Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo vi cảm biến chọn lọc thủy ngân trên cơ sở màng mỏng nanocomposit polyanilin ống nano cacbon

Nghiên cứu chế tạo vi cảm biến chọn lọc thủy ngân từ màng mỏng nanocomposit polyanilin và ống nano cacbon, ứng dụng trong môi trường.

• Tác giả: Phùng Như Bách
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tuấn Dung
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa Môi Trường
• Đề tài: Chế Tạo Vi Cảm Biến Thủy Ngân Từ Polyanilin Và Ống Nano
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẢM BIẾN
• 1.2. Khái niệm cảm biến
• 1.3. Phân loại cảm biến
• 1.4. Ứng dụng cảm biến trong quan trắc môi trường
• 1.5. TỔNG QUAN VỀ POLYME DẪN
• 1.5.1. Khái niệm polyme dẫn
• 1.5.2. Tính chất điện hoá đặc biệt của polyme dẫn
• 1.5.3. Các phương pháp chế tạo polyme dẫn
• 1.5.4. Ứng dụng của polyme dẫn
• 1.5.5. Giới thiệu chung về polyanilin
• 1.5.6. Tổng hợp polyanilin
• 1.5.7. Quá trình hoạt hóa (doping)
• 1.5.8. Cơ chế dẫn điện của polyanilin
• 1.5.9. Ứng dụng polyanilin làm vật liệu cảm biến
• 1.6. ỐNG NANO CACBON (CNT)
• 1.6.1. Giới thiệu chung về ống nano cacbon
• 1.6.2. Cấu trúc của ống nano cacbon
• 1.6.3. Ứng dụng của ống nano cacbon
• 1.7. THỦY NGÂN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THỦY NGÂN
• 1.7.1. Giới thiệu chung về thủy ngân
• 1.7.2. Các phương pháp xác định thủy ngân
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1.1. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)
• 2.1.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.1.3. Các phương pháp nghiên cứu điện hóa
• 2.1.4. Nguyên liệu hóa chất
• 2.1.5. Chế tạo và nghiên cứu đặc trưng vật liệu màng nanocomposit
• 2.1.6. Khảo sát khả năng phát hiện thủy ngân
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. TỔNG HỢP MÀNG NANOCOMPOSIT POLYANILIN/ỐNG NANO CACBON
• 3.1.1. Trùng hợp điện hóa polyanilin pha tạp ống nano cacbon
• 3.1.2. Trùng hợp điện hóa polyanilin/ống nano cacbon với sự có mặt của natri dodecyl sunphat
• 3.2. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA POLYANILIN, ỐNG NANO CACBON VÀ NANOCOMPOSIT POLYANILIN/ỐNG NANO CACBON
• 3.2.1. Phân tích phổ hồng ngoại
• 3.2.2. Phân tích hình thái cấu trúc
• 3.3. KHẢO SÁT TÍNH NHẠY Hg (II)
• 3.4. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀY MÀNG
• 3.5. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ Hg2+
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về chế tạo vi cảm biến thủy ngân từ polyanilin và ống nano

Chế tạo vi cảm biến thủy ngân từ polyanilin và ống nano cacbon đang trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong khoa học vật liệu và môi trường. Việc phát triển các cảm biến này không chỉ giúp phát hiện thủy ngân một cách nhanh chóng và chính xác mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong việc bảo vệ môi trường và sức khỏe con người. Thủy ngân là một trong những chất độc hại nhất, và việc phát hiện sớm nó trong môi trường là rất cần thiết.

1.1. Khái niệm về vi cảm biến và ứng dụng của chúng

Vi cảm biến là thiết bị có khả năng phát hiện và đo lường các chất hóa học trong môi trường. Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, môi trường và công nghiệp. Vi cảm biến thủy ngân từ polyanilin và ống nano cacbon có khả năng phát hiện nồng độ thủy ngân thấp, giúp bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.

1.2. Tại sao chọn polyanilin và ống nano cacbon

Polyanilin là một loại polyme dẫn điện có tính chất điện hóa đặc biệt, trong khi ống nano cacbon mang lại độ bền và khả năng dẫn điện cao. Sự kết hợp giữa hai vật liệu này tạo ra một nanocomposit có khả năng phát hiện thủy ngân hiệu quả hơn so với các vật liệu truyền thống.

