luận văn thạc sĩ nghiên cứu tích hợp vi khuẩn edophyte với vật liệu nano ứng dụng trong bảo vệ cây trồng

BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

Đinh Thị Hiền

NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP VI KHUẨN ENDOPHYTE VỚI VẬT
LIỆU NANO ỨNG DỤNG TRONG BẢO VỆ CÂY TRỒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA HỌC

Hà Nội - 2019


BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

Đinh Thị Hiền

NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP VI KHUẨN ENDOPHYTE VỚI VẬT

LIỆU NANO ỨNG DỤNG TRONG BẢO VỆ CÂY TRỒNG

Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 8440113
LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
Hƣớng dẫn 1: TS Lê Đăng Quang
Hƣớng dẫn 2: GS.TS Trần Đại lâm

Hà Nội - 2019


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết
quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và
chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc hoàn thành luận văn đã
đƣợc cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều đƣợc chỉ rõ
nguồn gốc. Nếu có gì sai sót tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, tháng 09 năm 2019
Tác giả luận văn

Đinh Thị Hiền


Lời cảm ơn
Luận văn này đƣợc hoàn thành tại Học viện Khoa Học & Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin gửi lời cám ơn chân
thành nhất tới GS.TS Trần Đại Lâm và TS Lê Đăng Quang đã tận tình

hƣớng dẫn, động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy, cô giáo trong Học
viện Khoa Học & Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam đã chỉ bảo và giảng dạy tôi trong năm học qua cũng nhƣ hoàn thiện luận
văn này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các cán bộ nhân viên trong Trung tâm nghiên
cứu và triển khai các hoạt chất sinh học dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của
GS.TS Trần Đại Lâm và TS Lê Đăng Quang, trong khuôn khổ đề tài “Nghiên
cứu ứng dụng chế phẩm nano – vi khuẩn PGPR nhằm phòng trừ bệnh giả
sƣơng mai trên cây dƣa lƣới” - Trung tâm phát triển công nghệ cao – Viện
Hàn Lâm Khoa Học và Công nghệ Việt Nam (Hợp đồng thực hiện nghiên cứu
khoa học và công nghệ số 47/2018/HĐ-QKHCN ngày 28/12/2018 giữa Quỹ
phát triển khoa học và công nghệ thành phố Hồ Chí Minh và Trung tâm phát
triển công nghệ cao) đã quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi tốt nhất
cũng nhƣ những đóng góp về chuyên môn cho tôi trong quá trình học tập và
nghiên cứu thực hiện và bảo vệ luận văn.
Cuối cùng tôi xin cám ơn những ngƣời thân trong gia đình và bạn bè đã
dành cho tôi sự khích lệ, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.
Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2019
Học viên

Đinh Thị Hiền


Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Kí hiệu

Chú giải

BVTV

Bảo vệ thực vật

D

Kích thƣớc hạt nano

DLS

Phƣơng pháp đo tán xạ ánh sáng động học

ĐCSH

Đối chứng sinh học

LB

Môi trƣờng nuôi cấy vi khuẩn (Peptone 10g, Cao nấm men
5g, NaCl 10g)

IR

Phổ hấp thụ hồng ngoại

OD

Mật độ quang

PGPR

Vi khuẩn vùng rễ kích thích tăng trƣởng thực vật

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua

TEOS

Tetraetyl orthosilicat

TGA

Thermogrametric Analysis (Phân tích nhiệt khối lƣợng)

TiBALDH

Hạt nano Titanium-Bis-Ammonium-Lactato-Dihydrohyde

TTIP

Titanium Isopropoxide


Danh mục các bảng
Bảng 2.1. Sự phụ thuộc độ ổn định của hệ keo vào giá trị thế Zeta ............... 43
Bảng 2.2. Bảng các nồng độ nano TiO2 thử nghiệm với vi khuẩn ................. 46

Bảng 2.3. Bảng các nồng độ nano SiO2 thử nghiệm với vi khuẩn ................. 47
Bảng 3.1. Kết quả phân tích DLS các mẫu TiO2 ............................................ 54
Bảng 3.2. Kết quả phân tích DLS các mẫu SiO2 ............................................ 58
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát OD các mẫu vi khuẩn và nano TiO2................... 63
Bảng 3.4. Kết quả khảo sát OD các mẫu chứa vi khuẩn và nano SiO2 .......... 66
Bảng 3.5. Thời gian sinh trƣởng của các mẫu dƣa lƣới ................................. 70
Bảng 3.6. Chiều cao trung bình của các mẫu cây dƣa lƣới theo thời gian ..... 71
Bảng 3.7. Số lá trung bình ở các mẫu cây dƣa lƣới theo thời gian ................ 74
Bảng 3.8. Số nhánh trung bình ở các mẫu cây dƣa lƣới theo thời gian ......... 74
Bảng 3.9. Kết quả khảo sát các mẫu mạ sau gieo hạt ..................................... 79
Bảng 3.10. Động thái tăng trƣởng các mẫu lúa sau gieo trồng ...................... 80


Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1. Mô hình cấu trúc tinh thể TiO2 pha anatas (a), rutil (b) brookit (c)
và tinh thể khuyết tật mạng (d) [1] .................................................................... 4
Hình 1.2. Giản đồ năng lƣợng của TiO2 pha anatas và rutil [1] [8] ................. 7
Hình 1.3. Sơ đồ mô tả các quá trình oxy hoá và khử trong tinh thể bán dẫn [1]
[3] [4]................................................................................................................. 9
Hình 1.4. Cấu trúc phân tử Silica ................................................................... 11
Hình 1.5. Sơ đồ tổng hợp oxit bằng phƣơng pháp sol-gel. ............................ 16
Hình 1.6. Các cơ chế đã biết của vi khuẩn PGPR Bacillus spp. đối với cây
trồng [21] [22] ................................................................................................. 21
Hình 1.7. Hạt nano Titanium-Bis-Ammonium-Lactato-Dihydrohyde
(TiBALDH) [23] ............................................................................................. 23
Hình 1.8. Hình ảnh cây lúa trên ruộng ........................................................... 29
Hình 1.9. Cây dƣa lƣới trồng trong nhà kính ................................................. 32
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên tắc của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ....... 38
Hình 2.2. Thiết bị kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ............................. 39
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên tắc của kính hiển vi điện tử quét (SEM) ................. 40

