Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano lai giữa hạt nano bạc và oxit graphene nhằm ứng dụng trong cảm biến môi trường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:144

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano lai giữa hạt nano bạc và oxit graphene nhằm ứng dụng trong cảm biến môi trường" là tổng hợp được vật liệu nano lai Ag/GO; Xác định tính nhạy khí của vật liệu nano lai Ag/GO; Thử nghiệm sử dụng vật liệu nano lai Ag/GO phát hiện thuốc trừ sâu Tricyclazole trong nước.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano lai giữa hạt nano bạc và oxit graphene nhằm ứng dụng trong cảm biến môi trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------- VŨ VĂN CÁT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO LAI GIỮA HẠT NANO BẠC VÀ OXIT GRAPHENE NHẰM ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU HÀ NỘI - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------- VŨ VĂN CÁT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO LAI GIỮA HẠT NANO BẠC VÀ OXIT GRAPHENE NHẰM ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN MÔI TRƯỜNG Ngành: Khoa học vật liệu Mã số: 9440122 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. VŨ NGỌC PHAN 2. PGS. TS. NGUYỄN VĂN QUY HÀ NỘI - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Vũ Ngọc Phan và PGS.TS. Nguyễn Văn Quy. Công trình được thực hiện tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án cũng như trong các công bố khoa học của tôi cùng các cộng sự là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội ngày 15 tháng 06 năm 2021 Thay mặt tập thể hướng dẫn Người viết cam đoan TS. Vũ Ngọc Phan Vũ Văn Cát PGS. TS Nguyễn Văn Quy
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của tôi đến tập thể hướng dẫn là các thầy TS. Vũ Ngọc Phan và PGS. TS. Nguyễn Văn Quy, những người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, các cô, cán bộ, công nhân viên, học viên cao học và tập thể NCS Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ, Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cám ơn cán bộ, nhân viên các phòng thí nghiệm đo UV- vis, TEM, Xray, FT-IR, Raman, ... của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội, Viện Vệ sinh Dịch tễ TW đã giúp đỡ tôi khảo sát đo đạc số liệu chính xác, tin cậy phục vụ quá trình nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin dành sự biết ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và các thế hệ học sinh đã dành cho tôi những tình cảm, thời gian và luôn động viên để tôi yên tâm, vững vàng chuyên tâm nghiên cứu.
Mục lục Trang Mở đầu 1 Chương 1: Tổng quan vật liệu nano lai Ag/GO, cảm biến khí QCM và 6 cảm biến SERS 1.1. Giới thiệu 6 1.2. Tổng quan về graphen oxit 7 1.2.1. Cấu trúc của graphen oxit 7 1.2.2. Tính chất hóa học của graphen oxit 9 1.2.3. Tính chất vật lý của graphen oxit 9 1.2.4. Các phương pháp tổng hợp graphen oxit 10 1.2.5. Ứng dụng của vật liệu graphen oxit 10 1.3. Tổng quan về hạt nano bạc 11 1.3.1. Cấu trúc tinh thể của hạt nano bạc 11 1.3.2. Tính chất xúc tác của hạt nano bạc 12 1.3.3. Tính chất kháng khuẩn của hạt nano bạc 13 1.3.4. Hiệu ứng plasmon của hạt nano bạc 16 1.3.5. Các phương pháp tổng hợp hạt nano bạc 18 1.3.6. Ứng dụng của