Đồ án tốt nghiệp đề tài nghiên cứu đánh giá tính năng xử lý vi sinh của vật liệu xúc tác quang agg c3n4

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp đề tài nghiên cứu đánh giá tính năng xử lý vi sinh của vật liệu xúc tác quang agg c3n4, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài

• Tác giả: Phạm Phương Nhung
• Người hướng dẫn: Pgs. Nguyễn Xuân Trường
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Nghiên cứu đánh giá tính năng xử lý vi sinh của vật liệu xúc tác quang Ag/g-C3N4
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vật liệu xúc tác quang Ag g C3N4

Vật liệu xúc tác quang Ag/g-C3N4 là một hợp chất tiên tiến kết hợp graphitic carbon nitride (g-C3N4) với nanoparticle bạc (Ag). Loại vật liệu này được khoa học ứng dụng rộng rãi trong xử lý vi sinh và làm sạch môi trường. G-C3N4 là một bán dẫn hữu cơ có khả năng hoạt động dưới ánh sáng nhìn thấy, bền hóa học cao và dễ tổng hợp. Tuy nhiên, hiệu quả xúc tác quang ban đầu còn thấp do tốc độ tái tổ hợp điện tử-lỗ trống nhanh. Việc pha tạp nano bạc vào g-C3N4 đã cải thiện đáng kể hiệu suất xúc tác. Bạc không chỉ giúp tăng khả năng xúc tác quang mà còn sở hữu tính kháng khuẩn vốn có, làm tăng hiệu quả xử lý vi sinh của vật liệu composite này.

1.1. Đặc tính cấu trúc của g C3N4

G-C3N4 được tạo thành từ các unit trisniazine kết nối với nhau tạo thành mạng lưới ba chiều. Cấu trúc này cho phép g-C3N4 có độ ổn định hóa học cao và khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy. Vật liệu này có độ rộng vùng cấm (bandgap) khoảng 2.7 eV, phù hợp cho ứng dụng xúc tác quang. Mặc dù vậy, diện tích bề mặt riêng thấp và khả năng chuyển điện tử hạn chế là những nhược điểm cần khắc phục.

1.2. Vai trò của nano bạc trong composite Ag g C3N4

Nano bạc (Ag NPs) đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của vật liệu composite. Bạc hoạt động như một trung gian chuyển điện tử hiệu quả, giúp giảm tốc độ tái tổ hợp cặp điện tử-lỗ trống. Ngoài ra, bạc sở hữu tính kháng khuẩn đặc biệt mạnh mẽ, cho phép vật liệu Ag/g-C3N4 không chỉ xúc tác phân hủy chất ô nhiễm mà còn tiêu diệt vi khuẩn hiệu quả.

II. Phương pháp tổng hợp và đặc trưng vật liệu Ag g C3N4

Quá trình tổng hợp vật liệu Ag/g-C3N4 bao gồm hai giai đoạn chính: tổng hợp g-C3N4 và pha tạp nano bạc. Đầu tiên, g-C3N4 được tổng hợp thông qua phân hủy nhiệt các tiền chất như mělaminFormamid hoặc tiourea ở nhiệt độ cao (400-600°C). Sau đó, nano bạc được pha tạp vào g-C3N4 thông qua các phương pháp như quay chiều sáng, quá trình khử hóa học hoặc photoreduction. Để đặc trưng hóa vật liệu, các phương pháp phân tích hiện đại như SEM, XRD, EDX, FT-IR và UV-Vis được sử dụng, giúp xác định hình thái, cấu trúc tinh thể, thành phần nguyên tố và tính chất quang học của vật liệu.

2.1. Quy trình tổng hợp g C3N4

Phương pháp tổng hợp g-C3N4 phổ biến nhất là phân hủy nhiệt (thermal pyrolysis) tiền chất tại áp suất thường và hơi. Tiền chất được nung nóng từ từ đến 550°C và giữ ở nhiệt độ này trong 2-4 giờ dưới điều kiện khí nitrogen. Sản phẩm thu được là một bột màu vàng nhạt đặc trưng cho g-C3N4. Phương pháp này đơn giản, chi phí thấp nhưng cho năng suất tương đối cao, phù hợp cho các ứng dụng quy mô lớn.