Hình 2.4. Thiết bị kính hiển vi điện tử quét (SEM) ....................................... 41
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý của máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 42
Hình 2.6. Thiết bị phân tích IR ....................................................................... 43
Hình 2.7. Một số thiết bị dùng trong nuôi cấy và đánh giá sự phát triển của vi
khuẩn ............................................................................................................... 44
Hình 3.1. Hình ảnh mẫu T3 ............................................................................ 55
Hình 3.2. Kết quả phân tích DLS mẫu T3 ...................................................... 55
Hình 3.3. Thế zeta mẫu T3 ............................................................................. 55
Hình 3.4. Kết quả phân tích SEM mẫu T3 .................................................... 56
Hình 3.5. Kết quả phân tích TEM mẫu T3 ..................................................... 56
Hình 3.6. Kết quả phân tích IR mẫu T3 ......................................................... 57
Hình 3.7. Hình ảnh mẫu S2 ............................................................................ 59
Hình 3.8. Kết quả phân tích DLS mẫu S2 ...................................................... 59
Hình 3.9. Thế zeta mẫu S2 ............................................................................. 59
Hình 3.10. Kết quả phân tích TEM của mẫu S2 ............................................ 60
Hình 3.11. Kết quả phân tích TEM của mẫu S2 sau khi siêu âm................... 60
Hình 3.12. Kết quả phân tích SEM mẫu S2 ................................................... 61
Hình 3.13. Phổ IR của mẫu S2 ....................................................................... 62
Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị OD và thời gian của các
mẫu chứa vi khuẩn và nano TiO2 .................................................................... 64
Hình 3.15. Hình ảnh mẫu nano TiO2 60 µg/ml – vi khuẩn - LB ở các thời gian
khác nhau 4 giờ (a); 8 giờ (b); 24 giờ (c) và 48 giờ (d) ................................. 65
Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị OD và thời gian của các
mẫu chứa vi khuẩn và nano SiO2 .................................................................... 66


Hình 3.17. Hình ảnh mẫu nano SiO2 100 µg/ml – vi khuẩn – LB ở các thời
gian khác nhau 4 giờ (a); 8 giờ (b); 24 giờ (c) và 48 giờ (d) ......................... 67
Hình 3.18. Hình ảnh SEM mẫu nano TiO2 – vi khuẩn trên rễ cây dƣa.......... 68
Hình 3.19. Hình ảnh SEM mẫu nano SiO2 – vi khuẩn trên rễ cây dƣa .......... 69

Hình 3.20. Bộ rễ cây trƣớc khi đƣa ra ruộng sản xuất ................................... 69
Hình 3.21. Hình ảnh các mẫu dƣa lƣới sau trồng 21 ngày ............................. 72
Hình 3.22. Hình ảnh các mẫu dƣa lƣới sau trồng 28 ngày ............................. 73
Hình 3.23. Hình ảnh hạt thóc đƣợc ngâm trong thời gian 1 giờ và 24 giờ với
các dung dịch khác nhau ................................................................................. 76
Hình 3.24. Hình ảnh mạ các mẫu giống ngâm trong các dung dịch 1 giờ ..... 77
Hình 3.25. Hình ảnh mạ các mẫu giống ngâm trong các dung dịch 24 giờ ... 77
Hình 3.26. Hình ảnh lúa các mẫu giống ngâm trong các dung dịch 1 giờ
chuyển lên đất trồng sau 28 ngày .................................................................... 78
Hình 3.27. Hình ảnh lúa các mẫu giống ngâm trong các dung dịch 24 giờ
chuyển lên đất trồng sau 28 ngày .................................................................... 78


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI ................................................................................ 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 3
1.1. TỔNG QUAN VỀ NANO TiO2, SiO2 ................................................... 3
1.1.1. Tổng quan về nano TiO2 ............................................................... 3
1.1.1.1. Cấu trúc, tính chất của vật liệu nano TiO2 .............................. 3
1.1.1.2. Tính chất xúc tác quang của TiO2............................................ 7
1.1.1.3. Ứng dụng nano TiO2 trong nông nghiệp ............................... 10
1.1.2. Tổng quan về SiO2....................................................................... 11
1.1.2.1. Tổng quan về cấu trúc ............................................................ 11
1.1.2.2. Tính chất................................................................................. 12
1.1.2.3. Ứng dụng nano SiO2 trong nông nghiệp ................................ 13
1.1.3. Các phƣơng pháp tổng hợp nano TiO2 và nano SiO2 ............. 14
1.1.3.1. Phương pháp hóa ướt (wet chemical) .................................... 14
1.1.3.2. Phương pháp cơ học (mechanical) ........................................ 14
1.1.3.3. Phương pháp bốc bay ............................................................ 14

