Nghiên cứu tổng hợp chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ (2017)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC


LÊ THỊ PHƯỢNG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CHẤM
LƯỢNG TỬ CACBON PHA TẠP NITƠ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Lý
Người hướng dẫn khoa học
TS. MAI XUÂN DŨNG

HÀ NỘI – 2017


LỜI CẢM ƠN
Được sự hướng dẫn của thầygiáoTS. Mai Xuân Dũng em đã thực hiện
đề tài “Nghiên cứu tổng hợp chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ”.
Để hoàn thành khoá luận này, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy
giáo hướng dẫn TS.Mai Xuân Dũng người đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo
nhiều thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện khoá luận.
Em xin chân thành cảm ơn các cán bộViện Khoa học Vật liệu, phòng hỗ
trợ nghiên cứu khoa học Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 và khoa hóa học
trường Đại học khoa học tự nhiên đã nhiệt tình giúp đỡ hỗ trợ em thực hiện
phép đo phổ hấp thụ UV-VIS, phổ phát xạ huỳnh quang, phổ hồng ngoại FTIR…
Em xin được cảm ơn Ban Chủ nhiệm khoa Hóa học - Trường Đại học sư
phạm Hà Nội 2, các thầy cô trong tổ Hóa lí - Công nghệ môi trường đã giảng
dạygiúp em có những bài học rất bổ ích và tích lũy những kiến thức quý báu
trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại trường.

Cuối cùng xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ và là
chỗ dựa tinh thần cho em trong suốt thời gian qua.
Hà Nội,tháng 5 năm 2017
SINH VIÊN

Lê Thị Phượng


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của thầy giáoTS. Mai Xuân Dũng. Các số liệu và kết quả trong
khóa luận là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình
nào khác.
Hà Nội,tháng 5 năm 2017
SINH VIÊN

Lê Thị Phượng


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
QDs

: Chấm lượng tử

C-QDs

: Chấm lượng tử cacbon

N-CQDs

: Chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ

nm

: Nanomét

Eg

: Độ rộng vùng cấm

TEM

: Transmission electron microscope

FT-IR

: Fourier transform - infrared spectroscopy

UV-vis

: Under violet - visible absorption spectroscopy

PL

: Photoluminescence spectroscopy

CA

: Citric acid

EDA

: Ethylenediamine

CA-CQDs

: Chấm lượng tử cacbon tổng hợp từ axit citric

EDA-CQDs : Chấm lượng tử cacbon tổng hợp từ ethylenediamine
Ag/N-CQDs : Hạt nano bạc


MỤC LỤC
PHẦN 1. MỞ ĐẦU........................................................................................... 1
1. Lí do chọn đề tài......................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu.................................................................................. 2
3. Nội dung nghiên cứu.................................................................................. 2
4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 2
5. Điểm mới của đề tài ................................................................................... 3
PHẦN 2. NỘI DUNG ....................................................................................... 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................. 4
1.1. Tổng quan về chấm lượng tử .................................................................. 4
1.1.1. Khái niệm........................................................................................ 4
1.1.2. Cấu trúc điện tử của chấm lượng tử................................................ 4
1.1.3. Tính chất quang của chấm lượng tử................................................ 6
1.1.4. Một vài ứng dụng của chấm lượng tử............................................. 8
1.2. Chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ (N-CQDs) .................................... 10
1.2.1. Mô tả cấu trúc ............................................................................... 10
1.2.2. Một số tiềm năng ứng dụng của chấm lượng tử cacbon pha tạp
nitơ .......................................................................................................... 10

1.2.3. Phương pháp tổng hợp .................................................................. 12
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ...................................................................... 14
2.1. Tổng hợp chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ (N-CQDs) .................... 14
2.1.1. Hóa chất và dụng cụ...................................................................... 14
2.1.2. Quy trình tổng hợp chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ (NCQDs) ..................................................................................................... 14
2.2. Các phương pháp nghiên cứu chấm lượng tử Cacbon pha tạp nitơ...... 15
2.2.1. Phổ hồng ngoại IR......................................................................... 15


