọa trực tiếp đến sức khỏe và tính mạng. Khơng chỉ
các loại hóa chất, nguồn nước tự nhiên còn chứa rất nhiều loại vi khuẩn (Escherichia

coli [63], Cryptosporidium [62],…) là những tác nhân gây bệnh nguy hiểm khơng kém.
Vì vậy, việc xử lý nguồn nước tự nhiên trở thành việc làm cấp thiết hơn bao giờ hết,
nhằm biến nguồn nước tự nhiên trở thành tài ngun vơ giá có thể sử dụng trực tiếp cho
con người. Hiện tại, đã có rất nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực xử lý nguồn nước nói
riêng và xử lý mơi trường nói chung. Một trong những nghiên cứu được chú ý nhiều
nhất là sử dụng vật liệu nano khả kháng khuẩn. Nano TiO2 là một trong những vật liệu
đã được chứng minh là có khả năng kháng khuẩn tốt, do đó rất phù hợp cho yêu cầu
này. Tuy nhiên, nhược điểm rất lớn của vật liệu này là khó có thể thu hồi sau khi sử
dụng, cũng như độ bền theo thời gian chưa cao. Đã có nhiều nghiên cứu kết hợp TiO2
với các chất mang khác nhau (thủy tinh, carbon hoạt tính, cellulose hay zeolite,…) song
các chất mang này vẫn chưa thật sự hiệu quả do xảy ra hiện tượng làm giảm hoạt tính
quang xúc tác của TiO2 do sự giảm bề mặt phản ứng và giới hạn bất động hóa [64-65].
Lúc này, GO tỏ ra là một vật liệu khả dĩ làm chất mang cho TiO2 vì cũng chứa các
nhóm chức phân cực mang oxygen, có thể dễ dàng tạo liên kết hóa học với Titan, giúp
TiO2 vừa bộc lộ được những ưu điểm, lại vừa giữ lại được trên chất mang để có thể thu
hồi sau khi sử dụng. Bên cạnh đó, từ tính cũng là một trong những tính chất rất đặc
trưng của vật liệu khiến cho việc thu hồi sau sử dụng trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết.
Nano Fe3O4 là vật liệu có tính chất này, cịn có nhiều hoạt tính q giá khác, lại hồn
tồn có thể liên kết được với TiO2 và GO thông qua các nguyên tử oxy. Một số nghiên
cứu đã cơng bố về sự tích hợp những ưu điểm của mỗi thành phần tương ứng tập trung
vào hai mục đích gồm: (1) tổng hợp và đánh giá tính chất vật liệu gồm ba thành phần
(graphene-TiO2-magnetite hay GO-TiO2-Ag,...) tạo ra vật liệu mới có hoạt tính xúc tác
quang học, có độ ổn định, ngăn chặn sự kết hạt và từ tính khơi phục được trong nước;
và (2) xác định và khám phá các vật liệu có khả năng phản ứng quang hoá của vật liệu
khi xử lý môi trường [66-68].
viii


MỤC LỤC
Trang

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... iv
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. v
TÓM TẮT ......................................................................................................................... vi
ABSTRACT ..................................................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................. 1
1.1.

Vật liệu graphene-graphene oxit ................................................................................... 1

1.1.1.

Graphene ....................................................................................................... 1

1.1.2.

Graphene oxit ................................................................................................ 2

1.2.

Vật liệu Fe3O4/TiO2 dạng lõi - vỏ .................................................................................. 6

1.2.1.

Oxit sắt từ (Fe3O4) ......................................................................................... 6

1.2.2.

Titan đioxit (TiO2)....................................................................................... 15

1.2.3.

Vật liệu lõi-vỏ Fe3O4@TiO2 ....................................................................... 17

1.3.

Vật liệu composite GO-Fe3O4-TiO2............................................................................ 20

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................................. 23
2.1 Đối tượng- Mục tiêu- nội dung nghiên cứu .................................................................. 23
2.1.1. Đối tượng ........................................................................................................ 23
2.1.2. Mục đích ......................................................................................................... 23
2.1.3. Ý nghĩa thực tiễn............................................................................................. 23
2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................... 24
2.3. Phương tiện nghiên cứu ..................................................................................................... 25
2.3.1. Thiết bị, dụng cụ ............................................................................................. 25
2.3.2. Hóa chất, chất chuẩn ....................................................................................... 25
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM ..................................................................................... 26
3.1. Tổng hợp vật liệu .................................................................................................................. 26
3.1.1. Tổng hợp GO ................................................................................................. 26
ix


3.1.2. Tổng hợp vật liệu Fe3O4-TiO2 ....................................................................... 27
3.1.3. Tổng hợp GO-Fe3O4-TiO2 .............................................................................. 29
3.2. Khảo sát hình thái – cấu trúc, đặc tính quang hóa ................................................. 30
3.2.1. Nhiễu xạ tia X (X-ray difraction –XRD) ........................................................ 30
3.2.2. Phổ hồng ngoại chuyển tiếp Fourier (Fourier transform infrared spectroscopyFTIR) ........................................................................................................................ 31
3.2.3.

Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmisson eletron microscope-TEM) . 31

3.2.4.

