Nghiên cứu tổng hợp nano bạc từ dungdịch agno3 bằng tác nhân khử dịch chiết nước củ gừng và thử hoạt tính quang xúc tác bằng khả năng phân hủy xanh metylen

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM
KHOA HÓA HỌC

TRẦN THỊ LỆ THU

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO BẠC TỪ DUNG
DỊCH AgNO3 BẰNG TÁC NHÂN KHỬ DỊCH CHIẾT
NƢỚC CỦ GỪNG VÀ THỬ HOẠT TÍNH QUANG XÚC
TÁC BẰNG KHẢ NĂNG PHÂN HỦY XANH METYLEN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC
CHUYÊN NGÀNH HÓA DƢỢC

Đà Nẵng - 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM
KHOA HÓA HỌC

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO BẠC TỪ DUNG
DỊCH AgNO3 BẰNG TÁC NHÂN KHỬ DỊCH CHIẾT
NƢỚC CỦ GỪNG VÀ THỬ HOẠT TÍNH QUANG XÚC
TÁC BẰNG KHẢ NĂNG PHÂN HỦY XANH METYLEN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC
CHUYÊN NGÀNH HÓA DƢỢC

Sinh viên thực hiện: Trần Thị Lệ Thu
Lớp

: 13CHD

Giáo viên hƣớng dẫn: PGS.TS. Lê Tự Hải

Đà Nẵng - 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐHSP

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA HÓA

----------------------------

--------------

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: TRẦN THỊ LỆ THU
Lớp

: 13CHD

1. Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp nano bạc từ dung dịch AgNO3 bằng tác nhân
khử dịch chiết nƣớc củ gừng và thử hoạt tính quang xúc tác bằng khả năng phân

hủy xanh metylen.
2. Nguyên liệu, dụng cụ, thiết bị:
a. Nguyên liệu: củ gừng.
b. Dụng cụ: cốc thủy tinh 100 mL, 250 mL, pipet 1 mL, 2mL, 5mL, 10mL, bình
định mức, giấy lọc, phễu lọc, nhiệt kế.
c. Thiết bị: bếp điện, cân phân tích, máy ly tâm, tủ sấy, máy khuấy từ, máy đo phổ
UV – Vis, máy đo TEM, máy đo XRD.
3. Nội dung nghiên cứu:
- Xây dựng quy trình tạo nano bạc bằng dung dịch AgNO3 từ dịch chiết nƣớc
củ gừng.
- Thử tác dụng làm xúc tác quang của hạt nano bạc tạo đƣợc để phân hủy
xanh metylen.
4. Giáo viên hƣớng dẫn: PGS.TS. Lê Tự Hải
5. Ngày giao đề tài: 10/09/2016
6. Ngày hoàn thành: 16/04/2017


Chủ nhiệm Khoa

Giáo viên hƣớng dẫn

(Ký và ghi rõ họ, tên)

(Ký và ghi rõ họ, tên)

PGS.TS. Lê Tự Hải

PGS.TS. Lê Tự Hải

Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày….tháng….năm…..

Kết quả điểm đánh giá:
Ngày…tháng…năm 2017
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ tên)


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Lê Tự Hải đã tận tình
chỉ bảo và hƣớng dẫn tơi trong q trình học tập, nghiên cứu để thực hiện khóa luận
tốt nghiệp này.
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn tập thể các Thầy, Cô giáo và cán bộ Khoa
Hóa – Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Đà Nẵng đã cung cấp các kiến thức tiền đề để
tơi hồn thành khóa luận này.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những ngƣời đã ủng
hộ, động viên và giúp đỡ tôi trong q trình học tập, nghiên cứu và hồn thành khóa
luận này.

Sinh viên thực hiện

Trần Thị Lệ Thu


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài ...............................................................................................1
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.....................................................................2
3. Mục đích nghiên cứu.........................................................................................2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................3
6. Bố cục luận văn...................................................................................................3

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................. 4
1.1. GIỚI THIỆU VỀ CƠNG NGHỆ NANO .................................................................... 4
1.1.1. Nguồn gốc của cơng nghệ nano .....................................................................4
1.1.2. Khái niệm công nghệ nano ............................................................................5
1.1.3. Vật liệu nano ..................................................................................................5
1.1.4. Cơ sở khoa học của công nghệ nano .............................................................6
1.1.5. Tình hình nghiên cứu về hạt nano trong và ngoài nƣớc ................................8
1.1.6. Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano ......................................................9
1.1.7. Ứng dụng của công nghệ nano ....................................................................11
1.2. HẠT NANO BẠC .......................................................................................................12
1.2.1. Giới thiệu về kim loại bạc ............................................................................12
1.2.2. Đặc tính xúc tác quang của bạc ....................................................................13
1.2.3. Giới thiệu về hạt nano bạc ...........................................................................18
1.2.4. Tính chất của hạt nano bạc ...........................................................................19
1.2.5. Các phƣơng pháp chế tạo hạt nano kim loại ................................................21
1.2.6. Ứng dụng của nano bạc ................................................................................21
1.3. TỔNG QUAN VỀ GỪNG .........................................................................................25
1.3.1. Đặc điểm chung của gừng ...........................................................................25
1.3.2. Thành phần hóa học .....................................................................................26
1.3.3. Cơng dụng ....................................................................................................28
1.4. SƠ LƢỢC VỀ XANH METYLEN ...........................................................................28
1.4.1. Phân loại khoa học .......................................................................................28


