Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bạc, chất mang ứng dụng trong xử lý môi trường (Luận án tiến sĩ)

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn
của các giáo viên hướng dẫn và sự hỗ trợ của các đồng nghiệp. Các kết quả nghiên
cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được
cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày tháng

năm 2015

Tác giả

Trần Quang Vinh

1


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS.NCVCC. Lê Thị Hoài Nam,
TS. Đặng Thanh Tùng là những người đã gợi mở cho tôi những ý tưởng khoa
học, chắp cánh cho tôi thực hiện ước mơ khoa học, sáng tạo và ngày đêm trăn trở
giúp tôi giải quyết những vấn đề khó khăn trong quá trình nghiên cứu và hoàn
thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài nghiên cứu cơ bản
“Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác mới trên cơ sở zeolit ZSM-5, vật liệu mao
quản trung bình SBA-15 và đánh giá ảnh hưởng của cấu trúc, các dạng tâm hoạt
động đến hoạt tính xúc tác của vật liệu trong phản ứng oxi hóa các hợp chất chứa
vòng thơm”. Mã số: 104.03-2012.41.
Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Michael Hunger, Viện Công nghệ Hóa
học, trường Đại học Stuttgart (Đức) và TS. Jӧrg Radnik, Viện Xúc tác Leibniz
(LIKAT), trường Đại học Rostock (Đức) đã phối hợp và giúp đỡ tôi trong quá trình

đặc trưng, đánh giá kết quả nghiên cứu bằng các phương pháp phân tích hiện đại.
Tôi xin bày tỏ sự kính trọng và lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Giảng
viên Khóa đào tạo Sau đại học của Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam đã bồi dưỡng, vun đắp các kiến thức cần thiết giúp tôi cũng như
các nghiên cứu sinh khác có được những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong
học tập cũng như trong nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ nghiên cứu phòng Hóa học Xanh và
các cán bộ phòng Giáo dục Đào tạo thuộc phòng Quản lý Tổng hợp, Viện Hóa học,
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã luôn giúp đỡ, đồng hành và
tạo mọi điều kiện tốt nhất có thể để giúp tôi thực hiện kế hoạch nghiên cứu và hoàn
thành luận án.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc gia đình, bạn bè, những người
luôn bên cạnh hỗ trợ, khuyến khích và giúp tôi có được những nỗ lực quyết tâm
hoàn thành luận án.
Hà Nội, ngày tháng năm 2015
Tác giả

Trần Quang Vinh

2


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ......................................... 7
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................... 9
DANH MỤC HÌNH .................................................................................... 10
MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 13
Chương 1. TỔNG QUAN......................................................................... 15
1.1.

Tổng quan về nano bạc .......................................................................... 15
Tính chất và ứng dụng của nano bạc ...................................................... 15

1.1.1.
1.1.1.1.

Nano bạc làm vật liệu diệt khuẩn ....................................................... 16

1.1.1.2.

Nano bạc làm xúc tác cho các phản ứng Hóa học .............................. 19
Các phương pháp tổng hợp nano bạc ...................................................... 20

1.1.2.

1.2.

1.1.2.1.

Phương pháp Hóa học ........................................................................ 20

1.1.2.2.

Phương pháp Vật lý ............................................................................ 23

Tổng quan các phương pháp chế tạo vật liệu chứa nano bạc ................ 25

1.2.1.

Chế tạo vật liệu chứa nano bạc bằng phương pháp tẩm ......................... 27

1.2.2.

Chế tạo vật liệu chứa nano bạc bằng phương pháp trao đổi ................... 30

1.3.

Tổng quan các vật liệu chứa nano bạc .................................................. 31
Vật liệu nano Ag/Than hoạt tính............................................................. 32

1.3.1.
1.3.1.1.

Chất mang than hoạt tính .................................................................... 32

1.3.1.2.

