Tổng quan luận án
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Ô nhiễm kim loại nặng và các độc chất trong nguồn nước cũng như không khí đang là vấn đề môi trường nghiêm trọng. Trong các kỹ thuật xử lý môi trường, phương pháp hấp phụ được đánh giá là giải pháp kinh tế, hiệu quả với quy trình vận hành đơn giản. Graphen – vật liệu nano cacbon hai chiều với cấu trúc lai hóa $sp^2$ liên hợp – sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn, độ bền cơ học cao và khả năng dẫn điện tốt kể từ khi được cô lập thành công vào năm 2004 bởi Andrei Geim và Konstantin Novoselov. Để mở rộng khả năng ứng dụng thực tế và giải quyết vấn đề thu hồi vật liệu sau xử lý, việc biến tính graphen oxit dạng khử (rGO) bằng các oxit kim loại có từ tính như sắt từ oxit ($\text{Fe}_3\text{O}_4$) đã thu hút sự quan tâm lớn.
Vật liệu nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ vừa sở hữu các tâm hoạt tính chức năng cùng diện tích bề mặt của nền cacbon, vừa có tính chất siêu thuận từ giúp thu hồi nhanh chóng bằng từ trường ngoài. Bên cạnh đó, tương tác đồng vận giữa các hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và mạng lưới rGO còn mang lại hoạt tính xúc tác điện hóa cao và tính chất nhạy khí hiệu quả. Tại Việt Nam, các nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu trên cơ sở graphen kết hợp oxit sắt còn ở giai đoạn bước đầu, chủ yếu tập trung vào hấp phụ hoặc xúc tác quang hóa đơn lẻ. Việc nghiên cứu có hệ thống từ quy trình tổng hợp thân thiện môi trường đến việc đánh giá đa ứng dụng gồm xử lý ion kim loại nặng, biến tính điện cực phân tích dược chất và chế tạo cảm biến khí còn hạn chế. Do đó, đề tài "Nghiên cứu biến tính graphen oxit dạng khử bằng sắt oxit và ứng dụng" được thực hiện nhằm giải quyết các yêu cầu khoa học và thực tiễn nêu trên.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát của luận án là biến tính graphen oxit dạng khử bằng oxit sắt từ ($\text{Fe}_3\text{O}_4$) và khảo sát định hướng ứng dụng trong các lĩnh vực hấp phụ môi trường, phân tích điện hóa và cảm biến khí.
Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định gồm ba nội dung:
- Tổng hợp nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ đi từ hỗn hợp hai muối sắt và ứng dụng làm chất hấp phụ tách loại các ion kim loại nặng ($\text{As(V)}$, $\text{Ni(II)}$, $\text{Pb(II)}$) từ môi trường dung dịch nước.
- Tổng hợp nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ đi từ tiền chất đơn muối sắt(II) và ứng dụng biến tính điện cực than thủy tinh (GCE) nhằm xác định hoạt chất paracetamol (PRC) bằng phương pháp Von-Ampe hòa tan anot xung vi phân (DP-ASV).
- Ứng dụng nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ để chế tạo lớp màng nhạy khí và khảo sát đặc tính cảm biến đối với các khí $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$, $\text{CO}$, $\text{H}_2$ và $\text{NH}_3$.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu nano cacbon (graphit, graphit oxit, graphen oxit, graphen oxit dạng khử), hạt nano oxit sắt từ ($\text{Fe}_3\text{O}_4$), vật liệu nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$; các ion kim loại nặng trong dung dịch ($\text{As(V)}$, $\text{Ni(II)}$, $\text{Pb(II)}$); dược chất paracetamol trong dung dịch chuẩn và trong các mẫu dược phẩm thương mại; các khí thử nghiệm ($\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$, $\text{CO}$, $\text{H}_2$, $\text{NH}_3$).
- Phạm vi nghiên cứu:
- Về không gian và môi trường thử nghiệm: Thực nghiệm tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu trúc pha, hình thái, tính chất hóa lý trong điều kiện phòng thí nghiệm; đánh giá hấp phụ trên dung dịch nước nhân tạo đơn thành phần và đa cấu tử cạnh tranh; khảo sát điện hóa trên nền dung dịch đệm axetat (ABS) $\text{pH} = 6{,}0$ và kiểm chứng trên 3 chế phẩm thuốc thực tế (Panadol Extra, Tiffy dey, pms-Mexcold); khảo sát cảm biến khí trong dải nhiệt độ từ $350^\circ\text{C}$ đến $450^\circ\text{C}$.
- Về phương pháp khử: Luận án tập trung sử dụng axit ascorbic làm tác nhân khử hóa học không độc hại để chuyển hóa graphen oxit thành graphen oxit dạng khử.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trước được tác giả điểm luận
Tổng quan tài liệu của luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo các trục nội dung chính:
1. Lịch sử và phương pháp tổng hợp graphit oxit/graphen oxit (GrO/GO)
- Brodie (1859): Tổng hợp GrO đầu tiên bằng cách oxy hóa graphit bằng $\text{KClO}_3$ và $\text{HNO}3$ đậm đặc ở $60^\circ\text{C}$ qua 4 chu kỳ lặp lại, thu được sản phẩm có công thức nguyên $\text{C}{11}\text{H}_4\text{O}_5$.
- Staudenmaier (1898): Cải tiến quy trình của Brodie bằng cách bổ sung $\text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc và chia nhỏ lượng $\text{KClO}_3$ thêm vào trong suốt phản ứng nhằm tăng hiệu suất oxy hóa trong một bình phản ứng duy nhất, tuy nhiên quá trình kéo dài và tạo khí $\text{ClO}_2$ độc hại.
