Chế tạo vật liệu thanh nano zno pha tạp định hướng ứng dụng trong bộ lọc cho khí h2s

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

TRẦN NHẬT LINH

CHẾ TẠO VẬT LIỆU THANH NANO ZnO
PHA TẠP ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG

BỘ LỌC CHO KHÍ H2S

Ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 8440104

Người hướng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN MINH VƯƠNG

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Minh Vương. Các số liệu và kết quả nghiên
cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được cơng bố trong bất kì
một cơng trình nào khác.

Bình Định, ngày 10 tháng 10 năm 2023
Tác giả luận văn

Trần Nhật Linh

LỜI CẢM ƠN

Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Minh Vương đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và động viên tơi hồn thành tốt luận văn này.

Trong q trình thực hiện luận văn tơi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm
và tạo điều kiện của Quý Thầy, Cô khoa Khoa học Tự nhiên - Trường Đại học
Quy Nhơn. Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành tới quý Thầy, Cô.

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và tập thể lớp Cao học Vật lý
chất rắn K24B đã ln động viên, khích lệ tinh thần trong suốt quá trình học
tập và nghiên cứu khoa học.

Mặc dù đã rất cố gắng trong thời gian thực hiện luận văn nhưng vì cịn hạn
chế về kiến thức cũng như thời gian, kinh nghiệm nghiên cứu nên khơng tránh khỏi
những thiếu sót. Rất mong nhận được sự thông cảm và những ý kiến đóng góp q
báu từ q Thầy, Cơ để luận văn được hoàn thiện hơn.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Bình Định, Ngày 10 tháng 10 năm 2023
Học viên

Trần Nhật Linh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 2
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 3
MỤC LỤC ......................................................................................................... 4
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.................................................. 7
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ 8
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................. 9
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1

1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................... 1
2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................ 4
3. Đối tượng và phạm vị nghiên cứu............................................................. 4
4. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 4
5. Nội dung chính của luận văn..................................................................... 4
6. Bố cục của luận văn ................................................................................... 5
NỘI DUNG ....................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................. 6
1.1 Vật liệu nano: .......................................................................................... 6

1.1.1. Một vài nét về vật liệu nano: ............................................................ 6
1.1.2. Phân loại vật liệu nano:..................................................................... 8
1.1.3. Ứng dụng vật liệu nano..................................................................... 9
1.2. Vật liệu nano ZnO:................................................................................ 12
1.2.1. Cấu trúc tinh thể ZnO: .................................................................... 12
1.2.2. Cấu trúc vùng năng lượng:.............................................................. 14
1.3. Vật liệu nano ZnO khi pha tạp Fe (ZnFe2O4) ....................................... 16
1.4. Vật liệu ZnO ứng dụng trong xử lý H2S. ................................................. 18
1.4.1. Tổng quan về các đề tài nghiên cứu biogas xử lí H2S: ....................... 19
1.4.2. Tổng quan vật liệu ZnO ứng dụng xử lý H2S trong biogas. ........... 20
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ...................................................................... 22
2.1. Chế tạo vật liệu thanh ZnO ................................................................... 23

2.1.1. Hóa chất .......................................................................................... 23
2.1.2. Thiết bị thí nghiệm.......................................................................... 23
2.1.3. Quy trình chế tạo............................................................................. 25
2.1.4. Đo các đặc trưng của vật liệu thanh nano ZnO ............................. 26
2.2. Chế tạo thanh nano ZnFe2O4 bằng phương pháp thủy nhiệt. ............... 26
2.2.1. Hóa chất .......................................................................................... 26
2.2.2. Thiết bị thí nghiệm.......................................................................... 27

