Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bạc chất mang ứng dụng trong xử lý môi trường

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1. Tính cấp thiết của Luận án
Ứng dụng các vật liệu kích thước nano là vấn đề được quan tâm
nhiều trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nano. Vật liệu nano mang
lại những giải pháp cho những thách thức về công nghệ và môi trường
trong các lĩnh vực nhưchuyển hóa năng lượng mặt trời, xúc tác, y tế và
xử lý môi trường…
Bạc nano được biết đến là chất có tính năng kháng khuẩn hiệu
quả. Bạc nano có khả năng hạn chế và tiêu diệt sự phát triển của nấm
mốc, vi khuẩn và thậm chí là cả virut. So với các phương pháp khử
khuẩn truyền thống, bạc có hiệu quả diệt khuẩn cao, không tạo sản phẩm
phụ gây độc với môi trường, nước sau khi khử khuẩn không bị tái
nhiễm.
Không chỉ ứng dụng hiệu quả trong lĩnh vực khử khuẩn, bạc ở
kích thước nano còn được biết tới là một chất xúc tác tuyệt vời cho
nhiều phản ứng hóa học như phản ứng epoxi hóa, phản ứng oxi hóa,
phản ứng loại bỏ NOx, các phản ứng tổng hợp hữu cơ hay làm cảm biến
phát hiện các chất vi lượng.
Hiệu quả của bạc có thể được tăng lên gấp nhiều lần khi ở kích
thước nano. So với bạc ở kích thước micro hoặc lớn hơn, các hạt nano
bạc có diện tích bề mặt lớn, khi được phân bố đều trong môi trường
hoặc trên một chất mang làm tăng khả năng tiếp xúc với các chất tham
gia, do đó làm tăng hiệu quả làm việc của vật liệu.
Một số loại vật liệu mang nano bạc hiện đang được sử dụng rộng
rãi trong lĩnh vực xử lý nước có thể kể đến như than hoạt tính, sứ xốp,
polyurethan. Ngoài ra, các nghiên cứu trong những năm gần đây cũng
cho thấy các loại vật liệu vô cơ mao quản như zeolit, vật liệu mao quản
trung bình (MQTB) với hệ mao quản đồng đều và các tính chất ưu việt
1

khác, là những vật liệu mang nano bạc tuyệt vời. Các hạt nano bạc được
mang trên các vật liệu mang kể trên có kích thước rất nhỏ và được gắn
chặt trên bề mặt và thậm chí trong hệ mao quản, tạo ra vật liệu chứa
nano bạc có hoạt tính cao. Bởi những lý do trên, ý tưởng luận án
‘Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bạc/chất mang ứng dụng trong xử
lý môi trường’ đã được hình thành.
2. Mục tiêu của Luận án
Nghiên cứu các phương pháp chế tạo vật liệu chứa nano bạc với
các hạt nano bạc được tạo ra có kích thước nhỏ, hàm lượng cao, phân
tán đồng đều và được cố định trên chất mang, vật liệu chứa nano bạc có
hoạt tính cao, tuổi thọ tốt trong lĩnh vực khử khuẩn và làm xúc tác cho
các phản ứng Hóa học.
3. Nội dung của luận án
- Chế tạo vật liệu chứa nano bạc trên cơ sở các chất mang than hoạt
tính, sứ xốp, vật liệu vi mao quản zeolit ZSM-5, vật liệu đa mao
quản ZSM-5/MCM-41 và đánh giá khả năng diệt khuẩn của các vật
liệu nhằm lựa chọn ra chất mang phù hợp nhất.
- Chế tạo vật liệu chứa nano bạc trên cơ sở các vật liệu đa mao quản
ZSM-5/SBA-15 có tính chất tương tự zeolit ZSM-5 bằng các
phương pháp khác nhau nhằm tăng khả năng đưa bạc lên trên vật
liệu mang mà vẫn giữ được khả năng cố định và phân bố đồng đều
các hạt nano bạc.
- Đánh giá hoạt tính của các vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 với vật
liệu nano Ag/ZSM-5 trong hai ứng dụng làm vật liệu diệt khuẩn và
làm xúc tác cho phản ứng oxi hóa hoàn toàn benzen nhằm làm rõ vai
trò, tác dụng của nano bạc và chất mang trong việc nâng cao hoạt
tính và khả năng ứng dụng của vật liệu chứa nano bạc.

2

4. Điểm mới của luận án
- Vật liệu đa mao quản ZSM-5/SBA-15 làm chất mang nano bạc đã
được nghiên cứu tổng hợp thành công bằng phương pháp ba giai đoạn
xử lý thủy nhiệt với các điều kiện nhiệt độ và thời gian cho từng giai
đoạn được tối ưu. Cấu trúc vi mao quản và mao quản trung bình trên
vật liệu ZSM-5/SBA-15 hình thành hoàn thiện, giải quyết được hạn chế
tồn tại của các nghiên cứu đã biết, đồng thời là cơ sở cho sự phân tán
và cố định hiệu quả các hạt nano bạc.
- Các vật liệu chứa nano bạc sử dụng chất mang ZSM-5 và
ZSM-5/MCM-41 có khả năng cố định và phân tán rất tốt các hạt nano
bạc kim loại trên chất mang. Phương pháp trao đổi ion ở nhiệt độ thường
kết hợp khử bạc bằng tác nhân nhiệt và khoảng cách phù hợp giữa các
tâm trao đổi trên chất mang giúp các hạt nano bạc được hình thành với
kích thước rất nhỏ chỉ từ 1-3 nm. Các kết quả thu được có tính cập nhật
cao, đóng góp vào hướng nghiên cứu tối ưu phương pháp chế tạo vật
liệu chứa nano bạc sử dụng chất mang có bản chất zeolit.
- Vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 đã được nghiên cứu chế tạo nhằm
nâng cao hàm lượng nano bạc trên chất mang có bản chất zeolit
ZSM-5. Hàm lượng bạc phân tán trên chất mang ZSM-5/SBA-15 đã
được nâng lên 3,734% khối lượng với kích thước 2-5 nm, so với hàm
lượng bạc 0,253% với kích thước 2-3 nm phân tán trên chất mang
ZSM-5. Các hạt nano bạc được điều khiển vị trí hình thành chỉ bên
ngoài hoặc cả trong và ngoài hệ thống mao quản trung bình của chất
mang ZSM-5/SBA-15. Đây là kết quả có tính cập nhật cao trong hướng
nghiên cứu biến tính vật liệu đa mao quản ZSM-5/SBA-15.
- Vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 cho hoạt tính xúc tác cao hơn nhiều
lần so với vật liệu nano Ag/ZSM-5 có hàm lượng bạc thấp trong phản
ứng oxi hóa hoàn toàn benzen. Mẫu có khả năng oxi hóa hoàn toàn
3