1.4.2. Ứng dụng .....................................................................................................29
1.4.3. Ảnh hƣởng đến môi trƣờng sinh thái ...........................................................30
CHƢƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................31
2.1. NGUYÊN LIỆU, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT .......................................................31
2.1.1. Nguyên liệu ..................................................................................................31
2.1.2. Dụng cụ và hóa chất ....................................................................................31

2.2. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHIẾT CỦ
GỪNG .................................................................................................................................31
2.2.1. Khảo sát thời gian chiết ...............................................................................31
2.2.2. Khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng ..................................................................................32
2.3. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN Q TRÌNH TẠO NANO
BẠC .....................................................................................................................................32
2.3.1. Khảo sát thể tích dịch chiết nƣớc củ gừng với dung dịch AgNO3 ..............32
2.3.2. Khảo sát nhiệt độ tạo nano bạc .......................................................................33
2.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HẠT NANO BẠC .............................................33
2.4.1. Phƣơng pháp phổ tử ngoại và phổ khả kiến (UV – Vis) ..................................33
2.4.2. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ..........................................................................34
2.4.3. Phƣơng pháp đo hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .........................................35
2.5. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XÚC TÁC CỦA NANO BẠC.................................36
2.5.1. Giới thiệu về ánh sáng mặt trời....................................................................36
2.5.2. Nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang của nano bạc phân hủy xanh metylen 37
2.6. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM TẠO NANO BẠC TỪ DỊCH CHIẾT
NƢỚC CỦ GỪNG .............................................................................................................38
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................39
3.1. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH
CHIẾT NƢỚC CỦ GỪNG................................................................................................39
3.1.1. Ảnh hƣởng của thời gian chiết .................................................................................39
3.1.2. Ảnh hƣởng của tỉ lệ rắn/lỏng....................................................................................40
3.2. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO
NANO BẠC........................................................................................................................42


3.2.1. Khảo sát thể tích dịch chiết nƣớc củ gừng với dung dịch AgNO3 ..............42
3.2.2. Khảo sát nhiệt độ tạo nano bạc .......................................................................43
3.3. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA HẠT NANO BẠC ..............................45
3.3.1. Kết quả chụp TEM ........................................................................................45

3.3.2. Kết quả XRD của mẫu nano bạc tổng hợp......................................................46
3.4. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XÚC TÁC QUANG PHÂN HỦY XANH
METYLEN CỦA NANO BẠC.........................................................................................46
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua

UV-Vis

Quang phổ hấp thụ phân tử

XRD

Phổ nhiễu xạ tia X


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

Tên bảng

bảng

Trang

1.1.

So sánh kích thƣớc của một số vật

5

1.2.

Số nguyên tử và năng lƣợng bề mặt của hạt nano hình cầu

7

1.3.

Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu

8

1.4.

Thành phần hóa học

26

3.1.

43

3.2.

Giá trị mật độ quang (A) của dung dịch theo tỉ lệ thể tích
dịch chiết
Giá trị mật độ quang (A) của dung dịch theo nhiệt độ

3.3

Bảng kết quả đo UV-Vis của mẫu nghiên cứu từ 1h-5h

47

44


DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu
hình
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
1.7.
1.8.
1.9.
1.10
1.11.

1.12.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
3.1
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
3.8.
3.9.
3.10.
3.11.

Tên hình
Các hạt nano vàng tấn công bao bọc protein của virus để
ngăn cản sự phát triển của virus
Cơ chế xúc tác quang của chất bán dẫn
Bình sữa nano silver
Khẩu trang nano bạc
Sơn nano
Ứng dụng của nano bạc vào thiết bị công nghệ
Ứng dụng nano bạc vào xử lý nƣớc thải
Nƣớc rửa trái cây kháng khuẩn
Cây gừng
Củ gừng

Xanh metylen
Dạng oxy hóa và dạng khử của xanh metylen
Máy UV-Vis
Máy đo XRD D8 Advance Eco
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi ánh sáng truyền
qua
Bản chất ánh sáng
Sơ đồ thực nghiệm
Ảnh hƣởng của thời gian chiết đến quá trình tạo nano bạc
Sự ảnh hƣởng của thời gian chiết đến màu sắc dung dịch
keo nnao bạc
Ảnh hƣởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến quá trình tạo nano bạc
Sự ảnh hƣởng của tỉ lệ rắn/lỏng đến màu sắc dung dịch keo
nano bạc
Ảnh hƣởng của thể tích dịch chiết đến quá trình tạo nano
bạc
Sự ảnh hƣởng của tỉ lệ dịch chiết đến màu sắc dung dịch
keo nano bạc
Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình tạo nano bạc
Sự ảnh hƣởng của nhiệt độ đến màu sắc dung dịch keo
nanobạc
Ảnh TEM của hạt nano bạc (thang đo 100 nm)
Phổ XRD của mẫu nano bạc tổng hợp
Đồ thị biểu diễn kết quả đo UV-Vis của mẫu sau thời gian
xúc tác quang 1h , 5h

