Nghiên Cứu Chế Tạo Điện Cực Platinum/Glassy Carbon Bằng Phương Pháp Lắng Đọng Điện Hóa

• Tác giả: Phạm Thị Tuyết Lê
• Người hướng dẫn: PGS. Cao Văn Hoàng
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Điện Cực Platinum/Glassy Carbon Và Ứng Dụng Phân Tích Ion Cadimi, Chì Trong Nước
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Hóa Học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Bình Định

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• PHỤ LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Kim loại nặng và tác hại của chúng
• 1.2. Các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng
• 1.3. Tính chất và tác hại của một số kim loại nặng
• 1.4. Các phương pháp xác định lượng vết Cd, Pb
• 1.4.1. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS)
• 1.4.2. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
• 1.4.3. Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cao tần cảm ứng
• 1.4.4. Phương pháp phổ khối plasma cao tần cảm ứng (ICP-MS)
• 1.4.5. Phương pháp cực phổ và Von - Ampe hòa tan
• 1.4.5.1. Phương pháp Von - Ampe hòa tan
• 1.4.5.2. Nguyên tắc chung của phương pháp Von - Ampe hòa tan
• 1.4.5.3. Các kỹ thuật ghi tín hiệu Von - Ampe hòa tan
• 1.4.5.4. Ưu điểm của phương pháp Von - Ampe hòa tan
• 1.4.5.5. Các hướng ứng dụng và phát triển của phân tích Von - Ampe hòa tan
• 1.4.6. Các loại điện cực làm việc trong phương pháp Von – Ampe hòa tan
• 1.4.6.1. Điện cực vàng
• 1.4.6.2. Điện cực boron - kim cương
• 1.4.6.3. Điện cực màng bitmut
• 1.4.6.4. Điện cực cacbon
• 1.4.6.5. Điện cực cacbon biến tính
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Thiết bị - dụng cụ - hóa chất
• 2.1.1. Thiết bị và dụng cụ
• 2.1.2. Chế tạo điện cực làm việc
• 2.2. Khảo sát tính chất điện hóa của các điện cực đã chế tạo
• 2.3. Khảo sát khả năng phân tích Cd(II), Pb(II) trên điện cực đã chế tạo
• 2.4. Các phương pháp đặc trưng bề mặt điện cực chế tạo được
• 2.4.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.4.2. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 2.4.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.4.4. Các phần mềm xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Khảo sát thế áp phù hợp để tạo được các hạt platin lên trên GC
• 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của điện cực PtNPs/GC
• 3.3. Khảo sát tính chất khuếch tán và độ thuận nghịch của phản ứng điện hóa trên các điện cực PtNPs/GC đã chế tạo
• 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của thế lắng đọng (EPt) đến thành phần của bề mặt điện cực
• 3.5. Khảo sát ảnh hưởng của thế lắng đọng (EPt) đến hình thái, cấu trúc bề mặt điện cực PtNPs/GC
• 3.6. Diện tích hoạt động điện hóa của điện cực PtNPs/GC với EPt khác nhau
• 3.7. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lắng đọng (tPt) đến thành phần, hình thái và cấu trúc của bề mặt điện cực
• 3.8. Khảo sát ảnh hưởng của tPt đến thành phần của bề mặt điện cực
• 3.9. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lắng đọng (tPt) đến hình thái, cấu trúc bề mặt điện cực PtNPs/GC
• 3.10. Diện tích hoạt động điện hóa của điện cực PtNPs/GC với tPt khác nhau
• 3.11. Khảo sát ảnh hưởng của EPt và tPt đến cường độ dòng đỉnh hòa tan (Ip) của Cd(II), Pb(II) bằng phương pháp Von - Ampe hòa tan anot
• 3.12. So sánh điện cực nền GC với điện cực biến tính PtNPs/GC
• 3.12.1. Hình ảnh điện cực nền GC trước (A) và sau (B) khi biến tính bởi các hạt nano platin
• 3.12.2. So sánh cường độ dòng đỉnh hòa tan của Cd(II), Pb(II) trên điện cực GC và PtNPs/GC
• 3.13. Khảo sát các điều kiện tối ưu để phân tích Cd(II), Pb(II)
• 3.13.1. Ảnh hưởng của nền điện ly
• 3.13.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch
• 3.13.3. Ảnh hưởng của thời gian điện phân (tdep)
• 3.13.4. Ảnh hưởng của thế điện phân làm giàu (Edep)
• 3.13.5. Ảnh hưởng của biên độ xung (∆E)
• 3.13.6. Ảnh hưởng của bước nhảy thế (Ustep)
• 3.13.7. Ảnh hưởng của các chất cản trở
• 3.14. Đánh giá độ lặp lại, độ nhạy, giới hạn phát hiện
• 3.14.1. Sự phụ thuộc của Ip vào nồng độ Cd(II), Pb(II)
• 3.14.2. Xây dựng đường chuẩn xác định Cd(II), Pb(II) và xác định giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng của phương pháp
• 3.15. Áp dụng thực tế và xây dựng qui trình phân tích
• 3.15.1. Cơ sở của phương pháp thêm chuẩn để xác định Cd(II), Pb(II)
• 3.15.2. Ứng dụng phương pháp thêm chuẩn để xác định hàm lượng Cd(II), Pb(II) trong một số mẫu nước ở Bình Định
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• A. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• B. DANH MỤC CÁC BẢNG
• C. DANH MỤC CÁC HÌNH