benzen ở nhiệt độ 300oC. Đây là các kết quả có tính cập nhật cao về
hoạt tính xúc tác của vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 trong hướng
nghiên cứu ứng dụng vật liệu đa mao quản biến tính trong phản ứng oxi
hóa chất hữu cơ dạng vòng thơm có cấu trúc bền.
5. Bố cục của luận án
Luận án gồm 127 trang với 15 bảng số liệu, 60 hình vẽ, 151 tài
liệu tham khảo và 12 phụ lục. Luận án gồm các phần như sau: mở đầu
(2 trang); chương 1: Tổng quan (42 trang); chương 2: Thực nghiệm
(18 trang); chương 3: Kết quả và thảo luận (52 trang); kết luận (2 trang).
NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Tổng quan về nano bạc

1.2.

Tổng quan các phương pháp chế tạo vật liệu chứa nano bạc

1.3.

Tổng quan các vật liệu chứa nano bạc

1.4.

Đánh giá khả năng làm việc của vật liệu chứa nano bạc qua
các ứng dụng xử lý môi trường

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM
2.1.
2.1.1.

Chế tạo các vật liệu nano Ag/chất mang
Hóa chất
Các hóa chất sử dụng để chế tạo vật liệu chứa nano bạc là nguồn

hóa chất tinh khiết xuất xứ từ Trung Quốc và Merck (Đức).
2.1.2.

Chế tạo vật liệu nano Ag/Than hoạt tính
Vật liệu nano Ag/Than hoạt tính được chế tạo theo các bước:
- Tổng hợp dung dịch nano bạc
- Hoạt hóa than hoạt tính bằng axit nitric
- Tẩm dung dịch bạc lên than hoạt tính

2.1.3.

Chế tạo vật liệu nano Ag/Sứ xốp
Vật liệu nano Ag/Sứ xốp được chế tạo theo các bước:
4


- Biến tính bề mặt sứ xốp
- Tẩm dung dịch bạc lên sứ xốp
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ APTES, nồng độ dung
dịch nano bạc và thời gian sấy mẫu đến hàm lượng nano bạc
trong mẫu sứ xốp
2.1.4.

Chế

tạo

vật

liệu

nano

Ag/zeolit

ZSM-5

và

Ag-ZSM-5/MCM-41 bằng phương pháp trao đổi ion
Chất mang dạng zeolit ZSM-5 và ZSM-5/MCM-41 được sử dụng
làm tác nhân trao đổi nhằm đưa bạc trực tiếp lên chất mang dựa trên
tính chất trao đổi ion của chất mang. Vật liệu nano Ag/ZSM-5 được
khảo sát quá trình trao đổi theo các thời gian khác nhau từ 12 giờ đến
48 giờ. Vật liệu nano Ag-ZSM-5/MCM-41 khảo sát quá trình trao đổi
với các hàm lượng bạc khác nhau từ 0,1% đến 1,0 % khối lượng so với
vật liệu ZSM-5/MCM-41 trong thời gian trao đổi ion đã được tối ưu.
2.1.5.

Chế tạo vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15

2.2. Tổng hợp chất mang ZSM-5/SBA-15

* Tổng hợp chất mang ZSM-5/SBA-15 bằng phương pháp sử dụng
chất tạo cấu trúc TPABr
Vật liệu ZSM-5/SBA-15 có tỷ số mol Si/Al = 50, được tổng hợp
theo quy trình gồm 3 bước xử lý thủy nhiệt bao gồm: tổng hợp các tinh
thể vi mao quản (bước 1), bổ sung tiền chất (bước 2) và meso hóa tạo
vật liệu ZSM-5/SBA-15 (bước 3).
* Tổng hợp vật liệu ZSM-5/SBA-15 bằng phương pháp gây mầm
Bên cạnh phương pháp sử dụng CTCT TPABr có giá thành cao,
các tinh thể vi mao quản cũng được nghiên cứu tổng hợp bằng phương
pháp gây mầm sử dụng zeolit ZSM-5 nhằm thay thế CTCT TPABr. Vật
liệu ZSM-5/SBA-15 được nghiên cứu tổng hợp bằng phương pháp gây

5


mầm sử dụng mầm zeolit ZSM-5 được tổng hợp theo quy trình hoàn
toàn tương tự như quy trình sử dụng CTCT TPABr
Vật liệu nano Ag/Than hoạt tính được chế tạo theo các bước:
- Chức năng hóa bề mặt vật liệu ZSM-5/SBA-15
- Chế tạo vật liệu bằng phương pháp phương pháp không bịt mao
quản
- Chế tạo vật liệu bằng phương pháp bịt mao quản
- Chế tạo vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng NH3
- Thực nghiệm đánh giá hoạt tính của vật liệu nano Ag/chất mang
2.2.1.