2.2.2. Phổ hấp thụ UV-vis....................................................................... 16
2.2.3. Phổ phát xạ huỳnh quang .............................................................. 18
2.3. Thử tính chất oxi hóa khử của chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ ..... 19
2.3.1. Hóa chất và dụng cụ...................................................................... 19
2.3.2. Cách tiến hành............................................................................... 19
2.3.3. Nghiên cứu tính chất oxi hóa khử của N-CQDs ........................... 20
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................. 21
3.1. Chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ (N-CQDs) .................................... 21
3.1.1. Sự hình thành chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ ....................... 21
3.1.2. Cấu trúc của chấm lượng tử cacbon pha tap nitơ ......................... 23
3.1.3. Tính chất quang của chấm lượng tử cacbon ................................. 25
3.2. Tính chất oxi hóa khử của chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ............ 27
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 29
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 30


DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH
Bảng 1. Hiệu suất tương đối của các chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ ..... 27
Hình 1.1. Ảnh hưởng của sự giam giữ lượng tử đến cấu trúc điện tử.............. 5
của bán dẫn........................................................................................................ 5
Hình 1.2. Sự thay đổi cấu trúc điện tử theo kích thước giảm dần của chấm

lượng tử ............................................................................................................. 6
Hình 1.3. Tính chất hấp thụ và phát xạ của chấm lượng tử ............................. 7
Hình 1.4. A) màu sắc phát xạ dưới đèn UV và B) phổ phát xạ huỳnh quang
của chấm lượng tử CdSe có kích thước tăng dần từ trái sáng phải................... 7
Hình 1.5. Cấu trúc chấm lượng tử cacbon pha tạp nitrơ. ............................... 10
Hình 1.6. Phương pháp thủy nhiệt (Hydrothermal) ....................................... 13
Hình 2.1. Quy trình tổng hợp chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ bằng
phương pháp thủy nhiệt................................................................................... 15
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo phổ IR. ................................................ 16
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý của máy đo phổ UV-vis ...................................... 17
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý hệ đo iHR550 ...................................................... 18
Hình 2.5. Thử tính chất oxi hóa khử của chấm lượng tử N-CQDs ................ 20
Hình 3.1. Sự hình thành chấm lượng tử N-CQDs .......................................... 21
Hình 3.2. Ảnh chụp các chấm lượng tử N-CQDs kích thích dưới đèn UV ở
bước sóng ~354 nm ......................................................................................... 22
Hình 3.4. Phổ hồng ngoại của chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ ............... 23
Hình 3.3. Cơ chế phản ứng hình thành chấm lượng tử N-CQDs................... 24
Hình 3.5. Đặc trưng quang học của chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ....... 25
Hình 3.6. Thử tính chất oxi hóa khử của N-CQDs......................................... 27
Hình 3.7. Tính oxi hóa khử của chấm lượng tử N-CQDs .............................. 28


PHẦN 1. MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Thế kỉ XXI với sự phát triển nhảy vọt của khoa học công nghệ. Bắt kịp
xu thế, ngành công nghệ vật liệu cụ thể là vật liệu nano đang phát triển không
ngừng để tìm ra các chất mới có ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực đời sống
xã hội.
Những nghiên cứu gần đây cho thấy, chấm lượng tử– điểm sáng của vật
liệu nano đang được nghiên cứu tiến hành mạnh mẽ và đạt được những tiến

bộ to lớn trong việc tổng hợp các chấm lượng tử, cũng như trong việc tìm
hiểu về khả năng phát quang và tiềm năng ứng dụng đa dạng của nó, ví dụ
như trong các linh kiện chuyển đổi năng lượng mặt trời, các linh kiện quang
điện tử, các linh kiện phát sáng (QD-LED), trong y-sinh như hiện ảnh phân tử
và tế bào, các cảm biến sinh học, đánh dấu sinh học. Chấm lượng tử (quantum
dots: QDs) là thuật ngữ dùng để chỉ nhóm vật liệu có cấu trúc trật tự, có kích
thước d đủ nhỏ để làm xuất hiện các hiệu ứng giam hãm lượng tử - nó là một
đặc tính nổi trội của chấm lượng tử. Hiệu ứng giam hãm này dẫn đến việc
thay đổi phát xạ ánh sáng của chấm lượng tử.
Trong các loại chấm lượng tử đang được nghiên cứu, chấm lượng tử cacbon
(Carbon quantum dots: C-QDs) lại được quan tâm đặc biệtvìchúng không độc
hại, quy trình tổng hợp đơn giản bằng hóa chất hoặc các thực phẩm sẵn có
trong tự nhiên: carot, cà chua, đỗ xanh, sữa...Các ứng dụng tiềm năng của CQDs phụ thuộc nhiều vào tính chất hấp thụ và phát xạ quang học của nó. Do
đó, việc điều khiển tính chất quang (vùng hấp thụ, màu sắc phát xạ) của CQDs có ý nghĩa then chốt trong việc định hình ứng dụng của C-QDs. Về lý
thuyết, tính chất quang quan hệ chặt chẽ với cấu trúc điện tử của C-QDs, do
đó phụ thuộc vào kích thước, thành phần của các hệ liên hợp trên C-QDs hay
các nhóm chức trên bề mặt của chúng.

