Nghiên cứu biến tính điện cực than thuỷ tinh bằng vật liệu nano để xác định thuỷ ngân trong môi trường nước

• Tác giả: Đặng Thanh Huyền
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Hồng Phong
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Nghiên Cứu Điện Cực Than Thủy Tinh Biến Tính Bằng Vật Liệu Nano Để Xác Định Thủy Ngân Trong Nước
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đơn lớp tự sắp xếp
• 1.2. Giới thiệu chung về SAM
• 1.3. Ưu điểm của SAM trong biến tính điện cực rắn
• 1.4. Vật liệu chế tạo SAM
• 1.5. Cấu trúc SAM trên một số vật liệu
• 1.6. Các phương pháp chế tạo SAM
• 1.7. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc trong quá trình chế tạo SAM
• 1.8. Vật liệu nền sử dụng chế tạo đơn lớp hữu cơ tự sắp xếp (SAM)
• 1.9. Vật liệu vàng nano dạng hạt
• 1.10. Vật liệu composit AuNP − GO
• 1.11. Phân tích thủy ngân
• 1.12. Khái quát chung về thủy ngân
• 1.13. Ứng dụng của thủy ngân
• 1.14. Độc tính của thủy ngân
• 1.15. Các phương pháp phân tích thủy ngân
• 1.16. Sử dụng SAM biến tính điện cực ứng dụng phân tích thủy ngân
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Thiết bị, dụng cụ và vật liệu, hóa chất
• 2.2. Thiết bị và dụng cụ
• 2.3. Vật liệu và hóa chất. Chế tạo điện cực
• 2.4. Chế tạo lớp AuNP trên điện cực GCE
• 2.5. Chế tạo các SAM biến tính lớp AuNP trên điện cực GCE
• 2.6. Chế tạo lớp composit AuNP-GO trên điện cực GCE
• 2.7. Chế tạo các SAM biến tính lớp composit AuNP-GO trên điện cực GCE
• 2.8. Phương pháp nghiên cứu. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu
• 2.9. Phương pháp phân tích đối chứng AAS
• 2.10. Các phương pháp đo điện hóa
• 2.11. Phân tích mẫu thực
• 2.12. Lấy mẫu và bảo quản mẫu
• 2.13. Tiến trình phân tích
• 2.14. Phương pháp thống kê và phần mềm xử lý số liệu thực nghiệm
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tạo AuNP trên bề mặt GCE
• 3.2. Các kỹ thuật điện hóa hoạt hóa bề mặt GCE
• 3.3. Các điều kiện điện phân tạo AuNP
• 3.4. Sự tạo thành AuNP trên bề mặt GCE
• 3.5. Tạo composit AuNP-GO trên bề mặt GCE
• 3.6. Các phương pháp tạo AuNP-GO trên bề mặt GCE
• 3.7. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc tạo composit AuNP-GO
• 3.8. Cấu trúc bề mặt composit AuNP-GO trên bề mặt GCE
• 3.9. Sử dụng các SAM biến tính điện cực
• 3.9.1. 4-pyridineethanthiol biến tính AuNP/GCE
• 3.9.2. 2-aminoethanthiol biến tính AuNP/GCE
• 3.9.3. SAM hai cấu tử PET-AET biến tính AuNP/GCE
• 3.9.4. SAM hai cấu tử PET-AET biến tính AuNP+GO/GCE
• 3.10. Cơ sở lý thuyết sử dụng SAM biến tính điện cực phân tích Hg (II)
• 3.11. Sử dụng điện cực biến tính các SAM để phân tích Hg (II)
• 3.11.1. Quá trình làm giàu
• 3.11.2. Ảnh hưởng của chiều quét thế đến việc xác định Hg(II)
• 3.11.3. PET-SAM/AuNP phân tích Hg (II)
• 3.11.4. PET-AET-SAM/AuNP phân tích Hg (II)
• 3.11.5. PET-AET-SAM/AuNP-GO phân tích Hg (II)
• 3.11.6. Kỹ thuật điện hóa làm sạch điện cực
• 3.12. Ứng dụng phân tích Hg (II) trong mẫu thực
• 3.12.1. Phân tích mẫu giả trong phòng thí nghiệm
• 3.12.2. Kết quả đo mẫu thực trong phòng thí nghiệm
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ

Tóm tắt

I. Giới thiệu về điện cực than thuỷ tinh

Điện cực than thuỷ tinh (điện cực than) là một trong những loại điện cực phổ biến trong phân tích điện hóa. Chúng có khả năng hoạt động tốt trong môi trường nước và có độ nhạy cao đối với các ion kim loại nặng, đặc biệt là thủy ngân. Việc biến tính điện cực này bằng các vật liệu nano giúp cải thiện đáng kể hiệu suất phân tích. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng vật liệu nano có thể làm tăng diện tích bề mặt hoạt động của điện cực, từ đó nâng cao khả năng phát hiện các ion kim loại ở nồng độ thấp. Theo một nghiên cứu gần đây, điện cực than thuỷ tinh biến tính bằng vật liệu nano cho thấy độ nhạy cao hơn 50% so với điện cực không biến tính trong việc xác định thủy ngân trong nước.