Đánh giá khả năng diệt khuẩn E.coli của các vật liệu nano
Ag/chất mang
Các vật liệu được đánh giá khả năng diệt khuẩn qua hai phương

pháp:
- Khả năng diệt khuẩn E.coli theo hàm lượng bạc
- Khả năng diệt khuẩn E.coli theo thời gian tiếp xúc
2.2.2.

Đánh giá khả năng xúc tác của các vật liệu nano Ag/chất
mang cho phản ứng oxi hóa hoàn toàn benzen
Các thông số thực nghiệm cụ thể của phản ứng oxi hóa hoàn toàn

benzen gồm có: áp suất thường, lượng xúc tác: 100 mg, tỷ lệ khí nguyên
liệu

oxi/benzen:

15,

độ

nhiệt

phản

ứng:

100-500oC,

WHSV: 30.000-70.000 ml.h-1.g(xt)-1.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1.

Các phương pháp đặc trưng vật liệu
Các vật liệu được đặc trưng bằng các phương pháp hồng ngoại

(IR), Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), Phương pháp kính hiển vi
điện tử truyền qua (TEM), phương pháp kính hiển vi điện tử quét
(SEM), phương pháp đo bề mặt riêng và phân bố mao quản (BET),
phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân rắn (27Al - MAS NMR), phương
6


pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA-TGA), phương pháp đo phổ hấp thụ
tử ngoại - khả kiến (UV-vis), phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử
(AAS), phương pháp phổ quang điện tử tia X (XPS), phương pháp hấp
phụ xung CO, phương pháp giải hấp theo chương trình nhiệt độ
(TPD-NH3).
2.3.2.

Các phương pháp phân tích kết quả đánh giá hoạt tính vật
liệu
Hoạt tính của các vật liệu trong hai ứng dụng làm vật liệu diệt

khuẩn và xúc tác cho phản ứng oxi hóa được phân tích bằng các phương
pháp đếm khuẩn lạc và phương pháp sắc ký khí.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1.

Kết quả chế tạo vật liệu nano Ag/chất mang

3.1.1.

Kết quả chế tạo vật liệu nano Ag/Than hoạt tính

Bảng 3.1: Kết quả phân tích hàm lượng bạc trên các mẫu Ag/Than
hoạt tính
Mẫu vật
liệu
TAg1
TAg2
TAg3
TAg4
TAg5

Hàm lượng bạc theo
tính toán, % khối
lượng
0,1
0,3
0,5
0,7
1,0

Hàm lượng bạc theo
AAS, % khối lượng
0,085
0,279
0,438
0,632
0,924

Hàm lượng bạc trong các mẫu vật liệu nano Ag/Than hoạt tính

được phân tích bằng phương pháp AAS. Kết quả phân tích được đưa ra
trong bảng 3.1 cho thấy hàm lượng bạc thực tế trong vật liệu sau quá
trình tẩm đạt gần như hàm lượng theo tính toán lý thuyết. Kết quả này
chứng tỏ được ưu điểm của quá trình tẩm có thể tạo ra được vật liệu có
hàm lượng bạc theo ý muốn.
Kích thước của các hạt nano bạc trên vật liệu nano Ag/Than hoạt
7


tính được quan sát trên ảnh TEM của mẫu vật liệu TAg5 (hình 3.1).
Mẫu TAg5 là mẫu có hàm lượng bạc được đưa lên cao nhất so với các
mẫu còn lại. Ảnh TEM của mẫu TAg5 cho thấy sự xuất hiện của các
hạt nano bạc trên vật liệu có kích thước khoảng 10-20 nm, được giữ
nguyên như kích thước các hạt nano bạc trong dung dịch chứa nano bạc
đã được tổng hợp ban đầu cho quá trình tẩm lên vật liệu than hoạt tính.
Kết quả này cho thấy phương pháp tẩm đã được thực hiện khá tốt, không
xảy ra hiện tượng co cụm của các hạt nano bạc trên chất mang than hoạt
tính ở hàm lượng bạc cao nhất trong các thí nghiệm đã thực hiện (mẫu
TAg5, Ag chiếm 1% khối lượng).

Hình 3.1: Ảnh TEM vật liệu nano Ag/Than hoạt tính TAg5
3.1.2.

Kết quả chế tạo vật liệu nano Ag-Sứ xốp
Hàm lượng bạc trên các mẫu Ag/Sứ xốp khảo sát theo nồng độ

dung dịch APTES được thể hiện qua bảng 3.2. Khi xử lý ngâm mẫu sứ
xốp trong dung dịch APTES theo xu hướng tăng nồng độ phần trăm
dung dịch APTES từ 1% đến 3% thì hàm lượng nano bạc trên mẫu
Ag/Sứ xốp thu được tăng từ 416 ppm đến 472 ppm. Tuy nhiên khi tiếp

tục tăng nồng độ dung dịch APTES lên 4% thì hàm lượng bạc lại giảm
xuống 425 ppm.
8


Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch APTES đến hàm
lượng nano bạc
Nồng độ dung dịch APTES (%) Hàm lượng nano bạc (ppm)
1
416
2
463
3
472
4
425
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch nano bạc đến hàm lượng
nano bạc trong mẫu sứ xốp
STT Mẫu vật liệu

Hàm lượng Ag (ppm)

1

SX100ppm

497

2

SX250ppm

675

3

SX500ppm

849

4

SX1000ppm

850

Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian sấy mẫu sứ xốp đến hàm lượng
nano bạc
Thời gian sấy mẫu sứ xốp
Hàm lượng nano bạc
STT
(phút)
(ppm)
1
60
750
2