II. Vấn đề và thách thức trong việc phát hiện thủy ngân

Mặc dù có nhiều phương pháp để phát hiện thủy ngân, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc phát triển các cảm biến hiệu quả. Các phương pháp hiện tại thường yêu cầu thiết bị phức tạp và chi phí cao, không phù hợp cho việc đo lường tại chỗ. Việc phát triển vi cảm biến thủy ngân từ polyanilin và ống nano cacbon có thể giải quyết những vấn đề này.

2.1. Các phương pháp hiện tại để phát hiện thủy ngân

Các phương pháp như phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) và khối phổ plasma cảm ứng (ICP-MS) thường yêu cầu thiết bị đắt tiền và quy trình phức tạp. Điều này làm cho việc phát hiện thủy ngân trong môi trường trở nên khó khăn và tốn kém.

2.2. Thách thức trong việc phát triển cảm biến mới

Một trong những thách thức lớn nhất là làm cho cảm biến có độ nhạy cao và khả năng chọn lọc tốt đối với thủy ngân. Ngoài ra, độ bền và ổn định của cảm biến cũng là vấn đề cần được giải quyết để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

III. Phương pháp chế tạo vi cảm biến thủy ngân từ polyanilin và ống nano

Phương pháp chế tạo vi cảm biến thủy ngân từ polyanilin và ống nano cacbon bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, polyanilin được tổng hợp thông qua quá trình trùng hợp điện hóa. Sau đó, ống nano cacbon được thêm vào để tạo thành nanocomposit. Quá trình này giúp cải thiện tính chất điện hóa của cảm biến.

3.1. Tổng hợp polyanilin qua quá trình trùng hợp điện hóa

Quá trình trùng hợp điện hóa cho phép tạo ra màng polyanilin trên điện cực, giúp tăng cường tính dẫn điện và khả năng nhạy cảm của cảm biến. Phương pháp này cũng giúp kiểm soát độ dày và cấu trúc của màng polyanilin.

3.2. Kết hợp ống nano cacbon vào nanocomposit

Việc thêm ống nano cacbon vào polyanilin không chỉ cải thiện độ bền mà còn tăng cường khả năng dẫn điện. Sự kết hợp này tạo ra một vật liệu cảm biến có tính năng vượt trội, giúp phát hiện thủy ngân hiệu quả hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vi cảm biến thủy ngân

Vi cảm biến thủy ngân từ polyanilin và ống nano cacbon có nhiều ứng dụng thực tiễn trong việc giám sát môi trường và bảo vệ sức khỏe. Chúng có thể được sử dụng trong các lĩnh vực như kiểm tra chất lượng nước, không khí và thực phẩm. Việc phát hiện sớm thủy ngân giúp ngăn chặn các tác động xấu đến sức khỏe con người.

4.1. Giám sát chất lượng nước và không khí

Vi cảm biến có thể được sử dụng để giám sát nồng độ thủy ngân trong nước và không khí, giúp phát hiện sớm ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Điều này đặc biệt quan trọng trong các khu vực công nghiệp.

4.2. Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Việc phát hiện thủy ngân trong thực phẩm là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Cảm biến có thể được sử dụng để kiểm tra nồng độ thủy ngân trong hải sản và các sản phẩm khác.

V. Kết luận và tương lai của vi cảm biến thủy ngân

Vi cảm biến thủy ngân từ polyanilin và ống nano cacbon không chỉ mang lại giải pháp hiệu quả cho việc phát hiện thủy ngân mà còn mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu mới. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ, giúp cải thiện chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường.

5.1. Tiềm năng nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu về vi cảm biến thủy ngân vẫn đang trong giai đoạn phát triển. Các nhà khoa học đang tìm kiếm các vật liệu mới và cải tiến quy trình chế tạo để nâng cao hiệu quả của cảm biến.