- Hummers (1958): Phát triển hệ oxy hóa gồm $\text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc, $\text{NaNO}_3$ và $\text{KMnO}_4$ ở nhiệt độ dưới $20^\circ\text{C}$, sau đó nâng nhiệt và xử lý bằng $\text{H}_2\text{O}_2$, cho sản phẩm có tỷ lệ nguyên tử $\text{C/O}$ từ $2{,}1$ đến $2{,}9$.
- Kovtyukhova (1999): Bổ sung bước tiền xử lý graphit với hỗn hợp $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, $\text{K}_2\text{S}_2\text{O}_8$ và $\text{P}_2\text{O}_5$ ở $80^\circ\text{C}$ trước khi thực hiện quy trình Hummers, thu được các vảy GrO có chiều dày $1\text{ nm}$ và kích thước khoảng $1\text{ }\mu\text{m}$ với tỷ lệ $\text{C}:\text{O}:\text{H} = 4:2{,}95:2{,}5$.
- Tour và cộng sự (2010): Đề xuất phương pháp oxy hóa không sử dụng $\text{NaNO}_3$, tăng lượng $\text{KMnO}_4$ trong hỗn hợp axit $\text{H}_2\text{SO}_4/\text{H}_3\text{PO}_4$, nâng cao tính ưa nước của GrO và không phát sinh khí độc.
| Phương pháp tổng hợp |
Cacbon (% m) |
Oxy (% m) |
Nước (% m) |
Tro (% m) |
Tỷ lệ C/O |
| Hummers |
47,06 |
27,97 |
22,99 |
1,98 |
2,25 |
| Staudenmaier |
52,11 |
23,99 |
22,22 |
1,90 |
2,89 |
2. Nghiên cứu các tác nhân khử chuyển hóa GO thành rGO
Văn bản điểm lại hai nhóm chất khử:
- Nhóm có cơ chế đã xác định: $\text{NaBH}_4$ (khử tốt nhóm $\text{C}=\text{O}$ thành ancol nhưng kém hiệu quả với $\text{C}-\text{O}$); các axit halogen hydric $\text{HI}, \text{HBr}, \text{HCl}$ (mở vòng epoxy thông qua phản ứng thế/cộng); $\text{LiAlH}_4$ (khả năng khử rất mạnh, tạo graphen có tỷ lệ $\text{C/O} = 12$, vượt trội so với $\text{NaBH}_4$ là $9{,}5$ và $\text{N}_2\text{H}_4$ là $11{,}5$).
- Nhóm có cơ chế đề nghị: Hydrazin ($\text{N}_2\text{H}_4$, Ruoff nghiên cứu, tỷ lệ $\text{C/O} = 10{,}3$, độ dẫn điện $2420\text{ S/m}$); hydroxylamin (Guo nghiên cứu, tỷ lệ $\text{C/O} = 9{,}7$, độ dẫn $1122\text{ S/m}$); axit ascorbic (vitamin C, Zhang và cộng sự, tác nhân khử êm dịu, sản phẩm oxy hóa tạo liên kết hydro ngăn cản sự kết tụ $\pi-\pi$).
3. Các nghiên cứu về composit oxit kim loại/graphen và $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$
- Tổng hợp trực tiếp $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$: Chandra, Yao và Prakash (kết tủa từ hỗn hợp $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$ trong $\text{NH}_3$ dùng hydrazin); Chang và cộng sự (dung nhiệt $200^\circ\text{C}$ trong etylen glycol và natri axetat); Shen và cộng sự (dung nhiệt $180^\circ\text{C}$ từ sắt axetylaxetonat); Qin và cộng sự (dung nhiệt $180^\circ\text{C}$ trong dietanol amin); Sun và cộng sự (thủy nhiệt $180^\circ\text{C}$ trong $8\text{ giờ}$ với axit ascorbic và hydrazin); Chen và cộng sự (thủy nhiệt $\text{FeCl}_3$, axit ascorbic và $\text{NaHCO}_3$); Teo, Xue và Yang (phương pháp một hệ/one-pot từ $\text{Fe}^{2+}$ và GO không cần chất khử/oxy hóa ngoài); Wang và cộng sự (tổng hợp 2 giai đoạn).
- Tổng hợp gián tiếp: Wang và cộng sự (phân tán $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và graphen trong axeton); Liang và cộng sự (trộn huyền phù $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và GO rồi khử bằng hydrazin ở $90^\circ\text{C}$ trong $1\text{ giờ}$); Kireeti và cộng sự (biến tính $\text{Na}^+$ bằng $\text{NaOH}$ ở $100^\circ\text{C}$).
- Ứng dụng của vật liệu:
- Hấp phụ: Chandra và cộng sự, Guo và cộng sự (hấp phụ $\text{As(III)}$ $400\text{ }\mu\text{g/g}$ và $\text{As(V)}$ $260\text{ }\mu\text{g/g}$); Kireeti và cộng sự (hấp phụ $\text{Pb(II)}$ đạt $1666\text{ mg/g}$); Yang và cộng sự (cố định enzym $312{,}5\text{ mg/g}$, thu hồi $98%$); Wang và cộng sự (hấp phụ phẩm nhuộm fushin $89{,}4\text{ mg/g}$).
- Điện hóa: Zhang & Jia (anot pin liti qua $1000\text{ chu kỳ}$); Chen (anot pin liti qua $2120\text{ chu kỳ}$ với mật độ dòng $90-7200\text{ mA/g}$); Yu và cộng sự (cảm biến glucose oxidase phát hiện gluco $0{,}05-1{,}5\text{ mM}$, giới hạn đo $0{,}15\text{ }\mu\text{M}$); Sun và cộng sự (biến tính GCE phát hiện $\text{Cd(II)}$ LOD $0{,}056\text{ }\mu\text{M}$, $\text{Pb(II)}$ LOD $0{,}17\text{ }\mu\text{M}$, $\text{Cu(II)}$ LOD $0{,}05\text{ }\mu\text{M}$); Prakash (phát hiện $\text{Cr(III)}$); Lu và cộng sự (điện cực $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{-PDDA-G}$ xác định paracetamol thang $0{,}1-100\text{ }\mu\text{M}$, RSD $3{,}75%$).