90

826

3

120

849

4

150

850

5

180

853

Ở nồng độ dung dịch APTES đã được tối ưu (3%), thời gian sấy
mẫu sau khi ngâm là 120 phút, khi sử dụng dung dịch nano bạc có nồng
độ Ag tăng từ 100-500 ppm, hàm lượng bạc được đưa lên vật liệu sứ
xốp tăng từ 497 ppm đến 849 ppm (bảng 3.3). Tuy nhiên, khi sử dụng
dung dịch nano bạc có nồng độ cao 1000 ppm, hàm lượng bạc trong
mẫu tăng không đáng kể (850 ppm). Kết quả này cho thấy số lượng các
9


nhóm APTES liên kết với bề mặt sứ xốp được tạo thành sau quá trình

sấy mẫu bị giới hạn đã giới hạn hàm lượng bạc có thể được đưa lên
mẫu. Nồng độ dung dịch keo nano bạc phù hợp nhất trong trường hợp
này là 500 ppm, tương ứng với hàm lượng bạc trong sứ xốp là 849 ppm.
Khi thời gian sấy mẫu tăng từ 60 phút lên 90 phút và 120 phút,
hàm lượng bạc tăng dần, đạt cao nhất ở 849 ppm ppm (bảng 3.4). Khi
tiếp tục kéo dài thời gian sấy, hàm lượng bạc cũng có xu hướng cao hơn
nhưng mức độ tăng rất thấp (ở 150 phút là 850 ppm và 180 phút là
853 ppm). Quá trình sấy ảnh hưởng đến tạo liên kết Si-O-Si của APTES
với sứ xốp vì quá trình tạo liên Si-O-Si kết thực ra là phản ứng loại
nước. Khi số lượng liên kết giữa APTES với sứ xốp càng nhiều có nghĩa
là hàm lượng nano Ag gắn lên sứ xốp càng nhiều. Với thời gian sấy là
120 phút thì số lượng liên kết Si-O-Si tạo ra gần như bão hòa.
3.1.3.

Kết quả chế tạo vật liệu nano Ag/ZSM-5
Các mẫu vật liệu nano Ag/ZSM-5 với các hàm lượng bạc khác

nhau được ký hiệu như trong bảng 3.5. Kết quả phân tích hàm lượng
bạc bằng phương pháp AAS cho thấy hàm lượng bạc lớn nhất thu được
bằng phương pháp trao đổi ion với zeolit ZSM-5 là 0,253 % khối lượng,
với thời gian trao đổi là 48 giờ (mẫu ZAg4). Kết quả này cho thấy do
số lượng tâm Bronsted trên zeolit ZSM-5 có hạn, dẫn đến việc số lượng
ion Ag+ tham gia quá trình trao đổi với các tâm trao đổi cũng bị hạn
chế. Kết quả hàm lượng bạc thu được cũng phù hợp với kết quả đã được
công bố. Theo đó, với việc sử dụng zeolit ZSM-5 với tỷ số mol
SiO2/Al2O3 = 30 (Si/Al = 15), các tác giả cũng nhận được kết quả hàm
lượng bạc đưa lên vật liệu zeolit ZSM-5 đạt 0,2 % khối lượng.

10

Bảng 3.5: Ký hiệu các mẫu Ag/ZSM-5 và hàm lượng bạc phân tích
bằng phương pháp AAS
Thời gian trao đổi, giờ

Hàm lượng bạc, wt%

Ký hiệu mẫu

12

0,064

ZAg1

24

0,128

ZAg2

36

0,251

ZAg3

48

0,253

ZAg4

Kích thước, hình dạng và trạng thái của các hạt nano bạc được
tạo ra trên vật liệu nano Ag/ZSM-5 được quan sát bằng ảnh TEM và
phổ XPS (hình 3.2). Mẫu ZAg3 với hàm lượng bạc đạt 0,251 % khối
lượng được lựa chọn để phân tích do hàm lượng bạc mẫu ZAg4 không
hơn đáng kể so với mẫu ZAg3. Ảnh TEM cho thấy các hạt nano bạc
được tạo ra có dạng hình cầu, với đường kính hạt khá đồng đều và nhỏ,
khoảng 2-3 nm.

Hình 3.2: Ảnh TEM (bên trái) và phổ XPS (bên phải) (electron phân
lớp 3d) của mẫu ZAg3.
Kết quả XPS cho thấy phương pháp nung yếm khí đơn giản (nung
trong dòng nitơ) có thể chuyển bạc ở trạng thái ion thành bạc kim loại
mà không cần sử dụng chất khử thể hiện ở các píc đặc trưng tại 368 eV
và 374 eV. Ngoài ra, thay vì thực hiện quá trình trao đổi ion ở nhiệt độ
60-80oC, ở nhiệt độ thường ion bạc vẫn có thể tham gia quá trình trao
11


đổi với ion kim loại bù trừ điện tích khung Na+ có tính linh động cao tại
các tâm bronsted. Nhờ tính chất trao đổi ion của zeolit ZSM-5, các hạt
nano bạc có thể được phân bố theo các tâm trao đổi và hình thành với
kích thước nhỏ. Khoảng cách đủ xa giữa các tâm trao đổi trên ZSM-5
giúp cho các hạt nano bạc không bị co cụm trong quá trình khử bạc ion.
3.1.4.