1


Xuất phát từ mong muốn điều khiển tính chất quang của C-QDs với dị
tố nitơ, trong đề tài nàytôi tập trung “nghiên cứu tổng hợp chấm lượng tử
cacbon pha tạp nitơ”bằng phương pháp thủy nhiệt hỗn hợp axit citric (CA:
nguồn C) và etylendiamin (EDA: nguồn dị tố nitơ).
2. Mục đích nghiên cứu
 Tổng hợp chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ (N-CQDs) bằng phương
pháp thủy nhiệt.
Nghiên cứu tính chất quang của N-CQDs bằngphổ hấp thụ UV-vis và
phổ phát xạ huỳnh quang PL.

 ghiên cứu cấu trúc của chấm lượng tử bằng phổ hồng ngoại IR.
N
Nghiên cứu tính chất oxi hóa khử của chấm lượng tử cacbon pha tạp
nitơ.
3. Nội dung nghiên cứu
Tổng quan tài liệu: phương pháp tổng hợpN-CQDs.
Tổng hợp N-CQDs bằng phương pháp thủy nhiệt.
Đặc trưng cấu trúc của chấm lượng tử thu được bằng các phương pháp
phổ hồng ngoại IR.
 Nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử thu được sử dụng
quang phổ hấp thụ UV-Vis và quang phổ phát xạ PL.
Nghiên cứu tính chất oxi hóa khử của chấm lượng tử cacbonpha tạp
nitơ.
4. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Đầu tiên, chúng
tôi tổng hợp chấm lượng tử cacbon pha tạpnitơ (N-CQDs) bằng phương pháp
thủy nhiệt.Sau đó khảo sát tính chất quang và đưa ra mô hình lý thuyết giải
thích tính chất quang của chấm lượng tử thu được.

2


5. Điểm mới của đề tài
Tổng hợp thành công chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ (N-CQDs), từ
đó tìm ra cách tổng hợp chấm lượng tử N-CQDs cho cường độ phát quang
mạnh nhất dựa vào việc khảo sát sự thay đổi tỉ lệ hợp thức giữa axit citric
(CA) và ethylendiamine (EDA).
Thử tính chất oxi hóa khử của chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ.

3

PHẦN 2. NỘI DUNG
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về chấm lượng tử
1.1.1. Khái niệm
Chấm lượng tử (QDs)– “Nguyên tử nhân tạo”là các tinh thể nano của vật
liệu bán dẫn có đường kính rất nhỏ cỡ một vài nano mét với cấu trúc phức tạp
và được giới hạn bởi cả ba chiều. Tính chất điện tử và quang học của chấm
lượng tử có thể được điều chỉnh chính xác bằng cách thay đổi kích thước,
hình dạng và vật chất của chấm lượng tử, làm tăng khả năng ứng dụng của
chúng.
Một số loại chấm lượng tử chính:
Chất lượng tử bán dẫn III-V: được tổng hợp từ các nguyên tố nhóm III
(Al, Ga, In…) và nhóm V (N, P, As, Sb…) của bảng hệ thống tuần hoàn.
Chấm lượng tử bán dẫn II-VI: được tổng hợp từ các nguyên tố nhóm II
(Zn, Cd…) và nhóm VI (O, S, Se…).
Silicon (Si): vật liệu chuẩn trong ngành công nghiệp bán dẫn và chip.
1.1.2. Cấu trúc điện tử của chấm lượng tử
Khi không gian chuyển động của hạt tải trong bán dẫn bị giới hạn đến
cỡ bán kính Bohr của bán dấn đó thì các trạng thái điện tử sẽ bị lượng tử hóa
theo kết quả của hiệu ứng giam hãm lượng tử. Sự thay đổi cấu trúc điện tử
khi không gian bị giới hạn theo 1, 2 hay 3 chiều ứng với các dạng vật
liệumàng mỏng lượng tử, dây lượng tử và chấm lượng tử được mô tả sơ
bộtrên Hình 1.1.