Phương pháp đẳng nhiệt hấp thụ-khử hấp thụ N2 (Brunauer Emmett Teller-

BET)

..................................................................................................................... 32

3.2.5. Phương pháp UV- Vis .................................................................................... 32
3.2.6. Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetric analysis-TGA) .................. 32
3.2.7.

Đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu MT và GMT ....................... 33

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ - BÀN LUẬN.......................................................................... 37
4.1. Kết quả GO ............................................................................................................................. 37
4.2. Tổng hợp vật liệu Fe3O4-TiO2 .......................................................................................... 38
4.2.1. Tổng hợp vật liệu Fe3O4-TiO2 từ tiền chất ban đầu ........................................ 38
4.2.2. Khảo sát tính chất lý-hóa của vật liệu Fe3O4-TiO2 đã tổng hợp ..................... 38
4.2.3. Thử nghiệm hoạt tính quang xúc tác của vật liệu Fe3O4-TiO2 đã tổng hợp ... 45
4.2.4. Khảo sát tính chất lý-hóa của vật liệu tổ hợp GO-Fe3O4-TiO2 và khảo sát ảnh
hưởng của tỉ lệ GO, Fe3O4 và TiO2........................................................................... 50
4.2.5. Thử nghiệm hoạt tính quang xúc tác của vật liệu GMT ................................. 62
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 73
5.1. Kết luận .................................................................................................................................... 73
5.2. Kiến nghị .................................................................................................................................. 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 74
PHỤ LỤC ........................................................................................................................ 85

x


MỤC LỤC HÌNH
Hình 1.1.1. Graphene

[71]

Trang
--------------------------------------------------------------------------- 2

Hình 1.1.2. Graphene oxit[71] --------------------------------------------------------------------- 2
Hình 1.1.3. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu GO dựa trên khả năng tương tác với nhiều
loại phân tử hóa học và sinh học khác nhau[72]------------------------------------------------- 3
Hình 1.1.5 Một số mơ hình cấu trúc của GO[3] ------------------------------------------------ 4
Hình 1.2.1.1. Hạt nano oxit sắt từ[76] ------------------------------------------------------------ 7
Hình 1.2.1.2. Những ứng dụng của hạt nano oxide sắt từ[77] --------------------------------- 8
Hình 1.2.2.1. Hạt nano TiO2[85] -----------------------------------------------------------------14
Hình 1.2.2.2. Các ứng dụng sinh-y-dược học của nano TiO2[86] -------------------------14
Hình 1.3.3. Cơ chế sơ đồ hoạt tính xúc tác cho tổ hợp GO-Fe3O4-TiO2[13] ---------------21
Hình 3.2.1. Ngun lý nhiễu xạ tia X ----------------------------------------------------------30
Hình 3.2.7.1. Phổ đồ hấp thu UV-Vis của dung dịch RhB 10ppm -------------------------33
Hình 3.2.7.2 Đường chuẩn dung dịch RhB ----------------------------------------------------34
Hình 4.1.1. Sản phẩm GO tổng hợp được -----------------------------------------------------37
Hình 4.1.2. Dung dịch tạo thành khi hịa tan sản phẩm vào nước cất (trái) và sản phẩm
GO của Graphene Square Inc. (phải)[96] -------------------------------------------------------37
Hình 4.1.3. Ảnh SEM (trái) và TEM (phải) của sản phẩm GO -----------------------------38
Hình 4.2.1. Trạng thái của vật liệu MT sau khi tổng hợp ở các tỉ lệ lần lượt từ trái sang
phải là 11, 12 và 13 -------------------------------------------------------------------------------38

Hình 4.2.2.1. Giản đồ XRD của Fe3O4, TiO2 anatase và vật liệu Fe3O4-TiO2 ở các tỉ lệ
thành phần khác nhau ----------------------------------------------------------------------------39
Hình 4.2.2.2. Phổ UV-Vis của các vật liệu MT và Fe3O4 (FO)-----------------------------40
Hình 4.2.2.3. Phổ FT-IR của Fe3O4, TiO2 và vật liệu Fe3O4-TiO2 lần lượt ở các tỉ lệ
khác nhau (MT 11, MT 12 và MT13) ----------------------------------------------------------41
Hình 4.2.2.4. Ảnh TEM của Fe3O4 (a) và vật liệu Fe3O4-TiO2 (MT 12) (b) và
Fe3O4@TiO2 (c) tổng hợp bởi Zhang và cộng sự[92] -----------------------------------------40
Hình 4.2.2.5. Đồ thị phân tích nhiệt trọng lượng của Fe3O4 và các vật liệu MT đã tổng
hợp --------------------------------------------------------------------------------------------------44
Hình 4.2.2.1. Ảnh TEM của vật liệu Fe3O4-TiO2 (tỉ lệ MT 12) ----------------------------45

