Điều chế nano titan dioxit bằng phương pháp thủy nhiệt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tổng hợp nano titan dioxit (TiO2NPs) bằng phương pháp thủy nhiệt là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi do có thể tổng hợp vật liệu dưới nhiều dạng khác nhau (sợi, màng, hạt, ống nano), kỹ thuật đơn giản, thời gian tạo mẫu khá nhanh, dễ dàng kiểm soát được thành phần các chất tham gia phản ứng và có khả năng tổng hợp khối lượng lớn vật liệu từ vật liệu nguồn TiO2 sẵn có.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Điều chế nano titan dioxit bằng phương pháp thủy nhiệt

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y DƯỢC HẢI PHÒNG ĐIỀU CHẾ NANO TITAN DIOXIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT Phan Minh Châu1, Nguyễn Thị Hương1, Vũ Đức Minh1, Đinh Thế Dũng2 TÓM TẮT 33 materials in various forms (fibers, films, Tổng hợp nano titan dioxit (TiO2NPs) bằng particles, nanotubes) with simple technique, fast phương pháp thủy nhiệt là một trong những formation, easy to control composition of phương pháp được sử dụng rộng rãi do có thể reactants and capable of synthesizing a large tổng hợp vật liệu dưới nhiều dạng khác nhau amount of materials from TiO2 source. In this (sợi, màng, hạt, ống nano), kỹ thuật đơn giản, study, we used 10M NaOH solvent and thời gian tạo mẫu khá nhanh, dễ dàng kiểm soát homemade hydrothermal system. The obtained được thành phần các chất tham gia phản ứng và TiO2NPs products were analyzed and evaluated có khả năng tổng hợp khối lượng lớn vật liệu từ by the typical physical and chemical methods vật liệu nguồn TiO2 sẵn có. Trong nghiên cứu such as: The tructure and phase composition này, chúng tôi đã sử dụng dung môi NaOH 10M were determined by X-ray diffraction (XRD) và hệ thủy nhiệt tự chế. Sản phẩm TiO2NPs thu method; the structure, morphology and size of được được phân tích, đánh giá bởi các phương tube were studied by transmission electron pháp lí hóa đặc trưng như: Xác định cấu trúc và microscopy (TEM). thành phần pha bởi phương pháp nhiễu xạ tia X Key words: titanium dioxide nanoparticles, (XRD); khảo sát cấu trúc, hình thái và kích thước hydrothermal method ống bằng kính hiển vi điện tử truyền qua TEM. Từ khóa: nano titan dioxit, phương pháp thủy I. ĐẶT VẤN ĐỀ nhiệt Những vật liệu và hoạt chất được tạo ra dưới kích thước nano có tính ứng dụng rất SUMMARY lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như môi SYNTHESIS OF TITANIUM DIOXIDE trường, nông nghiệp, công nghiệp, thực NANOPARTICLES BY phẩm, điện tử,... và đặc biệt là trong lĩnh vực HYDROTHERMAL METHOD y dược – một thị trường lớn tiêu thụ vật liệu Synthesis of titanium dioxide nanoparticles nano hiện nay. Với kích thước nhỏ bé chỉ từ (TiO2NPs) by hydrothermal method is one of the 1 – 100 nm, tương tự như kích thước của tế widely used methods because it can synthesize bào (10 – 100 nm), virus (20 – 450 nm), protein (5 – 50 nm) hay gen (2nm chiều rộng 1 Trường Đại học Y Dược Hải Phòng và 10 – 100 nm chiều dài), các sản phẩm 2 Viện Hóa học – Vật liệu/Viện KH&CN Quân sự dưới dạng nano dễ dàng xâm nhập, tham gia Chịu trách nhiệm chính: Phan Minh Châu vận chuyển thuốc, chẩn đoán hay hỗ trợ điều Email: pmchau@hpmu.edu.vn trị các bệnh lý, giúp mở ra những hướng đi Ngày nhận bài: 20.3.2021 mới và hiệu quả trong việc bảo vệ sức khỏe Ngày phản biện khoa học: 19.4.2021 của con người [1]. Ngày duyệt bài: 20.5.2021 222