Trang
12
15
22

23
23
24
24
25
25
26
29
29
34
35
36
37
38
39
40
41
41
42
43
44
45
45
46
47


1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Cuối thế kỷ XX, các nhà khoa học đã dự đốn rằng, cơng nghệ nano sẽ làm
thay đổi hầu hết mọi vật thể do con ngƣời tạo ra trong thế kỉ mới. Trong những năm
gần đây, vật liệu nano đã trở thành một “cơn sốt” trong khoa học vật liệu, nó đang
đƣợc phát triển với tốc độ bùng nổ và hứa hẹn đem lại nhiều thành tựu cho con
ngƣời. Vì vậy ngƣời ta nói đến vật liệu nano nhƣ một niềm hi vọng của lồi ngƣời.
Trong cơng nghệ nano thì hạt nano là một vật liệu quan trọng. Một trong
những hạt nano đƣợc sử dụng sớm và rộng rãi nhất là hạt nano bạc. Ở kích thƣớc
nano bạc thể hiện những tính chất vật lý, hóa học, sinh học khác biệt và vơ cùng
q giá.
Là một kim loại quý, ngoài giá trị thƣơng mại và thẩm mỹ, bạc cịn đƣợc biết
đến bởi tính xúc tác quang của nó. Nano bạc có diện tích bề mặt lớn và năng lƣợng
bề mặt cao rất hữu ít cho việc làm xúc tác. Khi đƣợc làm xúc tác thì các hạt nano
bạc đƣợc phủ lên các chất mang nhƣ silicat phẳng… Chúng có tác dụng giữ cho các
hạt nano bạc bám lên các chất mang. Đồng thời có thể làm tăng độ bền, tính chất
xúc tác, bảo vệ chất xúc tác khỏi quá nhiệt cũng nhƣ kết khối cục bộ giúp kéo dài
thời gian hoạt động của chất xúc tác. Ngồi ra hoạt tính xúc tác có thể điều khiển
bằng kích thƣớc của các hạt nano bạc dùng làm xúc tác.
Bạc xuất hiện một cách tự nhiên, không độc, không gây dị ứng và vô hại đối
với tất cả các lồi động vật và mơi trƣờng. Điều chế hạt nano có nhiều cách khác
nhau, trong đề tài này tơi hƣớng tới phƣơng pháp rẻ tiền và an tồn là tổng hợp từ
thực vật. Quá trình điều chế hạt nano là lành tính, khơng sử dụng bất kì hóa chất độc
hại.
Gừng là một loài thực vật hay đƣợc dùng làm gia vị, thuốc. Gừng có tên
khoa học là Zinziber Officinale Rose. Gừng xuất xứ từ vùng Đông Nam Á và đƣợc
dùng làm gia vị phổ biến ở Châu Á. Gừng là một trong những cây gia vị xuất hiện
đầu tiên ở Phƣơng Đơng và nhanh chóng phổ biến ở Châu Âu và ngày càng đƣợc sử
dụng rộng rãi hơn [20] .

2

Sự kết hợp của dung dịch AgNO3 với dịch chiết nƣớc củ gừng có thể thu
đƣợc sản phẩm đó là bạc nano. Với kích thƣớc này, hạt nano là vật liệu có diện tích
bề mặt riêng rất lớn, có đặc tính kháng khuẩn rất tốt, làm xúc tác quang mà khơng
gây tác dụng phụ, an tồn với sức khỏe con ngƣời.
Với những lý do đã nêu trên, tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu với nội dung:
“Nghiên cứu tổng hợp nano bạc từ dung dịch AgNO3 bằng tác nhân khử dịch
chiết nƣớc củ gừng và thử hoạt tính quang xúc tác bằng khả năng phân hủy
xanh metylen”.
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Củ gừng đƣợc thu mua tại chợ Hịa Khánh, thành phố Đà Nẵng.
3. Mục đích nghiên cứu
-

Xây dựng quy trình tạo nano bạc bằng dung dịch AgNO3 từ dịch chiết nƣớc
củ gừng.

-

Thử tác dụng làm xúc tác quang của hạt nano bạc tạo đƣợc để phân hủy xanh
metylen.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết
- Thu thập các thông tin tài liệu liên quan đến đề tài.
- Tìm hiểu các phƣơng pháp thực nghiệm sử dụng trong q trình nghiên
cứu.
- Xử lý các thơng tin về lý thuyết để đƣa ra các vấn đề thực hiện trong quá

trình nghiên cứu.
Nghiên cứu thực nghiệm
- Phƣơng pháp chiết tách: phƣơng pháp chƣng ninh sử dụng dung môi là
nƣớc.
- Phƣơng pháp phân tích cơng cụ: Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ phân tử
(UV-Vis).
- Phƣơng pháp đo TEM.
- Phƣơng pháp đo XRD.