hạt nano bạc 20 1.4. Tổng quan về vật liệu nano lai Ag/GO 21 1.4.1. Chế tạo vật liệu nano lai Ag/GO bằng phương pháp hóa học 21 1.4.2. Chế tạo vật liệu nano lai Ag/GO bằng phương pháp điện hóa 23 1.4.3. Chế tạo vật liệu nano lai Ag/GO bằng phương pháp vật lý 24 1.4.4. Chế tạo vật liệu nano lai Ag/GO bằng phương pháp quang hóa 25 1.4.5. Ứng dụng của vật liệu nano lai Ag/GO 25 1.5. Cảm biến QCM 27 1.5.1. Cấu trúc cảm biến QCM 27 1.5.2. Nguyên lý hoạt động cảm biến khí QCM 1.6. Cảm biến SERS 33 1.7. Kết luận 35 Chương 2: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano lai Ag/GO 36 2.1. Giới thiệu 36
2.2. Quy trình tổng hợp hạt nano Ag và nano lai Ag/GO 36 2.2.1. Hóa chất 36 2.2.2. Các thiết bị sử dụng 37 2.2.3. Quy trình tổng hợp vật liệu nano Ag 37 2.3. Đặc tính của hạt nano Ag chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt 39 2.3.1. Hình thái của hạt nano bạc tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt 39 2.3.2. Cấu trúc của hạt nano bạc tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt 40 2.4. Đặc tính hình thái, cấu trúc và tính chất của vật liệu nano lai Ag/GO 41 2.4.1. Hình thái của vật liệu nano lai Ag/GO 41 2.4.2. Đặc tính cấu trúc của vật liệu nano lai Ag/GO 43 2.4.2.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X 43 2.4.2.2. Phổ UV-Vis 45 2.4.2.3. Phổ FT-IR 47 2.4.2.4. Phổ tán xạ Raman 49 2.5. Kết luận 52 Chương 3: Đặc trưng nhạy khí của cảm biến QCM sử dụng vật liệu 53 nano lai Ag/GO 3.1. Giới thiệu 53 3.2. Quy trình chế tạo cảm biến QCM 56 3.3. Đặc tính nhạy khí của cảm biến QCM 60 3.3.1. Đặc tính nhạy khí NO2 của cảm biến QCM 60 3.3.2. Đặc tính nhạy khí SO2 của cảm biến QCM 68 3.3.3. Đặc tính nhạy khí CO của cảm biến QCM 76 3.4. Khảo sát tính ổn định của cảm biến QCM sử dụng vật liệu GO 86 3.5. Cơ chế nhạy khí của cảm biến QCM sử dụng vật liệu nano lai 88 Ag/GO 3.6. Kết luận 89 Chương 4: Ứng dụng vật liệu nano lai Ag/GO trong cảm biến SERS 91 4.1. Giới thiệu 91 4.2. Quy trình chế tạo cảm biến SERS sử dụng vật liệu nano lai Ag/GO 93 trong cảm biến SERS
4.2.1. Quy trình khảo sát đặc trưng SERS của vật liệu nano lai Ag/GO 93 4.2.2. Quy trình chế tạo cảm biến SERS sử dụng vật liệu nano lai Ag/GO 94 phát hiện tricyclazole 4.3. Đặc tính của cảm biến quang SERS sử dụng vật liệu nano lai 94 Ag/GO 4.3.1. Kết quả khảo sát đặc trưng SERS của vật liệu nano lai Ag/GO sử 94 dụng xanh metylen (MB) 4.3.2. Cảm biến quang SERS sử dụng để phát hiện thuốc trừ sâu tricyclazole 100 4.4. Cơ chế tăng cường tán xạ Raman của vật liệu nano lai Ag/GO 103 4.5. Kết luận 105 Kết luận 106 Hướng nghiên cứu tiếp theo 107 Danh mục các công trình công bố của luận án 108 Tài liệu tham khảo. 109
Danh mục các chữ viết tắt Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt Đ.v.t.y Đơn vị tùy ý FTIR Fourier transform infrared Hồng ngoại biến đổi Fourier GO Graphen oxide Graphen oxit IR Infrared Hồng ngoại MB Metylene blue Xanh Metylene PVP polyvinylpyrrolidone polyvinylpyrrolidone QCM Quartz crystal microbalance Vi cân tinh thể thạch anh SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét SERS Surface enhanced Raman scattering Tán xạ Raman tăng cường bề mặt TEM Transmission electron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua UV Ultraviolet Tử ngoại Vis Visible Khả kiến XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X