- Cảm biến khí oxit sắt: Wang và cộng sự (thanh nano $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ xốp diện tích bề mặt $221{,}9\text{ m}^2\text{/g}$ nhạy etanol hơn hạt nano $18{,}31\text{ m}^2\text{/g}$); Hung và cộng sự (cầu rỗng $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ $100\text{ nm}$ nhạy etanol $50-500\text{ ppm}$ ở $250-450^\circ\text{C}$); Fan và cộng sự (dây nano $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ nhạy etanol $500\text{ ppm}$ ở $285^\circ\text{C}$); N. Cương và cộng sự (cảm biến $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{chitosan}$ nhạy $\text{CO}, \text{H}_2, \text{C}_2\text{H}_5\text{OH}, \text{NH}_3$).
Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết
Mặc dù các phương pháp tổng hợp $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ đã được nghiên cứu, nhiều quy trình vẫn sử dụng hóa chất độc hại như hydrazin hoặc đòi hỏi điều kiện áp suất/nhiệt độ cao (thủy nhiệt, dung nhiệt phức tạp). Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách:
- Thiết lập quy trình tổng hợp hóa học ướt ở điều kiện êm dịu, sử dụng chất khử axit ascorbic thân thiện với môi trường kết hợp cố định các hạt nano oxit sắt từ lên các tấm rGO.
- Nghiên cứu đồng thời hai quy trình công nghệ (đi từ hệ hai muối $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}^{3+}$ và hệ đơn muối $\text{Fe}^{2+}$) để định hướng ứng dụng chuyên biệt: xử lý môi trường nước (hấp phụ $\text{As(V)}$, $\text{Ni(II)}$, $\text{Pb(II)}$), chế tạo cảm biến điện hóa phân tích paracetamol và chế tạo cảm biến khí $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và khung phân tích
- Cấu trúc tinh thể và nhiễu xạ tia X: Dựa trên phương trình Vulf-Bragg ($2d_{hkl}\sin\theta = n\lambda$) để xác định khoảng cách giữa các mặt phản xạ tinh thể ($d$), qua đó nhận diện sự biến đổi cấu trúc từ graphit sang GO, rGO và nhận diện các pha tinh thể của $\text{Fe}_3\text{O}_4$.
- Thuyết hấp phụ đa phân tử BET: Áp dụng phương trình Brunauer-Emmett-Teller để xác định diện tích bề mặt riêng ($S_{\text{BET}}$) và thể tích mao quản thông qua đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ $\text{N}_2$ ở $77\text{ K}$.
- Quang phổ dao động hồng ngoại (FTIR): Dựa trên sự hấp thụ bức xạ điện từ miền hồng ngoại ($400 - 4000\text{ cm}^{-1}$) làm thay đổi mômen lưỡng cực điện của các liên kết hóa học ($\text{O}-\text{H}, \text{C}=\text{O}, \text{C}-\text{O}, \text{Fe}-\text{O}$) để xác định nhóm chức bề mặt.
- Quang phổ quang điện tử tia X (XPS): Dựa trên hiệu ứng quang điện ngoài để xác định năng lượng liên kết, thành phần nguyên tố ($\text{C}, \text{O}, \text{Fe}$) và trạng thái oxy hóa của các nguyên tử trên bề mặt vật liệu.
- Lý thuyết từ học mẫu rung (VSM): Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ khi mẫu rung trong từ trường đều để xác định độ từ hóa bão hòa ($M_s$) và lực kháng từ ($H_c$).
- Cơ chế cảm biến khí bán dẫn oxit kim loại loại n: Dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện/điện trở khi các phân tử khí khử tương tác với các ion oxy hấp phụ bề mặt ($\text{O}^-$ ở $300-450^\circ\text{C}$), làm biến đổi chiều dày vùng cạn kiệt electron (lớp tích điện - khoảng trống $\lambda$) và chiều cao hàng rào năng lượng bề mặt ($eV_{\text{bề mặt}}$).
- Nguyên lý Von-Ampe hòa tan anot xung vi phân (DP-ASV): Gồm hai giai đoạn nối tiếp: (1) làm giàu chất phân tích lên bề mặt điện cực ở thế không đổi có khuấy; (2) hòa tan chất bằng cách quét thế tuyến tính kết hợp xung vi phân, đo dòng vi phân $\Delta i = i(t_2) - i(t_1)$ tỷ lệ thuận với nồng độ chất cần phân tích.