1.1.3.4. Phương pháp hình thành từ pha khí (gas-phase) .................. 15
1.1.3.5. Phương pháp sol- gel ............................................................. 15
1.2. TỔNG QUAN VỀ VI KHUẨN Bacillus subtilis ................................ 20
1.2.1. Giới thiệu chung về nhóm vi khuẩn PGPR .............................. 20
1.2.2. Vai trò PGPR trong kích thích sinh trƣởng thực vật .............. 20
1.2.3. Vi khuẩn Bacillus subtilis ........................................................... 23
1.2.3.1. Đặc điểm phân loại ................................................................ 23
1.2.3.2. Đặc điểm phân bố .................................................................. 24
1.2.3.3. Đặc điểm hình thái ................................................................. 24
1.2.3.4. Đặc điểm sinh hóa.................................................................. 25
1.2.3.5. Các chất kháng sinh do Bacillus subtilis tổng hợp ................ 26
1.2.3.6. Tính đối kháng của Bacillus subtilis ...................................... 27
1.3. CÂY LÚA VÀ DƢA LƢỚI................................................................. 27
1.3.1. Tổng quan về cây lúa .................................................................. 27
1.3.2. Tổng quan về cây dƣa lƣới ......................................................... 32
CHƢƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU ................................................................................................................ 34
2.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO .......................................................... 34
2.1.1. Nguyên vật liệu và thiết bị .......................................................... 34
2.1.1.1. Hóa chất ................................................................................. 34


2.1.1.2. Thiết bị ................................................................................... 34
2.1.2. Phƣơng pháp................................................................................ 34
2.1.2.1. Phương pháp tổng hợp nano TiO2, SiO2................................ 34
2.1.2.2. Phương pháp đánh giá cấu trúc hạt ...................................... 38
2.2. PHƢƠNG PHÁP NUÔI CẤY VI KHUẨN Bacillus subtilis.............. 44
2.2.1 Chủng vi sinh PGPR .................................................................... 44
2.2.2 Dụng cụ, hóa chất, thiết bị và môi trƣờng nuôi cấy vi sinh,
chủng vi khuẩn ...................................................................................... 44

2.2.3 Trình tự tiến hành ........................................................................ 45
2.2.3.1. Nuôi cấy vi khuẩn ................................................................... 45
2.2.3.2. Nuôi cấy vi khuẩn và nano ..................................................... 45
2.3. PHƢƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM VỚI CÂY LÚA VÀ CÂY DƢA .. 47
2.3.1. Thử nghiệm trên cây dƣa ........................................................... 47
2.3.1.1. Chọn giống dưa ...................................................................... 47
2.3.1.2. Yêu cầu sinh thái đối với cây dưa lưới .................................. 47
2.3.1.3. Kỹ thuật canh tác ................................................................... 48
2.3.1.4. Các chỉ tiêu theo dõi .............................................................. 50
2.3.2. Thử nghiệm trên cây lúa ............................................................ 51
2.3.2.1. Chọn giống lúa ....................................................................... 51
2.3.2.2. Quy trình thực hiện ................................................................ 51
2.3.2.3. Phương pháp đánh giá ........................................................... 52
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 54
3.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU ...................................................................... 54
3.1.1. Tổng hợp nano TiO2.................................................................... 54
3.1.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TTIP/H2O tới kích cỡ hạt 54
3.1.1.2. Khảo sát cấu trúc hạt TiO2 .................................................... 56
3.1.2. Tổng hợp nano SiO2 .................................................................... 58
3.1.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TEOS/H2O tới kích cỡ hạt.
............................................................................................................. 58
3.1.2.2. Khảo sát cấu trúc hạt SiO2.................................................... 60
3.2. KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA VI KHUẨN
ENDOPHYTE - NANO .............................................................................. 63
3.2.1. Vi khuẩn Endophyte và nano TiO2 ........................................... 63
3.2.2. Vi khuẩn Endophyte và nano SiO2 ............................................ 65
3.3. THỬ NGHIỆM TRÊN LÚA VÀ DƢA LƢỚI .................................... 67
3.3.1. Khảo sát ảnh hƣởng của nano – vi khuẩn đến khả năng sinh
trƣởng và phát triển cây dƣa ............................................................... 68
3.3.1.1. Ảnh hưởng của nano – vi khuẩn đến tỷ lệ, tốc độ nảy mầm,

khả năng bám dính vi khuẩn và sự phát triển của bộ rễ ..................... 68


3.3.1.2. Ảnh hưởng của nano – vi khuẩn đến các giai đoạn sinh trưởng
phát triển của dưa ............................................................................... 70
3.3.1.3. Ảnh hưởng của nano – vi khuẩn đến động thái tăng trưởng
chiều cao của dưa lưới ........................................................................ 70
3.3.1.4. Ảnh hưởng của nano – vi khuẩn đến động thái tăng trưởng số
lá của cây dưa lưới.............................................................................. 73
3.3.1.5. Ảnh hưởng của nano – vi khuẩn đến khả năng phân nhánh của
cây dưa lưới......................................................................................... 74
3.3.2. Thử nghiệm trên cây lúa ............................................................ 75
3.3.2.1. Gieo và chăm sóc ................................................................... 75
3.3.2.2. Đánh giá ................................................................................. 79
CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................... 82
4.1. Kết luận .............................................................................................. 82
4.2. Kiến nghị .............................................................................................. 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 84


1
MỞ ĐẦU
1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Cho đến ngày nay khi khoa học kỹ thuật phát triển, đặc biệt là ngành
khoa học công nghệ nano, việc ứng dụng các hạt nano trong công nghệ sinh
học, đặc biệt trong nông nghiệp đang là vấn đề thu hút đƣợc sự quan tâm của
nhiều nhà khoa học trên thế giới.
Vi khuẩn nội ký sinh thực vật (Endophytic bacteria) đƣợc tìm thấy
trong hầu hết ở các loài thực vật, chúng cƣ trú ở trong nội mô của thực vật ký
chủ và giữa chúng hình thành một loạt các mối quan hệ khác nhau nhƣ cộng