xi


Hình 4.2.3.1.1. Trạng thái dung dịch RhB sau khi thực hiện phản ứng trên các vật liệu
và nguyên liệu (Ini: dung dịch RhB 10ppm ban đầu) ----------------------------------------46
Hình 4.2.3.1.1. Ảnh TEM của vật liệu GO-Fe3O4-TiO2 (tỉ lệ GMT 212) -----------------47
Hình 4.2.3.2.1. Các mẫu vật liệu GMT 211; GMT 111 và GMT 212 đã tổng hợp ------48
Hình 4.2.3.2.1. Giản đồ XRD của mẫu GMT 211, so sánh với nano TiO2 anatase (TO);
nano Fe3O4 (FO) và GO --------------------------------------------------------------------------48
Hình 4.2.3.2.2. Giản đồ XRD của mẫu GMT 111, so sánh với nano TiO2 anatase (TO);
nano Fe3O4 (FO) và GO --------------------------------------------------------------------------49
Hình 4.2.3.2.3. Giản đồ XRD của mẫu GMT 212, so sánh với nano TiO2 anatase (TO);
nano Fe3O4 (FO) và GO --------------------------------------------------------------------------49
Hình 4.2.4.1. Phổ đồ FTIR của mẫu GMT 211 và các nguyên liệu GO, Fe3O4 (FO) và
nano TiO2 (TO) ------------------------------------------------------------------------------------51
Hình 4.2.4.2. Phổ đồ FTIR của mẫu GMT 111 và các nguyên liệu GO, Fe3O4 (FO) và
nano TiO2 (TO) ------------------------------------------------------------------------------------51
Hình 4.2.4.3. Phổ đồ FTIR của mẫu GMT 212 và các nguyên liệu GO, Fe3O4 (FO) và
nano TiO2 (TO) ------------------------------------------------------------------------------------52

Hình 4.2.4.4. Phổ đồ FTIR của các mẫu trộn cơ học (GMT M) và các mẫu GMT ------53
Hình 4.2.4.5. Giản đồ XRD của các mẫu GMT và GMT-M (phối trộnđơn thuần) ------54
Hình 4.2.4.6. Phổ hấp thu UV-Vis của các vật liệu GMT và nguyên liệu ----------------55
Hình 4.2.4.7. Ảnh SEM của các mẫu vật liệu GMT, TiO2 NP (TO), Fe3O4-TiO2(FO) và
GO --------------------------------------------------------------------------------------------------56
Hình 4.2.4.8. Ảnh SEM của các mẫu vật liệu GMT và GMT-M ---------------------------57
Hình 4.2.4.9. Ảnh TEM của vật liệu GMT 211 và các nguyên liệu -----------------------57
Hình 4.2.4.10. Ảnh TEM của vật liệu GMT 111 và các nguyên liệu ----------------------58
Hình 4.2.4.11. Ảnh TEM của vật liệu GMT 212 và các nguyên liệu ----------------------58
Hình 4.2.4.12. Ảnh TEM của các vật liệu GMT và GMT-M -------------------------------59
Hình 4.2.4.13. Đồ thị TGA của các mẫu GMT và nguyên liệu -----------------------------62
Hình 4.2.5.1.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các nguyên liệu GO; Fe3O4 (FO) và TiO2
(TO) -------------------------------------------------------------------------------------------------63
Hình 4.2.5.1.2. Giản đồ XRD của các mẫu GMT và GMT phối trộn đơn thuần ---------64
Hình 4.2.5.1.3. Trạng thái dung dịch RhB sau khi thực hiện phản ứng trên các vật liệu
và nguyên liệu (Ini: dung dịch RhB 10 ppm ban đầu) ---------------------------------------65
xii


Hình 4.2.5.1.4. Sắc ký đồ HPLC của dung dịch RhB 10ppm ban đầu --------------------67
Hình 4.2.5.1.5. Sắc ký đồ HPLC của dung dịch RhB sau phân hủy với
mẫu GMT 211 -------------------------------------------------------------------------------------67
Hình 4.2.5.1.6. Sắc ký đồ HPLC của dung dịch RhB sau phân hủy với
mẫu GMT 111 -------------------------------------------------------------------------------------68
Hình 4.2.5.1.7. Sắc ký đồ HPLC của dung dịch RhB sau phân hủy với
mẫu GMT 212 -------------------------------------------------------------------------------------68
Hình 4.2.5.2.1. Đồ thị thể hiện sự thay đổi giá trị DE của ba mẫu GMT
theo thời gian --------------------------------------------------------------------------------------70
Hình 4.2.5.3.1. Các đĩa khuẩn tương ứng với các mẫu thử (trên)và mẫu đối chứng
(dưới) -----------------------------------------------------------------------------------------------72