5.2. Hướng đi tương lai cho cảm biến môi trường

Việc phát triển các cảm biến môi trường thông minh và nhạy cảm hơn sẽ là xu hướng trong tương lai. Điều này không chỉ giúp phát hiện thủy ngân mà còn nhiều chất độc hại khác, góp phần bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng và sự phát triển các khu công nghiệp, lượng chất ô nhiễm vô cơ và hữu cơ, đặc biệt là các ion kim loại nặng như thủy ngân (Hg), ngày càng gia tăng, gây nguy hại nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường. Thủy ngân là chất độc tích lũy sinh học, dễ hấp thụ qua da, đường hô hấp và tiêu hóa, có thể gây tổn thương não và gan. Việc phát hiện và xác định vết thủy ngân trong môi trường công nghiệp, thực phẩm và y tế là rất cần thiết. Các phương pháp phân tích thủy ngân truyền thống như phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), huỳnh quang nguyên tử và khối phổ plasma cảm ứng (ICP-MS) tuy chính xác nhưng đòi hỏi thiết bị đắt tiền, quy trình phức tạp và không phù hợp cho đo đạc tại chỗ.

Cảm biến hóa học, đặc biệt là cảm biến điện hóa, nổi lên như một giải pháp hiệu quả với ưu điểm về tốc độ hồi đáp nhanh, kích thước nhỏ gọn và chi phí thấp. Polyme dẫn điện, trong đó polyanilin (PANi) được chú trọng nhờ tính dẫn điện và khả năng biến đổi trạng thái oxi hóa-khử, là vật liệu tiềm năng cho cảm biến ion kim loại nặng. Tuy nhiên, polyme dẫn còn hạn chế về độ bền cơ học và tính ổn định điện, do đó việc kết hợp với ống nano cacbon (CNT) để tạo nanocomposit giúp cải thiện các đặc tính này.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp màng nanocomposit polyanilin/ống nano cacbon trên vi điện cực bạch kim, khảo sát đặc trưng vật liệu và đánh giá tính nhạy chọn lọc với ion Hg(II). Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong giai đoạn năm 2013-2014, nhằm phát triển cảm biến điện hóa có khả năng phát hiện thủy ngân với độ nhạy cao, phù hợp cho ứng dụng quan trắc môi trường tại chỗ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về polyme dẫn điện và lý thuyết về ống nano cacbon. Polyme dẫn điện như polyanilin có cấu trúc liên hợp các liên kết đơn và đôi xen kẽ, tạo nên băng bất định xứ cho phép dẫn điện nhờ các điện tử π. Quá trình doping (hoạt hóa) bằng proton hoặc oxi hóa-khử làm thay đổi trạng thái dẫn điện của polyme, tạo ra các điểm khuyết tật như polaron và bipolaron, là cơ sở cho khả năng cảm biến ion kim loại. Ống nano cacbon (CNT) gồm ống nano đơn vách (SWCNT) và đa vách (MWCNT) có cấu trúc graphen cuộn tròn, với kích thước đường kính từ 1-50 nm và chiều dài từ vài trăm nanomet đến vài centimet. CNT có tính dẫn điện, cơ tính và nhiệt độ bền cao, giúp cải thiện tính chất vật liệu khi pha tạp vào polyme dẫn.

Ba khái niệm chính được sử dụng là:

• Doping: quá trình biến đổi trạng thái dẫn điện của polyme bằng cách thêm ion hoặc proton.
• Nanocomposit: vật liệu tổng hợp từ polyme dẫn và CNT nhằm tăng cường tính chất điện hóa và cơ học.
• Phương pháp điện hóa: kỹ thuật tổng hợp và khảo sát vật liệu bằng các phương pháp quét thế vòng (CV) và von-ampe sóng vuông (SWASV).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu màng nanocomposit PANi/CNT được tổng hợp điện hóa trên vi điện cực bạch kim trong dung dịch H2SO4 0,5M chứa monome anilin 0,02M và CNT với hàm lượng 0,1% đến 0,4% khối lượng so với anilin. Chất hoạt động bề mặt natri dodecyl sunphat (SDS) được thêm vào với nồng độ từ 0 đến 2,5 mM để cải thiện khả năng phân tán CNT.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) để xác định cấu trúc hóa học và nhóm chức của vật liệu.
• Kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) để khảo sát hình thái cấu trúc bề mặt và phân bố CNT trong màng.
• Phương pháp điện hóa: quét thế vòng (CV) để đánh giá hoạt tính điện hóa và von-ampe sóng vuông (SWASV) để khảo sát độ nhạy phát hiện ion Hg(II).