DANH MỤC HÌNH Hình Trang Hình 1.1 Các loại vật liệu nano các bon điển hình 6 Hình 1.2 Một số cấu trúc hóa học của GO đã công bố 7 Hình 1.3 A) Ảnh TEM của GO, B) Cấu trúc GO theo quan niệm của K. 8 Josepovits và các cộng sự Hình 1.4 Các mô hình cấu trúc tinh thể bạc 11 Hình 1.5 Ảnh XRD chụp cấu trúc tinh thể Ag 12 Hình 1.6 Sự tương tác giữa các hạt nano Ag với tế bào vi khuẩn 15 Hình 1.7 Phổ hấp thụ của hạt nano Ag 16 Hình 1.8 Hiện tượng cộng hưởng plasmon trên bề mặt của hạt nano Ag 17 Hình 1.9 Cơ chế hình thành hạt nano Ag theo García-Barrasa cùng các 19 cộng sự (A) và Srikar và cộng sự (B). Hình 1.10 Các ứng dụng khác nhau của hạt nano Ag 20 Hình 1.11 Sơ đồ cơ chế khử kim loại chế tạo vật liệu lai Ag/GO 21 Hình 1.12 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu nano lai Ag/rGO bằng 22 phương pháp thuỷ nhiệt Hình 1.13 Ảnh TEM a) của GO b) của vật liệu nano lai Ag/rGO 23 Hình 1.14 Sơ đồ quy trình chế tạo và ảnh SEM vật liệu nano lai Cu/rGO 24 bằng phương pháp lắng đọng điện hoá Hình 1.15 Sơ đồ quy trình chế tạo và ảnh TEM vật liệu nano lai Ag/GO 24 bằng phương pháp ăn mòn laze Hình 1.16 Một số loại linh kiện vi cân tinh thể thạch anh 28 Hình 1.17 Nguyên tắc cấu tạo của cảm biến QCM 28 Hình 1.18 Sơ đồ nguyên tắc cấu tạo của cảm biến QCM điển hình (a) 29 nhìn từ trên xuống và (b) nhìn bên Hình 1.19 Mode dao động a) cơ bản b) họa âm bậc 3 của tinh thể thạch 29 anh, khi có sóng dừng trong tinh thể Hình 1.20 Sự thay đổi tần số cộng hưởng của QCM theo bề dày tinh thể 30 Hình 1.21 Nguyên lý hoạt động của cảm biến QCM 32 Hình 1.22 Cấu trúc, nguyên tắc hoạt động của cảm biến SERS 34
Hình 2.1 Máy đo độ pH của dung dịch trong thí nghiệm tổng hợp vật 37 liệu lai nano Ag/GO Hình 2.2 Sơ đồ chế tạo hạt nano Ag bằng phương pháp thủy nhiệt 37 Hình 2.3 Mẫu dung dịch nano Ag tổng hợp bằng phương pháp thủy 39 nhiệt ở các điều kiện khác nhau Hình 2.4 Ảnh TEM (a) và phân bố kích thước hạt(b) 40 Hình 2.5 Phổ UV-vis (a) và Giản đồ XRD (b) của hạt nano Ag 40 Hình 2.6 Phổ UV-vis của hạt nano Ag a)khi thời gian thủy nhiệt thay 41 đổi; b) khi có độ pH thay đổi Hình 2.7 Ảnh TEM a) GO và các mẫu cùng nhiệt độ thủy nhiệt, 41 có khối lượng GO khác nhau b) AgGO1, c) AgGO2, d) AgGO3, e) AgGO4, f) AgGO5 Hình 2.8 (a) Phân bố kích thước hạt nano Ag trên GO và (b) Ảnh TEM 42 của mẫu vật liệu lai nano Ag/GO ( Mẫu Q3) Hình 2.9 Giản đồ nhiễu xạ tia X của Ag/GO thu được ở nhiệt độ thủy 43 nhiệt 120 ºC (a), 140 ºC (b), 160 ºC(c), 180 ºC(d), 200 ºC(e), GO (f), của nano Ag Hình 2.10 Các mẫu vật liệu lai nano Ag/GO tổng hợp ở các điều kiện 45 khác nhau Hình 2.11 Phổ UV-vis của các mẫu vật liệu lai nano Ag/GO tổng hợp ở 46 các nhiệt độ khác nhau Hình 2.12 Phổ FTIR các mẫu nano lai Ag/GO Q1(a), Q2(b), Q3(c), 47 Q4(d), Q5(e) và của GO(f) Hình 2.13 Phổ Raman của a) Q1, b) Q2, c) Q3, d) Q4, e) Q5, f)GO 49 Hình 3.1 Quy trình đưa chất nhạy khí nano lên điện cực QCM 56 Hình 3.2 Phương pháp đưa chất nhạy khí nano lên điện cực QCM 57 Hình 3.3 Các mẫu cảm biến QCM đã chế tạo được khảo sát tính nhạy 57 khí Hình 3.4 Sơ đồ hệ đo dùng QCM khảo sát tính nhạy khí 58 Hình 3.5 Ảnh chụp hệ đo dùng QCM khảo sát tính nhạy khí 58