2.2.3. Quy trình chế tạo............................................................................. 27
2.2.4. Đo các đặc trưng của vật liệu thanh nano ZnFe2O4....................... 29
2.3. Hệ nghiên cứu q trình hấp phụ khí H2S của vật liệu......................... 29
2.3.1. Hóa chất .......................................................................................... 29
2. 3.2. Thiết bị thực hiện ........................................................................... 29
2.3.3. Quy trình kiểm tra độ hấp phụ ........................................................ 30
2.4. Các phương pháp đo. ............................................................................ 31
2.4.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ....................................... 31
2.4.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD)......................................... 31
2.4.3. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại- khả kiến. (UV- Vis) .............. 32
2.4.4. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X. ................................... 34
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................. 35
3.1. Tính chất hình thái, cấu trúc, thành phần hố học và tính chất quang của
vật liệu thanh ZnO tinh khiết ....................................................................... 35
3.1.1. Tính chất hình thái học của thanh ZnO tinh khiết .......................... 35
3.1.2. Tính chất cấu trúc của vật liệu ZnO tinh khiết ............................... 36
3.1.3. Kết quả nguyên cứu bằng phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X
(EDS) ........................................................................................................ 37
3.1.4. Phổ hấp phụ của vật liệu ZnO ở các nhiệt độ thuỷ nhiệt khác nhau......38
3.2. Tính chất hình thái, cấu trúc, thành phần hố học và tính chất quang của
vật liệu thanh ZnO:Fe .................................................................................. 39
3.2.1 Tính chất hình thái học của vật liệu ZnO:Fe ................................... 39
3.2.2. Tính chất cấu trúc của vật liệu ZnO:Fe .......................................... 42

3.2.3. Kết quả nguyên cứu bằng phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X
(EDS) ........................................................................................................ 43
3.2.4. Phổ hấp thụ quang học của vật liệu ZnO:Fe................................... 44
3.3. Tính chất hấp phụ khí H2S của vật liệu ZnO và ZnO:Fe...................... 45
3.3.1. Kết quả chụp ảnh quang học........................................................... 45
3.3.2. Kết quả đo phổ nhiễu xạ tia X ........................................................ 48

3.3.3. Kết quả đo phổ hấp thụ UV-Vis ..................................................... 50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 55
QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI (BẢN SAO)

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Tên viết tắt Tên đầy đủ

EDX Energy dispersive X-ray Spectroscopy

SEM Scanning Electron Microscopy

TEM Transmission Electron Microscope

UV-Vis Ultraviolet-Visible

XRD X-Ray Diffraction

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.2: Bảng độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu ...........................7
Bảng 1.1: Số nguyên tử và năng lượng hạt nano hình cầu ........................................7
Bảng 2.1: Hóa chất được sử dụng trong phong thí nghiệm ......................................23
Bảng 2.2: Hóa chất được sử dụng trong phịng thí nghiệm: .....................................26
Bảng 2.3: Nồng độ mol của các tiền chất khi thay đổi nồng độ pha tạp...................27
Bảng 2.4: Hóa chất được sử dụng trong phịng thí nghiệm ......................................29
Bảng 3.1. Sự thay đổi bờ dải năng lượng hấp thụ xác định từ Hình 3.15.................53

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể ZnO: a) Rocksalt, b) Blend ..........................................12
Hình 1.2: Cấu trúc kiểu wurzite lục giác xếp chặt ...................................................13
Hình 1.3. Vùng Brillouin mạng tinh thể ZnO. ..........................................................14
Hình 1.4. Cấu trúc vùng năng lượng của mạng tinh thể lục giác wurtzite ...............15
Hình 1.5. Cơ chế quang xúc tác của vật liệu ZnO-ZnFe2O4 ...................................17
Hình 2.1: Quy trình chế tạo vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt .........................23
Hình 2.2: Hình ảnh một số thiết bị sử dụng trong quá trình chế tạo vật liệu nano

ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt...........................................................24
Hình 2.3: Sơ đồ chế tạo vật liệu thanh nano ZnO bằng phương pháp thuỷ nhiệt .....25
Hình 2.4: Sơ đồ chế tạo vật liệu thanh nano ZnFe2O4 bằng phương pháp thuỷ nhiệt. ..... 28
Hình 2.5: Sơ đồ thí nghiệm nghiên cứu khả năng hấp phụ khí H2S của vật liệu......30
Hình 3.1. Ảnh SEM của vật liệu thanh ZnO thuỷ nhiệt ở nhiệt độ 90 oC (a), 120 oC