sinh tƣơng hỗ, công sinh dinh dƣỡng, hội sinh. Endophytic bacteria thúc đẩy
thực vật tăng trƣởng, tăng năng suất và đóng vai trò là một tác nhân điều hòa
sinh học. Endophytic bacteria sản xuất hàng loạt các sản phẩm tự nhiên có lợi
cho thực vật ký chủ mà ta có thể khai thác những tác nhân đó để ứng dụng
trong y học, nông nghiệp hay công nghiệp. Ngoài ra nó còn có tiềm năng loại
bỏ các chất gây ô nhiễm trong đất bằng cách tăng cƣờng khả năng khử độc
trên thực vật và làm cho đất trở nên màu mỡ thông qua chu trình photphat và
cố định đạm. Ngày càng có nhiều quan tâm trong việc phát triển các ứng dụng
tiềm năng công nghệ sinh học của Endophytic bacteria để phát triển các giống
cây trồng có khả năng khử độc đồng thời có khả năng sản xuất sinh khối và
nhiên liệu sinh học.
Tích hợp vật liệu nano TiO2/ nano SiO2 và vi khuẩn endophyte giúp
cho quá trình chuyển hóa và hấp thụ phân bón của cây diễn ra nhanh chóng và
hiệu quả giúp giảm lƣợng phân bón và thuốc tăng trƣởng thực vật. Đồng thời
khi Endophyte phát triển mạnh, thì cây trồng sẽ phải tiết ra nhiều hoạt chất
phytoalexin (PA) hơn, đây là hoạt chất miễn dịch tự nhiên có trong cây. Hoạt
chất này sẽ giúp cây tăng thêm khả năng chống chịu khi gặp những điều kiện
bất lợi từ môi trƣờng giúp ngƣời nông dân giảm đi việc sử dụng thuốc BVTV
trong quá trình chăm sóc cây. Hiện nay có rất ít các nghiên cứu tích hợp vật
liệu nano với vi khuẩn endophyte và đánh giá tác dụng của chúng đối với cây
trồng và vi sinh vật hại cây trồng.


2
Từ những luận điểm trên chúng tôi lựa chon để tài nghiên cứu:
“Nghiên cứu tích hợp vi khuẩn endophyte với vật liệu nano ứng dụng trong
bảo vệ cây trồng”.
2. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI:
- Chế tạo đƣợc hạt nano TiO2 và nano SiO2 có kích thƣớc đồng đều
nhắm tiến tới khảo sát cho thí nghiệm tích hợp với vi khuẩn.

- Nuối cấy đƣợc chủng vi khuẩn Bacillus sp. trong môi trƣờng LB bổ
sung nano nano TiO2/nano SiO2.
- Phân tích đƣợc khả năng ảnh hƣởng tới sinh khối của cây và vi khuẩn
sau các quy trình thực nghiệm để đƣa ra kết luận.


3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ NANO TiO2, SiO2
1.1.1. Tổng quan về nano TiO2
1.1.1.1. Cấu trúc, tính chất của vật liệu nano TiO2
 Cấu trúc tinh thể của TiO2
Titan đioxit là chất bột màu trắng, khi đun nóng có màu vàng, khi làm
lạnh trở lại màu trắng. Tinh thể TiO2 có độ cứng cao, không độc và khó nóng
chảy (t0nc = 18700C).
Vật liệu TiO2 có thể tồn tại dƣới nhiều dạng thù hình khác nhau. Đến
nay các nhà khoa học đã công bố những nghiên cứu về 7 dạng thù hình (gồm
4 dạng là cấu trúc tự nhiên, còn 3 dạng kia là dạng tổng hợp) của tinh thể
TiO2. Trong đó, 3 dạng thù hình phổ biến và đƣợc quan tâm hơn cả của tinh
thể TiO2 là rutil, anatas và brookit. Pha rutil là dạng bền, pha anatas và
brookit là dạng giả bền và dần chuyển sang pha rutil khi nung ở nhiệt độ cao
(thƣờng khoảng trên 900 oC) [1].
Tinh thể TiO2 pha rutil và anatas đều có cấu trúc tứ giác (tetragonal) và
đƣợc xây dựng từ các đa diện phối trí bát diện (octahedra), trong mỗi bát diện
có 1 ion Ti4+ nằm ở tâm và 6 ion O2- nằm ở 2 đỉnh, 4 góc bao bọc.
Trong một ô cơ sở của tinh thể TiO2 anatas có 4 ion Ti4+ và 7 ion O2-.
Mỗi bát diện tiếp giáp với 8 bát diện lân cận (4 bát diện chung cạnh và 4 bát
diện chung góc) (Hình 1.1a). Trong một ô cơ sở của tinh thể TiO2 rutil có 2
ion Ti4+ và 4 ion O2-. Các bát diện oxit titan sắp xếp thành các chuỗi đối xứng
bậc 4 với các cạnh chung nhau, mỗi bát diện tiếp giáp với 10 bát diện lân cận

(4 bát diện chung cạnh và 6 bát diện chung góc) (Hình 1.1b). Qua đó ta có thể
thấy tinh thể TiO2 anatas khuyết O nhiều hơn tinh thể TiO2 rutil. Điều này ảnh
hƣởng tới một số tính chất vật lý của vật liệu TiO2 ở các dạng thù hình khác
nhau vì các nút khuyết O có vai trò nhƣ tạp chất donor.
Khoảng cách Ti-Ti trong tinh thể TiO2 ở pha anatas (3,79 Å; 3,03 Å)
lớn hơn trong pha rutil (3,57 Å; 2,96 Å) còn khoảng cách Ti-O trong tinh thể
TiO2 ở pha anatas (1,394 Å; 1,98 Å) nhỏ hơn trong pha rutil (1,949 Å; 1,98


4
Å). Điều đó cũng ảnh hƣởng đến cấu trúc điện tử, cấu trúc vùng năng lƣợng
của hai dạng tinh thể và kéo theo sự khác nhau về các tính chất vật lý, hóa học
của vật liệu [1] [2].
Hình 1.1c mô tả mô hình cấu trúc tinh thể của TiO2 brookit, một pha
khác của TiO2 có thể gặp trong quá trình chế tạo.