Trang thiết bị và phương pháp phân tích
| Thiết bị / Kỹ thuật |
Model & Hãng sản xuất |
Mục đích sử dụng trong luận án |
| Nhiễu xạ tia X (XRD) |
D8-Advance, Brucker (Đức), tia $\text{Cu-K}\alpha$ ($\lambda = 1{,}5406\text{ \AA}$), $40\text{ kV}$ |
Xác định cấu trúc pha tinh thể, góc quét $2\theta$ từ $0{,}5^\circ$ đến $40^\circ$ hoặc $80^\circ$ |
| Hấp phụ N2 (BET) |
ChemBET-3000 (Mỹ), đo ở $77\text{ K}$ |
Xác định diện tích bề mặt riêng và độ xốp |
| Quang phổ hồng ngoại (FTIR) |
IR-Prestige-21, Shimadzu (Nhật Bản) |
Ghi phổ trong vùng $400 - 4000\text{ cm}^{-1}$ (mẫu ép viên với $\text{KBr}$) |
| Kính hiển vi điện tử quét (SEM) |
SEM JED-2300, JEOL (Nhật Bản) |
Đánh giá hình thái bề mặt vật liệu |
| Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) |
JEM-2100F, JEOL (Nhật Bản) |
Nhận dạng cấu trúc vi mô và kích thước hạt nano |
| Quang phổ quang điện tử tia X (XPS) |
Shimadzu Kratos AXISULTRA DLD |
Phân tích trạng thái liên kết hóa học, xử lý bằng CASA XPS |
| Phân tích nhiệt vi sai (TGA) |
SETARAM (Pháp) |
Theo dõi sự biến đổi khối lượng theo nhiệt độ |
| Từ kế mẫu rung (VSM) |
Micro Sence Easy VSM 20130321-02 |
Đo đường cong từ hóa và độ từ hóa bão hòa ở $25^\circ\text{C}$ ($298\text{ K}$) |
| Hấp thụ nguyên tử (AAS) |
AAS-6800, Shimadzu (Nhật Bản) |
Phân tích nồng độ ion $\text{As(V)}$, $\text{Pb(II)}$ và $\text{Ni(II)}$ |
| Đo điện hóa (DP-ASV, CV) |
CPA-HH5 Computerized |
Ghi đường Von-Ampe hòa tan và đường cong phân cực |
| Đo cảm biến khí |
Keithley 2602 kết hợp buồng đo chuyên dụng |
Ghi tự động điện trở cảm biến theo chế độ bật - tắt khí |
Hóa chất sử dụng chính trong nghiên cứu
| Tên hóa chất |
Công thức hóa học / Nồng độ |
Nhà cung cấp / Xuất xứ |
| Graphit bột |
$\text{C}$ |
Merck |
| Kali pemanganat |
$\text{KMnO}_4$ |
Merck |
| Sắt (III) clorua |
$\text{FeCl}_3\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ |
Merck |
| Sắt (II) sunfat |
$\text{FeSO}_4\cdot 7\text{H}_2\text{O}$ |
Merck |
| Natri nitrat |
$\text{NaNO}_3$ (PA) |
Guangdong |
| Natri monohydro asenat |
$\text{Na}_2\text{HAsO}_4\cdot 2\text{H}_2\text{O}$ |
Merck |
| Axit sunfuric |
$\text{H}_2\text{SO}_4\text{ }98%$ |
Sigma-Aldrich |
| Hydro peoxit |
$\text{H}_2\text{O}_2\text{ }30%$ |
Sigma-Aldrich |
| Dung dịch amoniac |
$\text{NH}_3\text{ }25%$ |
Guangdong |
| Axit clohydric |
$\text{HCl }36%$ |
Guangdong |
| Dung dịch Nafion |
$5%$ |
Aldrich |
| Etanol |
$\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ |
Guangdong |
| Các muối & đệm khác |
$\text{Na}_2\text{CO}_3, \text{Na}_3\text{PO}_4, \text{CaCl}_2, \text{MgCl}_2, \text{KH}_2\text{PO}_4, \text{K}_2\text{HPO}_4, \text{NaCH}_3\text{COO}, \text{CH}_3\text{COOH}$ |
Guangdong / Kanto / Merck |
Quy trình thực nghiệm thực hiện trong luận án
1. Tổng hợp Graphit oxit (GrO), Graphen oxit (GO) và rGO
- Tổng hợp GrO/GO (Phương pháp Hummers): Trộn $1{,}0\text{ g}$ bột graphit với $0{,}5\text{ g } \text{NaNO}_3$ trong cốc làm lạnh. Thêm $23\text{ mL } \text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc, khuấy đều. Cho từ từ $3{,}0\text{ g } \text{KMnO}_4$, giữ nhiệt độ $<15^\circ\text{C}$ trong $2\text{ giờ}$. Bổ sung $100\text{ mL}$ nước cất, nâng nhiệt độ lên $98^\circ\text{C}$ khuấy $2\text{ giờ}$. Thêm tiếp $10\text{ mL } \text{H}_2\text{O}_2\text{ }30%$, khuấy $2\text{ giờ}$ cho chuyển màu nâu. Ly tâm, rửa bằng $\text{HCl }5%$ rồi rửa nước cất thu được GrO. Bóc tách GrO bằng siêu âm trong nước và sấy ở $60^\circ\text{C}$ trong $12\text{ giờ}$ thu được GO màu nâu đen.
- Tổng hợp rGO: Phân tán $0{,}1\text{ g}$ GrO vào $100\text{ mL}$ nước cất, siêu âm $1\text{ giờ}$. Thêm $0{,}15\text{ g}$ axit ascorbic, khuấy ở $50^\circ\text{C}$ trong $8\text{ giờ}$. Ly tâm, rửa nhiều lần bằng etanol và sấy ở $80^\circ\text{C}$ trong $5\text{ giờ}$.
2. Quy trình chế tạo nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$
- Quy trình 1 (Từ hỗn hợp hai muối sắt): Phân tán $0{,}5\text{ g}$ rGO vào nước cất, siêu âm $2\text{ giờ}$, sục khí $\text{N}_2$ trong $15\text{ phút}$. Thêm dung dịch hỗn hợp chứa $\text{FeSO}_4\cdot 7\text{H}_2\text{O}$ và $\text{FeCl}_3$ ($0{,}004\text{ mol}$), siêu âm $1\text{ giờ}$. Thêm từng giọt $\text{NH}_3$ ($1{,}65\text{ M}$), khuấy $2\text{ giờ}$. Thu chất rắn màu đen bằng nam châm, rửa bằng nước và etanol, sấy chân không ở $60^\circ\text{C}$ trong $10\text{ giờ}$ (mẫu dùng cho nghiên cứu hấp phụ ion kim loại).