4


Hình 1.1.Ảnh hưởng của sự giam giữ lượng tử đến cấu trúc điện tử

của bán dẫn
Hiệu ứng giam giữ lượng tử trở nên rõ rệt hơn theo số chiều giam
giữ.Trong màng mỏng lượng tử (giếng lượng tử), sự chuyển động của các hạt
tải điện bị giam giữ nghiêm ngặt theo một chiều, dẫn đến mặt độ trạng thái
không đổi trong mỗi dải. Trong các dây lượng tử, các hạt bị giam giữ theo
hai chiều và mặt độ trạng thái trở lên nhọn. Trong chấm lượng tử, các hạt
giam gữ theo cả ba chiều và các trạng thái thì giống như nguyên tử.
Với chấm lượng tử, kích thước của chúng thường tương đương hoặc nhỏ
hơn bán kính Borh rB của bán dẫn, với

rB

  1

1 


2
e
m
m
h 
e

Trong đó: me và mhlà khối lượng của hạt electron và lỗ trống, ℇ là hằng số
điện môi của bán dẫn [6,7,8].Sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm Eg của QDs
vào kích thước có thể được giải thích sử dụng bài toán “giếng thế một chiều”.
Bằng tính toán,mối liên hệnày được thể hiện cụ thể qua phương trình sau:

5


 2
m
Eg  Eg   2 2
y R
2m R  m
e
0

2

Với Eg là độ rộng vùng cấm của bán dẫn khối; R là bán kính của QDs và Ry =
13,6 eV là hằng số Ryderg.

Hình 1.2. Sự thay đổi cấu trúc điện tử theo kích thước giảm dần của chấm
lượng tử
1.1.3. Tính chất quang của chấm lượng tử
Tính chất hấp thụ và phát xạ là 2 tính chất quang quan trọng của chấm
lượng tử. Tính chất quang của chấm lượng tử kèm theo các chuyển dịch
quang được phép của electron giữa các mức năng lượng lượng tử hóa. Chấm
lượng tử chỉ hấp thụ ánh sáng có năng lượng

hc ³ E . Khi hấp thụ, electron
g


ở

vùng hóa trị sẽ bị kích thích chuyển lên vùng dẫn và để lại ở vùng hóa trị một
lỗ trống. Các electron và lỗ trống có thể liên kết với nhau tạo thành một
exciton (cặp lỗ trống - điện tử). Khi exciton tái kết hợp (tức electron hồi phục
trạng thái cơ bản) nó sẽ phát ra ánh sáng có năng lượng hc = Eg . Quá trình

quang – điện tử trên đây được mô tả trên Hình 1.3.


Hình 1.3. Tính chất hấp thụ và phát xạ của chấm lượng tử
Như vậy, tính chất hấp thụ và phát xạ của QDs có thể được điều khiển
thông qua kích thước của chúng. Như ví dụ trên hình 1.4 trình bày sự phát xạ
huỳnh quang của chấm lượng tử CdSe có kích thước khác nhau[2].

Hình 1.4.A) màu sắc phát xạ dưới đèn UV và B) phổ phát xạ huỳnh quang
của chấm lượng tử CdSe có kích thước tăng dần từ trái sáng phải


1.1.4. Một vài ứng dụng của chấm lượng tử
Chấm lượng tử với đặc tính quang - điện tửphụ thuộc vào kích cỡ và
hình dạng của chúng. Nhờ vào đặc tính lý thú này,chấm lượng tử đã và đang
được nghiên cứu ứng dụng trên nhiều lĩnh vực công nghệ cao.
LED (light-emitting diodes)
Trong LED, chấm lượng tử có thể được sử dụng kết hợp, hoặc thay thế
chất chuyển đổi quang học truyền thống trên cơ sơ YAG:Ce hoặc cũng có thể
sử dụng làm vật liệu phát quang trực tiếp. Trong ứng dụng làm vật liệu chuyển
đổi quang học, do QDs có thể hấp thụ ánh sáng năng lượng cao và phát xạ ánh
sáng có năng lượng bằng Eg nên bằng cách sử dụng độc lập hoặc hỗn hợp của
QDs có kích thước khác nhau ta có thể thu được các LED có màu sắc tùy ý.
Hiện nay, InP/ZnS cấu trúc lõi vỏ với kích thước khác nhau được sử dụng làm
vật liệu chuyển đổi quang học trong TV Samsung QD-LED.