2.2. Kỹ thuật pha tạp nano bạc và phân tích đặc trưng

Nano bạc được pha tạp vào g-C3N4 bằng phương pháp photoreduction hoặc khử hóa học sử dụng các tác nhân khử như sodium borohydride. Các phương pháp phân tích như SEM giúp quan sát hình thái bề mặt, XRD xác định các pha tinh thể, còn EDX phân tích thành phần nguyên tố. Phổ FT-IR cung cấp thông tin về các nhóm chức năng, trong khi UV-Vis đo tính chất quang học của vật liệu.

III. Tính năng xử lý vi sinh của Ag g C3N4

Tính năng xử lý vi sinh của vật liệu Ag/g-C3N4 được đánh giá dựa trên khả năng tiêu diệt các chủng vi khuẩn như Escherichia coli (E. coli) và Staphylococcus aureus (S. aureus). Cơ chế kháng khuẩn của vật liệu này bao gồm hai yếu tố chính: tác dụng xúc tác quang của g-C3N4 tạo ra các loại phản ứng oxy hóa mạnh (ROS), và tính kháng khuẩn vốn có của bạc. Dưới tác dụng của ánh sáng, vật liệu Ag/g-C3N4 tạo ra các gốc hydroxyl và superoxide, chúng xâm nhập vào màng tế bào vi khuẩn, gây hỏng các protein và DNA. Kết hợp với ion Ag⁺ từ nano bạc, hiệu quả tiêu diệt vi khuẩn được nâng cao đáng kể.

3.1. Cơ chế hoạt động xúc tác quang

Khi vật liệu Ag/g-C3N4 tiếp xúc với ánh sáng, các điện tử ở dải hóa hợp (valence band) được kích thích lên dải dẫn (conduction band), tạo ra cặp điện tử-lỗ trống. Nano bạc giảm tốc độ tái tổ hợp này, cho phép hình thành nhiều ROS hơn. Các ROS như •OH và •O2⁻ là những chất oxy hóa mạnh có khả năng phá hủy các thành phần sinh học của vi khuẩn, dẫn đến vô hiệu hóa hoặc tiêu diệt chúng.

3.2. Đánh giá tính kháng khuẩn thông qua phương pháp khuẩn lạc

Phương pháp đánh giá tính kháng khuẩn sử dụng nuôi cấy khuẩn lạc trên môi trường agar. Vi khuẩn được tiếp xúc với vật liệu Ag/g-C3N4 dưới các điều kiện về thời gian (0, 30, 60, 120 phút) và điều kiện ánh sáng khác nhau. Số lượng khuẩn lạc được đếm, từ đó tính toán phần trăm vi khuẩn bị tiêu diệt. Kết quả cho thấy hiệu suất kháng khuẩn tăng theo thời gian tiếp xúc và cường độ ánh sáng.

IV. Ứng dụng và triển vọng phát triển của vật liệu Ag g C3N4

Vật liệu xúc tác quang Ag/g-C3N4 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xử lý nước thải, khử trùng, xử lý môi trường và y tế. Khả năng xử lý vi sinh hiệu quả làm cho nó trở thành một giải pháp hữa hạn cho việc tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh. Ngoài ra, vật liệu này còn có thể sử dụng trong các ứng dụng như làm sạch không khí, xử lý ô nhiễm hữu cơ, và phát triển các thiết bị y tế vô trùng. Với những ưu điểm về hiệu suất cao, chi phí thấp và tính bền vững, Ag/g-C3N4 được xem là một vật liệu tiềm năng cho các công nghệ môi trường xanh trong tương lai.

4.1. Ứng dụng trong xử lý nước và khử trùng

Ag/g-C3N4 có thể được ứng dụng để xử lý nước thải chứa vi khuẩn gây bệnh thông qua xúc tác quang. Vật liệu này được đặt trong các bộ lọc nước hoặc trong các thiết bị quang xúc tác, dưới tác dụng của ánh sáng tự nhiên hoặc nhân tạo, nó tiêu diệt các vi khuẩn có hại. Phương pháp này an toàn, không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại, phù hợp cho ứng dụng xử lý nước trên quy mô lớn.

