nghiên cứu tổng hợp nano tấm palladium

Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP
NANO TẤM PALLADIUM

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

SV THỰC HIỆN:

MSSV

Ts. Trần Thị Bích Quyên

Nguyễn Thị Diễm Nhi

B1407610

Nguyễn Thị Xuân Chi

B1407642

Tháng 12/2018

Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

----------

----------

Cần Thơ, ngày…..tháng….năm

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
1. Tên đề tài
Nghiên cứu tổng hợp nano tấm palladium.

2. Cán bộ hướng dẫn
Ts. Trần Thị Bích Quyên, Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ,
Trường Đại học Cần Thơ.
3. Sinh viên thực hiện
-

Họ và tên: Nguyễn Thị Diễm Nhi

B1407610

Nguyễn Thị Xuân Chi

B1407642

-

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa Học

-

Khóa: 40

4. Nội dung nhận xét
4.1 Nhận xét về hình thức LVTN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4.2 Nhận xét về nội dung LVTN
 Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
 Những vấn đề còn hạn chế
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4.3 Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội
dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có)
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4.4 Kết luận, đề nghị và điểm
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Cần Thơ, ngày.…tháng…. năm
Cán bộ hướng dẫn

Ts. Trần Thị Bích Quyên

Luận văn tốt nghiệp – CNHH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA CÔNG NGHỆ
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

----------

----------

Cần Thơ, ngày…..tháng….năm

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
1. Cán bộ phản biện
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Tên đề tài
Nghiên cứu tổng hợp nano tấm palladium.
3. Cán bộ hướng dẫn
Ts. Trần Thị Bích Quyên, Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ,
Trường Đại học Cần Thơ.
4. Sinh viên thực hiện
-

Họ và tên: Nguyễn Thị Diễm Nhi

B1407610

Nguyễn Thị Xuân Chi

B1407642

-

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa Học

-

Khóa: 40

5. Nội dung nhận xét
5.1 Nhận xét về hình thức LVTN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

5.2 Nhận xét về nội dung LVTN
 Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
 Những vấn đề còn hạn chế
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
5.3 Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội
dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có)
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
5.4 Kết luận, đề nghị và điểm
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Cần Thơ, ngày.....tháng….năm
Cán bộ phản biện


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn về đề tài “Nghiên cứu tổng hợp nano tấm palladium”,
đầu tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cán bộ hướng dẫn là Cô Trần Thị
Bích Quyên, người đã luôn bên cạnh, hướng dẫn, chỉ bảo và truyền đạt những kinh
nghiệm quý báu đồng thời còn tạo điều kiện về thiết bị và dụng cụ để chúng em có thể
hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu này.
Chúng em xin cảm ơn quý Thầy Cô Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Hóa học đã tận
tình giảng dạy, quan tâm động viên, chia sẻ kiến thức trong suốt thời gian chúng em
theo học tại Trường Đại học Cần Thơ.

Cuối cùng con xin được cảm ơn gia đình đã luôn ủng hộ, tạo mọi điều kiện về vật
chất lẫn tinh thần để con có thể hoàn thành khóa học.
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em còn nhiều thiếu sót và hạn chế mà bản
thân không mong muốn, kính mong quý Thầy Cô góp ý để đề tài của chúng em được
hoàn chỉnh hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn và kính chúc quý Thầy Cô thật nhiều sức khỏe!