Trong trường hợp QDs sử dụng làm vật liệu phát quang, QDs kích thước
khác nhau được tích hợp với các vật liệu truyền dẫn điện tử. Khi điện tử và lỗ
trống được đưa vào QDs, chúng sẽ tái hợp với nhau và phát xạ ánh áng có
năng lượng bằng Eg của QDs. Sử dụng QDs có kích thước khác nhau cho
LED có màu sắc khác nhau mà không cần sử dụng thêm vật liệu chuyển đổi
quang học.
Ứng dụng y sinh
Chấm lượng tử (QDs) được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu y sinh,
nónhư một công cụ hình ảnhhuỳnh quanghiện ảnh phân tử và tế bào cho kết
quả rõ nét với độ phân giả ba chiều. QDs cho thấy lợi thế đáng kể so với hầu
hết các chất nhuộm hữu cơ fluorophore, cho năng suất lượng tử lớn hơn các
chất nhuộm hữu cơ ở bước sóng tương tự. QDs trở thành một công cụ rất
mạnh để theo dõi các phân tử đơn đóng góp đáng kể vào sự phát triển của
sinh học tế bào.


Ngoài ra, chấm lượng tử được ứng dụng trong điều trị ung thưbởi những
đặc tính ưu việt của mình. Kích thước nhỏ giúp chấm lượng tử lưu thông mọi
nơi trong cơ thể và phát sáng dưới tác dụng của tia UV. Nhờ đó, các nhà
nghiên cứu có thể thiết kế ra các chấm lượng tử mang thuốc chống ung thư
với liều lượng chính xác tác động lên các tế bào cụ thể làm giảm tác dụng phụ
không mong muốn mà các phương pháp hóa trị truyền thống mang lại.
Pin mặt trời (Solar cells)
Trong số các pin mặt trời thế hệ thứ ba, các tế bào năng lượng mặt trời
chấm lượng tử với đặc tính độc đáo và linh hoạt đang dần thay thế cho các
tấm silicon ép giữ lớp kính như loại pin truyên thống. Các pin mặt trời chấm
lượng tử sử dụng màng mỏng các tinh thể nano để hấp thụ ánh sáng và
chuyển chúng thành năng lượng điện. Các pin mặt trời chấm lượng tử cho
hiệu quả hấp thụ ánh sáng tốt, việc sản xuất chúng được thực hiện bằng các
phản ứng hóa học đơn giản giúp tiết kiệm chi phí sản xuất – đây chính là điểm

ưu việt mà pin mặt trời chấm lượng tử làm được.Ngoài ra việc thay đổi kích
thước của chấm lượng tử có thể được sử dụng để hấp thụ riêng rẽ từng phân
đoạn của quang phổ mặt trời, kể cả vùng hồng ngoại đem lại nhiều lợi ích
đáng kể.
Máy tính lượng tử (quantum computing)
Chấm lượng tử đã mở đường cho các siêu máy tínhđược biết đến như
các máy tính lượng tử - ứng cử viên đầy hứa hẹn cho thế hệ máy tính tương
lai.Máy tính lượng tử là một hệ thống máy tính thực hiện các hoạt động dữ
liệu bằng cách sử dụng các quy trình cơ lượng tử. Vào đầu năm 2009, Google
đã cho ra máy tính lượng tử D-wave Hai với một số ứng dụng thú vị như là
giải thích ngôn ngữ tự nhiên, ngôn ngữ cơ thể và các tín hiệu khác mà con
người có thể diễn giải nhưng các máy tính thông thường không thể làm được.
Hy vọng trong tương lại gần, cùng với sự phát triển của công nghệ tính toán


lượng tử, các máy tính lượng tử có thể được ứng dụng rộng rãi hơn và mang
lại thật nhiều tiện ích cho cuộc sống con người.
1.2. Chấm lượng tử cacbonpha tạp nitơ (N-CQDs)
1.2.1. Mô tả cấu trúc