Hình 3.6 Cấu trúc của khí thử NO2 61 Hình 3.7 Sự phụ thuộc độ dịch tần số của các cảm biến QCM1, QCM2, 61 QCM3 ở các nồng độ khí NO2 khác nhau theo thời gian Hình 3.8 Kết quả nhạy khí NO2 đo xung theo chu kỳ của các nồng độ 63 khác nhau ở nhiệt độ phòng A)QCM1, B)QCM2, C)QCM3 Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ đáp ứng theo nồng độ 65 khí NO2 của các cảm biến QCM1, QCM2, QCM3 Hình 3.10 Biểu đồ so sánh độ đáp ứng của các cảm biến QCM1, QCM2, 66 QCM3 đối khí thử NO2 tại nhiệt độ phòng ở nồng độ 7,5 ppm Hình 3.11 Thời gian đáp ứng, thời gian hồi phục của các cảm biến 67 theo nồng độ khí NO2 khác nhau theo thời gian A)QCM1, B)QCM2, C)QCM3 Hình 3.12 Cấu trúc của khí thử SO2 69 Hình 3.13 Sự phụ thuộc độ dịch tần số của các cảm biến QCM1, QCM2, 70 QCM3 theo nồng độ khí SO2 khác nhau theo thời gian Hình 3.14 Kết quả nhạy khí SO2 đo xung theo chu kỳ của các nồng độ 71 khác nhau ở nhiệt độ phòng A)QCM1, B)QCM2, C)QCM3 Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ đáp ứng theo nồng độ 72 khí SO2 của các cảm biến a)QCM1, b)QCM2, c)QCM3 Hình 3.16 Biểu đồ so sánh độ đáp ứng của các cảm biến QCM1, QCM2, 73 QCM3 đối khí thử SO2 tại nhiệt độ phòng ở nồng độ 7,5 ppm Hình 3.17 Thời gian đáp ứng, thời gian hồi phục của các cảm biến 75 QCM1, QCM2, QCM3 theo nồng độ khí SO2 khác nhau theo thời gian Hình 3.18 Cấu trúc của khí thử CO 76 Hình 3.19 Sự phụ thuộc độ dịch tần số của các cảm biến QCM1, QCM2, 76 QCM3 theo nồng độ khí CO khác nhau theo thời gian Hình 3.20 Kết quả nhạy khí CO của các cảm biến QCM đo xung theo 78 chu kỳ của các nồng độ khác nhau ở nhiệt độ phòng a)QCM1, b)QCM2, c)QCM3
Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ đáp ứng theo nồng độ 79 khí CO của các cảm biến QCM1, QCM2, QCM3 Hình 3.22 Biểu đồ so sánh độ đáp ứng của các cảm biến QCM1, QCM2, 80 QCM3 đối khí thử CO tại nhiệt độ phòng ở nồng độ 75 ppm Hình 3.23 Thời gian đáp ứng, thời gian hồi phục của các cảm biến 82 QCM1, QCM2, QCM3 theo nồng độ khí CO khác nhau theo thời gian Hình 3.24 Đồ thị biểu diễn độ chọn lọc của các cảm biến QCM1, QCM2, 84 QCM3 đối với các khí thử SO2, NO2, CO tại nhiệt độ phòng Hình 3.25 Kết quả khớp đường nền dùng cảm biến QCM3 đo khí thử 85 SO2, NO2 và khí CO với hàm đa thức bậc 5 Hình 3.26 Kết quả khảo sát độ bền của cảm biến QCM2 theo thời gian 87 Hình 3.27 Mô hình giải thích cơ chế nhạy khí của Ag/GO 88 Hình 3.28 Mô hình cấu trúc vật liệu nano lai Ag/GO 89 Hình 4.1 Cấu trúc hóa học của MB 92 Hình 4.2 Cấu trúc hóa học của Tricyclazole 93 Hình 4.3 Phổ Raman tăng cường tán xạ Raman bề mặt của vật liệu 95 nano lai Ag/GO phát hiện thuốc nhuộm MB Hình 4.4 Phổ tán xạ Raman bề mặt của thuốc trừ sâu tricyclazole 100 Hình 4.5 Phổ tăng cường tán xạ Raman bề mặt của vật liệu nano lai 102 Ag/GO phát hiện thuốc trừ sâu tricyclazole Hình 4.6 Đồ thị tuyến tính cường độ phổ tán xạ Raman tăng cường bề 103 mặt của vật liệu nano lai Ag/GO phát hiện thuốc trừ sâu tricyclazole Hình 4.7 Cơ chế tăng cường tán xạ Raman bề mặt của vật liệu nano lai 105 Ag/GO phát hiện thuốc trừ sâu tricyclazole, thuốc nhuộm màu xanh methylen