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Điện Cực Platinum Glassy Carbon

Nghiên cứu điện cực platinum/glassy carbon mở ra hướng tiếp cận mới trong phân tích kim loại nặng trong nước. Việc chế tạo và ứng dụng loại điện cực này hứa hẹn mang lại giải pháp hiệu quả, chi phí thấp cho việc phân tích ion cadimi và phân tích ion chì. Bài viết này sẽ đi sâu vào quy trình chế tạo, đặc tính và tiềm năng ứng dụng của điện cực biến tính này trong lĩnh vực phân tích môi trường. Nghiên cứu này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh ô nhiễm kim loại nặng ngày càng gia tăng, đòi hỏi các phương pháp phân tích định lượng và phân tích định tính nhanh chóng, chính xác. Điện cực glassy carbon được biến tính bằng platinum hứa hẹn cải thiện độ nhạy và giới hạn phát hiện so với các điện cực truyền thống.

1.1. Giới thiệu chung về điện cực Platinum Glassy Carbon

Điện cực platinum/glassy carbon là một loại điện cực composite được tạo ra bằng cách phủ một lớp platinum lên bề mặt điện cực glassy carbon. Glassy carbon là vật liệu có độ bền hóa học cao, khoảng thế hoạt động rộng và giá thành tương đối rẻ. Platinum lại có tính dẫn điện tốt và khả năng xúc tác cao đối với nhiều phản ứng điện hóa. Sự kết hợp của hai vật liệu này tạo ra một vật liệu điện cực có nhiều ưu điểm vượt trội so với các điện cực đơn lẻ. Phương pháp chế tạo điện cực thường sử dụng là lắng đọng điện hóa.

1.2. Ứng dụng tiềm năng trong phân tích môi trường

Điện cực platinum/glassy carbon có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong phân tích môi trường, đặc biệt là trong việc xác định các kim loại nặng trong nước. Ô nhiễm kim loại nặng là một vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Việc sử dụng điện cực biến tính này giúp cải thiện độ nhạy và độ chọn lọc của phương pháp phân tích điện hóa, cho phép phát hiện các ion kim loại ở nồng độ rất thấp. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc kiểm nghiệm thực phẩm và xử lý nước.

II. Vấn Đề Ô Nhiễm Cadimi Chì Trong Nước Hiện Nay

Ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt là cadimi và chì, đang là vấn đề nhức nhối trên toàn cầu. Các nguồn thải công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt góp phần làm gia tăng nồng độ các ion kim loại này trong nguồn nước. Cadimi và chì có độc tính cao, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và sinh vật sống. Theo tài liệu gốc, các ion Pb(II) gây ngộ độc cấp tính và mãn tính, có tác dụng phụ lên thận, gan, tim, mạch máu và hệ miễn dịch. Việc phân tích kim loại nặng trong nước trở nên cấp thiết để đảm bảo an toàn cho cộng đồng và bảo vệ môi trường. Các phương pháp phân tích truyền thống thường tốn kém và đòi hỏi thiết bị phức tạp, do đó cần có những giải pháp phân tích hiệu quả hơn.

2.1. Tác hại của Cadimi và Chì đối với sức khỏe con người

Cadimi và chì là những kim loại nặng có độc tính cao, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Cadimi có thể gây tổn thương thận, xương và hệ hô hấp. Chì có thể gây tổn thương não, hệ thần kinh và hệ tiêu hóa. Trẻ em đặc biệt nhạy cảm với tác động của chì, có thể gây chậm phát triển trí tuệ và các vấn đề về hành vi. Việc tiếp xúc lâu dài với cadimi và chì có thể dẫn đến các bệnh mãn tính và ung thư. Cần có các biện pháp xử lý nước hiệu quả để loại bỏ các kim loại nặng này.