Hình 1.5.Cấu trúc chấm lượng tử cacbon pha tạp nitrơ.
Bằng thực nghiệm và mô hình lý thuyết, cấu trúc của chấm lượng tử
cacbon pha tạp nitơ (N-CQDs) được chấp nhận rộng rãilà hệ gồm nhiều hệ đa
vòng thơm liên hợp - nối với nhau bởi các mạch hydrocacbon no. Các dị tố
N có thể tham gia vào hệ liên hợp ở các dạng khác nhau. Tính tan trong nước
của N-CQDs được quyết định bởi các nhóm phân cực có trên bề mặt như NH2, -COOH, -OH. Tính chất quang học của N-CQDs phụ thuộc vào các yếu
tố cơ bản như kích thước và thành phần của các hệ liên hợp có trong nó, khả
năng tương tác giữa các hệ liên hợp này, thành phần và trạng thái hóa học của
dị tố N.
1.2.2. Một số tiềm năng ứng dụng của chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ

Trong những năm gần đây, sự quan tâm ngày càng tăng với các vật liệu
nano phát quang cacbon do tính chất độc đáo của chúng, như độ độc hại thấp,


sự phát quang mạnh và điều chỉnh được, độ ổn định cao, tính dẫn điện và dẫn
nhiệt tốt. Để cải thiện ứng dụng của C-QDs, gần đây các tính quang- điện tử
của C-QDs được tinh chỉnh bằng cách kích hoạt các nguyên tử N tạo ra các
N-CQDs mạng lại nhiều ứng dụng như:
hiệnkim
loại
nặng(���� �+ , �����+ ,
�����+ , �����+ … )trong môi
Đầu

dò

phát

trường nước

Các chấm lượng tử pha tạp nitơ (N-CQDs) được sử dụng như một nền
tảng cảm ứng huỳnh quang hiệu quả giúp phát hiện ionkim loại nặng trong
các dung dịch nước và các mẫu nước thực tế (nước hồ, nước máy…). Bằng
quy trình tổng hợp đơn giản- phương pháp thủy nhiệt với chi phí thấp đã thu
được N-CQDs thể hiện huỳnh quang phụ thuộc vào bước sóng kích
thích.Việc phát hiện kim loại nặng dựa vào cơ chế tắt huỳnh quang của chấm
lượng tử N-CQDs trong sự có mặt của tác nhân có thế oxi hóa – khử phù hợp
với năng lượng của electron (hoặc lỗ trống) ở trạng thái kích thích.
Pin mặt trời
Các pin mặt trời C-QDs ngày nay được sử dụng đang làm rất tốt vai trò

của mình nhưng chúng lại chứa một số kim loại độc hại ảnh hưởng đến con
người và môi trường sống (Cd, Pd, In,...). Xem xét việc bảo vệ môi trường,
các giải pháp thay thế thân thiện với môi trường vật liệu "xanh" rất cần thiết
và được hoan nghênh. Có một loại pin mặt trời lượng tử dựa trên các chấm
lượng tử cacbon có chứa nitơ làm được điều đó. Sự hấp thụ excition của NCQDs phụ thuộc vào hàm lượng N trong các chấm lượng tử, hàm lượng này
có thể dễ dàng được thay đổi bởi tỉ lệ hợp thứctham gia phản ứng. Các pin