TẠP CHÍ Y HỌC VIỆT NAM TẬP 503 - THÁNG 6 - SỐ ĐẶC BIỆT - 2021 Hiện nay, đã có rất nhiều loại vật liệu kích oxy hóa anốt và tổng hợp thủy nhiệt [3]. Mục thước nano đã được nghiên cứu và ứng dụng tiêu của nghiên cứu là sử dụng phương pháp trong y dược. Trong số đó phải kể đến nano thủy nhiệt xử lý kiềm và axit với tiền chất titan dioxit (TiO2NPs), một hợp chất không thương mại TiO2 (P25) để tạo ra các cấu trúc độc hại, có khả năng kháng khuẩn bằng cơ rỗng và ống. Mặc dù đòi hỏi nghiêm ngặt về chế phân hủy, tác động vào vi sinh vật như kĩ thuật do phản ứng xảy ra ở môi trường áp phân hủy một hợp chất hữu cơ [2]. Nhờ vậy suất và nhiệt độ cao, khi so sánh với các tránh được hiện tượng “nhờn thuốc” và là phương pháp tổng hợp vật liệu khác, phương công cụ hữu hiệu chống lại sự biến đổi gen pháp thuỷ nhiệt có rất nhiều ưu điểm như: của vi sinh vật gây bệnh. Với thực trạng sử Có thể tổng hợp vật liệu dưới nhiều dạng dụng kháng sinh không đúng cách và không khác nhau (sợi, màng, hạt, ống nano), kỹ đúng liều lượng trong điều trị nhiễm khuẩn, thuật đơn giản, thời gian tạo mẫu khá nhanh, dẫn đến kháng kháng sinh như hiện nay thì dễ dàng kiểm soát được thành phần các chất việc tìm kiếm và sử dụng những chất kháng tham gia phản ứng và có khả năng tổng hợp khuẩn tự nhiên mang ý nghĩa rất quan trọng. khối lượng lớn vật liệu từ vật liệu nguồn Nói chung, ống nano titan dioxit được chế TiO2 sẵn có [4][5]. tạo theo 3 phương pháp: tạo khuôn, quá trình II. HÓA CHẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Hóa chất Bảng 1. Danh mục các hóa chất STT Hóa chất Công thức 1 Bột titan đioxit (P25) TiO2 2 Natri hidroxit NaOH 3 Axit clohidric HCl 4 Nước cất, nước trao đổi ion đạt tiêu chuẩn DĐVN IV H2O 5 Aceton (CH3)2CO 6 Iso propyl ancol (CH3)2C-OH 7 Magie nitrat Mg(NO3)2 2.2. Phương pháp nghiên cứu đặc (nồng độ 10 M) ở nhiệt độ cao và sau đó 2.2.1. Điều chế TiO2NPs bằng phương với dung dịch HCl và nước cất hai lần. pháp thủy nhiệt và tạo màng bằng phương Sau khi chế tạo thành công bột nano titan, pháp lắng đọng điện di. Thủy nhiệt là một tiếp tục tiến hành tạo màng trên đế dẫn điện quá trình đặc biệt dùng để chỉ một phản ứng trong suốt truyền qua (ITO) bằng phương hóa học ở đó có sự tham gia của nước hay pháp lắng đọng điện di (EPD). các dung môi khác dưới tác dụng của nhiệt 2.2.2. Xác định cấu trúc của TiO2NPs độ và áp suất cao. Cụ thể trong nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X này, tiền chất là TiO2 pha anatase hoặc pha Nguyên lý của phép đo dựa trên hiện rutile được xử lý với dung dịch NaOH đậm tượng nhiễu xạ Bragg. Khi chiếu chùm điện tử vào mẫu, các mặt phẳng thỏa mãn hệ thức 223
CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y DƯỢC HẢI PHÒNG Bragg sẽ cho cực đại nhiễu xạ. Đối chiếu với III. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN phổ nhiễu xạ tia X (góc 2θ của các cực đại 3.1. Điều chế TiO2NPs nhiễu xạ, khoảng cách d của các mặt phẳng 3.1.1. Điều chế TiO2NPs bằng phương nguyên tử) với dữ liệu chuẩn quốc tế có thể pháp thủy nhiệt xác định được cấu trúc tinh thể (kiểu ô mạng, Tạo 20ml dung dịch NaOH ở nồng độ hằng số mạng...) và thành phần pha của loại 10M với dung môi nước cất hai lần sau đó vật liệu đó. cho 3g TiO2 thương mại P25 vào tiến hành 2.2.3. Khảo sát cấu trúc, hình thái và trộn đều sử dụng máy rung siêu âm trong 60 kích thước bằng hiển vi điện tử truyền phút. Hỗn hợp thu được cho vào bình thủy qua TEM. Nguyên tắc tạo ảnh của TEM gần nhiệt và được giữ nhiệt ở nhiệt độ 130 độ giống với kính hiển vi quang học, điểm khác trong 13h. Mẫu lấy ra hòa vào nước cất hai biệt quan trọng là phương pháp này sử dụng lần, rung siêu âm, xử lý axit HCl loãng, sau sóng điện từ thay cho sóng ánh sáng và thấu đó tiến hành rửa với nước cất hai lần bằng 28 kính từ thay cho thấu kính thủy tinh. Nhờ bộ lọc chân không nhiều lần. Tiếp đó hỗn khả năng phóng đại và tạo ảnh mẫu rất rõ hợp được đem đi sấy khô ở nhiệt độ 100oC nét, chi tiết, kính hiển vi điện tử truyền qua trong 12h. Cuối cùng vật liệu được nghiền (TEM) được sử dụng để xác định được hình nhỏ bằng cối mã não và được nung lên ảnh và kích thước tiểu phân TiO2NPs. 500oC trong 2 giờ. Hình 1. Các giai đoạn chế tạo TiO2NPs bằng phương pháp thủy nhiệt 224
TẠP CHÍ Y HỌC VIỆT NAM TẬP 503 - THÁNG 6 - SỐ ĐẶC BIỆT - 2021 Hình 2. Bình thủy nhiệt dùng để chế tạo mẫu Hình 3. Sản phẩm TiO2NPs điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt 3.1.2. Tạo màng TiO2NPs bằng kĩ thuật • Dung dịch phân tán: isopropyl ancol lắng đọng điện di (IPA) Chuẩn bị đế ITO: Các đế ITO được cắt • Nguồn điện một chiều điện áp thay đổi thành các tấm có thiết diện 0,6 cm2 và được được xử lý làm sạch như sau: Trong thí nghiệm này chúng tôi sử dụng • Các tấm ITO được xếp trên giá chuyên vật liệu TiO2NPs đã chế tạo được và sử dụng dụng và rung rửa sạch bằng nước cất hai lần dung môi IPA làm môi trường phân tán tạo • Mẫu tiếp tục được rung rửa bằng cồn dung dịch keo. Để tạo điện tích trên bề mặt tuyệt đối (> 99%) hạt TiO2NPs, 10-1 mol Mg(NO3)2.6H2O đã • Rửa lại mẫu bằng aceton (> 99%) được thêm vào trong dung dịch keo làm chất • Sấy khô bằng khí Ar, sau đó mẫu được điện li cho EPD. Màng được chế tạo ở điện bảo quản trong bình hút ẩm áp 75V với thời gian 3 phút, khoảng cách Quá trình tạo màng: Màng được hình giữa hai điện cực là 1 cm. Sau khi chế tạo, thành trên đế ITO bằng phương pháp lắng màng được để khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng đọng điện di (EPD). Trong đó: trong 1 ngày, sau đó sấy màng ở 500oC trong • Điện cực âm: Đế ITO 12 giờ, để nguội tự nhiên và cất trong hộp • Điện cực dương: Tấm Pt bảo quản. 225
CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y DƯỢC HẢI PHÒNG Hình 4. Sơ đồ minh họa quá trình lắng Hình 5. Quá trình lắng đọng điện di tạo đọng điện di màng TiO2NPs 3.2. Khảo sát cấu trúc TiO2NPs bằng nhiễu xạ tia X Hình 3.3 là giản đồ nhiễu xạ XRD của các mẫu TiO2 (P25 thương mại) và mẫu nano titan dioxit nung ở 500oC. Kết quả phân tích cấu trúc của hai mẫu cho thấy đều xuất hiện các đỉnh đặc trưng của pha anatase ở vị trí tương ứng với các mặt phẳng mạng (101), (004), (200), (105), (211), (204). Các đỉnh xuất hiện rõ nét, cường độ cao, nền phổ thấp, không có các pha lạ. Hình 6. Giản đồ XRD của a) Mẫu TiO2NPs nung ở 500oC và b) Mẫu TiO2 P25 thương mại Đặc biệt mẫu TiO2NPs ở 500oC xuất hiện đỉnh của pha anatase có cường độ mạnh vị trí góc 25,4 (101) và 48,04 (200). 226