4.2. Triển vọng phát triển và hướng nghiên cứu tương lai

Các hướng nghiên cứu tương lai bao gồm cải thiện độ ổn định của vật liệu Ag/g-C3N4, phát triển các dạng vật liệu mới như sợi hoặc màng mỏng, và tối ưu hóa các điều kiện pha tạp để nâng cao hiệu suất. Ngoài ra, việc tìm hiểu sâu hơn về cơ chế kháng khuẩn và các tương tác giữa vật liệu với vi khuẩn cũng là những chủ đề cần được tiếp tục nghiên cứu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan về vật liệu xúc tác quang g-C3N4 và nano Bạc 1. Giới thiệu về g-C3N4 Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng tăng và ô nhiễm do nhiên liệu hóa thạch, xúc tác quang dựa trên chất bán dẫn nổi lên như một hướng đi quan trọng để chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiên liệu và xử lý môi trường. Trong số đó, nitride carbon graphitic (g-C3N4) được xem là một chất bán dẫn hữu cơ đã nhận được sự quan tâm lớn trong ngành khoa học vật liệu.

Về lịch sử và cấu trúc, các tiền chất giàu C - N như melamine, melam, melem và “melon” đã được Berzelius phát triển và Liebig đặt tên từ năm 1834. “Melon” có thể được gọi là một dạng polymer thẳng được hình thành từ sự kết nối các tri-s-triazine (hay heptazine) với nhau qua một cầu nối là nguyên tử nitrogen bậc 2 trong nhóm −NH− của mỗi đơn vị monome C6H7(NH2)3. Hợp chất chứa C và N thu được từ tiền chất thủy ngân (II) thiocyante [1] Những hiểu biết sâu hơn về cấu trúc của các hợp chất này sau đó được Franklin mô tả đầu tiên vào năm 1922. Ông đã giới thiệu khái niệm về carbonic nitride (C3N4) và đề xuất rằng C3N4 có thể thu được như là sản phẩm khử độc tố cuối cùng của dãy ammono carbonic acid bằng cách đun nóng “melon”, song bằng chứng chứng minh còn hạn chế vì thiếu nhiễu xạ tia X.

Bước ngoặt xuất hiện năm 1937 khi Pauling & Sturdivant đề xuất một đơn vị tri-s-triazine đồng phẳng làm mô hình cấu trúc cơ sở. Sau đó Redemann & Lucas chỉ ra sự tương đồng hình thức giữa graphite và “melon” và cho rằng “melon” có khả năng là tập hợp nhiều polymer có kích thước và cấu trúc khác nhau. Năm 1982, Leonard và cộng sự tổng hợp “nhân” cyameluric (C₆N₇H₃) và sự sắp xếp đồng phẳng đã được quan sát thấy trong cấu trúc tinh thể, củng cố mô hình của Pauling. Từ thập niên 1990, mối quan tâm với C₃N₄ bùng trở lại nhờ dự báo lý thuyết rằng pha đặc β-C₃N₄ (sp³) có độ cứng và môđun đàn hồi so sánh được với kim cương; tuy nhiên việc tổng hợp đơn pha sp³ rất khó.

Cacbon nitrua (C3N4) có thể tồn tại ở nhiều dạng thù hình khác nhau và trong điều kiện bình thường, graphit cacbon nitrua (g- C 3N4) là dạng ổn định nhất trong các dạng thù hình của cacbon nitrua, vì thế nghiên cứu tập trung vào vật liệu này. Graphit cacbon nitrua (g- C3N4) được cấu tạo bởi cấu trúc phân cấu trúc điện tử liên hợp 𝜋−𝜋 thông qua lai hóa sp2, sau đó xếp lớp hai chiều (2D), trong đó các nguyên tử cacbon và nitơ tạo thành chồng nhiều lần để tạo thành cấu trúc tinh thể ba chiều (3D). Đơn vị cấu trúc cơ bản của g- C 3N4 tồn tại ở hai dạng, bao gồm triazine (C3N3) và tri-s-triazine (C6N7). Cấu trúc g- C3N4 xây dựng bởi đơn vị tri- s-triazine ổn định hơn so với g- C 3N4 được xây dựng từ đơn vị triazine.