- Quy trình 2 (Từ đơn muối sắt(II)): Phân tán $0{,}025\text{ g}$ rGO vào $50\text{ mL}$ nước cất, siêu âm $1\text{ giờ}$, sục $\text{N}_2$ $15\text{ phút}$, chỉnh $\text{pH} = 11{,}0$ bằng $\text{NH}_3$. Cho $0{,}25\text{ g } \text{FeCl}_2\cdot 4\text{H}_2\text{O}$, khuấy đều $16\text{ giờ}$ ở nhiệt độ phòng. Lọc, rửa bằng nước cất và $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$, sấy ở $80^\circ\text{C}$ trong $5\text{ giờ}$ (mẫu dùng biến tính điện cực và cảm biến khí).
3. Chế tạo điện cực và cảm biến khí
- Chế tạo điện cực $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO/Naf-GCE}$: Bề mặt điện cực than thủy tinh (GCE) được đánh bóng bằng bột nhôm oxit, rửa siêu âm $2\text{ phút}$ trong nước cất. Phân tán $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ trong dung môi thu huyền phù $1\text{ mg/mL}$, phối trộn với dung dịch Nafion $1{,}25%$ theo tỷ lệ thể tích $1:4$. Nhỏ $5\text{ }\mu\text{L}$ hỗn hợp lên bề mặt GCE, sấy khô trong không khí.
- Chế tạo cảm biến khí: Phân tán $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ trong etanol, nhỏ giọt lên đế $\text{Si/SiO}_2$ có tích hợp điện cực in lưới platin (Pt). Sấy khô và ủ nhiệt ở $600^\circ\text{C}$ trong $5\text{ giờ}$ để ổn định điện trở.
4. Bố trí thí nghiệm hấp phụ, điện hóa và cảm biến khí
- Khảo sát hấp phụ:
- Xác định điểm điện tích không ($\text{pH}_{\text{PZC}}$) bằng phương pháp dịch chuyển pH trong dung dịch $\text{KNO}_3\text{ }0{,}1\text{ M}$ (dải pH ban đầu $2{,}0 - 10{,}0$, khối lượng mẫu $0{,}05\text{ g}$).
- Khảo sát ảnh hưởng của pH và nồng độ: Sử dụng $0{,}1\text{ g}$ chất hấp phụ trong $50\text{ mL}$ dung dịch ion kim loại ($50\text{ mg/L}$), lắc $24\text{ giờ}$, đo nồng độ cân bằng bằng AAS.
- Động học hấp phụ: Thực hiện ở $25^\circ\text{C}$ với $\text{As(V)}$ ($13{,}10 - 75{,}80\text{ mg/L}$, $\text{pH} \approx 6{,}0$), $\text{Ni(II)}$ ($11{,}69 - 51{,}12\text{ mg/L}$, $\text{pH} \approx 5{,}0$), $\text{Pb(II)}$ ($20{,}00 - 100{,}00\text{ mg/L}$, $\text{pH} \approx 5{,}5$).
- Khảo sát ion cạnh tranh: Đánh giá hiệu quả gây cản trở ($\text{IE} = \frac{q' - q}{q'} \times 100%$) của các ion $\text{NO}_3^-$, $\text{PO}_4^{3-}$, $\text{CO}_3^{2-}$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$ ($0{,}01 - 0{,}03\text{ mmol}$) lên sự hấp phụ $\text{As(V)}$ ($0{,}4\text{ mmol/L}$, $\text{pH } 5{,}5 - 6{,}0$).
- Khảo sát điện hóa: Đo CV trong khoảng thế từ $-0{,}50\text{ V}$ đến $+0{,}90\text{ V}$ (tốc độ quét $0{,}1\text{ V/s}$); đo DP-ASV từ $-0{,}5\text{ V}$ đến $+0{,}9\text{ V}$ (tốc độ quét $0{,}02\text{ V/s}$) trong nền đệm ABS $\text{pH} = 6{,}0$. Áp dụng phương pháp thêm chuẩn trên 3 loại thuốc (Panadol Extra, Tiffy dey, pms-Mexcold).
- Khảo sát cảm biến khí: Đo độ đáp ứng với $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ ($10 - 1000\text{ ppm}$), $\text{CO}$ ($10 - 200\text{ ppm}$), $\text{H}_2$ ($25 - 1000\text{ ppm}$), $\text{NH}_3$ ($50 - 1000\text{ ppm}$) ở các nhiệt độ $350^\circ\text{C}, 400^\circ\text{C}, 450^\circ\text{C}$ trên thiết bị đo Keithley 2602.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan tài liệu
Chương 1 tổng thuật chi tiết cấu trúc vi mô, tính chất lý hóa và lịch sử phát triển của các dạng vật liệu nano cacbon cùng các hệ oxit kim loại liên quan:
- Cấu trúc graphit và dẫn xuất: Graphit có cấu trúc lớp, nguyên tử cacbon lai hóa $sp^2$ liên kết cộng hóa trị tạo mạng lục giác phẳng với độ dài liên kết $\text{C}-\text{C}$ là $0{,}142\text{ nm}$, khoảng cách giữa các lớp là $0{,}340\text{ nm}$ liên kết bằng lực van der Waals yếu. Quá trình oxy hóa tạo ra GrO/GO chèn các nhóm chứa oxy (hydroxyl, epoxy trên mặt phẳng; cacbonyl, cacboxyl ở mép) làm tăng khoảng cách lớp lên $0{,}79\text{ nm}$. Mô hình cấu trúc của Lerf - Klinowski và Dékány được phân tích để làm sáng tỏ các tâm khuyết tật hóa học.