3

- Phƣơng pháp khảo sát khả năng xúc tác quang của hạt nano bạc để phân
hủy xanh metylen.
- Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm tại phịng thí nghiệm trƣờng Đại học Sƣ
Phạm – Đại học Đà Nẵng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Nghiên cứu này giúp cho chúng ta hiểu rõ hơn về phƣơng pháp điều chế hạt
nano bạc bằng phƣơng pháp hóa học xanh, lành tính, ít độc hại, ít tốn kém.
- Tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có là củ gừng để tổng hợp nano bạc.
- Trên cơ sở nghiên cứu này có thể ứng dụng nano bạc trong nhiều lĩnh vực
khác.
6. Bố cục luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung luận văn gồm 3 chƣơng
nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Nguyên liệu và phƣơng pháp nghiên cứu
Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận

4

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NANO
1.1.1. Nguồn gốc của công nghệ nano
Cha đẻ của công nghệ nano chính là Richard Feynman. Năm 1959, Feynman
có bài phát biểu nổi tiếng “There is a plenty room at the bottom” (Cịn những
khoảng trống ở cấp vi mơ). Trong đó, ông cho biết quan điểm về khả năng nghiên
cứu và thao tác ở cấp độ nguyên tử. Với tầm nhìn tƣơng lai rằng chúng ta có thể chế
tạo, sắp xếp cấu trúc các nguyên tử để tạo nên những vật liệu mới và những cấu trúc
siêu nhỏ.
Chính Feynman cũng là ngƣời đặt nền móng cho cơng nghệ nanorobot.
Trong một bài tiểu luận của mình sau đó, ơng đề cập đến khái niệm “swallowing the
doctor” với một đội ngũ robot siêu nhỏ để có thể đƣa vào cơ thể ngƣời bệnh và tiến
hành phẫu thuật hoặc điều trị ngay từ bên trong. Cũng chính Richard Feynman là
ngƣời có ý tƣởng chế tạo những robot nano để sử dụng trong việc chữa bệnh từ bên
trong cơ thể. Mặc dù là ngƣời đề xƣớng ra lý thuyết cơng nghệ nano, nhƣng vào lúc
đó Richard Feynman vẫn chƣa thể tiến hành nghiên cứu và ứng dụng nó vào thực tế.
Vì có hai thách thức rất lớn mà ông không thể giải quyết với công nghệ khoa học
thời đó. Thứ nhất là các động cơ siêu nhỏ và thứ hai là năng lƣợng cung cấp cho các
nanorobot.
Đến năm 1974, thuật ngữ “công nghệ nano” đƣợc giáo sƣ Norio Taniguchi
của Đại học Khoa học Tokyo định nghĩa và sử dụng để đề cập đến khả năng chế tạo
cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử, mặc dù nó vẫn chƣa đƣợc biết đến rộng rãi.
Ơng định nghĩa nhƣ sau: “Công nghệ nano chủ yếu bao gồm việc xử lý, tách, hợp
nhất và làm biến dạng vật liệu chỉ bằng một nguyên tử hay một phân tử”. Dựa trên
tiền đề về công nghệ nano của Richard Feynman, định nghĩa về công nghệ nano đã
đƣợc tiến sĩ K. Eric Drexler khai thác sâu hơn trong cuốn sách “Engines of
Creation: The Coming Era of Nanotechnology” (1986) và cuốn “Nanosystems:
Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation”. Từ đây, thuật ngữ công

nghệ nano bắt đầu trở nên phổ biến, hàng loạt phát minh đã ra đời, phục vụ đắc lực
cho cuộc sống [18].


5

1.1.2. Khái niệm công nghệ nano
Thuật ngữ “công nghệ nano” đƣợc biết đến từ những năm 70 của thế kỉ XX.
Chữ nano, gốc Hy Lạp, đƣợc gắn vào trƣớc các đơn vị đo để tạo ra đơn vị ƣớc giảm
đi 1 tỷ lần (10-9). Ví dụ: nanogam = 1 phần tỷ của gam; nanomet = 1 phần tỷ của
mét. Công nghệ nano là công nghệ xử lý vật chất ở mức nanomet [18].
Bảng 1.1. So sánh kích thước của một số vật
Micromet µm = 103nm

nm

80 - 200

80,000 – 200,2000

4-6

4,000 – 6,000

Độ dài sợi tóc
Tế bào máu
Vi khuẩn Ecoli

1,000

Ánh sáng thấy đƣợc
Virus đậu mùa

400 - 750
0,2 – 0,3

200 - 300

Đƣờng kính ADN
1 ngun tử

2
0,1

Cơng nghệ nano gồm các vấn đề chính sau đây:
-

Cơ sở khoa học nano

-

Phƣơng pháp quan sát và can thiệp ở quy mô nanomet.