TẠP CHÍ Y HỌC VIỆT NAM TẬP 503 - THÁNG 6 - SỐ ĐẶC BIỆT - 2021 3.3. Kiểm nghiệm hình dạng, kích thước của TiO2NPs bằng TEM Hình 8. Ảnh TEM của vật liệu Hình 9. Ảnh TEM của vật liệu Hình 7. Ảnh TEM của vật TiO2NPs không nung TiO2NPs nung 500oC liệu TiO2NPs thương mại Kết quả ảnh TEM cho thấy, P25 ban đầu hấp phụ lên trên bề mặt phụ thuộc vào dạng là các hạt nano kính thước khoảng 25 - 40 tinh thể và diện tích bề mặt của TiO2. nm. Sau khi phản ứng thủy nhiệt tại nhiệt độ Anatase có hoạt tính hơn rutile trong sự hấp 130oC sản phẩm thu được có dạng ống nano phụ nước và nhóm hydroxyl nên anatase cho đường kính cỡ 8 nm, chiều dài ống khoảng tốc độ tạo thành •OH cao nhất. Do đó, diện 200 đến 450 nm. Khi được nung tại nhiệt độ tích bề mặt riêng cũng là một yếu tố quang 500oC ta thấy kích thước các ống thay đổi trọng ảnh hưởng đến vai trò hấp phụ của lớn dần có cấu trúc dạng ống rõ rệt đi kèm TiO2NPs. xuất hiện các hạt nano TiO2 có kích thước từ 20 nm đến 40 nm xen kẽ với các ống nano. IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Lưu ý là nung ở nhiệt độ cao thường được sử Bước đầu chúng tôi đã chế tạo thành công dụng để tăng cường độ tinh thể hóa, tăng độ ống TiO2NPs dạng bột theo phương pháp tinh thể hóa và làm tăng hoạt tính quang hóa. thủy nhiệt và tạo màng bằng kĩ thuật lắng Song việc nung ở nhiệt độ cao cũng sẽ làm đọng điện di. Các tiểu phân TiO2NPs đa số tăng kích thước hạt và giảm diện tích bề mặt có kích thước nhỏ trong khoảng 20 – 40 nm. của TiO2 và hơn nữa khi tăng nhiệt độ quá Trong tương lai, chúng tôi sẽ tiếp tục khảo cao sẽ dẫn đến sự hình thành pha rutile kém sát những thông số ảnh hưởng đến quá trình hoạt tính hơn pha anatase. Điều này cũng có điều chế TiO2NPs, tìm ra điều kiện tốt nhất thể giải thích hoạt tính quang hóa của nhất để quá trình tổng hợp đạt hiệu suất cao TiO2NPs liên quan đến khả năng hấp phụ hơn, kích thước nhỏ hơn và đồng đều hơn. nước và nhóm hydroxyl trên bề mặt Bên cạnh đó, chúng tôi sẽ mở rộng nghiên TiO2NPs. Lượng nước và nhóm hydroxyl cứu thử nghiệm tính kháng khuẩn của 227
CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y DƯỢC HẢI PHÒNG TiO2NPs với một số chủng vi khuẩn gây adhesive bonding on titanium surfaces”, bệnh. Journal of materials science, 19(11), pp. 3626 – 3639. TÀI KIỆU THAM KHẢO [4] Saito, N. Shinozaki-Kuwahara, M. [1] Ali Ehsani, et al. (2018), “Nanoparticles and Hirasawa, and K. Takada (2016), their antimicrobial properties against “Streptococcus oricebi sp. nov., isolated from pathogens including bacteria, fungi, parasites the oral cavity of tufted capuchin”, Int. J. and viruses”, Microbial Pathogenesis 123, pp. Syst. Evol. Microbiol, vol. 66, pp. 1063– 505 – 526. 1067. [2] Ashok Kumar Jangid, Divya Bharti Rai, [5] Shi, W., S. Song, et al. (2013), Hitesh Kulhari, Nitin Gupta (2019), “Use of “Hydrothermal synthetic strategies of nanotechnology in antimicrobial therapy”, inorganic semiconducting nanostructures”, Methods in Microbiology, pp. 1 – 3. Chemical Society Reviews, 42(13), pp. 5714 [3] Assefpour – Dezfuly, M., C. Vlachos, and – 5743. E. Andrews (1994), “Oxide morphology and 228