- Cơ chế khử GO: Trình bày chi tiết cơ chế phục hồi mạng liên hợp $\text{C}(sp^2)$. Đánh giá vai trò của axit ascorbic: mỗi phân tử giải phóng hai proton tạo axit dehydroascorbic, tiếp tục chuyển hóa thành axit oxalic và axit guluronic. Các sản phẩm này tạo liên kết hydro với nhóm chức còn lại trên rGO, ngăn cản tái kết tụ do lực tương tác $\pi-\pi$.
- Tổng hợp và tính chất của composit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$: Phân tích các phương pháp tổng hợp trực tiếp (dung nhiệt, thủy nhiệt, đồng kết tủa một giai đoạn hoặc hai giai đoạn) và phương pháp gián tiếp. Nêu rõ tính chất từ siêu thuận từ của hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ và vai trò giá đỡ dẫn điện của tấm rGO.
- Cơ chế cảm biến khí của oxit sắt $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$: Phân tích cơ chế cảm biến độ dẫn của chất bán dẫn oxit loại n. Dạng oxy ion hóa $\text{O}^-$ chiếm ưu thế tại dải nhiệt độ làm việc $300 - 450^\circ\text{C}$. Khi tiếp xúc với khí khử (như $\text{CO}$, $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$), phản ứng oxy hóa giải phóng electron trở lại vùng dẫn, làm giảm chiều dày lớp tích điện - khoảng trống $\lambda$ và giảm điện trở vật liệu.
Chương 2: Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 2 trình bày toàn bộ cơ sở phương pháp luận, thông số thiết bị, hóa chất và chi tiết các bước tiến hành thực nghiệm:
- Thiết lập quy chuẩn vận hành các phép đo đặc trưng hóa lý hiện đại gồm phổ nhiễu xạ tia X (XRD D8-Advance), diện tích bề mặt riêng (BET ChemBET-3000), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR IR-Prestige-21), kính hiển vi điện tử quét (SEM JED-2300), kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (TEM JEM-2100F), phổ quang điện tử tia X (XPS Kratos AXISULTRA DLD), phân tích nhiệt vi sai (TGA SETARAM) và từ kế mẫu rung (VSM Micro Sence).
- Chuẩn hóa hai quy trình tổng hợp vật liệu $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$: Quy trình 1 sử dụng hỗn hợp hai muối $\text{FeSO}_4\cdot 7\text{H}_2\text{O}$ và $\text{FeCl}_3$ ($0{,}004\text{ mol}$); Quy trình 2 sử dụng muối $\text{FeCl}_2\cdot 4\text{H}_2\text{O}$ trong môi trường kiềm $\text{NH}_3$ ($\text{pH} = 11{,}0$).
- Xây dựng quy trình chế tạo điện cực biến tính $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO/Naf-GCE}$ và cảm biến khí màng mỏng in lưới Pt trên đế $\text{Si/SiO}_2$ xử lý nhiệt ở $600^\circ\text{C}$.
- Thiết kế hệ thống thí nghiệm khảo sát hấp phụ ion kim loại ($\text{As(V)}$, $\text{Ni(II)}$, $\text{Pb(II)}$), thí nghiệm đo điện hóa phân tích paracetamol và hệ đo cảm biến khí tự động.
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Chương 3 tập trung phân tích kết quả đặc trưng cấu trúc vật liệu và dữ liệu thực nghiệm:
- Phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD):
- Mẫu graphit ban đầu có pic sắc nét tại $2\theta = 26{,}4^\circ$ ứng với mặt phản xạ (002), khoảng cách giữa các lớp $d = 0{,}34\text{ nm}$.
- Mẫu GO xuất hiện pic đặc trưng tại $2\theta = 11{,}4^\circ$ ($d = 0{,}79\text{ nm}$), chứng minh các nhóm chứa oxy đã chèn vào giữa các lớp cacbon.
- Mẫu rGO sau khi khử bằng axit ascorbic làm biến mất pic $11{,}4^\circ$, xuất hiện pic rộng cường độ thấp tại $2\theta = 25{,}8^\circ$, chứng minh quá trình khử và tái sắp xếp một phần cấu trúc lớp.
- Mẫu $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ xuất hiện đầy đủ các pic nhiễu xạ đặc trưng của pha tinh thể $\text{Fe}_3\text{O}_4$ tại các góc $2\theta = 30{,}1^\circ; 35{,}7^\circ; 43{,}4^\circ; 57{,}3^\circ$ và $63{,}2^\circ$ tương ứng với các mặt phản xạ (220), (311), (400), (511) và (440).
- Phân tích phổ hồng ngoại (FTIR):
- Phổ GO ghi nhận các dải hấp thụ: $3430\text{ cm}^{-1}$ (dao động hóa trị liên kết $\text{O}-\text{H}$ và nước hấp phụ), $1730\text{ cm}^{-1}$ ($\text{C}=\text{O}$ trong nhóm cacboxyl/cacbonyl), $1412\text{ cm}^{-1}$ ($\text{C}-\text{OH}$ bậc 3), $1060\text{ cm}^{-1}$ ($\text{C}-\text{O}$ trong nhóm epoxy).
- Phổ rGO ghi nhận sự suy giảm mạnh cường độ của các dải chứa oxy, xác nhận hiệu quả khử của axit ascorbic.
- Phổ $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ xuất hiện thêm dải hấp thụ đặc trưng tại số sóng $578\text{ cm}^{-1}$ tương ứng với dao động của liên kết $\text{Fe}-\text{O}$.