mặt trời được sản xuất từ N-CQDs có hiệu suất chuyển đổi năng lượng quang
năng sang điện năng tốt nhất là 0,79%. Đây là hiệu quả tốt nhất đối với các
pin mặt trời.
Ứng dụng y sinh
Các C-QDs và đặc biệt là N-CQDs tan trong nước, không độc hại, có
khả năng phát xạ huỳnh quang tốt đang được nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh
vực sinh học tế bào và y-sinh-dược học. Trong các ứng dụng này, C-QDs
được sử dụng làm đầu dò huỳnh quang kích thước nm gắn với các tác nhân
sinh học cần nghiên cứu như thuốc, nhân tế bào…để theo dõi động học của
các tiểu phần y-sinh này.
1.2.3. Phương pháp tổng hợp
Ngày nay chấm lượng tử cacbon có thể được tổng hợp bằng các phương
pháp vật lý hay pháp hóa học. Trong khi các phương pháp vật lý thường có
chi phí tổng hợp cao do các yêu cầu khắt khe về thiết bị, các phương pháp hóa
học tỏ ra có nhiều ưu thế do dễ thực hiện, kinh phí thấp, dễ dàng thay đổi
thành phần và cấu trúc của chấm lượng tử. Trong các phương pháp tổng hợp
hóa học đã công bố, phương pháp thủy nhiệt được sử dụng rộng rãi do sử
dụng dung môi nước thân thiện với môi trường và trang thiết bị đơn giản.
Phương pháp thủy nhiệt(hydrothermal)
Phương pháp thủy nhiệt được xây dựngtrên độ tan của các vật liệu trong
dung môi nước hoặc dung môi khác ở áp suất cao. Áp suất sinh ra khi thực
hiện phản ứng trong bình kín ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của dung môi.

Trong phương pháp thủy nhiệt, các tiền chất được trộn lẫn trong dung dịch ở
điều kiện thường, sau đó tất cả được đưa vào bình Teflon chịu áp để thủy
o

o

nhiệt ở nhiệt độ từ khoảng 100 C đến dưới300 C, như mô tả trên hình 1.6.
Nhiệt độ cao và áp suất cao thúc đẩy quá trình phân hủy các hợp phần ít trật
tự để tạo thành các cấu trúc “đặc khít” trật tự hơn.


Hình 1.6. Phương pháp thủy nhiệt (Hydrothermal)

13


CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM
2.1. Tổng hợp chấm lượng tử cacbonpha tạp nitơ(N-CQDs)
2.1.1. Hóa chất và dụng cụ
Hóa chất:
- Axit citric (CA: 96%), Etylendiamin (EDA: 98%)
- Nước cất 2 lần
Dụng cụ:
- Các loại pipet 5, 10 ml, bình định mức 100 mL
- Các cốc thủy tinh, bình tam giác, phễu thủy tinh, phễu chiết
- Giấy thử pH, giấy lọc
- Ống nghiệm
Thiết bị:
- Cân phân tích
- Máy li tâm

- Tủ sấy
- Bộ bình Teflon (bình thuỷ nhiệt)
2.1.2. Quy trình tổng hợp chấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ(N-CQDs)
Lấy hai dung dịch axit citric CA (1M) và dung dịch Etylendiamin EDA
(1M) cho vào bình phản ứng Teflon.Thay đổi tỉ lệ thể tích giữa CA và EDA
lần lượt thành: (10:0); (8:2); (6:4); (4:6); (2:8) và (0:10) để tổng hợp các dung
dịch chấm lượng tử N-CQDs khác nhau. Tổng thể tích dung dịch đem thủy
nhiệt là 70 ml. Bình Teflon sau đó được cho vào vỏ thép, đậy kín rồi cho vào
o

lò ổn nhiệt ở 180 C. Thời gian phản ứng thủy nhiệt là 3h. Sau phản ứng, lấy
ống phản ứng ra để cho nhiệt độ giảm đến nhiệt độ phòng. Dung dịch NCQDs thu được sau phản ứng có màu thay đổi khi tỉ lệ hợp thức giữa CA và
EDA thay đổi. Quy trình tổng hợp chấm lượng tử cacbonpha tap nitơ (NCQDs) được thể hiện trên sơ đồ (Hình 2.1).

14


Hình 2.1. Quy trình tổng hợpchấm lượng tử cacbon pha tạp nitơ bằng
phương pháp thủy nhiệt.
2.2. Các phương pháp nghiên cứu chấm lượng tử Cacbonpha tạp nitơ
2.2.1. Phổ hồng ngoại IR
Phô hông ngoai IR la phô đươc thưc hiên ơ vung hông ngoai cua phô
bưc xa điên tư, ánh sáng vung nay co bươc song dai hơn va tân sô thâp hơn so
vơi vung anh sang nhin thây . Phổ hồng ngoại IR cung cấp rất nhiều thông tin
về chất nghiên cứu. Từ tần số của các vân phổ hấp thụ được chophép ta
kết luận sự có mặt của các nhóm chức trong phân tử - giúp xác định cấu trúc
phân tử của chất nghiên cứu. Ngoài ra, phương pháp quang phổ hồng ngoại
còn có rất nhiều ứng dụng như: nghiên cứu động học phản ứng, nhận biết
các chất, xác định độ tinh khiết, suy đoán về tính đối xứng của phân tử,
sử dụng để phân tch định lượng…