(b) 150 oC (c) và 180 oC (d) với độ phóng đại 5k (hình chèn bên trong là
ảnh SEM ở độ phóng đại cao hơn). ..........................................................35
Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu thanh ZnO thủy nhiệt ở những nhiệt
độ 90 C và 150 C...................................................................................37
Hình 3.3: Phổ tán xạ năng lượng EDS của thanh ZnO thuỷ nhiệt tại 150 C...........38
Hình 3.4: Phổ hấp phụ UV-Vis của các thanh ZnO tại các nhiệt độ thuỷ nhiệt khác
nhau ........................................................................................................... 39
Hình 3.5. Ảnh SEM của vật liệu ZnO thuỷ nhiệt ở nhiệt độ 150 oC với hàm lượng
Fe khác nhau: 5% (a và b), 10% (c và d) và 15% (e và f) với các độ
phóng 5k (trái) và 40k (phải) ...............................................................40
Hình 3.6. Ảnh SEM của vật liệu ZnO thuỷ nhiệt ở nhiệt độ 150 oC với hàm lượng
Fe khác nhau: 20% (a và b), 25% (c và d) và 30% (e và f) với các độ
phóng 5k (trái) và 40k (phải) ...............................................................41
Hình 3.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của vật liệu ZnO:Fe thủy nhiệt ở 150 oC
với hàm lượng Fe khác nhau ....................................................................42

Hình 3.8. Phổ EDS của cấu trúc thanh nano ZnO pha tạp Fe với hàm lượng 5%,
10%, 15%, 20%, 25% và 30%..................................................................43

Hình 3.9. Sự phụ thuộc của tỉ lệ % về khối lượng của nguyên tố Fe có trong mẫu
ZnO:Fe thu được từ kết quả đo EDS theo phần trăm tỉ lệ số mol
n(FeSO4)/n(ZnSO4) trong quá trình chế tạo mẫu .....................................44

Hình 3.10: Phổ hấp thụ quang học của vật liệu ZnO với các nồng độ pha tạp Fe khác
nhau ...................................................................................................................45

Hình 3.11: Ảnh quang học vật liệu ZnO tinh khiết (a) trước và (b) sau khi cho khí
H2S đi qua. ................................................................................................46

Hình 3.12: Ảnh quang học vật liệu ZnO:Fe-30% (a) trước và (b) sau khi cho khí
H2S đi qua. Các ống , ,  trong hình (c) tương ứng với vật liệu được
tách riêng từng phần tại các vị trí , ,  trong hình (b) ......................47

Hình 3.13: Ảnh quang học vật liệu ZnO:Fe-10% (a) trước và (b) sau khi cho khí H2S đi
qua. Các ống , ,  trong (b) tương ứng với vật liệu được tách riêng từng
phần tại các vị trí khác nhau trong cột hấp phụ (như hình 3.13) ...................... 48

Hình 3.14. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu thanh ZnO, ZnO:Fe-10% và ZnO:Fe-
30% trước và sau khi hấp phụ khí H2S.....................................................49

Hình 3.15: Phổ hấp phụ (trái) và sự phụ thuộc của (F(R)*h)2 vào năng lượng
photon (h) (phải) của các mẫu ZnO, ZnO:Fe-10% và ZnO:Fe-30% trước
và sau khi hấp phụ khí H2S.......................................................................52

1

MỞ ĐẦU

1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng phục vụ cho công nghiệp và cho đời
sống ngày càng lớn mà các nguồn tài nguyên ngày càng cạn kiệt. Vì vậy, việc nghiên
cứu và phát triển các nguồn năng lượng mới là đề tài được quan tâm ở Việt Nam và
cả thế giới.

Trong đó, nguồn năng lượng được quan tâm đến đó là Biogas nhiên liệu, nó
có ưu điểm thân thiện với mơi trường. Biogas được hình thành từ q trình phân hủy
kỵ khí hay lên men các chất hữu cơ trong điều kiện khơng có khơng khí có khả năng
tạo ra nguồn năng lượng khá lớn và giải quyết vấn đề cấp thiết về môi trường ngày
càng ô nhiễm.