- Phân tích hình thái (TEM): Mẫu GO thể hiện cấu trúc tấm gấp nếp, co cụm. Mẫu $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ cho thấy các hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ có kích thước trung bình khoảng $20\text{ nm}$ phân tán trên bề mặt các tấm rGO.
- Phân tích quang phổ quang điện tử tia X (XPS): Phổ tổng quan của $\text{Fe}3\text{O}4/\text{rGO}$ ghi nhận sự có mặt của $\text{C}$ ($285\text{ eV}$), $\text{O}$ ($530\text{ eV}$) và $\text{Fe}$ ($710\text{ eV}$). Phổ phân giải cao $\text{C 1s}$ xác định các liên kết $\text{C}=\text{C}$ ($284{,}8\text{ eV}$), $\text{C}-\text{O}$ ($286{,}8\text{ eV}$) và $\text{C}=\text{O}$ ($287{,}9\text{ eV}$) với diện tích pic giảm rõ rệt ở rGO. Phổ phân giải cao $\text{Fe 2p}$ ghi nhận các pic $\text{Fe } 2p{3/2}$ tại $710{,}9\text{ eV}$ và $\text{Fe } 2p{1/2}$ tại $724{,}5\text{ eV}$ đặc trưng cho $\text{Fe}_3\text{O}_4$, không xuất hiện pic vệ tinh của $\text{Fe}_2\text{O}_3$ ở $719\text{ eV}$.
- Tính chất từ (VSM): Đường cong từ hóa của $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ tại $25^\circ\text{C}$ ($298\text{ K}$) có dạng hình chữ S, lực kháng từ xấp xỉ bằng không, thể hiện tính chất siêu thuận từ với độ từ hóa bão hòa đạt $M_s = 59{,}4\text{ emu/g}$.
| Mẫu vật liệu |
Nhiệt độ đo (K) |
Độ từ hóa bão hòa $M_s$ (emu/g) |
Nguồn tài liệu đối sánh |
| $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ |
298 |
59,4 |
Nghiên cứu của luận án |
| $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ |
300 |
22,3 hoặc 59,0 (tùy tỷ lệ) |
Chandra và cộng sự [21] |
| $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ |
298 |
66,4 |
Luo và cộng sự [89] |
| $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{GO}$ |
Nhiệt độ phòng |
31,0 |
Sheng và cộng sự [110] |
| $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{Graphen}$ |
298 |
72,9 |
Wang và cộng sự [130] |
| $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{GO}$ |
Nhiệt độ phòng |
31,2 |
Zong và cộng sự [160] |
| $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{ nguyên chất}$ |
298 |
77,9 |
Luo và cộng sự [89] |
- Kết quả ứng dụng hấp phụ ion kim loại: Nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ tổng hợp thể hiện hoạt tính hấp phụ cao trong dung dịch nước với dung lượng hấp phụ cực đại đạt $54{,}48\text{ mg/g}$ đối với $\text{As(V)}$, $76{,}34\text{ mg/g}$ đối với $\text{Ni(II)}$ và $65{,}79\text{ mg/g}$ đối với $\text{Pb(II)}$.
- Kết quả biến tính điện cực xác định paracetamol: Điện cực $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO/Naf-GCE}$ cải thiện đáng kể cường độ dòng đỉnh và độ nhạy trong phản ứng oxy hóa khử paracetamol, đạt giới hạn phát hiện thấp ($7{,}2 \times 10^{-8}\text{ M}$). Phép đo không bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của các chất gây nhiễu phổ biến trong mẫu thuốc như axit ascorbic, axit uric và caffein.
- Kết quả cảm biến khí: Cảm biến chế tạo từ nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ thể hiện độ nhạy cao, độ chọn lọc và độ ổn định tốt đối với khí $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ so với các khí $\text{CO}$, $\text{H}_2$ và $\text{NH}_3$.
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới của luận án
- Đóng góp về phương pháp tổng hợp vật liệu:
- Đã tổng hợp thành công vật liệu nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ bằng phương pháp hóa học ướt sử dụng tác nhân khử axit ascorbic thân thiện với môi trường kết hợp hỗn hợp hai muối sắt. Vật liệu thu được có độ phân tán tốt, kích thước hạt trung bình khoảng $20\text{ nm}$, độ từ hóa bão hòa cao ($59{,}4\text{ emu/g}$) mang tính chất siêu thuận từ giúp thu hồi triệt để bằng từ trường ngoài.
- Đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ đi từ tiền chất đơn muối sắt(II) $\text{FeCl}_2\cdot 4\text{H}_2\text{O}$ trong môi trường kiềm ở điều kiện nhiệt độ phòng.
- Đóng góp về ứng dụng xử lý môi trường:
- Nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ tổng hợp từ hỗn hợp hai muối sắt thể hiện hoạt tính hấp phụ cao đối với các ion kim loại nặng độc hại trong môi trường nước, xác định dung lượng hấp phụ cực đại đạt:
- Đối với $\text{As(V)}$: $54{,}48\text{ mg/g}$.
- Đối với $\text{Ni(II)}$: $76{,}34\text{ mg/g}$.
- Đối với $\text{Pb(II)}$: $65{,}79\text{ mg/g}$.
- Đóng góp về phân tích điện hóa và cảm biến:
- Ứng dụng thành công nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ (tổng hợp từ muối $\text{Fe(II)}$) để biến tính điện cực than thủy tinh ($\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO/Naf-GCE}$). Điện cực biến tính nâng cao hoạt tính xúc tác điện hóa trong phản ứng oxy hóa khử paracetamol với giới hạn phát hiện thấp ($7{,}2 \times 10^{-8}\text{ M}$), độ thu hồi cao và không bị cản trở bởi axit ascorbic, axit uric, caffein khi định lượng trong các chế phẩm thuốc thực tế (Panadol Extra, Tiffy dey, pms-Mexcold).