xiii


MỤC LỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1.1. Tính chất của graphene đơn lớp --------------------------------------------------- 1
Bảng 2.3.2. Các hóa chất sử dụng -------------------------------------------------------------- 25
Bảng 3.1.2. Các tỉ lệ khác nhau của các nguyên liệu và ký hiệu sản phẩm lõi-vỏ thu
được ------------------------------------------------------------------------------------------------- 28
Bảng 3.1.3. Các tỉ lệ khác nhau của các nguyên liệu và ký hiệu sản phẩm tổ hợp thu
được ------------------------------------------------------------------------------------------------- 29
Bảng 4.2.2.1 Kết quả độ từ tính của các mẫu GMT và nguyên liệu Fe3O4 --------------- 42
Bảng 4.2.3.1. Giá trị DE(%) của các nguyên liệu và vật liệu ------------------------------- 47
Bảng 4.2.4.1. Diện tích bề mặt, kích thước và thể tích lỗ xốp của các mẫu GMT
và GO ----------------------------------------------------------------------------------------------- 60
Bảng 4.2.4.2. Kết quả độ từ tính của các mẫu GMT và nguyên liệu Fe3O4 --------------- 61
Bảng 4.2.5.1.1. Hàm lượng các nguyên liệu GO, Fe3O4 và TiO2 trong các mẫu GMT - 64
Bảng 4.2.5.1.2 Khối lượng các nguyên liệu và vật liệu đã cân ----------------------------- 64
Bảng 4.2.5.1.3. Giá trị DE(%) của các nguyên liệu và vật liệu ----------------------------- 65
Bảng 4.2.5.2.1. Giá trị DE(%) của các mẫu GMT sau 7 ngày ------------------------------ 69
Bảng 4.2.5.2.2. Giá trị DE(%) của các mẫu GMT sau 17 ngày ---------------------------- 69
Bảng 4.2.5.2.3. Giá trị DE(%) của các mẫu GMT sau 24 ngày ---------------------------- 69
Bảng 4.2.5.3.1. Hoạt tính kháng khuẩn E. coli của các mẫu GMT và các nguyên liệu - 71

xiv


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa

E. coli

Escherichia coli

GO

Graphene oxit

GONRs

Graphene oxit nanoribbons

TEA

Trietanolamin

TEM

Transmission Electronic Microscopy

XRD
BET

X-ray Diffraction
Brunauer-Emmett-Teller

PVA

Poli(vinyl axetat)

KL

Kim loại

CVD

Ngưng tụ hơi hóa học

FTIR

Fourier transform infrared spectroscopy

SEM

Scanning Eletron Microscope

TBOT

Tetrabutyl orthotitanate

PVP

Polivinylpyrrolidone

PEG

Polyethylene glycol

xv


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Vật liệu graphene-graphene oxit

1.1.1. Graphene
Kể từ khi được phát hiện bởi hai nhà khoa học Andrei Geim và Konstantin
Sergeevich Novoselov, graphene (hình 1.1.1) được biết đến như một loại vật liệu
đầy hứa hẹn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi do sở hữu nhứng tính chất lý-hóa vơ
cùng đặc biệt như: cấu trúc tinh thể hình tổ ong với diện tích bề mặt lớn (2630 m2g1

), độ linh động cao (200.000 cm2v-1s-1), suất Young lớn (~1.0 TPa) và dẫn nhiệt tốt

(~5000 Wm-1K-1) [69]. Không những vậy, các tấm graphene cịn có độ truyền quang
rất cao (~97.7 %) và dẫn điện tốt, khiến cho vật liệu này được sử dụng làm điện cực
dẫn trong suốt [69]. Graphene ngày càng được tìm hiểu và nghiên cứu sâu kỹ, đồng
thời được cải tiến cấu trúc để mở rộng phạm vi ứng dụng và khắc phục những hạn
chế của nó. Gần đây, graphene thường được kết hợp với một số phi kim (O, Si,…)
hay kim loại (Fe, Cu, Ti,…) và các hợp chất của chúng để thay đổi một số tính chất,
khắc phục những nhược điểm, cũng như cũng cố thêm ưu điểm của loại vật kiệu
này [70].
Tính chất vật lý của đơn lớp graphene ở nhiệt độ phòng được Sumit Goenka
thống kê ở bảng sau [2].
Bảng 1.1.1. Tính chất của graphene đơn lớp
Tính chất

Giá trị

Độ dẫn điện

104 S/cm

Mật độ

1.4x1013 cm-2

Độ dẫn nhiệt

50000 W/m.K

Mô đun đàn hồi

1000 GPA

Độ cứng

130 GPA

Điện trở

200 000 cm2V-1s-1

Độ dẫn điện

5000 W m-1K-1

Độ truyền quang

97.7%

1


1.1.2. Graphene oxit
Một trong những cách thức thay đổi cấu trúc của graphene đơn giản nhất là
oxi hóa một phần graphene, chuyển các nguyên tử cacbon đơn thuần thành những
nhóm chức mang oxy như carbonyl (C=O); ether (C‒O‒C); alcol (C‒OH) hay
epoxide [70]. Khi đó, một loại vật liệu graphene biến đổi ‒ graphene oxit (GO) ‒ ra
đời (hình 1.1.2). Đây có thể xem là tấm đệm nâng vật liệu graphene lên một tầm cao
mới. Khi oxi hóa vật liệu graphene để tạo nên GO với các nguyên tử cacbon có độ
oxi hóa cao (Csp2) và các nhóm chức mang oxy (–OH, C=O) trên bề mặt, tính chất
lý-hóa của vật liệu này thay đổi đáng kể: làm giảm tỉ lệ tái tổ hợp quang và điện hóa
tạo ra các điện tử lỗ, làm tăng tốc độ truyền tải điện tích của các điện tử và bề mặt
hấp phụ các phân tử hóa học thơng qua các tương tác π-π, làm tăng khả năng hịa
tan của vật liệu trong dung mơi [71]. Khơng chỉ vậy, sự xuất hiện các nhóm chức
mang oxy trong phân tử GO còn làm cho vật liệu này, trong những điều kiện thích
hợp, có khả năng phóng thích các nhóm oxy hoạt động (Reactive oxygen species,
ROS). Các ROS có hoạt độ cao, tương tác tốt với nhiều phân tử hóa học và sinh
học, do đó mở rộng rất nhiều tiềm năng ứng dụng của GO trong lĩnh vực hóa-sinhy-dược học [71]. Hình 1.1.3 minh họa rõ đặc điểm này của vật liệu GO [72].