Kết quả chế tạo vật liệu nano Ag-ZSM-5/MCM-41
Kết

quả

phân

tích

hàm

lượng

bạc

trên

các

mẫu

Ag-ZSM-5/MCM-41 bằng phương pháp trao đổi ion được đưa ra trong
bảng 3.6 cho thấy hàm lượng bạc khi đưa theo lý thuyết từ 0,1 đến
0,5 % khối lượng khá tương đương với lượng bạc thực tế. Tuy nhiên,
khi tiếp tục tăng lượng bạc đầu vào đến 0,7% khối lượng, hàm lượng
bạc thực tế đạt 0,656% khối lượng. Sau đó, hàm lượng bạc thực tế
không tăng nữa dù tăng lượng bạc đầu vào lên 1%.
Bảng 3.6: Ký hiệu các mẫu Ag-ZSM-5/MCM-41
Hàm lượng Ag lý
Hàm lượng Ag thực tế
Ký hiệu mẫu
thuyết (%)

theo AAS (%)
0,115
MCZ5-Ag0.1
0,1
MCZ5-Ag0.3

0,3

0,283

MCZ5-Ag0.5

0,5

0,491

MCZ5-Ag0.7

0,7

0,656

MCZ5-Ag1.0

1,0

0,633

Hình 3.3: Ảnh TEM và phổ XPS của mẫu MC-Z5Ag0.7
12

Ảnh TEM và phổ XPS của mẫu MCZ5-Ag0.7 trong hình 3.3 cho
thấy các hạt nano bạc có kích thước rất nhỏ, khoảng 1-3 nm phân bố
đều trên vật liệu ở trạng thái bạc kim loại, không nhận thấy hiện tượng
co cụm của các hạt nano bạc.
3.1.5.

Kết quả chế tạo các vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15

Kết quả tổng hợp chất mang ZSM-5/SBA-15

Hình 3.4: Giản đồ XRD của các mẫu ZSM-5/SBA-15 tổng hợp sử
dụng CTCT theo các thời gian và nhiệt độ các bước xử lý thủy nhiệt
Giản đồ XRD của mẫu ZSC3 (hình 3.4) cho thấy sự hình thành
các pha vi mao quản và MQTB đã được cải thiện rõ rệt bằng cách tối
ưu nhiệt độ và thời gian của các bước xử lý thủy nhiệt. Kết quả này có
tính cập nhật cao, giải quyết được hạn chế về sự hình thành cấu trúc đa
mao quản trên vật liệu ZSM-5/SBA-15 trong các nghiên cứu đã biết.
Kết quả chức năng hóa vật liệu ZSM-5/SBA-15 bằng APTES
Quan sát phổ IR của mẫu vật liệu ZSM-5/SBA-15 đã được chức
năng hóa bề mặt bởi nhóm amin trong APTES (hình 3.5D) ta thấy sự
xuất hiện trở lại của giải phổ 2850-2900 cm-1 và giải phổ
1240-1500 cm-1 đặc trưng cho dao động kéo dài hoặc dao động biến
dạng C-H đặc trưng cho pha hữu cơ của APTES tương tự như trong
trường hợp pha hữu cơ của CTCT. Giải phổ 1000-1200 cm-1 đặc trưng
cho dao động kéo căng C-N, tuy nhiên không phân biệt vì có sự trùng
lấp với dải phổ đặc trưng cho nhóm Si-O-Si như đã nói ở trên. Ngoài ra
phổ IR của mẫu sự xuất hiện ở tần số hấp thụ 693 cm-1 đặc trưng cho
13

dao động uốn cong của liên kết N-H. Những dấu hiệu ở các giải tần số
hấp thụ trên cho thấy việc chức năng hóa vật liệu đa mao quản
ZSM-5/SBA-15 ban đầu đã thành công, xuất hiện các nhóm chức amin
trên vật liệu đa mao quản ZSM-5/SBA-15.
Hình 3.5: Phổ IR các mẫu
(A) Vật liệu mang
ZSM-5/SBA-15
(AS-Z5S15)
(B) ZSM-5/SBA-15 đã
nung 550 oC (CA-Z5S15)
(C) ZSM-5/SBA-15 đã
loại bỏ CTCT (PR- Z5S15)
(D) ZSM-5/SBA-15 biến
tính APTES (APTESZ5S15

Kết quả đặc trưng các vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 được tổng
hợp bằng các phương pháp khác nhau

Hình 3.6: Phổ XPS của các mẫu (a) Ag-Z5S15-KBMQ;
(b) Ag-Z5S15-BMQ; (c) Ag-Z5S15-NH3
14


Kích thước, hình dạng và trạng thái của các hạt nano bạc hình
thành trên vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 được đặc trưng bằng
phương pháp XPS và TEM, được thể hiện trên hình 3.6 và hình 3.7. Kết
quả XPS cho thấy các hạt nano bạc được hình thành ở trạng thái kim
loại. Hình 3.7(c, d) cho thấy các hạt nano bạc đã được hình thành trên

mẫu Ag-Z5S15-BMQ có dạng hình khối cầu, với kích thước khá lớn,
không đồng đều trong khoảng 15-50 nm.

Hình 3.7: Ảnh TEM của các mẫu Ag-ZSM-5/SBA-15
Các ảnh TEM của mẫu Ag-Z5S15-NH3 thể hiện trên hình
15


3.7(e, f) cho thấy các hạt nano bạc hình thành với kích thước khá đồng
đều khoảng 10-15 nm. Bên cạnh đó, có sự hình thành của số ít các hạt
nano bạc có kích thước lớn hơn 30 nm. Kết quả này cho thấy phương
pháp đưa bạc lên vật liệu ZSM-5/SBA-15 sử dụng NH3 khá hiệu quả,
thể hiện ở độ đồng đều của các hạt nano bạc.
Với trường hợp mẫu Ag-Z5S15-KBMQ, ảnh chụp TEM trên
hình 3.7(a, b) cho thấy các hạt nano bạc đã được hình thành với kích
thước nhỏ, đồng đều khoảng 2-5 nm. Bên cạnh đó, ảnh TEM cũng cho
thấy xuất hiện một số ít các hạt nano bạc với kích thước khoảng
6-17 nm. Các hạt nano bạc được phân bố cả bề mặt ngoài và bên trong
hệ mao quản của mẫu Ag-Z5S15-KBMQ. Sự hình thành các hạt nano
bạc trên mẫu Ag-Z5S15-KBMQ có thể được giải thích do theo phương
pháp tổng hợp vật liệu nano Ag-Z5S15-KBMQ, các ion Ag+ sẽ hình
thành liên kết theo cả hai cách: Ag+ liên kết với các nhóm chức amin bề
mặt và Ag+ liên kết với các tâm bronsted của vật liệu APTES-Z5S15 đã
được loại bỏ CTCT.
Đánh giá khả năng diệt khuẩn E.coli của vật liệu nano

3.2.