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, các nano tấm Pd (Pd nanosheets: Pd NSs) được tổng hợp
bằng cách sử dụng tungsten hexacarbonyl (W(CO)6) là tác nhân khử Pd2+ tạo thành hạt
nano tấm Pd (Pd NSs). Các Pd NSs đã được khảo sát ở các điều kiện phản ứng khác
nhau như: thời gian và nhiệt độ phản ứng, hàm lượng tungsten hexacarbonyl
(W(CO)6). Các Pd NSs sau khi tổng hợp được xác định các đặc tính bởi UV-vis, XRD.
Hơn nữa, hình thái và khối lượng (%) của Pd NSs cũng được xác định bởi TEM và
EDX với kích thước hạt trung bình ~ 20-25 nm và khối lượng Pd ~ 85,1% dựa trên
phần trăm khối lượng từ mẫu Pd NSs. Ngoài ra, cường độ SERS của các phân tử thuốc
nhuộm Rhodamine 6G (R6G) trên chất nền Pd NSs tăng cường đáng kể trên tín hiệu
Raman. Kết quả cho thấy kỹ thuật SERS có thể được áp dụng để phát hiện các phân tử
thuốc nhuộm R6G với giới hạn phát hiện thấp hơn 10−13 M. Hơn nữa, kết quả còn chỉ
ra rằng khả năng tăng cường cường độ SERS của phân tử thuốc nhuộm R6G (10-8 M)
trên chất nền Pd NSs lớn gấp 10 lần so với phân tử thuốc nhuộm R6G trên chất nền
silicon.


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

ABSTRACT
In this study, Pd nanosheets (Pd NSs) were synthesized which reduced Pd2+ ions
to formed Pdo with tungsten hexacarbonyl (W(CO)6) as reducing agents. The
synthesized Pd NSs were investigated under different conditions such as time and
temperature of reaction, tungsten hexacarbonyl (W(CO)6) content. The synthesized Pd
NSs were determined characterizations by UV-vis, XRD. Moreover, the morphology
of Pd NSs and its weight (%) were also determined by TEM and EDX with average
particle size ~20-25 nm and the amount of Pd based on the weight (%) obtained
~85.1% in the Pd NSs sample. In addition, the SERS intensity of Rhodamine 6G
(R6G) dye molecules on Pd NSs substract is significantly enhanced on the Raman
signal. Results show that SERS technique can be applied to detect R6G dye molecules
with the lower limit of detection being 10−13 M. Furthermore, it indicated that the SERS
intensity enhancement (10-8 of R6G dye molecules on the Pd NSs substrate is 10 times
greater than that of R6G dye molecules on the silicon substrate for comparison.


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

MỤC LỤC
MỤC LỤC ....................................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.............................................................................. vii
CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU ........................................................................................1

1.1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ..........................................................................................2
1.3. Nội dung nghiên cứu..........................................................................................2
CHƯƠNG 2:

TỔNG QUAN TÀI LIỆU ....................................................................3

2.1. Sơ lược về công nghệ nano và vật liệu nano .....................................................3
2.1.1.

Công nghệ nano ......................................................................................3

2.1.2.

Vật liệu nano ..........................................................................................5

2.2. Tán xạ Raman ..................................................................................................10
2.2.1.

Sơ lược về tán xạ Raman ......................................................................10

2.2.2.

Nguồn gốc của hiệu ứng Raman ..........................................................11

2.2.3.

Hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman .....................................................12

2.3. Xúc tác nano ....................................................................................................14
2.3.1.

Giới thiệu ..............................................................................................14

2.3.2.

Các hạt nano làm xúc tác cho phản ứng hóa học .................................14

2.4. Tổng quan về palladium (Pd) ..........................................................................15
2.4.1.

Giới thiệu về palladium (Pd) ................................................................15

2.4.2.

Tính chất ...............................................................................................16

2.4.3.

Ứng dụng của nano palladium (Pd)......................................................17

2.5. Nano tấm (Nanosheets)....................................................................................18
2.5.1.

Sơ lược về nano tấm .............................................................................18
i

Luận văn tốt nghiệp – CNHH
2.5.2.
CHƯƠNG 3:

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

Các phương pháp tổng hợp nano tấm...................................................19
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................21

3.1. Sơ lược về tình hình nghiên cứu Pd NSs trong và ngoài nước ........................21
3.2. Thực nghiệm ....................................................................................................22
3.2.1.

Hóa chất ................................................................................................22

3.2.2.

Thiết bị và dụng cụ ...............................................................................22

3.2.3.

Tiến hành thí nghiệm............................................................................23

3.3. Phương pháp phân tích ....................................................................................27
3.3.1.

Phương pháp hấp thu phân tử UV-vis ..................................................27

3.3.2.

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)................................................28

3.3.3.

Nhiễu xạ tia X (XRD) ..........................................................................28

3.3.4.

Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)..............................29

3.3.5.

Phương pháp tán xạ Raman (SERS) ....................................................29

CHƯƠNG 4:

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...........................................................30

4.1. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp Pd NSs .........30
4.1.1.
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến quá trình tổng hợp Pd
NSs………………………………………………………………………………30
4.1.2.
Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến quá trình tổng hợp
nano tấm Pd ...........................................................................................................32
4.1.3.
Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tungsten hexacacbonyl (W(CO)6)
đến quá trình tổng hợp nano tấm Pd......................................................................35
4.2. Phân tích các đặc tính của nano tấm Pd ...........................................................36
4.2.1.

Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) ...........................................................36

4.2.2.

Phân tích EDX ......................................................................................37

4.2.3.

Phân tích Raman (SERS) .....................................................................38

CHƯƠNG 5:

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................40

5.1. Kết luận ............................................................................................................40
5.2. Kiến nghị..........................................................................................................40
ii


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................41

iii


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

DANH MỤC HÌNH
Hình 2-1 Các cấu trúc hình dáng khác nhau của vật liệu nano [6]. ................................6
Hình 2-2 Hiệu ứng Raman ............................................................................................11
Hình 2-3 Hiệu ứng plasmon bề mặt cho hiệu ứng SERS ..............................................13
Hình 2-4 Công thức cấu tạo của chất màu Rhodamine 6G (R6G)................................14
Hình 2-5 Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học..........................................................16
Hình 3-1 Quy trình tổng hợp nano tấm Pd (Pd NSs) ....................................................24
Hình 3-2 Phổ hấp thu của nano tấm Pd với chiều dài cạnh khác nhau 21 – 51 nm [46]
.......................................................................................................................................28
Hình 4-1 Màu sắc dung dịch các mẫu nano tấm Pd (Pd NSs) ở các thời điểm khác
nhau tương ứng: 60 phút, 75 phút, 90 phút, 120 phút ..................................................30
Hình 4-2 Phổ UV-vis của dung dịch nano tấm Pd (Pd NSs) tổng hợp được với thời
gian phản ứng khác nhau tương ứng: (a) 60 phút, (b) 75 phút, (c) 90 phút, và (d) 120
phút ................................................................................................................................30
Hình 4-3 Ảnh TEM của các mẫu nano tấm Pd (Pd NSs) với thời gian phản ứng khác
nhau tương ứng: A) 60 phút; B) 75 phút; C) 90 phút; và D) 120 phút .........................31
Hình 4-4 Màu sắc dung dịch các mẫu Pd NSs ở các mức nhiệt độ khác nhau tương
ứng: 70 oC; 80 oC; 90 oC; 100 oC và 110 oC ...................................................................32
Hình 4-5 Phổ UV-vis của dung dịch Pd NSs điều chế được với nhiệt độ phản ứng khác
nhau tương ứng: (a) 70 oC, (b) 80 oC, (c) 90 oC, (d) 100 oC và (e) 110 oC ...................33
Hình 4-6 Ảnh TEM của các mẫu Pd NSs ứng với thời gian phản ứng khác nhau tương
ứng: (A) 70 oC, (B) 80 oC, (C) 90 oC, (D) 100 oC, và (E) 110 oC .................................34
Hình 4-7 Màu sắc dung dịch các mẫu nano tấm Pd (Pd NSs) ở các hàm lượng
(W(CO)6) khác nhau tương ứng: 80 mg, 90 mg, 95 mg, 100 mg và 105 mg .............35
Hình 4-8 Phổ UV-vis của dung dịch nano tấm Pd (Pd NSs) điều chế được với hàm
lượng W(CO)6 khác nhau tương ứng: (a) 80 mg, (b) 90 mg, (c) 95 mg, (d) 100 mg và
(e) 105 mg ......................................................................................................................35

Hình 4-9 Mẫu nhiễu xạ tia X (XRD) của nano tấm Pd (Pd nanosheets: Pd NSs) với
thời gian phản ứng 90 phút và ở nhiệt độ 90 oC ............................................................36
iv