Cỡ mẫu gồm nhiều màng nanocomposit với các tỷ lệ CNT và SDS khác nhau, được tổng hợp và khảo sát trong khoảng thời gian nghiên cứu từ tháng 1 đến tháng 9 năm 2014. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các tỷ lệ CNT và SDS tối ưu dựa trên kết quả điện hóa và hình ảnh SEM. Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm GPES 4 và thiết bị Autolab/PGSTAT30.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của hàm lượng CNT đến quá trình trùng hợp và tính dẫn điện của màng:

   • Màng nanocomposit PANi/CNT với hàm lượng CNT 0,2% khối lượng so với anilin cho dòng oxy hóa khử cao hơn 35% so với màng PANi thuần.
   • Khi hàm lượng CNT tăng lên 0,4%, dòng điện không tăng đáng kể do hiện tượng lắng đọng và khó phân tán CNT.

2. Tác dụng của SDS trong cải thiện phân tán CNT và hoạt tính điện hóa:

   • Thêm 0,5 mM SDS làm tăng cường độ dòng oxy hóa khử gấp gần 7 lần so với màng không có SDS.
   • Khi tăng SDS lên 1,5 mM và 2,5 mM, dòng điện tăng nhẹ nhưng không đáng kể, cho thấy nồng độ SDS 0,5 mM là tối ưu.

3. Khả năng phát hiện ion Hg(II) bằng màng nanocomposit PANi/CNT/SDS:

   • Sử dụng kỹ thuật von-ampe sóng vuông (SWASV), màng nanocomposit cho tín hiệu dòng điện đặc trưng với ion Hg(II) trong khoảng nồng độ từ 0,1 nmol/L đến 0,1 µmol/L.
   • Giới hạn phát hiện đạt khoảng 0,1 nmol/L, vượt trội so với nhiều cảm biến polyme dẫn trước đây.

4. Hình thái cấu trúc vật liệu:

   • Ảnh FE-SEM cho thấy CNT phân bố đồng đều trong mạng lưới PANi khi có SDS, tạo cấu trúc nano dạng bó và thanh với kích thước khoảng 200 nm, giúp tăng diện tích bề mặt và khả năng trao đổi điện tử.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng dòng điện oxy hóa khử khi pha tạp CNT và SDS chứng tỏ CNT đóng vai trò như các "đường dẫn" điện tử hiệu quả, cải thiện tính dẫn điện và độ ổn định của màng polyme. SDS giúp phân tán CNT tốt hơn, tránh hiện tượng lắng đọng và tạo cấu trúc nanocomposit đồng nhất, từ đó nâng cao hiệu suất cảm biến. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về nanocomposit polyme dẫn/CNT trong cảm biến ion kim loại nặng.

Độ nhạy cao với ion Hg(II) và giới hạn phát hiện thấp cho thấy màng nanocomposit PANi/CNT/SDS là vật liệu tiềm năng cho cảm biến thủy ngân tại chỗ, khắc phục hạn chế của các phương pháp phân tích truyền thống về chi phí và tính linh hoạt. Biểu đồ dòng điện theo nồng độ Hg(II) có thể được trình bày để minh họa tính tuyến tính và độ nhạy của cảm biến.

Tuy nhiên, việc kiểm soát tỷ lệ CNT và SDS là rất quan trọng để tránh hiện tượng lắng đọng và giảm hiệu quả cảm biến. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng màng nanocomposit có thể được tối ưu thêm về độ dày và điều kiện trùng hợp để nâng cao độ bền và độ chọn lọc.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tỷ lệ CNT và SDS trong màng nanocomposit nhằm đạt hiệu suất cảm biến cao nhất, khuyến nghị sử dụng CNT 0,2% khối lượng và SDS 0,5 mM. Thời gian thực hiện trong 3-6 tháng, do nhóm nghiên cứu vật liệu đảm nhiệm.

2. Phát triển quy trình tổng hợp điện hóa tự động để sản xuất màng nanocomposit đồng nhất, giảm sai số và tăng tính tái lập, áp dụng trong vòng 1 năm, phối hợp giữa phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất.