Hiện nay, các trang trại chăn ni heo bị ngày càng nhiều nên lượng biogas
thu được từ các hầm biogass khá lớn nhưng khơng sử dụng trực tiếp vơ q trình làm
nhiên liệu cho công nghiệp cũng như đời sống hằng ngày. Phân huỷ kỵ khí chất thải
nơng nghiệp đã được thực hiện nhiều năm và cung cấp một giải pháp xử lý chất thải,
cải thiện phục hồi dinh dưỡng, và là thế hệ năng lượng tiềm năng. Người nông dân
muốn kết hợp phân huỷ kỵ khí với năng lượng trong để đáp ứng đủ nhu cầu về năng
lượng cho trang trại.[1]

Biogas bao gồm chủ yếu là metan (CH4) và carbon dioxide (CO2), với lượng
nhỏ hơi nước, khí H2S, siloxanes và các tạp chất khác. Hiện nay ở các nông trại việc
tận dụng khí sinh học từ các hầm Biogas là rất cần thiết phục vụ cho đời sống nơng
thơn.Trong khí Biogas, việc xử lý Hydro sulfua là vấn đề được quan tâm nhiều nhất
vì nó là chất gây ơ nhiễm độc hại và ăn mịn thiết bị nhất. Ngồi ra, khi đốt H2S dẫn
đến lượng phát thải dioxit lưu huỳnh có tác hại đến mơi trường sống. Do đó, loại bỏ
H2S được khuyến khích ngay khi có thể để bảo vệ các thiết bị, tăng cường an toàn

trước khi đưa vào sử dụng.[1]

Thế giới công nghiệp ngày càng phát triển, việc khai thác các nguồn tài ngun
dần cạn kiệt và tình trạng ơ nhiễm mơi trường trở nên trầm trọng. Để tạo ra được
những sản phẩm phục vụ cho sản xuất và tiêu dùng của con người thì các ngành cơng

2

nghiệp cũng tạo ra lượng chất thải rất lợn gây nguy hiểm đến môi trường. [1]

Trong những năm trở lại đây, với sự biến động theo chiều hướng tăng dần giá
dầu mỏ, khí đốt đã gây ra rất nhiều khó khăn cho các nhà sản xuất có sử dụng năng
lượng.

Hiện nay, nguồn dầu mỏ của Việt Nam ngày càng cạn kiệt, theo đánh giá của
các chuyên gia, nếu như tốc độ khai thác như hiện nay thì trong vòng khoảng 40 năm
nữa, Việt Nam chúng ta phải nhập dầu thơ và khí đốt. Kèm theo đó, trữ lượng khí
hiện nay được khai thác vẫn khơng đủ cung cấp cho nhu cầu trong nước và cũng sẽ
cạn dần trong tương lai.[1]

Vì vậy, việc tận dụng nguồn biogas từ các trang trại chăn ni sẽ giúp tiết kiệm
được nhiều chi phí mang lại tính kinh tế cao và giảm được ơ nhiễm mơi trường.

Năm 2009, Dự án JICA-JST được thực hiện trong khuôn khổ hợp tác của Bộ
Khoa Học & Công Nghệ Nhật Bản và trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí
Minh, dự án sẽ kéo dài từ 2009 đến 2016 nhằm nghiên cứu mơ hình ứng dụng nhiên
liệu sinh học với mục tiêu xây dựng, phát triển nơng nghiệp bền vững, trong đó nghiên
cứu biogas là một nội dung nghiên cứu của dự án này. [1]

Vật liệu nano hiện nay khơng cịn là một khái niệm xa lạ với mọi người, bởi vì

sự có mặt của chúng trong cuộc sống hằng ngày từ y tế, môi trường, máy tính cho các
ngành cơng nghiệp qn sự. Tất cả mọi thứ xung quanh chúng ta đều có vật liệu nano.
Nó cũng là vật liệu quan trọng trong đời sống, vì thế để loại bỏ nhưng khí độc hại
giới thiệu trên đây cũng là một vật liệu tiềm năng.

Vật liệu nano ZnO là một trong số ít các kim loại/ oxit kim loại được FDA xếp
vào danh sách oxit kim loại an toàn với sức khỏe con người vì nó có khả năng phân
hủy sinh học và độc tính thấp. Ngồi ra, Zn2+ là nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ
thể. Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu trong và ngồi nước đã chứng minh được khả
năng kháng khuẩn tuyệt vời của nano ZnO. Nano ZnO đã được nghiên cứu hướng
đến ứng dụng làm nhiều việc khác nhau như dùng để kháng khuẩn, loại bỏ tạp chất,
sử dụng làm kem chống nắng, trên kính, trên gạch, bao bì đóng gói thực thẩm, cơng
nghệ sơn, mực in v.v.