Các phương pháp chế tạo vật liệu nano Ag/Than hoạt tính ............... 34
Vật liệu nano Ag/Sứ xốp ........................................................................ 35

1.3.2.
1.3.2.1.

Chất mang sứ xốp ............................................................................... 35

1.3.2.2.

Các phương pháp chế tạo vật liệu nano Ag/Sứ xốp ........................... 37
Vật liệu nano Ag/Zeolit ZSM-5 .............................................................. 39

1.3.3.
1.3.3.1.

Chất mang zeolit ZSM-5 .................................................................... 39

1.3.3.2.

Các phương pháp chế tạo vật liệu nano Ag/ZSM-5 ........................... 41
Vật liệu nano Ag-ZSM-5/MCM-41 và nano Ag-ZSM-5/SBA-15 ......... 43

1.3.4.
1.3.4.1.

Chất mang ZSM-5/MCM-41 và ZSM-5/SBA-15 .............................. 43

1.3.4.2.

Các phương pháp chế tạo vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 và nano

Ag-ZSM-5/MCM-41 .......................................................................................... 47
1.3.5.

Các phương pháp khử ion bạc thành bạc kim loại .................................. 52

3


1.4.

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

xử lý môi trường ............................................................................................... 53
1.4.1.

Đánh giá qua khả năng diệt khuẩn E.coli của vật liệu ............................ 53

1.4.2.

Đánh giá qua khả năng xúc tác cho phản ứng oxi hóa hoàn toàn

benzen

................................................................................................................ 55

1.4.3.

Tóm lược nội dung nghiên cứu tổng quan và nhiệm vụ nghiên cứu ...... 57

Chương 2. THỰC NGHIỆM .................................................................... 59
2.1.

Chế tạo các vật liệu chứa nano bạc ....................................................... 59

2.1.1.

Hóa chất .................................................................................................. 59

2.1.2.

Chế tạo vật liệu nano Ag/Than hoạt tính ................................................ 59

2.1.2.1.

Tổng hợp dung dịch chứa nano bạc.................................................... 59

2.1.2.2.

Phương pháp chế tạo vật liệu nano Ag/Than hoạt tính ...................... 60

2.1.3.

Chế tạo vật liệu nano Ag/Sứ xốp ............................................................ 61

2.1.4.

Chế tạo vật liệu nano Ag/Zeolit ZSM-5 và nano Ag-ZSM-5/MCM-41

bằng phương pháp trao đổi ion ............................................................................... 63
Chế tạo vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 ............................................. 64

2.1.5.
2.1.5.1.

Tổng hợp chất mang ZSM-5/SBA-15 ................................................ 64

2.1.5.2.

Chức năng hóa bề mặt vật liệu ZSM-5/SBA-15 ................................ 66

2.1.5.3.

Chế tạo vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 ......................................... 67
Các phương pháp đặc trưng vật liệu ....................................................... 69

2.1.6.
2.1.6.1.

Phương pháp hồng ngoại .................................................................... 69

2.1.6.2.

Phương pháp nhiễu xạ tia X ............................................................... 69

2.1.6.3.

Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua..................................... 69

2.1.6.4.

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét ............................................... 70

2.1.6.5.

Phương pháp đo bề mặt riêng và phân bố mao quản ......................... 70

2.1.6.6.

Phương pháp phân tích nhiệt vi sai .................................................... 70

2.1.6.7.

Phương pháp đo phổ hấp thụ tử ngoại-khả kiến ................................. 70

2.1.6.8.

Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ....................................... 70

2.1.6.9.

Phương pháp phổ quang điện tử tia X ................................................ 71

2.1.6.10. Phương pháp hấp phụ xung CO ......................................................... 71
2.1.6.11. Phương pháp giải hấp theo chương trình nhiệt độ (TPD-NH3) .......... 71

2.2.

Đánh giá hoạt tính của vật liệu nano bạc/chất mang ............................. 71

4


2.2.1.