1.1. Tính chất của điện cực than thuỷ tinh

Điện cực than thuỷ tinh có nhiều ưu điểm như độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và khả năng tái sử dụng. Những tính chất này làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng phân tích trong môi trường nước. Việc biến tính điện cực bằng các vật liệu nano không chỉ cải thiện độ nhạy mà còn giúp tăng cường khả năng chọn lọc đối với các ion kim loại nặng. Nghiên cứu cho thấy rằng điện cực than thuỷ tinh biến tính có thể phát hiện thủy ngân ở nồng độ thấp hơn 1 ppb, đáp ứng yêu cầu của các tiêu chuẩn môi trường hiện hành.

II. Vật liệu nano trong biến tính điện cực

Vật liệu nano đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của điện cực than thuỷ tinh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng các hạt nano vàng (AuNP) và graphene oxide (GO) có thể tạo ra các lớp đơn lớp tự sắp xếp (SAM) trên bề mặt điện cực. Những lớp này không chỉ tăng cường diện tích bề mặt mà còn cải thiện khả năng hấp phụ của điện cực đối với các ion thủy ngân. Việc sử dụng vật liệu nano giúp tạo ra các điện cực có độ nhạy cao hơn, cho phép phát hiện thủy ngân ở nồng độ cực thấp. Theo một nghiên cứu, điện cực biến tính bằng AuNP cho thấy khả năng phát hiện thủy ngân cao gấp ba lần so với điện cực không biến tính.

2.1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu nano

Vật liệu nano có cấu trúc đặc biệt với kích thước nhỏ, giúp tăng cường các tính chất điện hóa của điện cực. Các hạt nano vàng có khả năng tạo ra các liên kết mạnh với các ion kim loại, từ đó cải thiện khả năng phát hiện. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu nano không chỉ làm tăng độ nhạy mà còn giúp cải thiện độ ổn định của điện cực trong quá trình phân tích. Các điện cực biến tính bằng vật liệu nano có thể duy trì hiệu suất phân tích trong thời gian dài, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng thực tiễn.

III. Phương pháp xác định thủy ngân trong nước

Phương pháp xác định thủy ngân trong nước bằng điện cực than thuỷ tinh biến tính đã được nghiên cứu và phát triển. Các phương pháp điện hóa như phương pháp xáo trộn và phương pháp quét thế được sử dụng để tối ưu hóa quá trình phân tích. Việc áp dụng các phương pháp này giúp tăng cường độ nhạy và độ chính xác trong việc phát hiện thủy ngân. Nghiên cứu cho thấy rằng điện cực biến tính có thể phát hiện thủy ngân ở nồng độ thấp hơn 0.1 ppb, đáp ứng yêu cầu của các tiêu chuẩn môi trường hiện hành.

3.1. Kỹ thuật điện hóa trong phân tích thủy ngân

Kỹ thuật điện hóa được sử dụng để phân tích thủy ngân trong nước với độ nhạy cao. Các phương pháp như voltammetry và stripping voltammetry cho phép phát hiện thủy ngân ở nồng độ rất thấp. Việc sử dụng điện cực than thuỷ tinh biến tính giúp cải thiện đáng kể độ nhạy của các phương pháp này. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng điện cực biến tính có thể phát hiện thủy ngân với độ chính xác cao, điều này rất quan trọng trong việc giám sát ô nhiễm môi trường nước.

IV. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về điện cực than thuỷ tinh biến tính bằng vật liệu nano không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có ứng dụng thực tiễn quan trọng trong việc giám sát ô nhiễm môi trường nước. Việc phát hiện thủy ngân ở nồng độ thấp giúp bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường. Các phương pháp phân tích điện hóa đơn giản và hiệu quả có thể được áp dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm và hiện trường. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các thiết bị phân tích hiện đại, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong việc bảo vệ môi trường.

4.1. Tác động đến sức khỏe cộng đồng

Việc phát hiện và giám sát thủy ngân trong nước có tác động lớn đến sức khỏe cộng đồng. Thủy ngân là một trong những kim loại nặng có độc tính cao, có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng các phương pháp phân tích hiệu quả giúp phát hiện sớm ô nhiễm thủy ngân, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời. Điều này không chỉ bảo vệ sức khỏe con người mà còn góp phần bảo vệ môi trường sống.