3

Hiện nay, tổng hợp vật liệu bằng phương pháp xanh được ứng dụng rỗng rãi
trong nhiều lĩnh vực, đặt biệt nó đang được ứng dụng rộng rãi trong cơng nghiệp về
độ an tồn và hiệu quả của vật liệu nano ZnO. [2]

H2S là một loại khí độc khơng màu, mùi trứng thối, nặng hơn khơng khí, và là
nguồn gây ơ nhiễm khơng khí ở các hồ ao, sơng ngịi. Các nguồn chính của khí H2S
là từ sự phân rã của các vật liệu hữu cơ, khí tự nhiên, khí núi lửa, dầu mỏ, nước thải
và các mỏ lưu huỳnh [3,4]. Tiếp xúc với khí H2S có thể gây tác hại đến sức khỏe con
người như đau đầu, hôn mê, co giật và thậm chí tử vong [5,6]. Do đó, nghiên cứu
phát triển các loại cảm biến để phát hiện sự tồn tại của khí H2S nhằm giúp con người
phịng, tránh được những tác hại của nó là thực sự cần thiết, và hiện nay đang thu hút
sự quan tâm mạnh mẽ của các nhà nghiên cứu [7]. Đồng thời chúng cũng đều có
những bất lợi khó xử lí và giải quyết triệt để được, nhược điểm và những vấn đề cần
được tiếp tục giải quyết. Chính vì vậy, công nghệ xử lý H2S đã, đang và vẫn luôn

luôn được các nhà nghiên cứu cũng như nhiều công ty, tập đoan công nghiệp trên thế
giới quan tâm chú ý.

Hiện nay trên thế giới một xu hướng nghiên cứu đang được quan tâm là phát
triển các vật liệu xúc tác trên cơ sở các muối hoặc oxit kim loại như Fe, Co, Zn trên
các loại chất mang khác nhau (các oxit, cacbon, bentonite). Trong số đó, người ta chú
ý nhiều đến các vật liệu trên nền Zn và các hợp chất của kẽm hoặc tổ hợp composite
của chúng với các thành phần khác bởi những ưu điểm của nó như: năng lượng bề
mặt và diện tích bề mặt lớn. Ta đã biết vật liệu màng mỏng oxit kim loại bán dẫn
truyền thống có nhiều ưu điểm như độ bền và độ ổn định cao, dễ dàng chế tạo vơi số
lượng lớn thông qua việc kết hợp với cơng nghệ vi điện tử [8]. Ngồi ra, bằng cách
biến tính, pha tạp các loại vật liệu có kích cỡ micro - nano trên bề mặt có thể tăng độ
đáp ứng, độ chọn lọc cũng như giảm nhiệt độ làm việc của cảm biến [8].

Vật liệu thanh nano ZnO là vật liệu có độ rộng vùng cấm cao, khả năng hấp phụ
tốt. Để tăng khả năng hấp phụ cũng như tăng độ đáp ứng của vật liệu thanh nano ZnO
chúng ta có thể pha tạp các kim loại khác ví dụ như Fe, Ag, Mg, Cu, ... với những ưu
điểm vượt trội đó chúng tơi đề xuất luận án có tên là: “Chế tạo vật liệu thanh nano
ZnO pha tạp định hướng ứng dụng trong bộ lọc cho khí H2S”.

4

2. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

 Chế tạo vật liệu thanh nano ZnO với số lượng lớn, quy trình ổn định. Khả
năng hấp phụ H2S của vật liệu thanh nano ZnO.

 Chế tạo vật liệu ZnO pha tạp Fe (ZnFe2O4) với số lượng lớn, quy trình ổn
định. Khả năng hấp phụ H2S của vật liệu thanh nano ZnO:Fe.

 Nghiên cứu quy trình thí nghiệm sử dụng vật liệu nano ZnO, ZnO:Fe đáp
ứng khí H2S từ đó đưa ra khả năng hấp phụ S xảy ra đối với vật liệu.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VỊ NGHIÊN CỨU

 Vật liệu thanh nano ZnO được chế tạo trong điều kiện cơng nghệ của phịng thí
nghiệm.