Đánh giá khả năng diệt khuẩn E.coli của các vật liệu nano bạc/chất

mang

................................................................................................................ 71

2.2.1.1.

Khả năng diệt khuẩn E.coli theo hàm lượng bạc ................................ 71

2.2.1.2.

Khả năng diệt khuẩn E.coli theo thời gian tiếp xúc............................ 72

2.2.1.3.

Phương pháp phân tích nồng độ khuẩn .............................................. 73
Đánh giá khả năng xúc tác của các vật liệu nano bạc/chất mang cho phản

2.2.2.

ứng oxi hóa hoàn toàn benzen ................................................................................ 73

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 76
Kết quả chế tạo các vật liệu nano bạc/chất mang .................................. 76

3.1.

Kết quả chế tạo vật liệu nano Ag/Than hoạt tính ................................... 76

3.1.1.
3.1.1.1.

Kết quả hoạt hóa than hoạt tính .......................................................... 76

3.1.1.2.

Kết quả điều chế dung dịch chứa nano bạc ........................................ 77

3.1.1.3.

Kết quả đặc trưng vật liệu nano Ag/Than hoạt tính ........................... 78

3.1.2.

Kết quả chế tạo vật liệu nano Ag/Sứ xốp ............................................... 81

3.1.3.

Kết quả chế tạo vật liệu nano Ag-ZSM-5 ............................................... 84

3.1.4.

Kết quả chế tạo vật liệu nano Ag-ZSM-5/MCM-41 ............................... 87

3.1.5.

Kết quả chế tạo các vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15 .......................... 90

3.1.5.1.

Kết quả tổng hợp chất mang ZSM-5/SBA-15 .................................... 90

3.1.5.2.

Kết quả chức năng hóa vật liệu ZSM-5/SBA-15 bằng APTES.......... 98

3.1.5.3.

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

bằng các phương pháp khác nhau ..................................................................... 106

Đánh giá khả năng diệt khuẩn E.coli của vật liệu nano bạc/chất

3.2.

mang ............................................................................................................. 114
Khả năng diệt khuẩn E.coli của vật liệu nano bạc/chất mang theo hàm

3.2.1.

lượng bạc .............................................................................................................. 114
3.2.2.

Đánh giá khả năng diệt khuẩn E.coli của các vật liệu theo thời gian tiếp

xúc

.............................................................................................................. 117

3.3.

Đánh giá khả năng xúc tác của các vật liệu nano bạc/chất mang cho phản

ứng oxi hóa hoàn toàn benzen ........................................................................ 120

3.3.1.

Đánh giá khả năng xúc tác oxi hóa của các vật liệu nano bạc/chất

mang

.............................................................................................................. 120

3.3.1.1.

Kết quả hoạt tính xúc tác của các mẫu vật liệu ................................ 120

5


3.3.1.2.

Khả năng khuếch tán nguyên liệu trong hệ MQTB .......................... 122

3.3.1.3.

Vai trò của kích thước các hạt nano bạc ........................................... 122

3.3.1.4.

Vai trò của chất mang bạc trong vật liệu xúc tác chứa nano bạc ..... 123
Đánh giá ảnh hưởng của tốc độ không gian (WHSV), nhiệt độ đến hoạt

3.3.2.

tính xúc tác của vật liệu nano Ag-ZSM-5/SBA-15............................................... 124
3.3.2.1.

Ảnh hưởng của nhiệt độ ................................................................... 124

3.3.2.2.

Ảnh hưởng của tốc độ không gian WHSV ....................................... 125

3.3.3.