Hình 1.1. Mô hình cấu trúc tinh thể TiO2 pha anatas (a), rutil (b) brookit (c)
và tinh thể khuyết tật mạng (d) [1]
Ở pha tinh thể khác nhau, cấu trúc khác nhau, tính chất của TiO2 cũng
có sự khác biệt. Bảng 1.1 cho biết các thông số vật lý của TiO2 ở hai dạng thù
hình chính anatas và rutil. Các số liệu cho thấy TiO2 anatas có độ xếp chặt
kém hơn TiO2 rutil. Do đó, rutil là pha bền của TiO2, còn anatas chỉ là pha giả
bền của TiO2. Ở dạng tinh thể với kích thƣớc lớn, TiO2 rutil bền tại áp suất
thƣờng, nhiệt độ thƣờng và ở mọi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của
nó. Sự khác nhau về cấu trúc tinh thể của vật liệu ở các pha khác nhau cũng
dẫn đến sự khác nhau về cấu trúc các vùng năng lƣợng trong tinh thể của
chúng [3] [4].


5

Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của anatas và rutil [3]
Tính chất

Anatas

Rutil

Cấu trúc tinh thể

Tetragonal

Tetragonal

Nhóm không gian

I41/amd

P42/mnm

Thông số mạng a (Ao)

3,78

4,58

Thông số mạng c (Ao)

9,49

2,95

Khối
lƣợng
(g/cm3)

3,895

4,25

2,52

2,71

riêng

Chỉ số khúc xạ

Độ rộng vùng cấm (eV) 3,25 (tƣơng ứng với 3,05 (tƣơng ứng với
năng lƣợng ánh sáng năng lƣợng ánh sáng có
cực tím có bƣớc sóng λ bƣớc sóng λ = 413 nm)
= 388 nm)
Độ cứng (thang mox)
Hằng số điện môi
Nhiệt độ nóng chảy (oC)

5,5 – 6,0

6,0 – 7,0

31

114

Nhiệt độ cao chuyển
thành rutil

1830 – 1850 oC

 Sự chuyển pha của tinh thể TiO2
Khi điều chế TiO2, ngƣời ta thƣờng thu đƣợc các sản phẩm ở dạng vô
định hình, anatas hoặc rutil do trong quá trình xử lý nhiệt, cấu trúc vật liệu
chuyển dần từ dạng vô định hình sang pha anatas ở nhiệt độ cỡ 300 ÷ 450 oC
và chuyển dần sang pha rutil khi nung ở nhiệt độ cao (cỡ trên 800 oC). Sự
chuyển cấu trúc sang pha rutil hoàn thành ở nhiệt độ khoảng 900 oC. TiO2


6
cũng có thể chuyển từ pha anatas sang pha rutil ở nhiệt độ gần 500oC tuỳ theo
tạp chất, áp suất, môi trƣờng, công nghệ chế tạo [1] [5] [6] [7].
Một số nghiên cứu cho thấy sự chuyển cấu trúc từ pha anatas sang rutil
còn phụ thuộc vào kích thƣớc hạt. Kích thƣớc hạt càng nhỏ, năng lƣợng hoạt
hoá cần để chuyển cấu trúc từ pha anatas sang rutil càng nhỏ, sự chuyển pha
càng dễ xảy ra. Ngoài ra, sự có mặt của pha brookit cũng ảnh hƣởng đến sự
chuyển pha đó. Tỷ lệ pha brookit trong tinh thể TiO2 anatas càng lớn thì sự
chuyển pha càng xảy ra nhanh vì pha brookit dễ chuyển sang pha rutil hơn.
Nhƣ vậy, pha rutil là dạng phổ biến nhất của TiO2, pha anatas hiếm gặp
trong tự nhiên. Thực tế TiO2 không tồn tại riêng biệt dƣới một dạng nhất định
trong các khoáng chất mà thƣờng có nhiều pha khác cùng tồn tại: rutil, anatas,
brookit, quarzt, feldspars…Tuy nhiên, trong các dạng thù hình trên của TiO2
thì pha anatas thể hiện tính hoạt động dƣới ánh sáng mặt trời cao hơn hẳn so

với các pha khác do sự khác biệt về cấu trúc vùng năng lƣợng của nó.
 Giản đồ năng lƣợng của tinh thể TiO2
Các hiện tƣợng vật lý, hóa học xảy ra liên hệ rất mật thiết đến sự dịch
chuyển điện tử giữa các dải năng lƣợng của vật liệu. TiO2 anatas có vùng cấm
rộng 3,25 eV - ứng với một lƣợng tử ánh sáng có bƣớc sóng 388 nm. TiO2
rutil có độ rộng vùng cấm là 3,05 eV - ứng với một lƣợng tử ánh sáng có
bƣớc sóng 413 nm.
Giản đồ năng lƣợng của TiO2 anatas và rutil đƣợc thể hiện trong Hình
1.2.