 Vật liệu thanh nano ZnO pha tạp Fe ứng dụng trong xử lí khí H2S
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

 Khảo sát đặc trưng cấu trúc của vật liệu dựa vào việc phân tích ảnh SEM.
 Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết.
 Phương pháp thực nghiệm khoa học:

+ Chế tạo thanh nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt;
+ Nhiễu xạ tia X (XRD) để phân tích cấu trúc tinh thể; Chụp ảnh hiển vi điện
tử qt (SEM) để khảo sát hình thái, kích thước của thanh nano trên đế điện cực; Phổ
phản xạ khuếch tán tử ngoại ánh sáng nhìn thấy (UV-Vis-DRS) để khảo sát tính hấp
phụ của vật liệu.
+ Sử dụng thiết bị tự chế biogas khảo sát khả năng loại bỏ H2S bằng thanh
nano ZnO pha tạp Fe.
 Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm.
5. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN

Luận văn này chúng tôi chế tạo vật liệu thanh nano ZnO, vật liệu thanh
nano ZnO pha tập Fe (ZnFe2O4) với nồng độ pha tạp 5%, 10%, 15%, 20%,
25%, 30%. Khảo sát vật liệu bằng các phép đo XRD, Us- vis, EDS, …. Sau khi
vật liệu ổn định chúng tơi tiến hành tạo ra nguồn khí H2S đi qua vật liệu để khảo
sát khả năng hấp phụ S của vật liệu. Tiến hành thực hiện các phép đo phổ hấp

5

phụ Us- vis để xem vật liệu có tạo ra những pha mới hay khơng. Nếu có, điều
này chứng tỏ quá trình hấp phụ S xảy ra đối với vật liệu xúc tác. Điều này ứng
dụng loại bỏ khí H2S trong biogas.
6. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

6

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Vật liệu nano:

1.1.1. Một vài nét về vật liệu nano:

Ngày nay vật liệu nano khơng cịn là một khái niệm mới mà đã trở thành một

lĩnh vực nghiên cứu sâu và rộng trên toàn thế giới nhằm chế tạo và nghiên cứu các

vật liệu có kích thức nano mét. Vật liệu này đã thu hút các nhà khoa học trên toàn

thế giới bởi ứng dụng vượt trội từ những tính chất khác biệt của nó so với vật liệu

khối dựa vào 2 hiệu ứng đặt biệt sau:

 Hiệu ứng bề mặt:

Khi vật liệu có kích thước giảm thì tỉ số giữa các ngun tử trên bề mặt và

tổng số nguyên tử tăng dẫn tới hiệu ứng trên bề mặt tăng [9]. Ví dụ, xét vật liệu

tạo thành từ các hạt nano hình cầu. Gọi ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt, n là

tổng số ngun tử thì ta có: ns = 4n2/3 (1.1)

Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử là:

𝑓 = ns = 14 = 4r0 (1.2)
𝑛 n3 𝑟

Trong đó: r0 là bán kính ngun tử và r là bán kính hạt nano.

Như vậy, từ (1.2) ta thấy nếu kích thước của vật liệu giảm thì tỉ số f tăng
lên. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các
nguyên tử ở bên trong long vật liệu nên khi kích thước của vật liệu đi thì hiệu ứng
có liên quan đến các nguyên tử trên bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng
lên do tỉ số f tăng. Khi kích thước của vật liệu giảm đến nano mét thì giá trị f này
tăng đáng kể. Sự thay đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt khơng có
tính đột biến theo sự thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm
liên tục. Khác với hiệu ứng thứ 2 ta đề cập dưới đây thì hiệu ứng này ln có tác
dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và
ngược lại. Ở các vật liệu khối thì hiệu ứng bề mặt nhỏ và thường được bỏ qua, còn
ở các vật liệu nano thì hiệu ứng này khá quan trọng. Vì vật, việc ứng dụng hiệu

7

ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng [9]. Các giá trị về số nguyên tử và
năng lượng hạt nano hình cầu được đưa ra trên bảng 1.1.

Bảng 1.1: Số nguyên tử và năng lượng hạt nano hình cầu [9].