Oxide hóa

Khử

Hình 1.1.1. Graphene[71]

Hình 1.1.2. Graphene oxit[71]

2


Hình 1.1.3. Tiềm năng ứng dụng của vật liệu GO dựa trên khả năng tương
tác với nhiều loại phân tử hóa học và sinh học khác nhau[72]
Graphene bị biến đổi hóa học với các nhóm hydroxyl và carboxyl giúp tăng
độ tan trong các dung môi. Khi GO được lai tạp với các loại vật liệu khác (hydrid
material), GO có thể làm giảm tỉ lệ tái tổ hợp quang hay điện hóa học làm sản sinh
ra các electron-lỗ, từ đó làm tăng tốc độ truyền tải điện tích của electron và bề mặt
hấp thụ các phân tử hóa học thơng qua các tương tác π-π. Các tài liệu trên thế giới
đã cơng bố GO có hiệu suất kháng khuẩn cao vì GO tạo ra các nhóm oxy phản ứng
(ROS: reactive oxygen species) và dẫn đến sự phân mảnh AND [1].
GO với các tính chất cơ bản giống như graphene như diện tích bề mặt lớn, có
nhiều nhóm chức trên bề mặt, khả năng phân tán tốt trong nước. Các nhóm chức
chứa oxy sẽ liên kết với các ion kim loại và hợp chất có điện tử dương. Các nghiên
cứu sâu rộng đã được thực hiện để xác định cấu trúc của GO, một số cấu trúc của
GO đã được để xuất, như hình 1.1.4. Cấu trúc của GO bao gồm các liên kết cộng
hóa trị trong các nhóm chứa oxy như nhóm hydroxyl, nhóm epoxy, carbonyl và
nhóm carboxyl. Các nhóm ưa nước này giúp cho GO phân tán trong các dung môi
dễ dàng để tạo ra các dung dịch keo ổn định.

3


Hình 1.1.5 Một số mơ hình cấu trúc của GO[3]
Ngồi ra, việc sử dụng các thành phần hóa học chính xác, các nhóm chức
này sẽ là tâm phản ứng hóa học hay đặc tính của GO. Vì vậy, thành phần hóa học
của GO có thể được điều chỉnh bằng phương pháp hóa học, nhiệt hay điện hóa, từ

đó điều chỉnh tính chất hóa lý của GO [4].
Thực tế các tấm GO bao gồm một mạng lưới các cacbon có hình lục giác
chứa các nguyên tử cacbon lai hóa sp2 và một phần là sp3 nằm trong các nguyên tử
cacbon chứa nhóm chức oxy. Trong GO, nguyên tử cacbon liên kết cộng hóa trị với
các nhóm chức oxy (như hydroxyl, epoxy, và carboxy) là lai hóa sp3. Đây có thể
được xem là các vùng bị oxy hóa, và chúng đã phá vỡ mạng liên hợp sp2 của tấm
graphene có cấu trúc tổ ong. Loại thứ hai có thể xem như là khơng bị oxy hóa. Các
cacbon lai hóa sp3 đều giống nhau nên chúng di chuyển ngẫu nhiên hoặc ở trên hoặc
ở dưới mặt phẳng của graphene [4].
Do kết cấu 2D và sự tồn tại của các nhóm chức oxy mà GO có những tính
chất rất đặc trưng. Bao gồm tính chất điện tử, quang học, nhiệt, cơ và điện hóa cũng
như phản ứng hóa học [4].
Ứng dụng của vật liệu nano composite TiO2 không giới hạn là chất xúc tác
quang hóa, là vật liệu được sử dụng rộng rãi trong các tế bào quang điện và các siêu
tụ. Hơn nữa, khả năng quang xúc tác cao của các hợp chất quang xúc tác dạng
composite của graphene-TiO2 dưới cả ánh sáng nhìn thấy và ánh sáng cực tím đã
được báo cáo và các lý thuyết cũng như cơ chế đã được đưa ra. Tuy nhiên, một vài
4


những thiếu sót dần được tìm thấy khi nghiên cứu liên tục. Đầu tiên là diện tích bề
mặt thực tế của các graphene được sử dụng rộng rãi là 50m2.g-1 (nhưng graphene
oxit, RGO, lại giảm), chỉ bằng 2% giá trị theo lý thuyết (gần 2600m2.g-1) [59, 60].
Vùng diện tích bề mặt giới hạn lượng hấp thụ các chất ô nhiễm, và ngược lại lại có
tỉ lệ phân hủy cao. Ngồi ra, mật độ các khuyết tật cao của RGO làm giảm đường đi
của các electron tự do (có ảnh hưởng làm giảm tuổi thọ của các điện tử được tạo ra
từ bức xạ), từ đó hạn chế hoạt động xúc tác. Cuối cùng, sự thống nhất của RGO
(chiều dày và kích thước), rất khó được đảm bảo, làm giảm sự liên kết giữa lớp nền
và các hạt TiO2 từ đó làm giảm hiệu xuất quang xúc tác. Do đó để tăng khả năng
hấp thụ hóa học của chúng, làm giảm sự tái tổ hợp các cặp eletron-lỗ tạo ra và thúc