7

Hình 1.2. Giản đồ năng lƣợng của TiO2 pha anatas và rutil [1] [8]
Giản đồ trên cho thấy vùng cấm của TiO2 anatas và rutil tƣơng đối rộng
và xấp xỉ bằng nhau cho thấy chúng đều có khả năng oxy hóa mạnh. Nhƣng
dải dẫn của TiO2 anatas cao hơn (khoảng 0,3 eV), ứng với một thế khử mạnh
hơn, có khả năng khử O2 thành O2- còn dải dẫn của TiO2 rutil thấp hơn, chỉ
ứng với thế khử nƣớc thành khí hiđro. Do vậy, TiO2 pha anatas có tính hoạt
động mạnh hơn.
Với những lý do trên, TiO2 pha anatas được quan tâm chế tạo,
nghiên cứu và ứng dụng nhiều hơn các pha khác.
1.1.1.2. Tính chất xúc tác quang của TiO2
TiO2 anatas là bán dẫn loại n có độ linh động hạt tải lớn, vùng cấm
rộng. Nó có hệ số truyền qua cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng hồng
ngoại. Chiết suất và hằng số điện môi của TiO2 anatas cũng lớn.
Ngoài ra, với cấu trúc điện tử có vùng hoá trị điền đầy và vùng dẫn
trống, các chất bán dẫn nhƣ TiO2 có thể hoạt động nhƣ những chất tăng nhạy
cho các quá trình oxy hoá khử trong ánh sáng (tính chất quang xúc tác). Các
nghiên cứu cho thấy tinh thể nano TiO2 anatas (kích thƣớc hạt tinh thể cỡ 5 50 nm) có tính oxy hoá khử mạnh dƣới tác dụng của tia tử ngoại trong ánh

sáng mặt trời hoặc đèn huỳnh quang. Quá trình quang xúc tác tiến hành ở pha
khí hoặc pha lỏng đƣợc chia thành 6 giai đoạn sau:


8
1- Các chất tham gia phản ứng đƣợc khuếch tán ở pha lỏng hoặc khí
đến bề mặt xúc tác.
2- Các chất tham gia phản ứng bị hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác.
3- Các phân tử chất xúc tác hấp thụ photon và chuyển từ trạng thái cơ
bản sang trạng thái kích thích. Điện tử tách khỏi liên kết, chuyển từ dải hóa trị
(valance band) sang dải dẫn (conduction band) và tạo ra lỗ trống (hole) ở dải
hóa trị.
Ở dải dẫn, điện tử có tính khử mạnh, phản ứng với các chất “ƣa điện
tử” nhƣ O2 để tạo các nhân oxy hoá mạnh nhƣ H2O2, O2-, OHTiO2(e-) + O2 → TiO2 + O2-

(1.1)

O2- + H+ → HO*2

(1.2)

2 HO*2 → H2O2 + O2

(1.3)

TiO2(e-) + H2O2 → TiO2 + HO* + HO-

(1.4)

Đồng thời, lỗ trống ở dải hóa trị có tính oxy hóa mạnh, phản ứng với

các chất giàu điện tử nhƣ H2O, OH- và các hợp chất hữu cơ RX (hấp phụ trên
bề mặt chất xúc tác) để tạo các gốc tự do RX+, OH* trên bề mặt xúc tác:
TiO2 (h+) + H2O → OH* + H+ + TiO2

(1.5)

TiO2 (h+) + OH- → OH* + TiO2

(1.6)

TiO2 (h+) + RX → RX+ + TiO2

(1.7)

Các gốc OH* và O2- có tính oxy hoá mạnh gấp hàng trăm lần các chất
ôxy hoá quen thuộc hiện nay nhƣ clo, ozon. Chúng giúp phân hủy các hợp
chất hữu cơ, khí thải độc hại, vi khuẩn, rêu mốc bám trên bề mặt vật liệu
thành những chất vô hại nhƣ CO2, H2O.


9

Hình 1.3. Sơ đồ mô tả các quá trình oxy hoá và khử trong tinh thể bán dẫn
[1] [3] [4]
TiO2 rutil cũng có tính chất tƣơng tự nhƣng nó có dải dẫn thấp hơn, gần
với thế khử nƣớc thành khí H2 còn TiO2 anatas có khả năng khử O2 thành O2có tính oxy hoá mạnh. Nguyên nhân là do TiO2 rutil đƣợc hình thành ở nhiệt
độ cao, sự dehydrat hoá xảy ra triệt để. Còn TiO2 anatas đƣợc hình thành ở
nhiệt độ thấp hơn, trên bề mặt của nó vẫn còn các gốc OH [-Ti-OH] nên dễ
dàng hấp phụ các chất. Nhƣng thực tế cho thấy hoạt tính của chất
xúc tác cao hơn khi sử dụng TiO2 là hỗn hợp gồm 70% anatas và 30% rutil.

Đó là vì TiO2 anatas và rutil đều có năng lƣợng vùng hoá trị nhƣ nhau nhƣng
rutil có năng lƣợng vùng dẫn thấp hơn năng lƣợng vùng dẫn của anatas 0,3
eV nên điện tử quang sinh dễ dàng đi vào vùng dẫn của TiO2 rutil rồi sau đó
dễ đi vào vùng dẫn của TiO2 anatas hơn. Đây là giai đoạn khởi đầu cho chuỗi
các quá trình sau. Do vậy, để một chất có khả năng quang xúc tác thì nó phải
có hoạt tính quang hoá, phải có độ rộng vùng cấm thích hợp để hấp thụ đƣợc
tia tử ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy (tức là Eg ≤ hν).
4- Phản ứng quang hóa: gồm 2 giai đoạn nhỏ:
• Phản ứng quang hóa sơ cấp: các phân tử chất bán dẫn bị kích thích
tham gia trực tiếp vào phản ứng với các chất bị hấp phụ.