Đường kính Số Tỉ số nguyên Năng lượng bề Năng lượng bề
hạt nguyên tử tử trên bề mặt (arg/mol) mặt/năng lượng
mặt(%)
nano(nm) 20 4.08×1011 tổng (%)
40 8.16×1011 7.6
10 30 000 80 2.04×1012 14.3
90 9.23×1012 35.3
5 4 000 82.2

2 250

1 30

 Hiệu ứng kích thước:

Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho
vật liệu này đặt biệt thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học nhiều hơn so với
các vật liệu khối khác. Đối với một vật liệu, mỗi mốt tính chất của nó đều có một
độ dài đặt trưng, độ dài đặc trưng, độ dài đặc trưng của vật liệu thì đều ở kích
thước nano mét, tỏng bảng 1.2 đưa ra một số độ dài đặc trưng của tính chất của
vật liệu. Ở vật liệu khối, kích thước lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng, nhưng ở
vật liệu nano thì kích thước của nó có thể so sánh với độ dài đặc trưng làm cho
tính chất của vật liệu đó ở dạng khối [9]. Ở đây khơng có sự chuyển tiếp một cách
liên tục khi chuyển từ vật liệu khối sang vật liệu nano như ở hiệu ứng bề mặt. Vì

vậy, việc chế tạo và nghiên cứu vật liệu ngày càng được các nhà khoa học quan
tâm sâu sắc hơn [9].

Bảng 1.2: Bảng độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu [9].

Tính chất Thông số Độ dài đặc trưng
Điện (nm)
Bước sống của điện tử 10-100
Từ Quãng đường tự do trung bình 1-100
Hiệu ứng đường hầm 1-10
Vách đô men, tương tác trao đổi 10-100

8

Tính chất Thông số Độ dài đặc trưng
(nm)
Quãng đường tán xạ spin 1-100
5-100
Giới hạn siêu thuận từ 1-100
10-100
Quang Hố lượng tử 10-100
10-500
Độ dài suy giảm 0.1-100
1-100
Độ sâu bề mặt kim loại 1-1000
1-10
Hấp thụ Plasmon bề mặt 1-100
0.1-10
Siêu dẫn Độ dài liên kết cặp cooper 1-10
1-10

Độ thẩm thấu Meisner 1-100
1-10
Cơ Tương tác bất định xứ 10-100

Biên hạt

Bán kính khởi động đứt vỡ

Sai hỏng mầm

Độ nhăn bề mặt

Xúc tác Hình học topo về mặt

Siêu phân tử Độ dài Kuhn

Cấu trúc nhị cấp

Cấu trúc tam cấp

1.1.2. Phân loại vật liệu nano:

Có nhiều cách để phân loại vật liệu nano, dưới đây là một vài cách để phân
loại thường dùng [10]:

 Phân loại theo hình dáng
- Vật liệu nano không chiều: cả 3 chiều đều có kích thước nano (ví dụ: đám
nano, hạt nano, …)
- Vật liệu nano một chiều: trong đó có 1 chiều tự do, 2 chiều có kích thước
nano (ví dụ: dây nano, ống nano, thanh nano, ...)

- Vật liệu nano hai chiều: trong đó có 2 chiều tự do, 1 chiều có kích thước
nano (ví dụ: màng mỏng dày kích thước nano)

Ngồi ra, các vật có thể coi là vật liệu có cấu trúc nano dù trong đó chỉ có một

9

phần của vật liệu có kích thước nano hoặc cấu trúc của nó có kích thước nano
khơng chiều, một chiều hoặc hai chiều đan xen nhau.

 Phân loại theo tính chất vật liệu:
- Vật liệu nano kim loại.
- Vật liệu nano bán dẫn.
- Vật liệu nano từ tính.
- Vật liệu nano sinh học.

Như vậy, nghiên cứu vật liệu nano trở thành một xu hướng nghiên cứu rất
nhiều ngành khoa học công nghệ và chúng được ứng dụng rất rộng rãi.