Đánh giá khả năng làm việc ổn định của xúc tác Ag-ZSM-5/SBA-15. 128

Chương 4. KẾT LUẬN .......................................................................... 130
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ....................................... 132
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................... 134
PHỤ LỤC………………………………………………………………………148

6


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

AAS

: Phổ hấp thụ nguyên tử

Ag-Z5S15

: Ag-ZSM-5/SBA-15

Ag-Z5S15-BMQ

: Mẫu Ag-ZSM-5/SBA-15 chế tạo bằng phương pháp
bịt mao quản

Ag-Z5S15-KBMQ

: Mẫu Ag-ZSM-5/SBA-15 chế tạo theo phương pháp
không bịt mao quản

Ag-Z5S15-NH3

: Mẫu Ag-Z5S15 chế tạo bằng phương pháp sử dụng
NH3

APTES

: Aminopropyltriethoxysilan

APTES-Z5S15

: Mẫu ZSM-5/SBA-15 đã được chức năng hóa

AS

: Aminosilan

AS-Z5S15

: Vật liệu ZSM-5/SBA-15 được tổng hợp, chưa nung

BET

: Brunauer, Emmett và Teller

Cfu

: Colony-forming unit

FID

: Detector ion hóa ngọn lửa

WHSV

: Tốc độ không gian

IR

: Hồng ngoại

MAS-NMR

: Cộng hưởng từ hạt nhân rắn

MQTB

: Mao quản trung bình

P123

: Pluronic

PR-Z5S15

: Mẫu ZSM-5/SBA-15 đã loại bỏ CTCT

PTK

: Phân tử khối

PVA

: Polyvinylalcohol

PVP

: Polyvinylpyrolidon

SEM

: Hiển vi điện tử quét

SSOS

: Nguyên tử oxy gần bề mặt

TCD

: Detector dẫn nhiệt

7


TEM

: Hiển vi điện tử truyền qua

DTA-TGA

: Phân tích nhiệt vi sai

TPABr

: Tetrapropylamonibromua

TPD-NH3

: Giải hấp theo chương trình nhiệt độ

UV-vis

: Phổ hấp thụ ánh sáng

XPS

: Phổ quang điện tử tia X

XRD

: Nhiễu xạ Rơnghen

8


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Kết quả phân tích hàm lượng bạc trên các mẫu Ag/Than hoạt tính .... 80
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch APTES đến hàm lượng nano bạc 82
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch nano bạc đến hàm lượng nano bạc
trong mẫu sứ xốp .................................................................................................. 83
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian sấy mẫu sứ xốp đến hàm lượng nano bạc ... 84
Bảng 3.5: Ký hiệu các mẫu Ag/ZSM-5 và hàm lượng bạc phân tích bằng phương
pháp AAS ............................................................................................................. 85
Bảng 3.6: Kết quả phân tích hấp phụ xung CO của các mẫu Ag/ZSM-5 ............ 86
Bảng 3.7: Ký hiệu các mẫu Ag-ZSM-5/MCM-41 ............................................... 88
Bảng 3.8: Ký hiệu các mẫu ZSM-5/SBA-15 nghiên cứu tổng hợp theo sự thay đổi
của các bước xử lý thủy nhiệt .............................................................................. 91
Bảng 3.9: Ký hiệu các mẫu ZSM-5/SBA-15 nghiên cứu theo sự thay đổi của
phương pháp tổng hợp ......................................................................................... 91
Bảng 3.10: Bảng thống kê độ sụt giảm khối lượng của mẫu ............................. 104
Bảng 3.11: Tính chất của các mẫu Ag-ZSM-5/SBA-15 .................................... 113
Bảng 3.12: Khả năng diệt khuẩn E.coli của mẫu Ag/Sứ xốp theo hàm lượng bạc
............................................................................................................................ 116
Bảng 3.13: Khả năng diệt khuẩn E.coli của mẫu Ag/Than hoạt tính theo hàm lượng
bạc ...................................................................................................................... 116
Bảng 3.14: Khả năng diệt khuẩn E.coli của mẫu Ag-ZSM-5/MCM-41 theo hàm
lượng bạc ............................................................................................................ 116
Bảng 3.15: Khả năng diệt khuẩn E.coli của mẫu Ag/ZSM-5 theo hàm lượng bạc
............................................................................................................................ 117