DANH MỤC BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1 Vị trí của đỉnh đặc trưng D trong phổ Raman của các 50 mẫu Ag/GO Bảng 2.2 Vị trí của đỉnh đặc trưng G trong phổ Raman của các 50 mẫu Ag/GO Bảng 2.3 Cường độ các đỉnh D, G và tỷ lệ ID/IG của GO các mẫu 51 Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 Bảng 3.1 Khối lượng của Ag, GO trong các cảm biến QCM1, 56 QCM2, QCM3 Bảng 3.2 Dải nồng độ đo các khí thử SO2, NO2 60 Bảng 3.3 Dải nồng độ đo các khí thử CO 60 Bảng 3.4 Dải nồng độ đo các khí thử NH3 60 Bảng 3.5 Thời gian đáp ứng theo nồng độ khí NO2 của các cảm biến 68 QCM1, QCM2, QCM3 Bảng 3.6 Thời gian hồi phục theo nồng độ khí NO2 của các cảm biến 68 QCM1, QCM2, QCM3 Bảng 3.7 Thời gian đáp ứng theo nồng độ khí SO2 của các cảm biến 75 QCM1, QCM2, QCM3 Bảng 3.8 Thời gian hồi phục theo nồng độ khí SO2 của các cảm biến 75 QCM1, QCM2, QCM3 Bảng 3.9 Thời gian đáp ứng theo nồng độ khí CO của các cảm biến 82 QCM1, QCM2, QCM3 Bảng 3.10 Thời gian hồi phục theo nồng độ khí CO của các cảm biến 83 QCM1, QCM2, QCM3 Bảng 3.11 Độ lệch tần số trên 1 ppm nồng độ các khí thử của các cảm 83 biến QCM1, QCM2, QCM3 Bảng 3.12 Giới hạn phát hiện, thời gian đáp ứng của một số cảm biến 86 SO2 sử dụng vật liệu khác nhau tại nhiệt độ phòng Bảng 4.1 Giá trị ISERS (cnt) đỉnh 1620cm-1của MB trên đế SERS 97 Bảng 4.2 So sánh hiệu suất SERS của Ag/GO với các phương pháp khác 99
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, vật liệu nano đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới, do vật liệu nano có nhiều tính chất đặc biệt [1]. Vật liệu nano có tiềm năng ứng dụng trong cảm biến, môi trường, xúc tác và y sinh [2-3]. Trong các vật liệu nano thì các hạt nano kim loại quý, đặc biệt là các hạt nano bạc (Ag) thu hút được sự quan tâm lớn, vì chúng có tính chất vật lý, hóa học, y sinh độc đáo [4]. Các hạt nano Ag có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao, ổn định hóa học, có tính kháng khuẩn và diệt nấm phổ rộng [5]. Hơn nữa các hạt nano Ag có hiệu ứng plasmon bề mặt, có khả tăng cường tán xạ Raman bề mặt, tính chất này chính là nguyên tắc làm việc của cảm biến SERS (Surface Enhanced Raman Scattering Sensor) [6-9]. Vật liệu graphen ôxit (GO) có cấu trúc tương tự như tấm graphene [10]. Khác với graphen ở chỗ, vật liệu GO được gắn rất nhiều các nhóm chức chứa oxy như nhóm epoxy, hydroxyl, carbonyl và carboxyl trên bề mặt của mặt phẳng và các cạnh của các nguyên tử các bon [11]. Các nhóm chức trên GO đóng vai trò quan trọng trong tính chất điện, tính chất quang và khả năng hấp phụ các phân tử khí, do đó vật liệu GO có tính chọn lọc và nhạy cảm với các chất phân tích [12-13]. Đã có nhiều công bố sử dụng vật liệu GO trong việc chế tạo các cảm biến khí phát hiện SO2 [14], NH3 [15-17], NO2 [18] và khí H2 [19]. Các hạt nano Ag có nhược điểm là dễ bị kết tụ lại tạo thành các hạt có kích thước lớn hơn, dẫn tới giảm diện tích bề mặt riêng và các đặc tính lý hóa khác, đặc biệt trong ứng dụng kháng khuẩn. Để khắc phục nhược điểm này, nhiều nhóm nghiên cứu tiến hành tổng hợp vật liệu nano lai giữa các hạt nano Ag và GO (Ag/GO). Theo một số công bố, tính chất kháng khuẩn và tính chất xúc tác của các hạt nano Ag, đã được tăng cường khi được kết hợp với GO [5]. Vật liệu nano lai cho thấy có nhiều tính chất ưu việt hơn so với từng vật liệu riêng lẻ. Tính chọn lọc và độ nhạy của cảm biến khí dựa trên GO cũng được cải thiện khi lai với các vật liệu khác. Việc bổ sung các hạt nano kim loại đã làm cho GO tăng cường tính chọn lọc và độ nhạy [20-24]. 1