10
• Phản ứng quang hóa thứ cấp (còn gọi là giai đoạn phản ứng “tối” hay
phản ứng nhiệt): là giai đoạn phản ứng của các sản phẩm của giai đoạn sơ
cấp.
5- Các sản phẩm sau phản ứng đƣợc nhả ra khỏi bề mặt chất xúc tác.
6- Các sản phẩm đƣợc khuếch tán vào pha khí hoặc lỏng.
Thực tế việc đo số photon bị hấp thụ còn gặp khó khăn do sự tán xạ của
chúng trên bề mặt vật liệu. Nhiều nghiên cứu cho thấy khi pha các kim loại
chuyển tiếp hoặc đất hiếm vào TiO2, độ rộng vùng cấm của bán dẫn giảm, kéo
theo sự tăng khả năng quang xúc tác của vật liệu với bức xạ kích thích nằm
sâu trong vùng khả kiến hơn. Trong thời gian gần đây, các nghiên cứu còn
hƣớng tới mục tiêu chế tạo TiO2 có kích thƣớc nano-mét nhằm rút ngắn quãng
đƣờng di chuyển của điện tử và lỗ trống quang sinh trên bề mặt để hạn chế
đến mức tối đa khả năng tái kết hợp của lỗ trống quang sinh và điện tử quang
sinh và đồng thời hạn chế những khuyết tật cấu trúc.
1.1.1.3. Ứng dụng nano TiO2 trong nông nghiệp
TiO2 là chất màu trắng không độc hại đƣợc sử dụng rộng rãi trong sản
xuất sơn, nghiên cứu, mực in, mỹ phẩm, gốm sứ, da thuộc, và là một chất khử

trùng rất mạnh so với chlorine và ozon. Vì TiO2 vô hại, nên nó đƣợc chấp
nhận sử dụng trong các sản phẩm thực phẩm, với lƣợng tối đa 1% trọng lƣợng
cuối cùng của sản phẩm. Kỹ thuật quang xúc tác TiO2 có tiềm năng lớn trong
các ứng dụng nông nghiệp khác nhau, bao gồm bảo vệ thực vật vì nó không
tạo thành các hợp chất độc hại và có hiệu quả khử trùng tốt. Các nhà khoa học
đã cố gắng để cải thiện hiệu quả khử trùng bằng phiến mỏng TiO 2 thông qua
phƣơng pháp nhuộm và các phƣơng pháp thích hợp khác [9]. Bên cạnh đó,
các nhà khoa học còn nghiên cứu khả năng kích thích tăng trƣởng một số
chủng vi khuẩn vùng rễ kích thích tăng trƣởng thực vật và đạt đƣợc một số
kết quả khả quan ban đầu [10] [11] [12].


11

1.1.2. Tổng quan về SiO2
1.1.2.1. Tổng quan về cấu trúc
Silica là tên thƣờng gọi của silic điôxit (SiO2), trong đó mỗi nguyên tử
ôxi nằm ở đỉnh, còn silic nằm ở tâm của tứ diện đều, nếu các tứ diện này đƣợc
sắp xếp một cách trật tự và đều đặn ta có silica cấu trúc tinh thể, ngoài ra
silica còn có cấu trúc vô định hình [13].
Silica không tồn tại dƣới dạng phân tử riêng lẻ mà tồn tại dƣới dạng
tinh thể, nghĩa là dƣới dạng một phân tử lớn. Ở điều kiện thƣờng, silica có
dạng tinh thể là thạch anh, triđimit và cristtobalit. Tất cả những dạng tinh thể
này đều bao gồm những nhóm tứ diện SiO4 nối với nhau qua những nguyên tử
O chung. Trong tứ diện SiO4, nguyên tử Si nằm ở trung tâm của tứ diện liên
kết hóa trị với bốn nguyên tử O nằm ở các đỉnh của tứ diện. Độ dài liên kết
silic-oxy thay đổi đối với mỗi dạng tinh thể khác nhau, ví dụ trong thạch anh
là 161 pm, hoặc là 154 - 171 pm trong triđimit. Góc Si-O-Si cũng thay đổi từ
140o đến 180o, trong tinh thể thạch anh, giá trị này đạt 144o [14].

Hình 1.4. Cấu trúc phân tử Silica
Ba dạng tinh thể của silica có cách sắp xếp khác nhau của nhóm tứ diện
SiO4 ở trong tinh thể: Trong thạch anh, những nhóm tứ diện đƣợc sắp xếp sao
cho các nguyên tử Si nằm trên đƣờng xoắn ốc. Tùy theo chiều của đƣờng
xoắn ốc mà ta có thạch anh quay trái hay quay phải. Trong triđimit, các
nguyên tử Si chiếm vị trí của các nguyên tử S và Zn trong mạng lƣới vuazit.


12
Trong cristobalit, các nguyên tử Si chiếm vị trí của các nguyên tử S và Zn
trong mạng lƣới sphelarit.
Ngoài ba dạng trên, trong tự nhiên còn có một số dạng khác nữa của
silica có cấu trúc vi tinh thể nhƣ: mã não, opan. Mã não là chất rắn, trong
suốt, gồm có những vùng có màu sắc khác nhau và rất cứng. Opan là một loại
đá quý không có cấu trúc tinh thể. Nó gồm những hạt cầu SiO 2 liên kết với
nhau tạo nên những lỗ trống chứa không khí, nƣớc hay hơi nƣớc. Opan có các
màu sắc khác nhau nhƣ vàng, nâu, đỏ, lục và đen do có chứa các tạp chất.
Silica đã nóng chảy hoặc khi đun nóng bất kì dạng nào nếu để nguội
chậm đến nhiệt độ hóa mềm, ta đều thu đƣợc một vật liệu vô định hình giống
nhƣ thủy tinh. Khác với dạng tinh thể, chất giống thủy tinh có tính đẳng
hƣớng và không nóng chảy ở nhiệt độ không đổi mà hóa mềm ở nhiệt độ thấp
hơn nhiều so với khi nóng chảy ra. Bằng phƣơng pháp Rơnghen ngƣời ta xác
định đƣợc rằng trong trạng thái thủy tinh, mỗi nguyên tử vẫn đƣợc bao quanh
bởi những nguyên tử khác giống nhƣ trong trạng thái tinh thể nhƣng những
nguyên tử đó sắp xếp một cách hỗn loạn hơn.
1.1.2.2. Tính chất
Silica xốp, diện tích bề mặt lớn vì vậy silica rất dễ hấp phụ, ví dụ trong
không khí ẩm silica hấp phụ nƣớc trên bề mặt tạo các nhóm OH. Silica không
hòa tan trong nƣớc và bất kỳ dung môi, không độc, không mùi, ổn định hóa
học.