đẩy vận chuyển electron ở bề mặt, một số phương pháp tối ưu đã được đưa ra để
tăng cường các hoạt động quang súc tác của composite.
GO được điều chế chủ yếu qua ba phương pháp: phương pháp Brodie,
phương pháp Staudenmaier và phương pháp Hummers. Năm 1859, Brodie đã
nghiên cứu, tổng hợp và phát hiện ra cấu trúc của GO. Sau đó, nhà hố học người
Đức Staudenmaier đã cải tiến phương pháp của Brodie. Cả hai phương pháp Brodie
và Staudenmaier sử dụng sự kết hợp của KClO3 và HNO3 để oxy hoá graphite. Với
phương pháp của Brodie, sản phẩm thu được có tính axit nhẹ, có khả năng phân tán
trong mơi trường kiềm và có cấu trúc khơng hồn hảo. Với phương pháp của
Staudenmaier đã dùng tác nhân oxi hoá KClO3 để tăng mức độ oxy hoá của GO, tuy
nhiên, phương pháp này nguy hiểm do KClO3 là chất dễ gây kích nổ và sản phẩm
ClO2 có nguy cơ cháy nổ. Năm 1958, Hummers và Offeman đã sử dụng hỗn hợp
H2SO4, NaNO3 và KMnO4 tạo được mức oxy hoá cao hơn các sản phẩm được tổng
hợp trước đó [69-73].
Sự phá vỡ mạng lưới của graphene thể hiện ở sự tăng khoảng cách giữa các
lớp là 0,335nm đến hơn 0,625nm đối với GO. Vào năm 1859 lần đầu tiên Brodie đã
chỉ ra việc tổng hợp GO bằng cách thêm potassium chlorate vào dung dịch graphite
trong hơi nitric acid. Vào 1898, Sraudenmaier đã cải tiến bằng cách sử dụng thêm
sulfuric acid cũng như hơi nitric acid bốc ra và thêm clorate trong quá trình phản
ứng. Sự thay đổi nhỏ trong quá trình này làm cho việc tổng hợp GO bị oxy hóa cao
trong bình phản ứng trở nên đơn giản hơn. Và đến năm 1958, Hummers đã đưa ra
phương pháp mà cho đến ngày nay vẫn còn được áp dụng rộng rãi: oxi hóa graphite
5


bằng KMnO4 và NaNO3 trong môi trường H2SO4 đậm đặc. Nhược điểm lớn nhất
của phương pháp này là trong quá trình phản ứng tạo ra các khí có độc tính cao như
NO2, N2O4 hay ClO2, đồng thời là khả năng gây nổ khá lớn. Đến 2010, giáo sư
James M.Tour đã cơng bố trên tạp chí ACS Nano cải tiến đáng kể phương pháp
Hummer, bằng cách không sử dụng NaNO3, tăng lượng KMnO4 và sử dụng thêm

H3PO4 cho quá trình. Theo nhóm tác giả đã nói về khả năng mở rộng của các
GONRs từ các ống nano cacbon đa tầng bằng cách xử lý KMnO4 và H2SO4 đậm đặc
và thấy rằng việc bổ sung acid phosphoric (H3PO4) vào phản ứng tạo ra GONRs với
nhiều mặt phẳng graphitic cơ bản nguyên vẹn. Việc giảm các GONR thế hệ thứ hai
tạo ra các dãi có thể so sánh độ dẫn điện so với các mẫu được tổng hợp bằng việc
giảm các GONRs thế hệ thứ nhất. Ưu điểm của phương pháp cải tiến này là cách
làm đơn giản, cho năng suất cao hơn, khơng tạo các khí độc hại trong q trình
chuẩn bị và giảm các dẫn xuất khơng mong muốn và có khả năng áp dụng rộng rãi.
Nó cũng cho thấy hiệu suất được cải thiện trong ứng dụng vật liệu, chẳng hạn như
trong màng, TEM, hoặc các thiết bị nhạy với nhiệt độ. Sản phẩm thu được bằng
phương pháp này có mức oxy hóa cao hơn và trở thành phương pháp phổ biến trong
điều chế GO từ graphite tự nhiên.
Hiện nay, trong nước đã có các nhóm nghiên cứu đã và đang thực hiện thành
công việc tổng hợp graphene, các tấm GO kết hợp với các hạt nano oxit kim loại
(ZnO, TiO2, Fe3O4,...), các vật liệu trên được các nhóm nghiên cứu ứng dụng trong
các lĩnh vực chủ yếu xử lý mơi trường như: nhóm của GS. TS Hà Thúc Huy - Đại
học Khoa học Tự nhiên TPHCM [101],...
1.2.