2.2. Nguồn gốc và con đường ô nhiễm Cadimi Chì trong nước

Ô nhiễm cadimi và chì trong nước có thể xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau. Các hoạt động công nghiệp như khai thác mỏ, luyện kim, sản xuất pin và điện tử là những nguồn thải chính. Nông nghiệp sử dụng phân bón và thuốc trừ sâu chứa cadimi và chì cũng góp phần làm ô nhiễm nguồn nước. Nước thải sinh hoạt và rác thải công nghiệp không được xử lý đúng cách cũng có thể chứa các kim loại nặng này. Kim loại nặng có thể xâm nhập vào nguồn nước qua quá trình rửa trôi đất, xói mòn và rò rỉ từ các bãi chôn lấp.

III. Phương Pháp Chế Tạo Điện Cực Platinum Glassy Carbon Hiệu Quả

Nghiên cứu tập trung vào phương pháp chế tạo điện cực platinum/glassy carbon bằng kỹ thuật lắng đọng điện hóa. Đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện và cho phép kiểm soát tốt kích thước và hình thái của các hạt platinum trên bề mặt glassy carbon. Quá trình chế tạo điện cực bao gồm các bước chuẩn bị bề mặt glassy carbon, điều chỉnh các thông số điện hóa như thế điện cực, thời gian lắng đọng và nồng độ dung dịch điện ly. Việc tối ưu hóa các thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra điện cực có độ bền cao, tuổi thọ dài và khả năng phân tích tốt. Điện cực sau khi chế tạo được kiểm tra bằng các phương pháp đặc trưng bề mặt như SEM, EDX và XRD.

3.1. Quy trình lắng đọng điện hóa Platinum lên Glassy Carbon

Quy trình lắng đọng điện hóa platinum lên glassy carbon bao gồm các bước sau: Đầu tiên, bề mặt glassy carbon được làm sạch và hoạt hóa bằng các phương pháp hóa học hoặc điện hóa. Sau đó, điện cực glassy carbon được nhúng vào dung dịch chứa muối platinum và được đặt vào một hệ thống điện hóa. Một thế điện cực âm được áp dụng lên điện cực glassy carbon, khiến các ion platinum trong dung dịch bị khử và lắng đọng lên bề mặt điện cực dưới dạng các hạt nano. Các thông số như thế điện cực, thời gian lắng đọng, nồng độ dung dịch và nhiệt độ được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng của điện cực.

3.2. Tối ưu hóa các thông số chế tạo điện cực

Việc tối ưu hóa các thông số chế tạo điện cực là rất quan trọng để đạt được hiệu suất phân tích tốt nhất. Thế lắng đọng ảnh hưởng đến kích thước và hình thái của các hạt platinum. Thời gian lắng đọng ảnh hưởng đến lượng platinum được lắng đọng trên bề mặt glassy carbon. Nồng độ dung dịch ảnh hưởng đến tốc độ lắng đọng. Nhiệt độ ảnh hưởng đến động học của quá trình điện hóa. Các thông số này cần được điều chỉnh cẩn thận để tạo ra điện cực có diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao và khả năng xúc tác tốt.

IV. Ứng Dụng Điện Cực Platinum Glassy Carbon Phân Tích Cd Pb

Điện cực platinum/glassy carbon được ứng dụng để phân tích ion cadimi và phân tích ion chì trong nước bằng phương pháp voltammetry. Phương pháp này dựa trên việc đo dòng điện tạo ra khi các ion kim loại bị oxy hóa hoặc khử trên bề mặt điện cực. Điện cực biến tính giúp tăng cường độ nhạy và độ chọn lọc của phương pháp, cho phép xác định nồng độ cadimi và chì ở mức vết. Nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như pH, thành phần dung dịch điện ly và thời gian điện phân đến kết quả phân tích. Kết quả cho thấy điện cực platinum/glassy carbon có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong phân tích môi trường.

4.1. Phương pháp Voltammetry và cơ chế phân tích Cd Pb

Voltammetry là một phương pháp phân tích điện hóa dựa trên việc đo dòng điện tạo ra khi thế điện cực thay đổi theo thời gian. Trong phân tích cadimi và chì, các ion kim loại được làm giàu trên bề mặt điện cực bằng cách điện phân ở một thế âm. Sau đó, thế điện cực được quét theo chiều dương, khiến các ion kim loại bị oxy hóa và tạo ra dòng điện. Dòng điện này tỷ lệ với nồng độ của các ion kim loại trong dung dịch. Điện cực platinum/glassy carbon giúp tăng cường quá trình oxy hóa và khử của các ion kim loại, từ đó cải thiện độ nhạy của phương pháp.