Vật liệu nano lai Ag/GO đã được biết đến với đặc tính là tăng cường tính kháng khuẩn và tăng cường tán xạ Raman bề mặt. Năm 2013, Das cùng các cộng sự tổng hợp được vật liệu nano lai Ag/GO, ứng dụng trong diệt khuẩn [25]. Năm 2019, Ebrahim Mahmoudi cùng các cộng sự, đã gắn thành công hạt nano Ag lên các tấm GO. Vật liệu nano lai Ag/GO cho thấy có tính diệt khuẩn mạnh nổi trội so với hạt nano Ag và GO riêng lẻ [26]. Trong cảm biến SERS, năm 2011 Gang Lu và các cộng sự đã chứng tỏ vật liệu nano lai Ag/GO có khả năng phát hiện DNA và protein với độ nhạy rất cao, nhờ hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman bề mặt (SERS) [24]. Năm 2014, Xueying Li và nhóm của mình đã khẳng định tổ hợp hạt nano Ag và graphene có khả năng tăng cường hiệu ứng SERS [27]. Năm 2015, Kaihang Chen và các cộng sự đã chế tạo thành công vật liệu nano lai, tổ hợp giữa hạt nano Ag và chistosan, vật liệu này có hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman cao hơn hạt nano Ag riêng lẻ. Họ đã sử dụng tính chất này để phát hiện thuốc trừ sâu Tricyclazole trong nước với nồng độ thấp 50 ppb [28]. Ngoài ra còn có nhiều nghiên cứu của các nhóm, Soumen Dutta đã chế tạo thành công vật liệu nano lai Ag/GO, ứng dụng để phát hiện ion urani bằng SERS [29]. S.Lin và các cộng sự cũng tổng hợp vật liệu hạt nano Ag kết hợp với GO bằng phương pháp thủy nhiệt với tiền chất Ag2CO3, ứng dụng cho cảm biến SERS [30]. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về vật liệu lai giữa hạt nano Ag với GO đã được nhiều nhóm quan tâm nghiên cứu. Năm 2014, TS.Trần Quang Trung cùng đồng nghiệp đã tổng hợp thành công vật liệu nano lai Ag/GO, vật liệu sử dụng trong cảm biến nhạy khí NH3 cho độ nhạy và độ chọn lọc cao [31]. Năm 2014, GS.TS Lê Anh Tuấn trường đại học Phenikaa cùng các cộng sự đã nghiên cứu về vật liệu nano lai giữa hạt nano Ag với GO, các vật liệu này đã được thử nghiệm kháng khuẩn [32]. Vật liệu nano lai Ag/GO của nhóm cho thấy khả năng kháng khuẩn cao hơn hạt nano bạc đơn lẻ [33]. Vật liệu nano lai Ag/GO chế tạo cũng được ứng dụng trong cảm biến SERS phát hiện Xanh methylene (MB) trong nước [34]. Theo sự hiểu biết của chúng tôi, thì việc sử dụng vật liệu nano lai Ag/GO nhằm nâng cao tính chọn lọc và độ nhạy của các cảm biến QCM (quartz crystal microbalance), cảm biến quang SERS, để phát hiện chất khí độc hại, hơi hữu cơ, 2
hóa chất độc hại còn ít được báo cáo và các cơ chế hấp phụ chưa được làm sáng tỏ. Trên cơ sở tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới, kế thừa kết quả của nhóm nghiên cứu, tập thể hướng dẫn. Nghiên cứu sinh chọn đề tài nghiên cứu luận án tiến sĩ là: “Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các tính chất của vật liệu nano lai giữa hạt nano bạc và oxit graphene nhằm ứng dụng trong cảm biến môi trường”. Luận án tập trung tổng hợp vật liệu nano lai Ag/GO và khảo sát sự nhạy khí của nó với các khí độc hại trong không khí, thông qua việc sử dụng vật liệu này làm vật liệu nhạy khí trong cảm biến QCM. Thử nghiệm vật liệu nano lai Ag/GO trong cảm biến SERS để phát hiện thuốc trừ sâu Tricyclazole trong nước. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Tổng hợp được vật liệu nano lai Ag/GO. - Xác định tính nhạy khí của vật liệu nano lai Ag/GO. - Thử nghiệm sử dụng vật liệu nano lai Ag/GO phát hiện thuốc trừ sâu Tricyclazole trong nước. 3. Nội dung nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hạt nano Ag và nano lai Ag/GO. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thủy nhiệt đến hình thái, cấu trúc và các tính chất của vật liệu nano lai Ag/GO. - Nghiên cứu, khảo sát tính chất nhạy khí của GO, hạt nano Ag chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng trong cảm biến khối lượng QCM. - Nghiên cứu, khảo sát tính chất nhạy khí của vật liệu nano lai Ag/GO sử dụng trong cảm biến khối lượng QCM. - Khảo sát hiện tượng tăng cường tán xạ Raman bề mặt của vật liệu nano lai Ag/GO theo nhiệt độ thủy nhiệt sử dụng xanh methylen (MB). - Ứng dụng vật liệu nano lai Ag/GO chế tạo thử nghiệm cảm biến quang SERS phát hiện thuốc trừ sâu tricyclazole trong nước. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được chúng tôi sử dụng là phương pháp thực nghiệm. Luận án sử dụng các phép phân tích như phổ UV-Vis, phổ tán xạ Raman, giản đồ nhiễu xạ tia X, Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR). Các phép phân tích vi hình thái sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Các phép đo nhạy 3
khí sử dụng cảm biến vi cân tinh thể thạch anh (QCM) dựa trên hiệu ứng áp điện. Các thiết bị và dụng cụ thí nghiệm sử dụng trong các Viện Tiên Tiến Khoa học và Công nghệ (AIST), Viện Đào Tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), Viện Vệ Sinh Dịch Tễ Trung Ương, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Vật liệu được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt tại phòng thí nghiệm hóa học của viện AIST. 5. Ý nghĩa khoa học và tính mới của luận án - Ý nghĩa khoa học của luận án: Làm chủ được công nghệ tổng hợp hạt nano Ag và nano lai Ag/GO bằng phương pháp thủy nhiệt và kỹ thuật phun phủ các vật liệu nano để chế tạo cảm biến QCM và cảm biến SERS. Nắm vững các quy trình thực nghiệm khảo sát tính nhạy khí của cảm biến QCM điện cực phủ các vật liệu khác nhau và quy trình thực nghiệm khảo sát tán xạ Raman tăng cường bề mặt của nano lai Ag/GO. - Tính mới của luận án: Điều khiển được kích thước, hình dạng hạt nano Ag theo nhiệt độ thủy nhiệt. Phát hiện được sự tăng cường tán xạ Raman của Tryciclazole trên bề mặt vật liệu nano lai Ag/GO, sự nhạy khí của các vật liệu nano lai Ag/GO và GO, tính chọn lọc của vật liệu nano lai Ag/GO với khí độc SO2. Đã đề xuất mô hình bước đầu giải thích được sự hấp phụ khí của các vật liệu của GO, Ag/GO đồng thời giải thích được tính chọn lọc khí SO2 của Ag/GO. 6. Cấu trúc của luận án Với thời gian 4 năm (Từ 6/2016 – 6/2020), tập trung nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các kết quả nghiên cứu của đề tài luận án, được trình bày thành 4 chương với các nội dung và bố cục như sau: Phần mở đầu: Giới thiệu lý do chọn đề tài Chương 1: Trình bày tổng quan lý thuyết về cấu trúc, tính chất, các ứng dụng, các phương pháp chế tạo hạt nano Ag, GO và vật liệu nano lai giữa hạt nano Ag với GO. Cảm biến SERS và QCM. Chương 2: Khảo sát các tính chất, hình thái, cấu trúc của vật liệu nano lai giữa hạt nano Ag và GO, tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt. Chương 3: Khảo sát tính nhạy khí của vật liệu nano lai giữa hạt nano Ag với GO được phủ trên điện cực QCM. 4
