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

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus nghiên cứu chế tạo vi cảm biến chọn lọc thủy ngân trên cơ sở màng mỏng nanocomposit polyanilin, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Phùng Như Bách
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tuấn Dung
• Trường học: Trường đại học khoa học tự nhiên - đại học quốc gia hà nội
• Chuyên ngành: Hóa môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo vi cảm biến chọn lọc thủy ngân trên cơ sở màng mỏng nanocomposit polyanilin - ống nano cacbon
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ khoa học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• MỤC LỤC
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẢM BIẾN
• 1.1.1. Khái niệm cảm biến
• 1.1.2. Phân loại cảm biến
• 1.1.3. Ứng dụng cảm biến trong quan trắc môi trường
• 1.2. TỔNG QUAN VỀ POLYME DẪN
• 1.2.1. Khái niệm polyme dẫn
• 1.2.2. Tính chất điện hoá đặc biệt của polyme dẫn
• 1.2.3. Các phương pháp chế tạo polyme dẫn
• 1.2.4. Ứng dụng của polyme dẫn
• 1.2.5. Giới thiệu chung về polyanilin
• 1.2.6. Tổng hợp polyanilin
• 1.2.7. Quá trình hoạt hóa (doping)
• 1.2.8. Cơ chế dẫn điện của polyanilin
• 1.2.9. Ứng dụng polyanilin làm vật liệu cảm biến
• 1.3. ỐNG NANO CACBON (CNT)
• 1.3.1. Giới thiệu chung về ống nano cacbon
• 1.3.2. Cấu trúc của ống nano cacbon
• 1.3.3. Ứng dụng của ống nano cacbon
• 1.4. THỦY NGÂN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THỦY NGÂN
• 1.4.1. Giới thiệu chung về thủy ngân
• 1.4.2. 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 nghiên cứu chế tạo vi cảm biến thủy ngân

Nghiên cứu chế tạo vi cảm biến thủy ngân từ polyanilin và ống nano cacbon đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu và môi trường. Thủy ngân là một trong những kim loại nặng gây ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Việc phát triển các cảm biến có khả năng phát hiện thủy ngân với độ nhạy cao và chi phí thấp là rất cần thiết. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc kết hợp polyanilin với ống nano cacbon có thể tạo ra các vi cảm biến hiệu quả hơn trong việc phát hiện thủy ngân.

1.1. Khái niệm về vi cảm biến thủy ngân

Vi cảm biến thủy ngân là thiết bị có khả năng phát hiện và đo lường nồng độ thủy ngân trong môi trường. Chúng hoạt động dựa trên nguyên lý điện hóa, cho phép phát hiện các ion thủy ngân với độ nhạy cao. Việc sử dụng polyanilin và ống nano cacbon trong chế tạo cảm biến giúp cải thiện tính nhạy và độ ổn định của thiết bị.

1.2. Tầm quan trọng của việc phát hiện thủy ngân

Thủy ngân là một chất độc hại, có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như tổn thương não, gan và hệ thần kinh. Việc phát hiện sớm và chính xác nồng độ thủy ngân trong môi trường là rất quan trọng để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường sống. Các phương pháp hiện tại thường tốn kém và phức tạp, do đó, phát triển vi cảm biến là một giải pháp khả thi.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu cảm biến thủy ngân

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong việc phát triển vi cảm biến thủy ngân, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua. Một trong những vấn đề lớn nhất là độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến. Các cảm biến hiện tại thường gặp khó khăn trong việc phân biệt thủy ngân với các ion kim loại khác. Hơn nữa, độ bền và ổn định của vật liệu cảm biến cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến.

2.1. Độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến

Độ nhạy của cảm biến là khả năng phát hiện nồng độ thấp của thủy ngân. Để đạt được điều này, cần phải tối ưu hóa cấu trúc và thành phần của vật liệu cảm biến. Độ chọn lọc cũng rất quan trọng, vì cảm biến cần phải phân biệt thủy ngân với các ion kim loại khác có mặt trong môi trường.

2.2. Độ bền và ổn định của vật liệu cảm biến

Độ bền và ổn định của vật liệu cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và hiệu suất của cảm biến. Các vật liệu như polyanilin và ống nano cacbon cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo rằng chúng có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện môi trường khác nhau mà không bị phân hủy.

III. Phương pháp chế tạo vi cảm biến thủy ngân hiệu quả

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 cải thiện tính chất điện hóa của vật liệu. Cuối cùng, cảm biến được chế tạo và thử nghiệm để đánh giá hiệu suất phát hiện thủy ngân.

3.1. Tổng hợp polyanilin

Polyanilin được tổng hợp thông qua phản ứng trùng hợp điện hóa, cho phép tạo ra màng polyanilin trên bề mặt điện cực. Quá trình này giúp kiểm soát độ dày và cấu trúc của màng, từ đó ảnh hưởng đến tính chất điện hóa của cảm biến.

3.2. Kết hợp ống nano cacbon

Ống nano cacbon được thêm vào polyanilin để cải thiện độ dẫn điện và độ nhạy của cảm biến. Sự kết hợp này tạo ra một nanocomposit có khả năng phát hiện thủy ngân tốt hơn so với việc sử dụng riêng lẻ từng vật liệu.

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. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện thủy ngân trong nước, không khí và thực phẩm. Việc sử dụng cảm biến này giúp đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người và bảo vệ môi trường.

4.1. Giám sát chất lượng nước

Vi cảm biến có thể được sử dụng để phát hiện nồng độ thủy ngân trong nước, giúp kiểm soát ô nhiễm nguồn nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Việc phát hiện sớm thủy ngân trong nước có thể ngăn chặn các tác động tiêu cực đến sức khỏe con người.

4.2. Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Cảm biến cũng có thể được áp dụng trong ngành thực phẩm để kiểm tra nồng độ thủy ngân trong thực phẩm, đặc biệt là hải sản. Điều này giúp đảm bảo an toàn thực phẩm và bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

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

Nghiên cứu chế tạo vi cảm biến thủy ngân từ polyanilin và ống nano cacbon đã mở ra nhiều triển vọng mới trong việc phát hiện và giám sát thủy ngân. Mặc dù còn nhiều thách thức, nhưng với sự phát triển của công nghệ và vật liệu mới, vi cảm biến có thể trở thành công cụ quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ cảm biến

Công nghệ cảm biến đang phát triển nhanh chóng, với nhiều nghiên cứu mới về vật liệu và phương pháp chế tạo. Việc cải thiện độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến sẽ là mục tiêu chính trong tương lai.

5.2. Tác động đến sức khỏe và môi trường

Việc phát triển vi cảm biến thủy ngân không chỉ giúp phát hiện sớm ô nhiễm mà còn góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường. Các ứng dụng thực tiễn của cảm biến sẽ ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh ô nhiễm ngày càng gia tăng.

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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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.