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

Hình 4-10 Phổ EDX của mẫu nano tấm Pd (Pd NSs) tối ưu.........................................37
Hình 4-11 Phổ SERS đại diện với nguồn sáng kích thích 532 nm của (a) R6G 10-3 M;
và với nồng độ khác nhau tương ứng của R6G: (b) 10-8 M, (c) 10-10 M, (d) 10-12 M, và
(e) 10-13 M trên chất nền nano tấm Pd (Pd NSs) (~20-25 nm). Mỗi điểm dữ liệu đưa ra
là giá trị trung bình từ 3 phổ SERS ...............................................................................38

v


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2-1 Các tính chất của vật liệu nano khi đạt kích thước nano [5] ...........................4
Bảng 2-2 Tính chất của palladium [31] .........................................................................16
Bảng 2-3 So sánh các phương pháp tổng hợp nano tấm [39, 40] .................................19
Bảng 3-1 Hóa chất sử dụng trong đề tài ........................................................................22

vi

Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CA

Citric acid

CTAB

Cetyl trimethylammonium bromide

DMF

N,N-Dimethylformamide

EDX

Energy-dispersive X-ray spectroscopy

Pd NSs

Palladium nanosheets

PVP

Polyvinylpyrrolidone

R6G

Rhodamine 6G

SEM

Scanning Electron Microscope

SERS

Surface Enhanced Raman Spectroscopy

SPR

Surface Plamon Resonance

TEM

Transmission electron microscopy

UV-vis

Ultraviolet – Visible

XRD

X-ray diffraction

vii

Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay, công nghệ nano đang là ngành khoa học được quan tâm và nghiên cứu
rộng rãi trên khắp thế giới. Vật liệu ở kích thước nano sẽ xuất hiện nhiều tính chất mới
làm tăng độ nhạy quang học, tăng hoạt tính xúc tác, tăng độ bền và sự ổn định cao.
Palladium (Pd) là một kim loại chuyển tiếp điển hình. Bên cạnh đó, palladium
(Pd) có tính ổn định nhiệt cao (nhiệt độ nóng chảy cao: MPPd = 1828 K), có hoạt tính
xúc tác điện hóa cao cho sự oxi hóa của acid formic, methanol (MOR), glucose… Các
hạt nano kim loại chuyển tiếp có những ứng dụng rộng rãi trong xúc tác, tăng cường
độ tín hiệu phổ, tăng hiệu quả chuyển đổi quang học dựa trên sự cộng hưởng bề mặt
Plasmon (SPR). Tuy nhiên SPR bị ảnh hưởng bởi thành phần, kích thước và hình dạng
của kim loại. Do đó, các công trình nghiên cứu tổng hợp Pd với kích thước nano ngày
càng nhiều và càng được quan tâm nghiên cứu như tổng hợp nano Pd-graphene-carbon
nanotube với hoạt tính xúc tác cao bởi phương pháp hóa học xanh được nghiên cứu
bởi S. T. Zhang và cộng sự năm 2015 [1]. Đến năm 2014 và 2017, các hạt nano
palladium (Pd nanoparticles) được tổng hợp và khảo sát hoạt tính xúc tác của chúng
lần lượt được công bố bởi các tác giả Mujeeb Khan cùng cộng sự [2] và Qazi cùng
cộng sự [3]. Năm 2014, nghiên cứu tổng hợp Pd concave nanocubes và kiểm tra đặc
tính quang của chúng được công bố bởi Wenxin Niu và cộng sự [4].
Những tấm (màng) kim loại siêu mỏng thể hiện những ảnh hưởng bề mặt và kích
thước lượng tử đã làm tăng tính chất vật lý và hóa học độc đáo của chúng. Những tấm
kim loại chứa chỉ một vài lớp của các nguyên tử có thể được chế tạo trên chất nền,
nhưng việc sản xuất các cấu trúc siêu mỏng đứng tự do như nano tấm (nanosheets) vẫn
còn là một thách thức.
Hơn nữa, cho đến nay vẫn chưa có công trình nghiên cứu nào trong nước công