-

Chế tạo vật liệu nano

-

Ứng dụng vật liệu nano

1.1.3. Vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất một chiều có kích thƣớc
nanomet. Về trạng thái của vật liệu, ngƣời ta phân chia thành ba trạng thái rắn, lỏng
và khí. Vật liệu nano đƣợc tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn,
sau đó mới đến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, ngƣời ta phân thành các loại
sau:
Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thƣớc nano, khơng cịn
chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ: đám nano, hạt nano.
Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thƣớc nano,
điện tử đƣợc tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ: dây nano, ống nano.


6

Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thƣớc nano, hai
chiều tự do, ví dụ: màng mỏng.
Ngồi ra cịn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có
một phần của vật liệu có kích thƣớc nm, hoặc cấu trúc của nó có nano khơng chiều,
một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thƣớc của chúng rất nhỏ
bé có thể so sánh với các kích thƣớc tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu.
Chỉ là vấn đề kích thƣớc thơi thì khơng có gì đáng nói, điều đáng nói là kích thƣớc
của vật liệu nano đủ nhỏ để có thể so sánh với các kích thƣớc tới hạn của một số
tính chất. Vật liệu nano nằm giữa tính chất lƣợng tử của nguyên tử và tính chất khối
của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ
lớn của vật liệu, nhƣng đối với vật liệu nano thì điều đó khơng đúng nên các tính
chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này.
1.1.4. Cơ sở khoa học của công nghệ nano
Công nghệ nano chủ yếu dựa trên ba cơ sở khoa học sau:

a. Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử
Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lƣợng tử đƣợc
trung bình hóa với rất nhiều ngun tử (1 µm3 có khoảng 1012 ngun tử) và có thể
bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhƣng các cấu trúc nano có ít ngun tử hơn thì
các tính chất lƣợng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lƣợng tử có thể đƣợc
coi nhƣ một đại nguyên tử, nó có các mức năng lƣợng giống nhƣ một ngun tử
[18].
b. Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thƣớc nhỏ thì tỉ số giữa các nguyên tử trên bề mặt và
tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng (gọi là tỉ số f). Do nguyên tử trên bề mặt có
nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật
liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu
ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. Khi kích thƣớc của vật liệu giảm đến nm thì giá
trị f này tăng lên đáng kể. Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của


7

kích thƣớc, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngƣợc lại. Vì vậy, việc ứng dụng
hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano là tƣơng đối dễ dàng [1].
Bảng 1.2. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu

Đƣờng kính
hạt nano

Số ngun tử

(nm)

Tỉ số nguyên

Năng lƣợng

tử trên bề

bề mặt

mặt (%)

(erg/mol)

Năng lƣợng
bề mặt/năng
lƣợng tổng
(%)

10

30.000

20

4,08× 1011

7,6

5

4.000

40

8,16 × 1011

14,3

2

250

80

2,04 ×1012

35,3

1

30

90

9,23 × 1012

82,2

c. Kích thước tới hạn
Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích
thƣớc. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thƣớc này thì tính chất của nó hồn tồn bị
thay đổi, ngƣời ta gọi đó là kích thước tới hạn. Kích thƣớc tới hạn là kích thƣớc mà

ở đó vật giữ ngun các tính chất về vật lý, hóa học khi ở dạng khối. Vật liệu nano
có tính chất đặc biệt là do kích thƣớc của nó có thể so sánh đƣợc với kích thƣớc tới
hạn của các tính chất của vật liệu. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định
luật Ohm ở kích thƣớc vĩ mô mà ta thấy hằng ngày. Nếu ta giảm kích thƣớc của vật
liệu xuống nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà
thƣờng có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm khơng cịn đúng nữa.
Lúc đó điện trở của vật có kích thƣớc nano sẽ tn theo các quy tắc lƣợng tử. Mỗi
vật liệu đều có những kích thƣớc tới hạn khác nhau và bạn thân trong một vật liệu
cũng có nhiều kích thƣớc tới hạn ứng với các tính chất khác nhau của chúng. Bởi
vậy khi nghiên cứu vật liệu nano chúng ta cần xác định rõ tính chất sẽ nghiên cứu là
gì.


8

Các tính chất khác nhƣ 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 mà
ngƣời ta gọi ngành khoa học và cơng nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ
nano.
Bảng 1.3. Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu [3]
Lĩnh vực
Tính chất điện

Tính chất từ
Tính chất quang

Tính chất
Bƣớc sóng điện tử
Qng đƣờng tự do trung bình
khơng đàn hồi

Hiệu ứng đƣờng ngầm
Độ dày vách môđen
Quãng đƣờng tán xạ spin
Hố lƣợng tử
Độ dài suy giảm
Độ sâu bề mặt