Bảng 3.16: Khả năng diệt khuẩn theo thời gian tiếp xúc của các mẫu .............. 119

9


DANH MỤC HÌNH
Chương 1: Tổng quan
Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể của bạc ...................................................................... 15
Hình 1.2: Tác động của ion bạc lên vi khuẩn....................................................... 18
Hình 1.3: Ion bạc liên kết với ADN ..................................................................... 19
Hình 1.4: Mô hình phương pháp tẩm ................................................................... 27
Hình 1.5: Mô hình phương pháp trao đổi............................................................. 30
Hình 1.6: Kích thước lỗ xốp và phân bố lỗ theo kích thước của than hoạt tính, silica
gel, alumina hoạt tính, và zeolit 5A. .................................................................... 33
Hình 1.7: Các dạng cấu trúc của sứ xốp............................................................... 36
Hình 1.8: Cơ chế phản ứng giữa sứ xốp và nano Ag thông qua APTES ............. 38
Hình 1.9: Cấu trúc zeolit ZSM-5.......................................................................... 40
Hình 1.10: Sự thay thế của các ion Ag+ vào mạng lưới tinh thể của zeolit bằng
phương pháp trao đổi ion ..................................................................................... 41
Hình 1.11: Giản đồ XRD của mẫu ZSM-5/MCM-41 .......................................... 45
Hình 1.12: Giản đồ XRD của mẫu ZSM-5/SBA-15 ............................................ 45
Hình 1.13: Giản đồ XRD của mẫu ZSM-5/SBA-15 ............................................ 46
Hình 1.14: Giản đồ XRD của mẫu ZSM-5/MCM-41 .......................................... 47
Hình 1.15: Cơ chế hình thành nano bạc theo phương pháp thay đổi điện tích bề
mặt vật liệu mang SiO2 ....................................................................................... 51
Chương 2: Thực nghiệm
Hình 2.1: Sơ đồ quy trình chế tạo dung dịch chứa nano bạc ............................... 60
Hình 2.2: Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu nano Ag/Than hoạt tính .................... 61
Hình 2.3: Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu nano Ag/Sứ xốp ................................ 63
Hình 2.4: Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu nano Ag/ZSM-5 ................................ 64

Hình 2.5: Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu ZSM-5/SBA-15 .............................. 66
Hình 2.6: Quy trình chế tạo các mẫu Ag-Z5S15.................................................. 69
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phản ứng vi dòng ....................................... 74
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Hình 3.1: Phổ hồng ngoại của các mẫu than hoạt tính xử lý bằng axit nitric ...... 76

10


Hình 3.2: Ảnh TEM của dung dịch chứa nano bạc .............................................. 77
Hình 3.3: Kết quả phân tích UV-vis của dung dịch nano bạc .............................. 78
Hình 3.4: Giản đồ XRD của các mẫu Ag/Than hoạt tính .................................... 79
Hình 3.5: Ảnh TEM vật liệu nano Ag/Than hoạt tính TAg5 ............................... 80
Hình 3.6: Đường phân bố kích thước mao quản của mẫu sứ xốp ........................ 81
Hình 3.7: Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch APTES đến hàm lượng nano bạc 82
Hình 3.8: Ảnh hưởng của thời gian sấy đến hàm lượng nano bạc ....................... 84
Hình 3.9: Ảnh TEM của mẫu ZAg3 .................................................................... 85
Hình 3.10: Phổ XPS của mẫu ZAg3 (electron phân lớp 3d) ................................ 87
Hình 3.11: Giản đồ XRD của mẫu MCZ5-Ag1.0 ................................................ 89
Hình 3.12: Ảnh TEM của mẫu MC-Z5Ag0.7 ...................................................... 89
Hình 3.13: Phổ XPS của mẫu MC-Z5Ag0.7 ........................................................ 90
Hình 3.14: 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 ..................................... 92
Hình 3.15: Giản đồ XRD của mẫu ZSC4 ở góc nhỏ và góc lớn .......................... 93
Hình 3.16: Giản đồ XRD của mẫu ZSC5 ở góc nhỏ và góc lớn .......................... 94
Hình 3.17: Giản đồ XRD của mẫu ZSC3 ở góc nhỏ và góc lớn .......................... 94
Hình 3.18: Ảnh SEM của mẫu ZSC3 ................................................................... 95
Hình 3.19: Ảnh TEM của mẫu ZSC3 .................................................................. 95
Hình 3.20: Đường cong đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp với N2 của mẫu ZSC3 (trái)
và đường cong phân bố mao quản của vật liệu ZSC3 (phải) ............................... 96