Nguyên lýhoạt động: Chùm ta hồngngoại phát ra từ nguồn sáng
được tách ra hai phần, một đi qua mẫu và một phần đi qua dung
môi rồi được bộđơn sắc tách thành từng bức xạ có tần số khác nhau
và chuyển
15


đến detector.Detector sẽ so sánh cường độ hai chùm ta và chuyển thành
tín hiệu điện có cường độ tỉ lệ với phần bức xạ đã bị hấp thụ bởi mẫu. Dòng
điện này có cường độ rất nhỏ nên phải nhờ bộ khuếch đại tăng lên nhiều lần
trước khi chuyển sang bộ phận tự ghi vẽ lên bản phổ hoặc đưa vào máy
tnh xử lý số liệu rồi in ra phổ. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ đo phổ
hồng ngoại được trình bày sơ bộ trên (Hình 2.2).

Hình 2.2.Sơ đồ nguyên lý của hệ đo phổ IR.
Cách chuẩn bị mẫu đo: Một lượng nhỏ mẫu rắn đã được cô đặc từ dung
dịch N-CQDs được trộn đồng đều với KBr theo tỉ lệ 1:10 hoặc 1:100 rồi ép
thành các viên mỏng hầu như trong suốt bằng mấy ép thủy lực. Một
mẫu trắng được chuẩn bị tương tự từ KBr được dùng làm mẫu so sánh. Phổ
hồng ngoại được đo trên máy Spectrum 400 của hãng PekinElmer ở vùng
phổ từ
-1

400 đến 4000 cm .
2.2.2. Phổ hấp thụ UV-vis
Phổ hấp thụ là một công cụ hữu ích trong việc nghiên cứu sự tương tác
của vật liệu với ánh sáng chiếu vào, cung cấp thông tin về quá trình hấp thụ

16

xảy ra tương ứng với các chuyển dời quang học từ trạng thái cơ bản đến
trạng

17


thái kích thích. Từ đó, có thể xác định được bước sóng kích thích hiệu quả
[2].Phổ hấp thụ UV-vis thường được biểu diễn dưới dạng đường cong cho
thấy sự phụ thuộc độ hấp thụ của một chất bất kì ở trạng thái dung dịch
theo bước sóng của ánh sáng chiếu tới.Sơ lược nguyên lý phép đo phổ hấp
thụ UV- vis (Hình 2.3).

Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý của máy đo phổ UV-vis
Chùm ánh sáng được phát ra từ một nguồn sáng, là đèn phát sáng (đèn
hydro, đèn deteri, đèn thủy ngân…) trong vùng tử ngoại (UV) hoặc đèn sợi
đốt vonfram trong vùng nhìn thấy (vis) sau đó đi qua bộ đơn sắc với nhiệm
vụtách chùm sáng đa sắc ra thành các bước sóng đơn sắc. Mỗi tia sáng
đơn sắc này sẽ lần lượt được chia thành hai tia để so sánh, có cường độ
như nhau.Một trong hai ta sáng trên truyền qua một cuvet trong suốt bằng
thạch anh chứa dung dịch mẫu cần nghiên cứu, cường độ của tia sáng sau khi
truyền qua mẫu là I. Tia sáng còn lại (ta sáng so sánh) truyền qua một
cuvet tương tự nhưng chỉ chứa dung môi không chứa chấm lượng tử, cường
độ của nó sau khi truyền qua dung môi là Io. Cường độ của các tia sáng
sau đó được các detector ghi lại và so sánh trực tiếp trong cùng điều kiện
đo. Nếu mẫu không hấp thụ ánh sáng ở một bước sóng đã cho thì I = Io. Tuy
nhiên nếu mẫu hấp thụ ánh sáng thì I < Io.
Cách chuẩn bị mẫu đo: Khi tến hành đo phổ hấp thụ của N-CQDs,
trước khi đo ta chuẩn bị dung môi nước cất để lấy baseline. Phổ hấp thụ UV18