Độ dài tới hạn (nm)
10-100
1-100
1-10
10-100
1-100
1-100
10-100
10-100

Độ dài liên kết

0,1-100

Độ thẩm thấu Meisner

1 - 100

Tính chất cơ

Tƣơng tác bất định xứ
Biên hạt
Bán kính khởi động đứt vỡ

Sai hỏng mầm
Độ nhăn bề mặt

1-1000
1-10
1-100
0,1-10
1-10

Xúc tác

Hình học topo bề mặt

1-10

Độ dài Kuhn

1-100

Tính siêu dẫn

Siêu phân tử

1.1.5. Tình hình nghiên cứu về hạt nano trong và ngồi nƣớc
Ngày nay trên thế giới cũng nhƣ trong nƣớc, khoa học và công nghệ nano
đang phát triển mạnh mẽ và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học khác
nhau nhƣ điện tử, vật lý, hóa học, sinh học, y học… trong đó nổi bật là các ứng
dụng của nó trọng việc xử lý nhiễm khuẩn, khơng gây độc hại cho con ngƣời và
khơng gây kích ứng da.
Do các ứng dụng kì diệu của cơng nghệ nano, tiềm năng kinh tế cũng nhƣ tạo

ra sức mạnh về quân sự nên hiện nay trên thế giới đang xảy ra cuộc chạy đua sôi


9

động về phát triển và ứng dụng công nghệ nano. Hoa kỳ, Nhật Bản, Trung Quốc,
Đức là những cƣờng quốc đang chiếm lĩnh thị trƣờng công nghệ nano.
Ở Việt Nam, tuy chỉ mới tiếp cận với công nghệ nano trong những năm gần
đây nhƣng cũng có những bƣớc chuyển tạo ra sức hút mới. Nhà nƣớc cũng dành
một khoảng ngân sách khá lớn cho chƣơng trình nghiên cứu cơng nghệ nano cấp
quốc gia với sự tham gia của nhiều trƣờng Đại học và Viện nghiên cứu.
Phƣơng pháp chế tạo hạt nano kim loại nói chung và chế tạo nano bạc nói
riêng đã đƣợc rất nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu. Phƣơng pháp thƣờng
đƣợc sử dụng chủ yếu là: điện hóa, khử hóa học, khử nhiệt… Nguyên tắc chung của
các phƣơng pháp này là khử ion kim loại trong dung dịch thành nguyên tử kim loại,
sau đó các nguyên tử liên kết với nhau thành tập hợp rồi phát triển kích thƣớc thành
các hạt nano và sử dụng polyme để ổn định hạt. Hƣớng nghiên cứu ứng dụng chính
của nano bạc tập trung vào khả năng kháng lại các loại vi khuẩn, virut, các ứng
dụng trong thiết bị y tế…
Theo nhận định của nhiều chuyên gia, công nghệ nano sẽ tạo nên một cuộc
cách mạng đột phá trong nhiều ngành khoa học và đời sống, tạo tiền đề cho một
“thế giới nhỏ hơn và thông minh hơn”.
1.1.6. Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano
a. Phương pháp đi từ trên xuống (Top – down)
Phƣơng pháp đi từ trên xuống là phƣơng pháp dùng kỹ thuật nghiền hoặc
biến dạng để biến các vật liệu đến kích thƣớc nano.
 Phương pháp nghiền
Vật liệu ở dạng bột đƣợc trộn lẫn với những viên bi đƣợc làm từ các vật liệu
rất cứng và đặt trong cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung, nghiền
quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá

vỡ bột đến kích thƣớc nano. Kết quả thu đƣợc là vật liệu nano không chiều.
 Phương pháp biến dạng
Phƣơng pháp biến dạng đƣợc sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra
sự biến dạng lớn mà không làm phá hủy vật liệu. Phƣơng pháp biến dạng có thể là
đùn thủy lực, tuốt, cán ép với nhiệt độ có thể đƣợc điều chỉnh tùy thuộc vào từng


10

trƣờng hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ phịng thì đƣợc gọi là biến dạng
nóng, cịn nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ phịng thì đƣợc gọi là biến dạng nguội. Kết quả
thu đƣợc là các hạt nano một chiều hoặc hai chiều.
Nhìn chung, phƣơng pháp đi từ trên xuống là phƣơng pháp đơn giản, rẻ tiền
nhƣng hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thƣớc khá lớn (ứng
dụng làm vật liệu kết cấu). Nhƣng nó cũng có nhƣợc điểm là các hạt bị keo tụ lại
với nhau, khó có thể thu đƣợc hạt có kích thƣớc nhỏ, kích thƣớc hạt khơng đồng
nhất và dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo. Do vậy, phƣơng pháp đi từ trên
xuống ít đƣợc dùng để điều chế vật liệu nano so với phƣơng pháp đi từ dƣới lên.
b. Phương pháp đi từ dưới lên
Ngƣợc với phƣơng pháp đi từ trên xuống, phƣơng pháp đi từ dƣới lên hình
thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phƣơng pháp này đƣợc phát triển và
ứng dụng rất rộng do tính linh động và chất lƣợng của sản phẩm cuối cùng. Phần
lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay đƣợc chế tạo từ phƣơng pháp này.
Phƣơng pháp từ dƣới lên có thể là phƣơng pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai
phƣơng pháp hóa – lý.
 Phương pháp vật lý
Đây là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha. Phƣơng
pháp này thƣờng đƣợc sử dụng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy
tính.
 Phương pháp chuyển pha