3. Thiết kế và chế tạo cảm biến điện hóa tích hợp vi điện cực Pt/PANi/CNT/SDS với hệ thống đo đạc mini gọn nhẹ, phục vụ quan trắc môi trường tại hiện trường, hoàn thành trong 12 tháng, do nhóm kỹ thuật điện tử và vật liệu thực hiện.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng cảm biến cho các ion kim loại nặng khác như Pb(II), Cd(II) để đa dạng hóa sản phẩm, thời gian 1-2 năm, do nhóm nghiên cứu hóa môi trường chủ trì.

5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các đơn vị quan trắc môi trường và doanh nghiệp sản xuất cảm biến, nhằm thúc đẩy ứng dụng thực tiễn, triển khai trong 6 tháng sau khi hoàn thành sản phẩm mẫu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa Môi trường, Vật liệu và Kỹ thuật điện hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp nanocomposit polyme dẫn/CNT và ứng dụng trong cảm biến ion kim loại nặng, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị cảm biến môi trường: Tham khảo quy trình tổng hợp và đặc tính vật liệu để phát triển sản phẩm cảm biến điện hóa thủy ngân có độ nhạy cao, chi phí thấp, phù hợp thị trường trong nước và quốc tế.

3. Cơ quan quản lý môi trường và quan trắc: Áp dụng công nghệ cảm biến điện hóa để giám sát nhanh nồng độ thủy ngân tại hiện trường, nâng cao hiệu quả kiểm soát ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

4. Chuyên gia phát triển công nghệ nano và vật liệu mới: Nghiên cứu cơ chế tương tác giữa polyme dẫn và CNT, từ đó phát triển các vật liệu nanocomposit đa chức năng cho ứng dụng cảm biến và điện tử.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn polyanilin làm vật liệu chính cho cảm biến?
   Polyanilin có khả năng dẫn điện tốt, dễ tổng hợp bằng phương pháp điện hóa, ổn định trong môi trường và có thể doping bằng proton, giúp thay đổi trạng thái dẫn điện linh hoạt, rất phù hợp làm vật liệu cảm biến ion kim loại.

2. Vai trò của ống nano cacbon trong nanocomposit là gì?
   Ống nano cacbon cải thiện tính dẫn điện, độ bền cơ học và độ ổn định của màng polyme, đồng thời tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, giúp tăng độ nhạy và chọn lọc của cảm biến.

3. Tại sao cần sử dụng natri dodecyl sunphat (SDS)?
   SDS là chất hoạt động bề mặt giúp phân tán đều CNT trong dung dịch, tránh hiện tượng lắng đọng và tạo cấu trúc nanocomposit đồng nhất, từ đó nâng cao hiệu suất điện hóa và độ nhạy cảm biến.

4. Giới hạn phát hiện ion Hg(II) của cảm biến này là bao nhiêu?
   Cảm biến nanocomposit PANi/CNT/SDS đạt giới hạn phát hiện khoảng 0,1 nmol/L, phù hợp với yêu cầu quan trắc môi trường và an toàn thực phẩm.

5. Phương pháp điện hóa nào được sử dụng để khảo sát cảm biến?
   Phương pháp quét thế vòng (CV) được dùng để đánh giá hoạt tính điện hóa của màng, trong khi phương pháp von-ampe sóng vuông (SWASV) được sử dụng để khảo sát độ nhạy và giới hạn phát hiện ion Hg(II).

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công màng nanocomposit polyanilin/ống nano cacbon trên vi điện cực bạch kim bằng phương pháp trùng hợp điện hóa quét thế vòng.
• Hàm lượng CNT 0,2% và SDS 0,5 mM là điều kiện tối ưu để đạt độ dẫn điện và độ nhạy cao nhất.
• Màng nanocomposit có khả năng phát hiện ion Hg(II) với giới hạn phát hiện khoảng 0,1 nmol/L, vượt trội so với nhiều vật liệu polyme dẫn trước đây.
• Ảnh FE-SEM và phổ FT-IR xác nhận cấu trúc nanocomposit đồng nhất, CNT phân tán tốt nhờ SDS.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cảm biến điện hóa nhỏ gọn, chi phí thấp, phù hợp ứng dụng quan trắc môi trường tại chỗ.

Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa quy trình tổng hợp, phát triển thiết bị cảm biến tích hợp và mở rộng ứng dụng cho các ion kim loại nặng khác. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp để chuyển giao công nghệ và ứng dụng thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ở nƣớc ta gần đây, do quá trình đô thị hóa nhanh chóng, sự phát triển các làng nghề, các khu công nghiệp đã thải ra một lƣợng lớn các chất ô nhiễm vô cơ và hữu cơ. Trong đó các ion kim loại nặng, đặc biệt là thủy ngân, đƣợc coi là chất ô nhiễm nguy hiểm bậc nhất. Thủy ngân (Hg) ở dạng chất vô cơ và hữu cơ đều rất độc, nó gây ra các tổn thƣơng não và gan khi con ngƣời tiếp xúc, hít thở hay ăn phải. Thủy ngân là chất độc tích lũy sinh học rất dễ dàng hấp thụ qua da, các cơ quan hô hấp và tiêu hóa.

Thông qua chuỗi thức ăn, Hg có thể đạt đến mức tích lũy cao đối với con ngƣời. Do đó việc xác định vết thủy ngân trong các môi trƣờng (công nghiệp, thực phẩm, chuẩn đoán lâm sàng) là hết sức quan trọng. Hiện nay, thủy ngân đƣợc phân tích chủ yếu bằng phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS); huỳnh quang nguyên tử; khối phổ plasma cảm ứng (ICP-MS). Mặc dù các phƣơng pháp này khá hiệu quả nhƣng đòi hỏi thiết bị đắt tiền, cồng kềnh, quy trình phân tích kéo dài và phức tạp, đòi hỏi cán bộ phân tích chuyên nghiệp, hoàn toàn không thích hợp cho các phép đo đạc tại chỗ.

Cảm biến (sensor) hóa học là công cụ phân tích hiện đại có khả năng đáp ứng đƣợc các nhu cầu của quan trắc môi trƣờng hiện nay. Lĩnh vực này đƣợc đặc biệt phát triển khoảng 2 thập kỷ nay. Sensor hoạt động trên nguyên lý điện hóa là một trong những ứng viên sáng giá nhất trong số các loại sensor hóa học. Với ƣu điểm hơn hẳn về tốc độ hồi đáp của phép đo, về kích thƣớc cũng nhƣ giá cả của thiết bị, chúng có thể cung cấp một quá trình phân tích hiệu quả và tiện dụng, hầu nhƣ không phá hủy mẫu, đặc biệt thích hợp cho việc quan trắc tại chỗ.

Polyme dẫn là nhóm vật liệu tiên tiến đƣợc các nhà nghiên cứu cảm biến điện hóa đặc biệt quan tâm nhờ đặc tính ƣu việt kết hợp tính dẫn điện của kim loại với các ƣu điểm của polyme. Polyme dẫn có cấu trúc liên hợp các nối đôi và nối đơn của mạch cacbon tạo nên sự linh động của các điện tử π. Chính các điện tử π này sẽ dịch chuyển khi có sự mất cân bằng về điện tích trong mạch tạo nên độ dẫn cho polyme. Các màng polyme dẫn có mật độ trung tâm hoạt tính oxi 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] hóa-khử cao nên có thể đóng vai trò là chất trung gian trao đổi electron với dung dịch.

Khả năng gắn và nhả ion trong quá trình biến đổi trạng thái oxi hóa-khử của chúng có thể sử dụng làm tín hiệu phân tích có lợi. Bên cạnh những đặc tính vƣợt trội, polyme dẫn có yếu điểm chủ yếu liên quan đến độ bền cơ học và độ ổn định của tính chất điện. Để giải quyết vấn đề này, biện pháp đƣợc sử dụng nhiều nhất là biến tính, kết hợp với các vật liệu nano, tạo thành nanocomposit. Gần đây, hƣớng chế tạo nanocomposit polyme dẫn với nanocacbon đƣợc đặc biệt quan tâm và thu đƣợc các kết quả rất khả quan.

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu tổng hợp điện hóa màng nanocomposit polyanilin/ống nano cacbon trên vi điện cực bạch kim, nghiên cứu tính chất đặc trƣng của vật liệu và khảo sát tính nhạy ion Hg(II). 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẢM BIẾN 1. Khái niệm cảm biến Từ ngàn xƣa, ngƣời tiền xử đã nhờ vào các giác quan để cảm nhận, tìm hiểu đặc điểm của thế giới tự nhiên và học cách sử dụng sự hiểu biết này để khai thác thế giới xung quanh phục vụ cho đời sống của họ.