Vật liệu Fe3O4/TiO2 dạng lõi - vỏ

1.2.1. Oxit sắt từ (Fe3O4)
Vật liệu từ tính là loại vật liệu bị tác động bởi từ trường ngoài. Tùy thuộc vào
cách hưởng ứng từ mà vật liệu được chia thành hai nhóm chính là vật liệu từ mềm
và vật liệu từ cứng.
Vật liệu từ mềm: được sử dụng chủ yếu trong lõi nam châm của máy biến
thế, phần cảm điện, các thiết bị tạo hơi nước, dùng làm mạch từ của các thiết bị và
dụng cụ điện có từ trường khơng đổi hoặc biến đổi. Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm
lớn, từ trường khử từ nhỏ, tổn hao từ trễ nhỏ (đường cong từ trễ hẹp). Độ tinh khiết
6

và mức độ biến dạng của cấu trúc tinh thể quyết định đến tính chất của chúng. Càng
ít các loại tạp chất trong vật liệu thì các đặc tính của vật liệu càng tốt. Vì vậy, khi
sản xuất vật liệu từ mềm cần phải loại bỏ càng nhiều tạp chất càng tốt.
Vật liệu từ cứng: là vật liệu có từ trường khử từ và từ dư lớn, đường cong từ
trễ rộng, rất khó bị từ hóa. Gồm ba loại chính: vật liệu kim loại: có thể là kim loại
đơn chất và hợp kim từ của một số kim loại; vật liệu phi kim: thường là ferit (có
thành phần là hỗn hợp của các oxit sắt và các kim loại khác); và điện môi từ: là vật
liệu tổ hợp gồm 60% - 80% vật liệu dạng bột và 40% - 20% điện mơi.
Nano Fe3O4 (hay nano oxit sắt từ, FO) (hình 1.2.1.1), với đặc trưng nổi bật là
có từ tính, đã được nghiên cứu từ sớm và có nhiều ứng dụng quan trọng, do độ bền
hóa học và tương hợp sinh học cao [74]. Từ tính của vật liệu này là một trong
những tính chất q khiến cho nó được sử dụng trong điều chế các hệ mang thuốc
chữa bệnh, điều trị trúng đích và tập trung, cùng với rất nhiều ứng dụng sinh-y-dược
khác (hình 1.2.1.2) [77]. Đồng thời, từ tính cũng là yếu tố giúp thu hồi hệ một cách
dễ dàng khi quá trình trị liệu đã kết thúc [75]. Bên cạnh đó, nano oxit sắt từ cịn
được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác: môi trường, công nghiệp,… Nhiều nghiên
cứu tổng hợp vật liệu này đã được tiến hành và ngày càng sâu kĩ hơn, với việc tổng
hợp có kiểm sốt kích thước hạt hay “tổng hợp xanh” (hạn chế sử dụng hóa chất độc
hại, gây ơ nhiễm mơi trường).

Hình 1.2.1.1. Hạt nano oxit sắt từ[76]

7


Tác nhân điều trị

Điều trị mục tiêu

đa chức năng

Hạt
Phát hiện sinh học

nano sắt

Tác nhân tương

Vận chuyển thuốc

Phân loại tế bào

phản MRI

Hình 1.2.1.2. Những ứng dụng của hạt nano oxide sắt từ[77]
Vật liệu thuận từ là vật liệu có độ cảm từ tương đối dương nên khi chất thuận
từ được đặt trong từ trường, momen từ nguyên tử sẽ có xu hướng bị quay và định
hướng theo từ trường. Tuy nhiên do mỗi momen từ của nguyên tử rất bé nên
momen từ của chất thuận từ cũng rất nhỏ, đồng thời các momen từ nguyên tử này
không tương tác với nhau nên khơng giữ được từ tính, mà lập tức bị mất đi khi ngắt
từ trường ngoài.
Đối với một vật liệu sắt từ thì khi ở kích thước lớn các hạt có xu hướng phân
chia thành các mơmen từ để giảm năng lượng dị hướng hình dạng và ta có các hạt
đa momen. Khi kích thước hạt giảm xuống dưới một giá trị nào đó (thơng thường
khoảng 100nm) thì mỗi hạt là một momen từ nói cách khác là các hạt đơn mơmen
có mơmen từ sắp xếp theo các phương dễ từ hóa dưới tác dụng của năng lượng dị
hướng từ. Tiếp tục giảm kích thước hạt qua một giới hạn sẽ xảy ra tình huống trong
đó năng lượng kích thích nhiệt trở nên trội hơn năng lượng dị hướng từ. Khi đó

momen từ tổng cộng bằng khơng. Chỉ khi có từ trường ngồi tác dụng thì mới có sự
định hướng của mômen từ của các hạt và tạo ra mômen từ tổng cộng khác khơng.
Tính chất này là đặc trưng cho các vật liệu thuận từ nhưng ở đây mỗi hạt nano có
chứa hàng vạn nguyên tử nên cũng có mômen từ hàng vạn lần lớn hơn mômen từ
nguyên tử. Chính vì vậy tính chất này được gọi là tính chất siêu thuận từ.