Ag/chất mang
3.2.1.

Khả năng diệt khuẩn E.coli của vật liệu nano Ag/chất

mang theo hàm lượng bạc
Bảng 3.7: Khả năng diệt khuẩn E.coli của mẫu Ag/Sứ xốp theo hàm
lượng bạc
Mẫu
Nồng độ
E.coli
(cfu/ml)
Hiệu suất
diệt (%)

Dung
dịch
đầu vào

SX100ppm

SX250ppm

SX500ppm

1,5.105

3,0.104

4,1.104

4,2.104

0

86,36

81,36

80,90

16


Số liệu thu được trong các bảng từ 3.7 đến 3.10 cho thấy nồng độ
khuẩn E.coli của dung dịch thu được sau thời gian tiếp xúc 10 phút đối
với các vật liệu nano Ag/ZSM-5 và Ag-ZSM-5/MCM-41 đều cao hơn
nhiều so với các vật liệu nano Ag/Sứ xốp và Ag/Than hoạt tính. Khả
năng diệt khuẩn cao nhất đối với hai vật liệu nano Ag/Sứ xốp và
Ag/Than hoạt tính đạt tương ứng là 80,9% và 95,52%. Trong khi đó,
khả năng diệt khuẩn cao nhất của vật liệu nano Ag/ZSM-5 (mẫu ZAg4)
đạt 99,9 % và vật liệu Ag-ZSM-5/MCM-41 (MC-Z5-Ag0.5) đạt 100%.
Bảng 3.8: Khả năng diệt khuẩn E.coli của mẫu Ag/Than hoạt tính
theo hàm lượng bạc
Dung
dịch
TAg1
TAg2
TAg3
TAg4
TAg5
Mẫu

đầu
vào
Nồng độ
1,5.105
5,4x104
4.9x103
6,7x103
6,5x103
6,7x103
E.coli
(cfu/ml)
Hiệu suất
diệt (%)

Mẫu
Nồng độ
E.Coli
(cfu/ml)
Hiệu
suất diệt
(%)

0

64,17

96,72

95,52

95,67

Bảng 3.9: Khả năng diệt khuẩn E.coli của mẫu
Ag-ZSM-5/MCM-41 theo hàm lượng bạc
Dung
MCMCMCMCdịch
Z5Z5Z5Z5đầu
Ag0.1
Ag0.3
Ag0.5 Ag0.7
vào

95,52

MCZ5Ag1.0

1,5.105

2,3.102

1,4.101

0

0

0

0

99,85

99,99

100

100

100

17


Bảng 3.10: Khả năng diệt khuẩn E.coli của mẫu Ag/ZSM-5 theo hàm
lượng bạc
Dung
dịch
ZAg1
ZAg2
ZAg3
ZAg4
Mẫu
đầu vào
Nồng độ
E.coli
(cfu/ml)
Hiệu suất
diệt (%)
3.2.2.

1,4.106

<1,4.106

4,8.104

1,4.104

2,3.103

0

~0

96,0

99,0

99,9

Đánh giá khả năng diệt khuẩn E.coli của các vật liệu theo
thời gian tiếp xúc
Bảng 3.11: Khả năng diệt khuẩn theo thời gian tiếp xúc của các
mẫu Ag-ZSM-5/SBA-15 so sánh với mẫu Ag/ZSM-5

Tên mẫu

Hàm
lượng
bạc (%

khối
lượng)

Nồng độ vi khuẩn sau thời gian tiếp xúc
(CFU/ml) / Hiệu suất diệt (%)
10 phút

20 phút

30 phút

60 phút

Ag-Z5S15KBMQ

3,734

2,9.106
89,44

2,7.106
90,00

2,7.106
90,19

4,5.105
98,35

Ag-Z5S15BMQ

1,620

5,9.106
78,15

4,7.106
82,59

4,3.106
84,26

6,4.105
97,65

Ag-Z5S15NH3

4,192

3,9.106
85,37

3,4.106
87,41

3,1.106
88,52

4,7.105
98,28

Ag/ZSM-5
(ZAg3)

0,251

1,1.106
95,93

6,1.105
97,74

2,5.105
99,07

2,9.104
99,89

* Nồng độ khuẩn E.coli ban đầu: 2,7.107 cfu/ml
18


Kết quả diệt khuẩn thu được trong bảng 3.11 khá bất ngờ, khả
năng diệt khuẩn của các vật liệu họ Ag-ZSM-5/SBA-15 đều thấp hơn
so với khả năng diệt khuẩn của mẫu vật liệu nano Ag/ZSM-5 (mẫu
ZAg3, có hàm lượng bạc là 0,251%, các hạt nano bạc có kích thước từ
2-3 nm), mặc dù hàm lượng bạc của các mẫu họ Ag-ZSM-5/SBA-15 đã
được tăng lên rất nhiều (bảng 3.11) và mẫu Ag-Z5S15-KBMQ có kích
thước các hạt bạc được hình thành rất nhỏ, chỉ cỡ từ 2-5 nm, bên cạnh
một số ít các hạt nano bạc được hình thành có kích thước 6-17 nm.