Trong thời đại khoa học và kỹ thuật phát triển mạnh mẽ nhƣ ngày nay, việc nhận biết các vật thể, hiện tƣợng trong thế giới xung quanh đƣợc tăng cƣờng, chính xác và đầy đủ hơn rất nhiều nhờ các dụng cụ đo lƣờng và phân tích hiện đại gọi là cảm biến. Cảm biến là một linh kiện vật lý hay một tổ chức sinh học có khả năng phát hiện và phân tích định lƣợng một tín hiệu, một điều kiện vật lý hay một thành phần hoá học, sau đó chuyển tín hiệu nhận biết thành một tín hiệu khác con ngƣời có thể đọc đƣợc [7]. Về mặt nguyên lý, cảm biến bao gồm hai bộ phận chính: bộ phận cảm nhận (receptor) và bộ phận biến đổi (tranducer). Ví dụ một cảm biến hóa học có sơ đồ nguyên lý nhƣ sau: Bộ phận Bộ phận Mẫu phân cảm nhận biến đổi tích Tín hiệu đầu ra Hình 1.

Sơ đồ các thành phần cơ bản của một cảm biến hóa học 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Phân loại cảm biến Có nhiều cách phân loại linh kiện cảm biến khác nhau [7]. Thông thƣờng nhất và dễ dàng nhất là phân loại theo các đại lƣợng cần đo: nhiệt độ, áp suất, khí, ion, các chất độc hoá học, v.v… Theo cách này có thể kể các loại cảm biến nhƣ sau: Cảm biến cơ học (Mechanical sensor): bao gồm các linh kiện dùng để biến đổi tín hiệu cơ học nhƣ độ nén, áp suất, hƣớng vận tốc chuyển động các chất khí, lỏng, rắn vv… thành tín hiệu điện. Cảm biến vật lý (Physical sensor): bao gồm các linh kiện dùng để biến đổi các đại lƣợng vật lý nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, sóng điện từ, bức xạ hạt nhân, âm thanh vv… thành tín hiệu điện.

Cảm biến hoá học (Chemical sensor): bao gồm các linh kiện dùng để nhận biết và xác định nồng độ các hợp chất hoá học nhƣ các chất khí (H2, COx, H2S, NOx, O2 vv…), đo độ pH, độ mặn, nồng độ ôxi trong nƣớc, nồng độ các ion khác nhau vv…. Cảm biến sinh học (Biosensors): bao gồm các linh kiện dùng để xác định các đại lƣợng sinh học nhƣ nồng độ ôxi trong máu, lƣợng đƣờng trong nƣớc tiểu, độ ngọt trong hoa quả vv. Ngoài ra, các nhà chuyên môn còn dùng cách phân loại theo vật liệu hoặc theo công nghệ chế tạo, cảm biến đƣợc chia thành: cảm biến bán dẫn (Semiconductor Sensors), cảm biến màng mỏng (Thin Film Sensors), cảm biến polyme (Polyme Sensors ), cảm biến tổ hợp (Integrated Sensors ), cảm biến vật liệu gốm (Ceramic Sensors ) vv…. Còn một cách phân loại nữa, đó là phân loại theo nguyên lý hoạt động, cảm biến đƣợc chia thành: cảm biến quang học (Optical Sensor), cảm biến điện hoá (Electrochemical Sensor )… 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Ứng dụng cảm biến trong quan trắc môi trường Quan trắc môi trƣờng (environment monitoring) là vấn đề rất cấp thiết để bảo vệ con ngƣời và môi trƣờng sống tránh các nguy hại do ô nhiễm không khí, nƣớc và đất. Các tổ chức bảo vệ môi trƣờng thế giới đã đƣa ra những điều luật nghiêm ngặt về giới hạn nồng độ cho rất nhiều các chất ô nhiễm, tuy nhiên các phƣơng pháp quan trắc hiện đang sử dụng đều đắt tiền và mất nhiều thời gian, chƣa kể đến các hạn chế của kỹ thuật lấy mẫu cũng nhƣ kỹ thuật phân tích. Chính vì vậy, nhu cầu về cảm biến với giá thành rẻ hơn và khả năng vận hành tại chỗ trở nên rất bức bách. Trong số các loại cảm biến, cảm biến hoạt động trên nguyên lý điện hóa (cảm biến điện hóa) tỏ ra hấp dẫn hơn cả, vì các thiết bị điện hóa thƣờng nhỏ gọn, rẻ tiền và độ nhậy cao hơn.