Hình 3.21: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân rắn 27Al MAS NMR (A) và 1H MAS NMR
(B) của mẫu ZSC3 ................................................................................................ 97
Hình 3.22: Giản đồ TPD-NH3 của các mẫu so sánh Al SBA-15 (Si/Al=10),
SBA-15, Na(H)Al-MCM-41 (Si/Al=10), ZSM-5 (Si/Al=50) (A) và giản đồ TPD
NH3 của mẫu ZSC3 (Si/Al=50) (B) ..................................................................... 98
Hình 3.23: Phổ IR các mẫu ................................................................................ 100
Hình 3.24: Giản đồ XRD của các mẫu............................................................... 101
Hình 3.25: Giản đồ DTA-TGA của mẫu AS-Z5S15 ......................................... 102
Hình 3.26: Giản đồ DTA-TGA của mẫu CA-Z5S15 ......................................... 102

11


Hình 3.27: Giản đồ DTA-TGA của mẫu PR-Z5S15 .......................................... 103
Hình 3.28: Giản đồ DTA-TGA của mẫu APTES-Z5S15 .................................. 103
Hình 3.29: Giản đồ XRD góc nhỏ của các mẫu Ag-ZSM-5/SBA-15 ................ 107
Hình 3.30: Giản đồ XRD góc lớn của các mẫu Ag-ZSM-5/SBA-15 ................ 107
Hình 3.31: Phổ UV-vis của các mẫu Ag-ZSM-5/SBA-15 ................................. 109
Hình 3.32: Phổ XPS của các mẫu Ag-ZSM-5/SBA-15 ..................................... 110
Hình 3.33: Ảnh TEM của các mẫu Ag-ZSM-5/SBA-15 ................................... 111
Hình 3.34: Hoạt tính xúc tác của các vật liệu trong phản ứng oxi hóa hoàn toàn
benzen theo nhiệt độ........................................................................................... 121
Hình 3.35: Ảnh TEM của mẫu Ag/SBA-15 ....................................................... 124
Hình 3.36: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính xúc tác ................................ 125
Hình 3.37: Hoạt tính xúc tác của mẫu Ag-Z5S15-KBMQ trong phản ứng oxi hóa
hoàn toàn benzen theo sự thay đổi WHSV và nhiệt độ ..................................... 126
Hình 3.38: Khả năng làm việc ổn định của mẫu xúc tác Ag-Z5S15-KBMQ của
phản ứng oxy hóa hoàn toàn benzen .................................................................. 128
Hình 3.39: Ảnh TEM của mẫu Ag-Z5S15-KBMQ sau phản ứng ..................... 128

12


MỞ ĐẦU
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…[1].
Từ lâu, 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. Bạc và các dạng muối bạc đã được sử dụng rộng rãi từ đầu thế
kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để điều trị các vết bỏng và khử khuẩn. Các nghiên cứu
chỉ ra rằng bạc có khả năng tiêu diệt đến 650 loài vi khuẩn [2, 3]. 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 [4].
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.
Có hai dạng ”chứa” các hạt nano bạc là dung dịch chứa nano bạc và vật liệu
mang nano bạc. Ở dạng dung dịch nano bạc, các hạt nano bạc được phân tán đều
trong dung dịch. Với vai trò là tác nhân khử khuẩn, trong môi trường chứa vi
khuẩn, các hạt nano bạc có thể tiếp xúc dễ dàng với vi khuẩn, vì vậy các dung dịch
chứa nano bạc thường có khả năng khử khuẩn cao. Tuy nhiên, dung dịch chứa
nano bạc tồn tại nhược điểm các hạt nano bạc có thể bị ”dính” vào nhau do lực
Van der Waals hoặc do các lực tương tác khác dẫn đến làm giảm khả năng khử