4.2. Đánh giá độ nhạy và giới hạn phát hiện của phương pháp

Độ nhạy và giới hạn phát hiện là hai thông số quan trọng để đánh giá hiệu quả của phương pháp phân tích. Độ nhạy thể hiện khả năng của phương pháp trong việc phân biệt giữa các nồng độ khác nhau của chất phân tích. Giới hạn phát hiện là nồng độ thấp nhất của chất phân tích có thể được phát hiện một cách đáng tin cậy. Nghiên cứu đã xác định độ nhạy và giới hạn phát hiện của phương pháp voltammetry sử dụng điện cực platinum/glassy carbon để phân tích cadimi và chì. Kết quả cho thấy phương pháp này có độ nhạy cao và giới hạn phát hiện thấp, phù hợp cho việc phân tích các mẫu nước có nồng độ kim loại nặng thấp.

V. Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tế Tại Bình Định

Nghiên cứu đã áp dụng điện cực platinum/glassy carbon để phân tích các mẫu nước thực tế tại Bình Định. Các mẫu nước được thu thập từ sông, hồ và khu công nghiệp trên địa bàn tỉnh. Kết quả phân tích cho thấy nồng độ cadimi và chì trong một số mẫu nước vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Điều này cho thấy tình trạng ô nhiễm kim loại nặng đang diễn ra và cần có các biện pháp kiểm soát và xử lý kịp thời. Phương pháp phân tích sử dụng điện cực biến tính cho kết quả tương đồng với phương pháp AAS, nhưng có ưu điểm về chi phí và thời gian phân tích.

5.1. Phân tích mẫu nước sông hồ và nước thải tại Bình Định

Các mẫu nước được thu thập từ các địa điểm khác nhau tại Bình Định, bao gồm sông, hồ và khu công nghiệp. Các mẫu nước được xử lý sơ bộ để loại bỏ các chất gây nhiễu trước khi phân tích bằng phương pháp voltammetry sử dụng điện cực platinum/glassy carbon. Kết quả phân tích cho thấy nồng độ cadimi và chì trong một số mẫu nước vượt quá tiêu chuẩn cho phép của Bộ Y tế. Điều này cho thấy tình trạng ô nhiễm kim loại nặng đang diễn ra và cần có sự quan tâm của các cơ quan chức năng.

5.2. So sánh kết quả với phương pháp AAS và đánh giá ưu điểm

Kết quả phân tích bằng phương pháp voltammetry sử dụng điện cực platinum/glassy carbon được so sánh với kết quả phân tích bằng phương pháp AAS (Atomic Absorption Spectrometry). Kết quả cho thấy sự tương đồng giữa hai phương pháp, chứng tỏ độ tin cậy của phương pháp voltammetry. Tuy nhiên, phương pháp voltammetry có ưu điểm về chi phí thấp hơn, thời gian phân tích nhanh hơn và thiết bị đơn giản hơn so với phương pháp AAS. Điều này làm cho phương pháp voltammetry trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho việc phân tích kim loại nặng trong các phòng thí nghiệm có nguồn lực hạn chế.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Điện Cực Platinum Glassy Carbon

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo điện cực platinum/glassy carbon bằng phương pháp lắng đọng điện hóa và ứng dụng để phân tích ion cadimi và phân tích ion chì trong nước. Điện cực biến tính cho thấy nhiều ưu điểm so với các điện cực truyền thống, đặc biệt là về độ nhạy và giới hạn phát hiện. Kết quả phân tích các mẫu nước thực tế tại Bình Định cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi của phương pháp này trong phân tích môi trường. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là tối ưu hóa quy trình chế tạo điện cực, nghiên cứu các vật liệu biến tính khác và mở rộng phạm vi ứng dụng sang phân tích các kim loại nặng khác và các chất ô nhiễm khác.

6.1. Tổng kết các kết quả đạt được và hạn chế của nghiên cứu

Nghiên cứu đã đạt được những kết quả đáng khích lệ trong việc chế tạo và ứng dụng điện cực platinum/glassy carbon để phân tích kim loại nặng. Tuy nhiên, nghiên cứu vẫn còn một số hạn chế, chẳng hạn như độ bền của điện cực chưa cao và ảnh hưởng của các chất gây nhiễu trong mẫu nước chưa được khảo sát đầy đủ. Cần có thêm các nghiên cứu để khắc phục những hạn chế này và nâng cao hiệu quả của phương pháp.

6.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo và tiềm năng ứng dụng

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo điện cực để tăng độ bền và tuổi thọ của điện cực. Nghiên cứu cũng có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu biến tính mới để cải thiện độ nhạy và độ chọn lọc của phương pháp. Ngoài ra, cần có các nghiên cứu để khảo sát ảnh hưởng của các chất gây nhiễu trong mẫu nước và phát triển các phương pháp loại bỏ các chất gây nhiễu này. Điện cực platinum/glassy carbon có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong phân tích môi trường, kiểm nghiệm thực phẩm và y tế.