Cảm biến điện hoá là một vật dẫn điện đặt trong môi trƣờng nghiên cứu nơi sẽ xảy ra quá trình trao đổi điện tích giữa chất đích và cảm biến. Tuỳ theo tín hiệu đầu ra mà ngƣời ta phân chia cảm biến điện hoá thành bốn loại: cảm biến điện thế, cảm biến dòng, cảm biến độ dẫn, cảm biến thế-dòng (voltammetric). Tuy nhiên, cho dù cảm biến điện hóa có tiềm năng rất lớn, nhƣng cho đến nay việc ứng dụng rộng rãi trong việc kiểm soát môi trƣờng vẫn còn đang ở giai đoạn sơ khai. Mới chỉ có một số linh kiện nhƣ điện cực pH, điện cực ôxi đƣợc sử dụng một cách rộng rãi [17].

Chính vì thế, lĩnh vực nghiên cứu này đang đƣợc quan tâm và đầu tƣ phát triển rất mạnh mẽ. Một trong những hƣớng nghiên cứu hết sức quan trọng là nghiên cứu chế tạo vật liệu cảm biến tiên tiến, ví dụ các loại điện cực lai đặc hiệu, vi điện cực, các màng mỏng có khả năng nhận biết hoá học và sinh học với tính lựa chọn cao, các linh kiện phân tử và cảm biến array. Cho đến nay, các vật liệu thƣờng dùng làm lớp nhậy hoá chất là các chất bán dẫn vô cơ nhƣ Si, các ôxit kim loại (SnO2, TiO2…), thạch anh, các chất điện phân rắn. Chúng đƣợc nghiên cứu từ những năm 1950.

Vật liệu polyme bắt đầu đƣợc quan tâm nghiên cứu thời gian gần đây, tuy nhiên chúng cũng hứa hẹn tiềm năng ứng dụng rất to lớn, nhất là polyme dẫn [14]. 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. TỔNG QUAN VỀ POLYME DẪN 1. Khái niệm polyme dẫn Polyme dẫn (conducting polymer) đƣợc phát minh vào năm 1977 bởi ba nhà khoa học A.

Shirakawa khi công bố rằng trans- polyaxetylen sau khi kích hoạt bằng hơi iod có khả năng dẫn điện tƣơng đƣơng với kim loại (103S. Việc phát hiện ra một vật liệu hữu cơ có tính dẫn điện là sự kiện gây bất ngờ lớn và thu hút mạnh mẽ sự quan tâm của các nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau trên toàn thế giới. Sau phát minh này, một loạt các polyme dẫn khác đã đƣợc phát hiện, quan trọng nhất là polyanilin, polypyrol, polythiophen… Các polyme dẫn đều có cấu trúc π-liên hợp, nghĩa là mạch cao phân tử có các liên kết C-C đơn và đôi xen kẽ nhau, tạo ra băng bất định xứ và khả năng linh động của điện tử. Đây chính là cơ sở của đƣờng dẫn điện tích làm cho polyme trở nên dẫn điện.

trình bày công thức cấu tạo của một số polyme dẫn điện tiêu biểu. Một số polyme dẫn điện tiêu biểu. 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Tính chất điện hoá đặc biệt của polyme dẫn Tất cả các polyme dẫn đều có cấu trúc liên hợp các nối đơn và nối đôi xen kẽ nhau.

Cấu trúc đặc biệt này tạo nên những băng bất định xứ (delocalized bond) chính là cơ sở của đƣờng dẫn điện tích. Nhờ đó polyme dẫn có thể hoạt động nhƣ một nguồn điện tử (e-) khi bị ôxi hóa và nguồn lỗ trống (hole) khi bị khử, do đó chúng có khả năng tham gia tích cực vào các phản ứng điện hóa.