Vật liệu đƣợc đun nóng rồi làm nguội với tốc độ nhanh để thu đƣợc trạng
thái vơ định hình, sau đó tiến hành xử lý nhiệt để xảy ra q trình chuyển pha từ vơ
định hình sang tinh thể (phƣơng pháp làm nguội nhanh).
 Phương pháp bốc bay nhiệt
Vật liệu đƣợc đốt “phƣơng pháp đốt” hoặc dùng tia bức xạ hoặc phóng điện
hồ quang làm cho bay hơi. Sau khi ngƣng tụ hơi ta sẽ thu đƣợc các hạt bột mịn có
kích thƣớc nano.
 Phương pháp hóa học


11

Phƣơng pháp hóa học là phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano từ các ion hoặc
nguyên tử. Đây là phƣơng pháp phổ biến nhất để tổng hợp vật liệu nano.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là có thể tổng hợp đƣợc tất cả các dạng của
vật liệu nano nhƣ dây nano, ống nano, hạt nano, thậm chí là cả các cấu trúc nano
phức tạp mô phỏng sinh học. Hơn nữa, phƣơng pháp này còn cho phép can thiệp để
tạo ra các vật liệu nano với kích thƣớc nhỏ nhƣ mong muốn với độ đồng đều cao.
 Phương pháp khử hóa học
Ở phƣơng pháp khử hóa học, muối của kim loại tƣơng ứng đƣợc khử với sự
có mặt của các tác nhân làm bền để khống chế sự lớn lên của các hạt và ngăn cản sự
keo tụ của chúng.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là quy trình thực hiện đơn giản, khơng địi hỏi
các thiết bị đắt tiền, có thể điều khiển kích thƣớc hạt nhƣ mong muốn và cho phép
tổng hợp vật liệu với khối lƣợng lớn. Phƣơng pháp này chủ yếu để tạo ra các hạt
nano kim loại.
 Phương pháp sử dụng các hạt nano có sẵn trong tự nhiên
Các chất có sẵn trong tự nhiên nhƣ zoelit, các hạt sét, các phân tử sinh
học,… có rất nhiều các lỗ nhỏ với kích thƣớc nanomet. Các chất này vì thế có thể
làm khn phản ứng tổng hợp vật liệu nano,…

1.1.7. Ứng dụng của công nghệ nano
Ứng dụng của công nghệ nano Công nghệ nano cho phép thao tác và sử dụng
vật liệu ở tầm phân tử, làm tăng và tạo ra tính chất đặc biệt của vật liệu, giảm kích
thƣớc của các thiết bị, hệ thống đến kích thƣớc cực nhỏ. Công nghệ nano đƣợc xem
là cuộc cách mạng công nghiệ

ự phát triển trong mọi lĩnh vực đặc biệt là

y sinh học, năng lƣợng, môi trƣờng, công nghệ thơng tin, qn sự… và tác động đến
tồn xã hội.
Trong y sinh học: các hạt nano đƣợc xem nhƣ là các robot nano thâm nhập
vào cơ thể giúp con ngƣời có thể can thiệp ở qui mơ phân tử hay tế bào. Hiện nay,
con ngƣời đã chế tạo ra hạt nano có đặc tính sinh học có thể dùng để hỗ trợ
đoán bệnh, dẫn truyền thuốc, tiêu diệt các tế bào ung thƣ…


12

Năng lƣợng: nâng cao chất lƣợng của pin năng lƣợng mặt trời, tăng tính hiệu
quả và dự trữ của pin và siêu tụ điện…
Điện tử – cơ khí: chế tạo các linh kiện điện tử nano có tốc độ xử lý cực
nhanh, sử dụng vật liệu nano để làm các thiết bị ghi thơng tin cực nhỏ, màn hình
máy tính, điện thoại, tạo ra các vật liệu nano siêu nhẹ – siêu bền sản xuất các thiết bị
xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ…
Môi trƣờng: chế tạo ra màng lọc nano lọc đƣợc các phân tử gây ô nhiễm; các
chất hấp phụ, xúc tác nano dùng để xử lý chất thải nhanh chóng và hồn tồn…

Hình 1.1. Các hạt nano vàng tấn công bao bọc protein của virus để ngăn cản
sự phát triển của virus
1.2. HẠT NANO BẠC

1.2.1. Giới thiệu về kim loại bạc
Bạc đƣợc ký hiệu là Ag, nằm ở ơ thứ 47 trong bảng hệ thống tuần hồn các
nguyên tố hóa học, thuộc phân nhóm phụ nhóm IB.
Cấu hình electron của bạc: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1
Bán kính ngun tử Ag: 0,288 nm
Bán kính ion bạc: 0,23 nm
Trạng thái oxi hóa ổn định nhất của bạc là +1; ít gặp hơn là một số hợp chất
trong đó có số oxi hóa +2.