bố về các vật liệu liên quan đến việc nghiên cứu, tổng hợp vật liệu nano Pd (Pd
nanoparticles), đặc biệt là nano tấm Pd (Pd nanosheets: Pd NSs).
Vì lý do trên, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp nano tấm palladium” được thực
hiện, nhằm định hướng ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác tăng cường khả năng oxi hóa
của methanol, ethanol,… và ứng dụng trong lĩnh vực y sinh do chúng có khả năng
tăng cường tính chất quang học trên tín hiệu Raman (SERS). Do đó, các nano tấm Pd
tổng hợp được sẽ là vật liệu đầy hứa hẹn ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y sinh
1


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

(phát hiện các phân tử, nguyên tử sinh học, phát hiện kháng nguyên, kháng thể, trong
dẫn truyền thuốc…), môi trường, xúc tác fuel cells, cảm biến sinh học, cảm biến điện
hóa, v.v...
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tổng hợp được các nano tấm palladium (Pd NSs) và xác định được
các đặc tính, hình dạng và kích thước của chúng. Đồng thời, khảo sát tính chất quang
của nano tấm Pd tổng hợp được bởi việc phát hiện các phân tử màu Rhodamine 6G
(R6G) bằng phương pháp Raman.
1.3. Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp nano tấm palladium (Pd
NSs)


Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến quá trình tổng hợp



Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến quả trình tổng hợp



Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng tungsten hexacarbonyl (W(CO)6) đến quá
trình tổng hợp

- Xác định đặc điểm cấu trúc, hình thái, kích thước và hàm lượng của mẫu nano tấm
Pd (Pd NSs) tối ưu bởi UV-vis, TEM, XRD, EDX.
- Khảo sát tín hiệu Raman (SERS) cho sự phát hiện của chất màu Rhodamine 6G
(R6G) trên chất nền nano tấm Pd (Pd NSs).

2


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Sơ lược về công nghệ nano và vật liệu nano
2.1.1. Công nghệ nano
Khoa học nano là khoa học nghiên cứu các vật chất ở kích thước rất nhỏ, kích
thước nanomet [4]. Công nghệ nano chỉ các công nghệ liên quan đến việc phân tích,
tổng hợp và sử dụng các vật liệu, thiết bị ở quy mô nanomet.
2.1.1.1.

Cơ sở khoa học của công nghệ nano

Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano.
a. Chuyển tiếp từ tính chất cố điển đến tính chất lượng tử
Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được
trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ
qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các
tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ, một chấm lượng tử có thể được coi như
một đại lượng nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử [5].
b. Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ
đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng liên quan đến bề mặt, gọi
tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích
thước nanomet khác biệt so với vật liệu dạng khối [5].
c. Kích thước tới hạn
Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước.
Nếu vật liệu nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị biến đổi. Người
ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của
nó có thể so sách được với kích thước tới hạn của các tính chất vật liệu. Ví dụ điện trở
của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hằng ngày.
Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của
điện tử trong kim loại, thường có giá trị từ vài nm đến vài trăm nm, thì định luật Ohm
3


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật liệu có kích thước nano sẽ tuân theo quy
tắc lượng tử. Không phải bất kỳ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác
biệt, nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu.

Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính
chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính vì thế người ta gọi
ngành khoa học và công nghệ liên quan là Khoa học nano và Công nghệ nano [5].
Bảng 2-1 Các tính chất của vật liệu nano khi đạt kích thước nano [5]

Lĩnh vực

Tính chất điện

Tính chất từ

Tính chất quang

Tính siêu dẫn

Tính chất cơ

Xúc tác

Siêu phân tử

Tính chất

Kích thước tới
hạn (nm)