Nó đã được chứng minh bằng thực nghiệm và lý thuyết rằng g- C 3N4 dựa trên tri-s-triazine ổn định về mặt năng lượng (30 kJ.mol -1) hơn so với g- C3N4 dựa trên triazine [2]. Cấu trúc vòng tri-s-triazine và độ ngưng tụ cao làm cho polymer có độ ổn định cao về nhiệt (lên đến 600°C trong không khí), tác động hóa học (ví dụ: acid, base và dung môi hữu cơ) và có một cấu trúc điện tử hấp dẫn với vùng cấm trung bình. Các vòng tri-s-triazine này được hình thành từ các nguyên tử N liên kết ba. Cấu trúc (a) triazine, (b) tri-s-triazine (heptazine) của g-C₃N₄ [2] Các phương pháp tổng hợp g- C 3N4 nổi trội như ngưng tụ nhiệt, nitrid hóa nhiệt, PVD (lắng đọng hơi vật lý), CVD (lắng đọng hơi hóa học), phản ứng trạng thái rắn và phương pháp hòa tan.

Trong đó, phương pháp ngưng tụ nhiệt là một phương pháp đơn giản và phổ biến nhất, là phương pháp chính để tổng hợp g-C 3N4 từ các tiền chất hữu cơ giàu carbon và nitrogen khác nhau như urea, thiourea, cyanamide, dicyandiamide, melamine… ở 500 – 600°C trong không khí hay khí quyển trơ. Sơ đồ quá trình tổng hợp g- C3N4 từ các tiền chất khác nhau [2] Graphit cacbon nitrua (g- C3N4) cho thấy tính chất đa dạng như: bền nhiệt (~600 °C trong không khí), bền hóa học (khó tan trong nước và hầu hết dung môi, kháng acid/base loãng), chống ăn mòn cao, độ cứng cao và khối lượng riêng thấp, không chứa kim loại nên an toàn và thân thiện môi trường. Đặc biệt, nó hoạt động như một chất xúc tác đa chức. Nguyên nhân cho điều này là do cấu trúc của g- C3N4 như: tính nucleophile gây ra bởi các nhóm chức Lewis base và chức Bronsted base; tính chất điện của hệ liên hợp; khả năng hình thành các liên kết hydrogen.Các đặc tính bề mặt đa chức năng của g- C3N4 [2] Chính nhờ cấu trúc dải điện tử đặc biệt, sự ổn định nhiệt cao, khả năng hấp thụ tốt ánh sáng trong vùng ánh sáng khả kiến, thành phần chỉ gồm nguyên tố C và N phong phú trong vỏ Trái đất, và tổng hợp tương đối đơn giản đã khiến g- C 3N4 được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: xử lý chất ô nhiễm, phân tách nước, khử trùng, khử khuẩn… Dẫu vậy, g-C₃N₄ còn nhiều hạn chế như độ dẫn điện thấp, tốc độ tái tổ hợp electron và lỗ trống quang sinh nhanh, diện tích bề mặt riêng nhỏ, độ trơ bề mặt cao, động học phản ứng chậm, khả năng oxi hóa trung bình, hiệu suất lượng tử ở vùng khả kiến không cao, tính linh động của các hạt mang điện thấp.

[2] Chính vì vậy, một trong những phương pháp được đưa ra để nâng cao hiệu suất là biến tính vật liệu. Thông thường sẽ biến tính theo hướng sử dụng hiệu quả ánh sáng khả kiến, giảm tốc độ tái tổ hợp electron và lỗ trống quang sinh và tăng diện tích bề mặt chất xúc tác, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt tính xúc tác quang của vật liệu.Ngoài ra còn một số phương pháp khác như pha tạp hoặc đồng trùng hợp để đưa tạp chất vào g-C₃N₄, qua đó thay đổi cấu trúc điện tử và cấu hình dải năng lượng để điều chỉnh dải năng lượng; thiết kế lại cấu trúc nano (tạo xốp bằng khuôn mềm hoặc cứng) nhằm tăng diện tích bề mặt và rút ngắn đường khuếch tán điện tích. Giới thiệu nano Bạc Công nghệ nano là một lĩnh vực nhận được sự quan tâm và có ảnh hưởng lớn bởi nó đã tạo ra nhiều sản phẩm và ứng dụng mới với chi phí hiệu quả. Hiện nay, nghiên cứu công nghệ nano đang được đẩy mạnh trong nông nghiệp, chế biến thực phẩm và công nghiệp dược - y sinh.

Nano Bạc là loại hạt nano được nghiên cứu và sử dụng nhiều nhất nhờ các tính chất độc đáo. Nano bạc (AgNPs) là các hạt Ag có kích thước dao động trong khoảng từ 1 đến 100 nanomet, diện tích bề mặt lớn, tính chất cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR) trong vùng khả kiến, nhờ đó thể hiện các tính chất quang - điện độc đáo, hoạt tính xúc tác hóa học cao và phổ tác dụng kháng vi sinh vật rộng. Những đặc điểm này giúp AgNPs vượt trội hơn so với dạng Bạc ion truyền thống trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực kháng khuẩn. Một thực tế được công nhận rộng rãi là các ion Bạc và các hợp chất gốc Bạc có khả năng tiêu diệt vi khuẩn rất tốt [3].

Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ và hiểu biết sâu sắc hơn về cơ chế của Bạc trong việc phòng ngừa bệnh tật thông qua việc tiêu diệt vi sinh vật đã mở ra cánh cửa hướng tới việc sử dụng chúng trong y học nano. AgNPs có dải ứng dụng rộng: trong y - sinh, chúng được dùng cho băng vết thương, lớp phủ dụng cụ, dệt may và màng lọc nhờ kháng khuẩn đa mục tiêu ở nồng độ thấp; để an toàn cần kiểm soát giải phóng ion Ag⁺, đánh giá độc tính và tương tác huyết thanh, ưu tiên cấu hình cố định hoặc core–shell (lõi-vỏ ) như Ag@SiO₂ để giảm phát thải. Trong xử lý nước, AgNPs được gắn lên than hoạt tính, zeolit hay màng polymer để khử trùng và ức chế biofilm, song phải giám sát rò rỉ Bạc và có kế hoạch thu hồi cuối vòng đời. Ở cảm biến, LSPR/SERS giúp phát hiện vết thuốc trừ sâu, chất ô nhiễm và biomarker, với hiệu năng phụ thuộc tối ưu “hot-spot” và kiểm soát nanogap.

Trong quang xúc tác, AgNPs thúc đẩy phản ứng nhẹ, tiết kiệm năng lượng; ghép với TiO₂, g-C₃N₄ hoặc ZnO mở rộng hấp thụ sang vùng khả kiến nhờ vai trò bẫy điện tử và plasmon. Cuối cùng, trong điện tử in, mực Bạc nano cho phép in mạch dẫn trên nền dẻo ở nhiệt độ thấp, rút ngắn thời gian nguyên mẫu và chi phí nhưng vẫn bảo đảm độ dẫn cho anten, điện cực và liên kết liên mạch. Một số phương pháp tổng hợp AgNPs Các đặc tính nổi bật của AgNPs phụ thuộc vào kích thước, cấu trúc, tương tác với chất ổn định, môi trường xung quanh và phương pháp chế tạo. Vì vậy muốn đạt tính chất quang, từ, điện và xúc tác như mong muốn phải tổng hợp tinh thể nano có kiểm soát.

Hạt nano được tổng hợp theo hai con đường: bottom-up (các nguyên tử kết hợp lại thành hạt nhỏ, rồi kết dính lại với nhau tạo ra các hạt lớn hơn) và top-down (đi từ vật liệu khối lớn, phân chia nhỏ ra các hạt có kích thước nano). Tùy theo phương pháp tiến hành, lại chia ra: phương pháp hóa học, phương pháp vật lý và phương pháp sinh học. Trong đó, phương pháp hóa học được dùng rộng rãi nhờ hiệu quả cao, chi phí thấp. Bao gồm: điện hóa, lắng đọng hơi hóa học, khử hóa học và kỹ thuật micelle ngược.

Trong số đó, phương pháp khử hóa học là phổ biến nhất. Quá trình tổng hợp hóa học thường yêu cầu ba thành phần chính: tác nhân khử, tác nhân đóng nắp/ổn định và tiền chất. Polyvinylpyrrolidone (PVP) là chất điều khiển kích thước và chất đóng nắp, với Ethylene glycol là dung môi và chất khử, được báo cáo là tạo ra các hạt nano Bạc có kích thước trung bình nhỏ hơn 10 nm. Dung môi đóng vai trò là thành phần thứ tư.

Các phản ứng hóa học được sử dụng phổ biến nhất để tổng hợp bao gồm khử orohydride, phương pháp citrate, quá trình polyol và phản ứng tollens. Ban đầu, phương pháp citrate được áp dụng để tổng hợp AgNPs và tỏ ra rất hiệu quả [4]. Tuy nhiên, quá trình khử borohydride cung cấp khả năng kiểm soát rõ ràng đối với hình dạng và kích thước của AgNPs do khả năng khử tuyệt vời của nó so với phương pháp citrate [5].