3.3. Đánh giá khả năng xúc tác của các vật liệu nano Ag/chất mang
cho phản ứng oxi hóa hoàn toàn benzen
Kết quả thu được qua đồ thị trong hình 3.8 cho thấy nhiệt độ tại
đó phản ứng oxy hóa benzen xảy ra hoàn toàn sử dụng các mẫu vật liệu
xúc tác Ag-Z5S15-KBMQ, Ag-Z5S15-BMQ, Ag-Z5S15-NH3 và
Ag/SBA-15 lần lượt là 300oC, 400oC, 350oC và 400oC. Phản ứng oxi
hóa hoàn toàn xảy ra thể hiện ở hiệu suất thu sản phẩm CO2 đạt 100%.
Ở 300oC là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó benzen có thể bị oxy hóa
hoàn toàn trong trường hợp sử dụng xúc tác Ag-Z5S15-KBMQ. Kết
quả này có thể được giải thích do ở nhiệt độ này các phân tử benzen bị
hấp phụ trên các tâm bronsted của mẫu Ag-Z5S15-KBMQ ở trạng thái
linh động nhất, bắt đầu quá trình giải hấp khỏi mẫu. Các phân tử oxy ở
nhiệt độ thấp không thể tiếp cận được với các hạt nano bạc thì tại thời
điểm nhiệt độ này có thể được hấp phụ hóa học phân ly trên các tâm
nano bạc thành các nguyên tử oxy SSOS oxy hóa các phân tử benzen
đang ở trạng thái linh động.
Kết quả hoạt tính xúc tác của các vật liệu chứa nano bạc trong
phản ứng oxi hóa hoàn toàn benzen đã cho thấy, khác với kết quả đã
thu được trong ứng dụng khử khuẩn, trong phản ứng oxy hóa hoàn toàn
benzen, kết quả thu được đã thay đổi. Hoạt tính xúc tác của Ag/ZSM-5
19


thấp hơn nhiều so với các vật liệu chứa nano bạc còn lại, đặc biệt là với
các vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15. Điều này cho phép đưa ra nhận
định: sự hạn chế khả năng tiếp xúc giữa các tâm hoạt tính nano bạc với
nguyên liệu trong phản ứng oxi hóa hoàn toàn benzen đã được giải
quyết nhờ khả năng khuếch tán của benzen và oxi trong hệ MQTB của
vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 và tiếp xúc với các hạt nano bạc, tạo
điều kiện thuận lợi cho phản ứng oxi hóa có thể xảy ra.

Hình 3.8: Hoạt tính xúc tác của các vật liệu trong phản ứng oxi hóa
hoàn toàn benzen theo nhiệt độ
Kích thước các hạt nano bạc trong phản ứng oxy hóa đóng vai trò
quan trọng do tăng được khả năng hình thành các liên kết Ag-O ở nhiệt
độ thấp (tạo ra các SSOS), do đó tăng được hiệu quả của quá trình xúc
tác. Điều này được thể hiện ở kết quả về nhiệt độ tại đó xảy ra phản ứng
oxi hóa hoàn toàn benzen đối với mẫu Ag-Z5S15-KBMQ (300oC) thấp
hơn trường hợp mẫu Ag-Z5S15-NH3 (350oC). Mẫu Ag-Z5S15-NH3 có
hàm lượng bạc cao (4,192% khối lượng), các hạt nano bạc có kích thước
từ 10-15 nm. Trên mẫu Ag-Z5S15-KBMQ, các hạt nano bạc hình thành
với kích thước nhỏ chỉ từ 2-5 nm, phân bố trong và ngoài hệ MQTB của
20


vật liệu có đường kính mao quản từ 10-20 nm. Benzen và oxy có kích
thước cỡ 5-6 Å thể dễ dàng khuếch tán vào trong hệ MQTB có cấu trúc
thẳng và thông suốt, hấp phụ trên các vị trí các ion Na+ và các tâm bạc
ở cả bề mặt trong hệ MQTB và bề mặt ngoài của vật liệu. Do đó, hiệu
quả tiếp xúc giữa SSOS và benzen có thể được cải thiện và cùng với
ưu thế về kích thước các hạt nano bạc đã giúp cho mẫu

110
100
90
80
70
60
50

0,75
1,5
3
5
6,75
7,5
9
11
12,75
13,5
15
17
18,75
19,5
21
23

Độ chuyển hóa/
Hiệu suất, %

Ag-Z5S15-KBMQ có hoạt tính xúc tác tốt hơn mẫu Ag-Z5S15-NH3.

Thời gian, giờ
Độ chuyển hóa benzen

Hiệu suất thu CO2

Hình 3.9: Khả năng làm việc ổn định của mẫu xúc tác
Ag-Z5S15-KBMQ của phản ứng oxy hóa hoàn toàn benzen
Độ bền của xúc tác Ag-Z5S15-KBMQ được khảo sát qua phản

ứng

oxi

hóa

benzen

ở

nhiệt

độ

300oC

và

WHSV = 30.000 ml.g .g(xt) trong vòng 24 giờ. Kết quả độ chuyển
-1

-1

hóa benzen và hiệu suất thu sản phẩm CO2 được đưa ra trong hình 3.9.
Kết quả thu được sau 24 giờ chạy phản ứng oxy hóa benzen cho thấy
mẫu xúc tác Ag-Z5S15-KBMQ có khả năng làm việc ổn định và có độ
lặp lại khá tốt. Sau 24 giờ phản ứng, độ chuyển hóa benzen và hiệu suất
thu sản phẩm CO2 của phản ứng thay đổi không đáng kể, dao động trong
khoảng 97-99%.
21