1.1.3. Ứng dụng vật liệu nano

Do sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ nano mà vật liệu nano có nhiều
ứng dụng quan trọng trong các ngành y học, sinh học, xúc tác, quang học, mỹ phẩm,
dệt may…

Y dược là thị trường lớn nhất tiêu thụ vật liệu nano, nó chiếm khoảng 30%
lượng tiêu thụ vật liệu nano hàng năm. Hạt nano từ tính có các ứng dụng cả ngoài cơ
thể và trong cơ thể. Phân tách và chọn lọc tế bào bằng việc sử dụng hạt nano từ tính
là một phương pháp tiên tiến. Các thực thể sinh học cần nghiên cứu sẽ được đánh dấu
thông qua các hạt nano từ tính. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa,

tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch, có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng
cầu, tế bào ung thư, vi khuẩn… Một từ trường bên ngoài sẽ tạo lực hút các hạt từ tính
có mang các tế bào được đánh dấu và giữ chúng lại, các tế bào không được đánh dấu
sẽ thốt ra ngồi.

Hạt nano được ứng dụng để dẫn truyền thuốc đến một vị trí nào đó trên cơ thể
là ứng dụng nổi bật nhất. Trong ứng dụng này, thuốc được liên kết với hạt nano có
tính chất từ (thường sử dụng là oxit sắt (magnetite Fe3O4, maghemite γ - Fe2O3) bao
phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA,
silica), bằng cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định ở một vị trí trong một thời
gian đủ dài để thuốc có thể khuyếch tán vào các cơ quan mong muốn, giúp thu hẹp
phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể làm giảm tác dụng phụ của thuốc và giảm

10

lượng thuốc điều trị [11]. Phương pháp này rất thuận lợi trong điều trị u não vì việc
dẫn truyền thuốc vào u não rất khó khăn. Nhờ sự trợ giúp của hạt nano, việc dẫn
truyền thuốc hiệu quả hơn rất nhiều [12].

Ngoài ra, những hạt nano phát quang khi đi vào cơ thể và khu trú tập trung tại
các vùng bệnh, kết hợp với kỹ thuật thu nhận tín hiệu phản xạ quang học giúp con
người có thể phát hiện các mầm bệnh và có biện pháp điều trị kịp thời.

Ứng dụng trong sinh học: Nano-bio đang hình thành, sẽ tạo ra những vật liệu
mới tạo mô xương, các bộ phận thay thế y sinh học dùng cho con người như da, băng
thông minh, tăng độ sắc nét hình ảnh trong cộng hưởng từ hạt nhân (MRI contrast
enhancement), phân tách tế bào (magnetic cell separation)…[13].

Ngành phỏng sinh học nano hướng đến việc chế tạo những vật liệu mơ phỏng
các khả năng đặc biệt của các lồi động thực vật trong tự nhiên. Ví dụ hiện tượng lá

sen luôn sạch sẽ và không bao giờ ướt là do cấu trúc bề mặt có các cột nhỏ cỡ
nanomet, cách nhau khoảng vài micromet tạo nên bề mặt không thấm nước. Từ đó,
các nhà khoa học đã sản xuất ra vật liệu polyme mô phỏng cấu trúc của lá sen, có khả
năng khơng thấm nước, mang lại nhiều ứng dụng trong y tế và đời sống.

Trong lĩnh vực năng lượng, đặc biệt là năng lượng tái tạo [14], ứng dụng của
các vật liệu cấu trúc nano ngày càng trở nên quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất của
các thiết bị chuyển đổi năng lượng đó như:

+ Trong thiết bị quang điện: các pin mặt trời được tối ưu hóa bằng vật liệu và cấu trúc
nano (polymer, chất nhuộm, chấm lượng tử, màng mỏng, cấu trúc đa chuyển tiếp, các
lớp chống phản xạ).

+ Năng lượng gió: các vật liệu nanocomposite và các lớp phủ nano chống ăn mòn
ứng dụng vào các cánh quạt của turbine gió nhằm giảm khối lượng và nâng cao độ
bền của chúng.

+ Địa nhiệt: các lớp phủ nano và nanocomposite ứng dụng cho các thiết bị khoan sâu.

+ Năng lượng sinh khối: cung cấp sự tối ưu hóa bằng nơng nghiệp chính xác sử dụng
cơng nghệ nano (sử dụng các nanosensor nhằm kiểm soát chặt chẽ việc sử dụng thuốc
bảo vệ thực vật và phân bón).