khuẩn. Hơn nữa, do ở trạng thái tự do trong dung dịch nên khả năng thu hồi hay
tách các hạt nano bạc ra khỏi dung dịch chứa khuẩn bị hạn chế.
Để phát huy tốt khả năng làm việc và thu hồi, nano bạc thường được đưa

13


lên các vật liệu mang. Yêu cầu chung đối với các vật liệu mang nano bạc là phải
có diện tích bề mặt lớn, có khả năng tạo liên kết đối với các hạt nano bạc hoặc có
cấu trúc xốp, giúp cho các hạt nano bạc được phân tán đều và bám chắc trên vật
liệu mang.
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 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. Mục tiêu
của bản luận án này hướng tới 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.
Để đạt được mục tiêu trên, luận án bao gồm các nội dung chính sau đây:
1. Nghiên cứu tổng hợp và sử dụng các chất mang nano bạc
2. Nghiên cứu chế tạo các vật liệu chứa nano bạc
3. Nghiên cứu đánh giá hoạt tính của các vật liệu chứa nano bạc với các

vai trò làm vật liệu diệt khuẩn E.coli và xúc tác cho phản ứng oxi hóa
hoàn toàn vòng thơm benzen.

14


Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nano bạc
Bạc

là

kim

loại

chuyển

tiếp

có

cấu

hình

electron:

1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1, thuộc chu kì 5, nhóm IB. Bạc có một electron ở
lớp ngoài cùng tương tự như các kim loại kiềm. Bạc có cấu trúc tinh thể lập phương

tâm mặt (hình 1.1) với các thông số ô mạng cơ sở a = b = c = 4,08 Å. 8 nguyên tử
được bố trí tại 8 đỉnh của hình lập phương tương ứng với các tọa độ (000), (100),
(110), (010), (001), (101), (111), (011). 6 nguyên tử bố trí ở tâm của 6 mặt của ô
cơ sở tương ứng có tọa độ (1/2 0 1/2), (1 1/2 1/2), (1/2 1 1/2), (0 1/2 1/2),
(1/2 1/2 0), (1/2 1/2 1).

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể của bạc
Để thỏa mãn nguyên lí năng lượng cực tiểu, tùy điều kiện chế tạo mà hạt
bạc có thể sắp xếp theo các kiểu khác nhau và hình thành nên nhiều hình dạng của
hạt bạc như: hình cầu (sphere), que (rod), đĩa phẳng (plate)…. Đến nay bạc đã
được tìm ra 19 đồng vị, trong đó có hai đồng vị thiên nhiên là Ag107 (chiếm 51,35%)
và Ag109 (chiếm 48,65%), còn lại là các đồng vị phóng xạ từ Ag102 đến Ag115, trong
đó đồng vị phóng xạ bền nhất là Ag110 (có chu kì bán hủy là 270 ngày đêm). Đường
kính nguyên tử bạc là 0,288 nm.
1.1.1. Tính chất và ứng dụng của nano bạc
Bạc ở kích thước nano là vật liệu có các tính chất quang học, khả năng dẫn
điện và dẫn nhiệt cao. Ngoài ra, bạc là một trong những kim loại có độ cứng và
khả năng chống mài mòn cao nhất. Nano bạc có thể được tích hợp vào các sản
phẩm đa dạng từ các loại pin quang điện, các sản phẩm điện tử, các chi tiết cần độ

15


Luận án đủ ở file: Luận án full