8


Để ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau thì các hạt nano siêu thuận từ sẽ
được phân tán trong dung mơi thích hợp. Khi các hạt có kích thước nhỏ hơn một
giới hạn xác định (cỡ vài nano mét) chúng sẽ nằm lơ lửng trong chất lỏng mang tạo
thành một thể huyền phù và ta thu được một loại chất lỏng có từ tính được gọi là
chất lỏng từ. Giới hạn kích thước này cịn phụ thuộc vào bản chất của hạt và của
chất lỏng mang. Tuy nhiên với các hạt nhỏ có diện tích bề mặt lớn nên có năng
lượng bề mặt lớn, vì vậy các hạt này có xu hướng kết tụ lại với nhau tạo thành các
hạt lớn và có khả năng lắng đọng dưới tác dụng của trọng lực, do đó để làm giảm sự
ổn định của chất lỏng từ. Một giải pháp được sử dụng để tăng tính ổn định của chất
lỏng từ là sử dụng chất hoạt động bề mặt. Các chất hoạt động bề mặt có tác dụng
bao bọc và phân tách các hạt nano làm cho các hạt này không kết tụ lại với nhau.
Một chất lỏng từ với độ ổn định cao gồm ba phần chính là hạt nano siêu thuận từ,
chất lỏng mang và chất hoạt động bề mặt. Trong đó hạt nano siêu thuận từ là thành
phần quan trọng nhất quyết định đến khả năng ứng dụng của hệ.
Các phương pháp tổng hợp nói chung rất phong phú và đa dạng. Mỗi phương
pháp đều có những ưu điểm cũng như hạn chế riêng. Tùy vào mục đích mà lựa chọn
phương pháp thích hợp và mang lại hiệu quả mong muốn.
Các phương pháp hóa học thường dùng để tổng hợp nano Fe3O4 như: phương
pháp đồng kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp hạt mixen, phương pháp đốt
cháy… Với ưu điểm là tạo được một lượng lớn sản phẩm với kích thước đồng đều,
thiết bị phản ứng đơn giản và tiêu tốn ít năng lượng.

Phương pháp vật lý như ngưng tụ pha hơi, phương pháp ngọn lửa, phương
pháp nhiệt phân pha hơi ở nhiệt độ cao, phương pháp ngưng tụ pha khí…Với ưu
điểm là tạo ra sản phẩm lớn, nhưng trang thiết bị lại phức tạp, đắt tiền và đặc biệt là
tiêu tốn nhiều năng lượng trong quá trình vận hành.
Phương pháp đồng kết tủa
Đây là một trong những phương pháp thường được dùng để tạo các hạt oxit
sắt. Hydroxid sắt bị oxy hóa một phần bằng một chất oxy hóa khác hoặc tạo hạt từ
Fe2+ và Fe3+ trong dung mơi nước. Kích thước hạt (4-15nm) và điện tích bề mặt
được điều khiển bằng độ pH và ion trong dung dịch.

9


Bản chất của phương pháp là kết tủa đồng thời tất cả các ion có trong thành
phần của oxit phức hợp từ dung dịch mà thường là hydroxit, cacbonat, oxalate,
citrate…trộn các muối đã được hòa tan của các kim loại tương ứng theo một tỉ lệ
thích hợp. Hỗn hợp được để lắng sau đó lọc tách và thu được kích cỡ hạt nhỏ hơn
1𝜇m.
Điều kiện để áp dụng phương pháp đồng kết tủa là tích số hịa tan của các
hợp chất trong hỗn hợp phải xấp xỉ bằng nhau. Tốc độ kết tủa trong suốt quá trình
phải như nhau.
Cơ chế đối với hạt Fe3O4 NP được hình thành dựa trên phản ứng hóa học:
2Fe3+ + Fe2+ + 8OH- → Fe3O4 + 4H2O
Ở đây Fe2+ dễ dàng bị oxi hóa vì vậy mà sản phẩm tạo thành có thể làm lệch
tỷ lệ mong muốn giữa Fe2+và Fe3+. Ngoài ra một số sản phẩm phụ có thể được tạo
thành trong q trình tổng hợp như:
Fe3O4 + 0,25O2 + 4,5H2O → 3Fe(OH)3
Fe3O4 + 0,5O2 → 3Fe2O3
Trong dung dịch muối Fe(II) và Fe(III) bị thủy phân và cung cấp những phân
tử sắt cấu trúc đơn đô men. Một số nghiên cứu đã chỉ ra sự thủy phân của ion Fe2+

và Fe3+ tạo ra những pha khác nhau của oxit và hydroxit sắt và do đó tạo sản phẩm
cuối cùng có sự khác biệt. Muối Fe2+ và Fe3+ bị phân li và tạo ra ion hexa-aq như
sau:
FeCl3 + 6H2O → Fe(H2O)63+ + 3Cl
FeCl2 + 6H2O → Fe(H2O)62+ + 2ClTrong điều kiện thích hợp: pH cao và nhiệt độ cao (trên 60℃) ion hexa-aq
thủy phân và tạo thành chuỗi mầm tinh thể liên kết với nhau. Phản ứng thủy phân
đơn giản được mô tả theo phương trình dưới đây với z là hóa trị của ion kim loại
còn n là số bậc của phản ứng thủy phân:
Fe(H2O)6z+ + H2O → Fe(H2O)6-n(OH)n(z-n) + 3H3O+
Một phản ứng thủy phân nói chung được mơ tả bằng phương trình phản ứng
sau mà sự tạo thành các dime và trime được thể hiện:
10