Silic đioxit rất trơ về mặt hóa học. Nó không tác dụng với oxi, clo,
brom và axit ngay cả khi đun nóng. Ở điều kiện thƣờng, nó chỉ tác dụng với
F2 và HF. Silic đioxit rất trơ về mặt hóa học. Nó không tác dụng với oxi, clo,
brom và axit ngay cả khi đun nóng. Ở điều kiện thƣờng, nó chỉ tác dụng với
F2 và HF
SiO2 + 2F2 SiF4 + O2
SiO2 + 4HF  SiF4 + 2H2O
Silic đioxit còn tan trong kiềm hay cacbonat kim loại kiềm nóng chảy:


13
SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2CO3 → Na2SiO3 + CO2
Những phản ứng này cũng xảy ra chậm ở trong dung dịch khi đun sôi
silic đioxit ở dạng bột mịn.
1.1.2.3. Ứng dụng nano SiO2 trong nông nghiệp
Silic có nhiều loại và có nhiều nguồn gốc khác nhau, nhƣng chỉ có ở
dạng hòa tan cây trồng mới hấp thụ đƣợc nhƣ khoáng Clinoptiolit có chứa
hàm lƣợng SiO2 cao hơn nhiều so với các khoáng khác và đặc biệt có tỉ lệ
SiO2 hữu hiệu cao (có thể hòa tan) đạt tới 60 - 70%, cây trồng có thể hấp thu
đƣợc ngay khi bón vào trong đất.
Cây hút Silic và tích lũy trong thành tế bào ngăn chặn sự xâm nhập của
tế bào sƣợi nấm vào tế bào, đồng thời nó tăng tính chống chụi bệnh hại do
nấm bằng cách tạo vách ngăn cơ học và tích lũy chất phenol (chất diệt nấm).
Trong một số thí nghiệm của Datnoff và Willow đã đƣa ra kết luận khi bón
SiO2 vào cây lúa đã làm tăng khả năng kháng bệnh, trong việc chịu hạn và
mặn, nó giúp cây hạn chế thoát hơi nƣớc, tạo sừng cứng (lớp biểu bì kép silica
- cutic)… giúp cây cứng cáp hơn và tăng năng suất lúa lên 56 – 88% [15]
[16].
Ngoài ra, Belanger và Mezies đã kết luận silic làm giảm đáng kể bệnh

phấn trắng, thối gốc (Pythium ultimum) và thối rễ (Pythium aphanidermatum)
trên dƣa chuột trong điều kiện thuỷ canh trong nhà kính [17].
Đối với một số cây nhƣ dƣa, cà chua, đậu nành,… thiếu SiO2 làm giảm
mạnh năng suất quả và gây dị hình quả, các lá phát triển sớm, héo, lão suy
sớm, khử năng tạo chất lƣợng phấn giảm ảnh hƣởng tới khả năng thụ phấn.
Ngoài ra, nhiều nghiên cứu cho thấy SiO2 còn loại bỏ khả năng bị ngộ
độc một số nguyên tố kim loại nhƣ mangan, nhôm và sắt.


14
1.1.3. Các phƣơng pháp tổng hợp nano TiO2 và nano SiO2
1.1.3.1. Phương pháp hóa ướt (wet chemical)
Bao gồm các phƣơng pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo
(colloidal chemistry), phƣơng pháp thủy nhiệt, sol- gel và kết tủa. Theo
phƣơng pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau đƣợc trộn với nhau theo
một tỷ phần thích hợp, dƣới tác động của nhiệt độ, ánh sáng mà các vật liệu
nano đƣợc kết tủa từ dung dịch. Sau quá trình lọc, sấy khô, ta thu đƣợc các
vật liệu nano.
Ƣu điểm của phƣơng pháp hóa ƣớt là các vật liệu có thể chế tạo đƣợc
rất đa dạng, chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Đặc điểm của
phƣơng pháp này là rẻ tiền và có thể chế tạo đƣợc một khối lƣợng lớn vật
liệu. Nhƣng nó cũng có nhƣợc điểm là các hợp chất có liên kết với phân tử
nƣớc có thể là một khó khăn, phƣơng pháp sol- gel thì không có hiệu suất cao.
1.1.3.2. Phương pháp cơ học (mechanical)
Bao gồm các phƣơng pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học. Theo phƣơng
pháp này, vật liệu ở dạng bột đƣợc nghiền đến kích thƣớc nhỏ hơn. Ngày nay,
các máy nghiền thƣờng dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền
quay. Phƣơng pháp cơ học có ƣu điểm là đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt
tiền và có thể chế tạo với một lƣợng lớn vật liệu. Tuy nhiên nó lại có nhƣợc
điểm là các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thƣớc hạt không đồng nhất,

dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo và thƣờng khó có thể đạt đƣợc hạt có
kích thƣớc nhỏ. Phƣơng pháp này đƣợc dùng để chế tạo vật liệu không phải là
hữu cơ nhƣ là kim loại.
1.1.3.3. Phương pháp bốc bay
Gồm các phƣơng pháp quang khắc (lithography), bốc bay chân không
(vacuum deposition) vật lý, hóa học. Các phƣơng pháp này áp dụng hiệu quả
để chế tạo màng mỏng hoặc lớp phủ bề mặt, tuy vậy ngƣời ta cũng có thể
dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách chế tạo vật liệu từ đế. Tuy nhiên
phƣơng pháp này không hiệu quả lắm để có thể chế tạo ở quy mô thƣơng mại.