Bước sóng điện tử

10-100

Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi

1-100

Hiệu ứng đường ngầm

1-10

Độ dài vách đômen

10-100

Quãng đường tán xạ spin

1-100

Hố lượng tử

1-100

Độ dài suy giảm

10-100

Độ sâu bề mặt kim loại

10-100

Độ dài liên kết cặp Cooper

0,1-100

Độ thẩm thấu Meisner

1-100

Tương tác bất định xứ

1-1000

Biên hạt

1-10

Sai hỏng mầm

0,1-10

Độ nhăn bề mặt

1-10

Hình học topo bề mặt

1-10

Độ dài Kuhn

1-100

Cấu trúc nhị cấp

1-10

Cấu trúc tam cấp

10-1000
4


Luận văn tốt nghiệp – CNHH
Lĩnh vực
Miễn dịch

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

Tính chất
Nhận biết phân tử

Kích thước tới
hạn (nm)
1-10

2.1.2. Vật liệu nano
2.1.2.1.

Khái niệm

Vật liệu nano là những vật liệu có kích thước rất nhỏ từ 0,1 nm đến 100 nm.
Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng

và khí. Hiện nay, vật liệu nano được tập trung nghiên cứu, chủ yếu là vật liệu rắn, sau
đó mới đến chất lỏng và khí [5].
2.1.2.2.

Phân loại

Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:
+ Vật liệu nano không chiều (0D) là cả ba chiều đều có kích thước nano, không
còn chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ: đám nano, hạt nano (nano spheres).
+ Vật liệu nano một chiều (1D) là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước
nano, điện tử được tự do trên một chiều (và hai chiều cầm tù), ví dụ: dây nano
(nanowires), ống nano (nanotubes).
+ Vật liệu nano hai chiều (2D) là vật liệu trong đó một chiều có kích thước
nano, hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng.
+ Vật liệu nano ba chiều (3D), ví dụ: nanocubics or nanocubes (lập phương 6
mặt).
Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một
phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều (0D),
một chiều (1D), hai chiều (2D) đan xen lẫn nhau [5].

5


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

Hình 2-1 Các cấu trúc hình dáng khác nhau của vật liệu nano [6].

2.1.2.3.

Tính chất của vật liệu nano kim loại

Các hạt nano kim loại có hai tính chất khác biệt so với vật liệu khối là: hiệu ứng
bề mặt và hiệu ứng kích thước. Tuy nhiên, do đặc điểm các hạt nano có tính kim loại,
tức là có mật độ điện tử tự do lớn thì các tính chất thể hiện có những đặc trưng riêng
khác với các hạt không có mật độ điện tử tự do cao.
a. Tính chất quang học
Tính chất quang học của nano kim hoại được giải thích bằng hiện tượng cộng
hưởng Plasmon bề mặt (Suface Plasmon Resonance) do điện tử tự do trong hạt nano
hấp thụ ánh sáng chiếu vào. Kim loại có điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao
động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng. Thông thường các dao
động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh
thể kim loại khi quảng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước. Nhưng
khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập
tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích. Do đó,
tính chất quang học của các hạt nano có sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ
quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động như vậy, các hạt điện tử sẽ
6


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực
điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng các
yếu tố ảnh hưởng về hình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trường xung quanh là các
yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất
quang. Nếu mật độ loãng thì có thể xem như gần đúng hạt tự do, nếu mật độ cao thì

phải tính đến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt [7].
b. Tính chất điện
Tính dẫn điện của kim loại rất tốt. Điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật độ điện
tử tự do cao trong đó. Đối với vật liệu khối, các lí luận về mật độ dẫn dựa trên cấu trúc
vùng năng lượng của chất rắn. Điện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của điện tử lên
các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (photon).
Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại (dòng điện I) dưới tác dụng của điện
trường (U) có liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U =IR, trong đó R là điện trở
kim loại. Định luật Ohm cho thấy đường I-U là một đường tuyến tính. Khi kích thước
của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc vùng
năng lượng. Hệ quả của quá trình lượng tử hóa này đối với hạt nano là đường I-U
không còn tuyến tính nữa mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là Hiệu ứng chắn Coulomb
(Coulomb blockade) làm cho đường I-U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau
một lượng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện tử, C và R là điện
dung và điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực [7].
c. Tính chất từ
Các kim loại quý như vàng, bạc,v.v… có tính nghịch từ ở trạng thái khối do có
sự bù trừ cặp điện tử. Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ không toàn
diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh. Các kim loại có tính sắt từ ở trạng thái
khối như các kim loại chuyển tiếp: sắt, coban, niken, palldium v.v… thì kích thước
nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Vật
liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi
từ trường bị ngắt đi [7].