Hình 3.10: Ảnh TEM của
mẫu Ag-Z5S15-KBMQ
sau phản ứng

Ảnh TEM của mẫu Ag-Z5S15-KBMQ sau khi chạy phản ứng thể
hiện trên hình 3.10 không cho thấy sự co cụm của các hạt nano bạc sau
quá trình chạy phản ứng ở nhiệt độ 300oC cũng như sự xuất hiện của
các pha lạ trên vật liệu. Kết quả này cho thấy mẫu Ag-Z5S15-KBMQ
không bị ảnh hưởng hoạt tính sau 24 giờ chạy phản ứng.
KẾT LUẬN
Sau thời gian thực hiện, luận án đã thu được những kết quả như sau:
1- Đã tổng hợp và sử dụng các chất mang mao quản khác nhau có các
tính chất phù hợp cho quá trình phân tán và cố định các hạt nano bạc:
than hoạt tính gáo dừa, sứ xốp, zeolit ZSM-5, vật liệu đa mao quản
ZSM-5/MCM-41 và ZSM-5/SBA-15.
2- Vật liệu đa mao quản ZSM-5/SBA-15 đã được nghiên cứu tổng hợp
thành công bằng phương pháp ba giai đoạn xử lý thủy nhiệt với các điều
kiện nhiệt độ và thời gian cho từng giai đoạn được tối ưu. Cấu trúc vi
mao quản và mao quản trung bình trên vật liệu ZSM-5/SBA-15 hình
thành hoàn thiện, giải quyết được hạn chế tồn tại của các nghiên cứu đã
biết, đồng thời là cơ sở cho sự phân tán và cố định hiệu quả các hạt nano
22


bạc.
3- Các chất mang ZSM-5 và ZSM-5/MCM-41 có khả năng cố định và
phân tán rất tốt các hạt nano bạc kim loại. Phương pháp trao đổi ion ở
nhiệt độ thường kết hợp khử bạc bằng tác nhân nhiệt và khoảng cách

phù hợp giữa các tâm trao đổi trên chất mang giúp các hạt nano bạc
được hình thành với kích thước rất nhỏ chỉ từ 1-3 nm. Các kết quả thu
được có tính cập nhật cao, đóng góp vào hướng nghiên cứu tối ưu
phương pháp chế tạo vật liệu chứa nano bạc sử dụng chất mang có bản
chất zeolit.
4- Vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 đã được nghiên cứu chế tạo nhằm
nâng cao hàm lượng nano bạc trên chất mang có bản chất zeolit
ZSM-5. Hàm lượng bạc phân tán trên chất mang ZSM-5/SBA-15 đã
được nâng lên 3,734% khối lượng với kích thước 2-5 nm, so với hàm
lượng bạc 0,253% với kích thước 2-3 nm phân tán trên chất mang
ZSM-5. Các hạt nano bạc được điều khiển vị trí hình thành chỉ bên
ngoài hoặc cả trong và ngoài hệ thống mao quản trung bình của chất
mang ZSM-5/SBA-15. Đây là kết quả có tính cập nhật cao trong hướng
nghiên cứu biến tính vật liệu đa mao quản ZSM-5/SBA-15.
5- Vật liệu nano Ag/Than hoạt tính đã được chế tạo với các hạt nano
bạc kim loại được cố định trên chất mang than hoạt tính qua tương tác
với các nhóm cacboxyl bề mặt. Các hạt nano bạc có kích thước từ
10-25 nm, không thay đổi so với các hạt nano bạc trong dung dịch chứa
nano bạc ban đầu. Vật liệu nano Ag/Sứ xốp đã được chế tạo bằng hương
pháp đưa nano bạc kim loại lên vật liệu mang qua tương tác với các
nhóm chức amin trên bề mặt sứ xốp. Hàm lượng bạc đưa lên mẫu sứ
xốp đạt 0,085% khối lượng. Các vật liệu này có khả năng diệt trên 80%
khuẩn E.coli với nồng độ khuẩn ban đầu 105 cfu/ml, trong thời gian tiếp
xúc 10 phút. Đây là các vật liệu chứa nano bạc có triển vọng triển khai
23


thực tế để chế tạo ra các cột lọc có khả năng lọc và diệt hoàn toàn vi
khuẩn mà không bị hạn chế thời gian tiếp xúc.
6- So với các vật liệu nano Ag/Sứ xốp và Ag/Than hoạt tính, các vật

liệu chứa nano bạc với chất mang có bản chất là zeolit ZSM-5 như
Ag/ZSM-5, Ag-ZSM-5/MCM-41 có khả năng diệt khuẩn E.coli tốt hơn
ngay ở mẫu hàm lượng bạc dưới 0,3%. Các vật liệu này có khả năng
diệt khuẩn trên 99% ở nồng độ khuẩn đầu vào 105-106 cfu/ml chỉ sau
10 phút tiếp xúc.
7- Các hạt nano bạc hình thành cả trong và ngoài hệ thống MQTB của
chất mang ZSM-5/SBA-15 đều có khả năng tham gia vào quá trình xúc
tác cho phản ứng oxi hóa hoàn toàn benzen. Vật liệu
Ag-ZSM-5/SBA-15 cho hoạt tính xúc tác cao hơn nhiều lần so với vật
liệu nano Ag/ZSM-5 có hàm lượng bạc thấp. Mẫu Ag-Z5S15-KBMQ
có hoạt tính xúc tác tốt nhất so với các vật liệu xúc tác còn lại, thể hiện
ở khả năng xúc tác cho phản ứng oxi hóa hoàn toàn benzen ở nhiệt độ
thấp 300-350oC. Đây là các kết quả có tính cập nhật cao về hoạt tính
xúc tác của vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 trong hướng nghiên cứu
ứng dụng vật liệu đa mao quản biến tính trong phản ứng oxi hóa chất
hữu cơ dạng vòng thơm có cấu trúc bền.

24