Chương 4: Nghiên cứu thử nghiệm chế tạo cảm biến quang SERS trên cơ sở vật liệu nano lai giữa hạt nano Ag với GO, phát hiện hợp chất xanh methylen, thuốc trừ sâu Tricyclazole trong nước. Phần kết luận và kiến nghị: Tổng hợp các kết quả đã đạt được trong quá trình nghiên cứu và đưa ra các kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo. 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU NANO LAI Ag/GO, CẢM BIẾN KHÍ QCM VÀ CẢM BIẾN SERS 1.1. Giới thiệu Trong những năm gần đây, vật liệu nano các bon (bao gồm ống nano các bon, tấm graphen, graphen oxit, fullerence) đã và đang được nghiên cứu sâu rộng. Vật liệu nano các bon nhận được sự quan tâm lớn bởi các tính chất ưu việt như diện tích bề mặt riêng lớn, độ dẫn điện tử và bền hóa học cao. Các vật liệu này có khả năng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như pin mặt trời, tế bào nhiên liệu, cảm biến sinh học, dẫn thuốc, xúc tác và lưu trữ hydro [35]. Hình 1.1. Các loại vật liệu nano các bon điển hình [35] Hiện nay, các vật liệu lai giữa nano các bon với các hạt nano kim loại đang được quan tâm nhiều do bởi các tính chất ưu việt của chúng được kế thừa những ưu điểm của vật liệu nano các bon và các hạt nano kim loại như: hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước, tính chất quang, tính chất từ và khả năng xúc tác đặc biệt của chúng. Việc kết hợp các tính chất của từng loại vật liệu thành phần có thể tạo ra những tính chất mới độc đáo hơn. Trong chương này, chúng tôi trình bày tổng quan về các phương pháp chế tạo vật liệu nano lai giữa hạt nano kim loại và vật liệu nano các bon, cụ thể là GO. Các tính chất, ứng dụng của chúng trong cảm biến QCM, SERS, để phát hiện một số khí và hoá chất độc hại. 6
1.2. Tổng quan về GO 1.2.1. Cấu trúc của GO Nhà hóa học Brodie phát hiện ra GO [36], có cấu tạo từ các nguyên tử các bon và các nguyên tố khác. Các nguyên tử này sắp xếp có trật tự tạo thành mạng phẳng trong không gian, mạng gồm nhiều ô mạng mà ở các nút mạng là các nguyên tử các bon. GO giống như Graphene là mạng 2 chiều của các nguyên tử các bon, có diện tích bề mặt lớn. Mặc dù GO đã được phát hiện vào thế kỷ 19, cấu trúc và thành phần hóa học của nó vẫn còn đang được tranh luận. Thành phần hóa học của GO đã được đề xuất, trong đó cho thấy GO ngoài các nguyên tử các bon còn gồm các nguyên tố như oxy và hydro. Các liên kết trong GO đáng chú ý là các liên kết sp2 và sp3. Các liên kết sp2 là do các nguyên tử các bon liên kết với nguyên tử các bon khác trong mạng (không được kết nối với các nhóm hydroxy hoặc epoxy). Hoặc khi chúng được liên kết với oxy ở dạng của các nhóm carbonyl hoặc nhóm carboxyl. Các liên kết sp3 xuất hiện do liên kết của một nguyên tử các bon với các nhóm epoxy hoặc nhóm hydroxyl. Hình 1.2. Một số cấu trúc hóa học của GO đã được công bố [37] Tính chất hóa học phức tạp của GO cho thấy cấu trúc của GO vẫn chưa rõ ràng. Các đề xuất cấu trúc công bố trên Hình 1.2 cho thấy GO có cấu trúc mạng 2 chiều 7