7


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

d. Tính chất nhiệt
Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các
nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các
nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Các nguyên tử trên bề mặt vật
liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có
thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn. Như vậy, nếu kích thước của
hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm [7].
2.1.2.4.

Tổng hợp vật liệu nano

Hai phương pháp cơ bản dùng trong chế tạo vật liệu nano là bottom-up (đi từ
dưới lên) và top-down (đi từ trên xuống) [8].
- Phương pháp đi từ dưới lên: đây là phương pháp đang được nghiên cứu và ứng
dụng phổ biến do tính linh động và cho được sản phẩm chất lượng.
Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các ion hoặc nguyên tử. Phương pháp
này có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp hóa-lý.
+ Phương pháp vật lý: Thường sử dụng chế tạo hạt nano, màng nano.
Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp bốc bay nhiệt (đốt,
phún xạ).
+ Phương pháp hóa học: Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, màng
nano, dây nano, ống nano,… Vật liệu được hình thành từ các ion, tùy thuộc vào đặc
tính của vật liệu mà người ta có thể lựa chọn kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Có thể
phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: Hình thành vật liệu nano từ pha
lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel, vi nhũ) và từ pha khí (nhiệt phân).
+ Phương pháp hóa-lý: Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây
nano, ống nano, màng nano, bột nano,… Phương pháp chế tạo vật liệu dựa trên các
nguyên tắc về vật lý và hóa học như: ngưng tụ hơi hóa học, điện phân.
Ưu điểm: vật liệu tạo ra có kích thước đồng đều và ít khuyết tật bề mặt.

Nhược điểm : chỉ tạo được lượng nhỏ vật liệu.

8


Luận văn tốt nghiệp – CNHH

CBHD: Ts. Trần Thị Bích Quyên

- Phương pháp từ trên xuống: đây là phương pháp đơn giản và hiệu quả, có thể
tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn.
Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền hoặc biến dạng để chia nhỏ vật liệu thể khối
thành cỡ hạt kích thước nano.
Ưu điểm: đơn giản, rẻ tiền, tạo ra lượng lớn vật liệu.
Nhược điểm: vật liệu tạo ra có kích thước không đồng đều, dễ xuất hiện khuyết
tật trên bề mặt vật liệu.
2.1.2.5.

Ứng dụng vật liệu nano

- Trong lĩnh vực môi trường:
a. Pin mặt trời
Hạt nano chất bán dẫn có nhiều tiềm năng cho các tế bào năng lượng mặt trời
cho hiệu suất cao hơn (sản xuất điện) và tách nước (sản xuất hydro).
b. Làm sạch nước
Công nghệ nano có khả năng loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm, vi khuẩn. Ngày
nay các hạt nano, màng nano, bột nano được sử dụng để loại bỏ các hợp chất hóa học
và các chất sinh học. Sợi nano carbon đã được nghiên cứu làm vật liệu hấp thụ các
chất hữu cơ trong nước như benzene, xylene, toluene, và ethybenzen [9], các vật liệu
nano thân thiện với môi trường cũng được ứng dụng trong việc kiểm soát các hợp chất

thuốc bảo vệ thực vật [10, 11], xúc tác nano trong xử lý các chất thải nhanh chóng và
thân thiện. Một số vật liệu được sử dụng để ngăn cản sự phát triển của các loài vi
khuẩn gây tác động xấu đến môi trường [12].
- Trong lĩnh vực điện tử, cơ khí: vật liệu nano đang được nghiên cứu và
đưa vào sử dụng phổ biến trong chế tạo các linh kiện điện tử, thiết bị ghi nhớ thông tin
[13], các ống nano carbon dùng để chế tạo pin trong các thiết bị điện tử. Ngoài ra, vật
liệu nano còn được sử dụng trong chế tạo màng hình điện thoại, máy tính, một số vật
liệu siêu nhẹ, siêu bền dùng để sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ,…

9