13

Là một kim loại chuyển tiếp màu trắng, mềm, nó có tính dẫn điện cao nhất
trong bất kỳ ngun tố nào và có độ dẫn nhiệt cao nhất trong tất cả các kim loại.
Kim loại bạc xuất hiện trong tự nhiên ở dạng nguyên chất, nhƣ bạc tự sinh, và ở
dạng hợp kim với vàng và các kim loại khác, và ở trong các khoáng vật nhƣ argentit
và chlorargyrit.
Bạc là kim loại quý có giá trị lâu dài, đƣợc sử dụng làm đồ trang sức, chén
đũa và các đồ dùng trong gia đình và nhƣ một khoản đầu tƣ ở dạng tiền xu và nén.
Kim loại bạc đƣợc dùng trong công nghiệp làm chất dẫn va tiếp xúc, trong gƣơng
và trong điện phân của các phản ứng hóa học. Các hợp chất của nó đƣợc dùng trong
phim ảnh và bạc nitrat pha loãng đƣợc dùng làm chất tẩy khuẩn. Trong khi nhiều
ứng dụng y học của bạc đã đƣợc thay thế bởi kháng sinh sinh học, nghiên cứu lâm
sàng sâu hơn vẫn đang tiếp tục thực hiện.
1.2.2. Đặc tính xúc tác quang của bạc
a. Tính chất quang xúc tác
Năm 1930, khái niệm quang xúc tác ra đời. Trong hóa học, nó dùng để nói
đến những phản ứng xảy ra dƣới tác dụng đồng thời của ánh sáng và chất xúc tác,
hay nói cách khác, ánh sáng chính là nhân tố kích hoạt chất xúc tác, giúp cho nhân
phản ứng xảy ra. Khi có sự kích thích của ánh sáng, trong chất bán dẫn sẽ tạo ra cặp

điện từ - lỗ trống và có sự trao đổi electron giữa các chất bị hấp phụ, thông qua cầu
nối là chất bán dẫn. Bằng cách nhƣ vậy, chất xúc tác quang làm tăng tốc độ phản
ứng quang hóa, cụ thể là tạo ra một loạt quy trình giống nhƣ phản ứng oxy hóa –
khử và các phân tử ở dạng chuyển tiếp có khả năng oxy hóa – khử mạnh khi đƣợc
chiếu bằng ánh sáng thích hợp [9].
b. Cơ chế phản ứng xúc tác quang dị thể
Quá trình xúc tác quang dị thể đƣợc tiến hành ở pha khí hoặc pha lỏng. Cũng
giống nhƣ các quá trình xúc tác dị thể khác, quá trình xúc tác quang dị thể đƣợc chia
thành các giai đoạn nhƣ sau:
(1). Khuếch tán các chất tham gia phản ứng từ pha lỏng hoặc khí đến bề mặt
chất xúc tác.


14

(2). Hấp phụ các chất tham gia phản ứng lên bề mặt chất xúc tác.
(3). Hấp thụ proton ánh sáng, sinh ra các cặp điện tử - lỗ trống trong chất xúc
tác, và khuếch tán đến bề mặt vật liệu.
(4). Phản ứng quang hóa, đƣợc chia làm hai giai đoạn nhỏ:
 Phản ứng quang hóa sơ cấp, trong đó các phân tử chất xúc tác bị kích
thích (các phân tử chất bán dẫn) tham qia trực tiếp vào phản ứng với các chất hấp
phụ lên bề mặt.
 Phản ứng quang hóa thứ cấp, cịn gọi là giai đoạn phản ứng “tối” hay
phản ứng nhiệt, đó là giai đoạn phản ứng của các sản phẩm thuộc giai đoạn sơ cấp.
(5). Nhả hấp phụ các sản phẩm.
(6). Khuếch tán các sản phẩm vào pha khí hoặc lỏng.
Tại giai đoạn (3), phản ứng xúc tác quang hóa khác phản ứng xúc tác truyền
thống, xúc tác đƣợc hoạt hóa bởi nhiệt cịn trong phản ứng xúc tác quang hóa, xúc
tác đƣợc hoạt hóa bởi sự hấp thụ ánh sáng.
Điều kiện để một chất có khả năng xúc tác quang:

a. Có hoạt tính quang hóa.
b. Có năng lƣợng vùng cấm thích hợp để hấp thụ ánh sáng tử ngoại hoặc
ánh sáng nhìn thấy.
Quá trình ban đầu của xúc tác quang dị thể với chất hữu cơ và vô cơ bằng
chất bán dẫn (Semiconductor Catalyst) là sự sinh ra của cặp điện tử - lỗ trống trong
chất bán dẫn. Có rất nhiều chất bán dẫn khác nhau đƣợc sử dụng làm chất xúc tác
quang nhƣ: TiO2, ZnO, ZnS… Khi đƣợc chiếu sáng có năng lƣợng photon (hv)
thích hợp, bằng hoặc lớn hơn năng lƣợng vùng cấm Eg (hv ≥ Eg ), thì sẽ tạo ra các
cặp electron (e-) và lỗ trống (h+). Các điện tử đƣợc chuyển lên vùng dẫn (quang
electron), còn các lỗ trống ở lại vùng hóa trị.
Các phân tử của chất tham gia phản ứng hấp phụ lên bề mặt chất xúc tác gồm
hai loại:
Các phân tử có khả năng nhận e- (Acceptor).
Các phân tử có khả năng cho e- (Donor).