- Chế tạo thành công cảm biến khí màng nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ trên điện cực in lưới platin với độ nhạy, độ chọn lọc và độ ổn định cao đối với hơi cồn ($\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu
- Do tính chất từ tự nhiên của các hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$, việc đạt được sự phân tán đơn hạt hoàn toàn trên các tấm rGO vẫn gặp khó khăn, còn tồn tại hiện tượng co cụm cục bộ kích thước nhỏ.
- Quá trình khử GO bằng axit ascorbic không loại bỏ được toàn bộ các nhóm chức chứa oxy mà vẫn để lại một phần nhóm chức phân cực trên bề mặt rGO.
- Các khảo sát hấp phụ ion kim loại nặng và cảm biến khí chủ yếu được tiến hành trong hệ dung dịch mô phỏng và môi trường khí kiểm soát tại phòng thí nghiệm, chưa đánh giá toàn diện trên các nguồn nước thải công nghiệp thực tế có thành phần đa tạp phức tạp.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Mở rộng khảo sát đánh giá độ bền tái sinh và hiệu quả xử lý kim loại nặng của vật liệu $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ trên các mẫu nước thải công nghiệp thực tế qua nhiều chu kỳ hấp phụ - giải hấp.
- Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm môi trường và các khí can thiệp đối với độ nhạy và thời gian đáp ứng của cảm biến khí $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ trong điều kiện quan trắc thực địa.
- Nghiên cứu tối ưu hóa quy mô chế tạo vật liệu $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ ở quy mô pilot phục vụ các ứng dụng thực tế.
Giá trị tham khảo
Đối tượng thụ hưởng
- Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Chuyên ngành Hóa vô cơ, Hóa phân tích, Khoa học Vật liệu, Kỹ thuật Hóa học và Khoa học Môi trường có tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tổng hợp vật liệu nano trên cơ sở graphen và oxit kim loại.
- Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Nguồn dữ liệu thực nghiệm về kỹ thuật đặc trưng hóa lý bề mặt (XRD, FTIR, TEM, XPS, VSM, BET), phương pháp phân tích điện hóa hòa tan anot xung vi phân (DP-ASV) và công nghệ chế tạo cảm biến khí màng oxit kim loại bán dẫn.
- Kỹ thuật viên kiểm nghiệm dược phẩm và môi trường: Tham khảo quy trình chế tạo điện cực biến tính $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO/Naf-GCE}$ nhằm định lượng paracetamol trong nền mẫu phức tạp không cần qua các bước xử lý mẫu tốn kém.
Nội dung có giá trị tham khảo nổi bật
- Quy trình tổng hợp "xanh" chuyển hóa GO thành rGO sử dụng chất khử axit ascorbic không độc hại, có khả năng ngăn chặn hiện tượng tái kết tụ của các tấm graphen.
- Hệ thống thông số phân tích phổ chi tiết (vị trí pic XPS của $\text{C 1s}, \text{Fe 2p}$, dải hấp thụ FTIR đặc trưng, các mặt phản xạ tinh thể XRD) giúp ích cho việc đối sánh dữ liệu cấu trúc composit từ tính.
- Phương pháp luận kết hợp xử lý dữ liệu động học hấp phụ kim loại nặng và kỹ thuật phân tích điện hóa xung vi phân trên nền mẫu thực tế.
Câu hỏi thường gặp
1. Axit ascorbic đóng vai trò gì trong quá trình tổng hợp rGO và nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$?
Axit ascorbic (vitamin C) đóng vai trò là tác nhân khử êm dịu, không độc hại và thân thiện với môi trường để chuyển hóa GO thành rGO. Trong quá trình phản ứng, mỗi phân tử axit ascorbic giải phóng hai proton để khử các nhóm chức chứa oxy ($\text{C}-\text{O}$, epoxy) tạo thành axit dehydroascorbic, sau đó chuyển hóa tiếp thành axit oxalic và axit guluronic. Các axit này hình thành liên kết hydro với các nhóm chức còn lại trên bề mặt rGO, phá vỡ tương tác liên hợp $\pi-\pi$ và ngăn chặn sự kết tụ của các tấm rGO mà không cần bổ sung chất ổn định ngoài.
2. Độ từ hóa bão hòa của nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ trong luận án đạt bao nhiêu và vì sao thấp hơn $\text{Fe}_3\text{O}_4$ nguyên chất?
Độ từ hóa bão hòa của nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ đạt $59{,}4\text{ emu/g}$ ở $25^\circ\text{C}$ ($298\text{ K}$), với lực kháng từ xấp xỉ bằng không biểu thị tính chất siêu thuận từ. Giá trị này thấp hơn so với $\text{Fe}_3\text{O}_4$ nguyên chất ($77{,}9\text{ emu/g}$) do sự xuất hiện của các tấm nano rGO không có từ tính trong composit làm giảm mật độ khối của pha từ $\text{Fe}_3\text{O}_4$.
3. Dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu đối với các ion $\text{As(V)}$, $\text{Ni(II)}$ và $\text{Pb(II)}$ là bao nhiêu?
Dung lượng hấp phụ cực đại ($q_{\text{max}}$) của nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ tổng hợp từ hỗn hợp hai muối sắt đạt được trong dung dịch nước lần lượt là:
- Đối với ion $\text{As(V)}$: $54{,}48\text{ mg/g}$.
- Đối với ion $\text{Ni(II)}$: $76{,}34\text{ mg/g}$.
- Đối với ion $\text{Pb(II)}$: $65{,}79\text{ mg/g}$.
4. Giới hạn phát hiện paracetamol của điện cực biến tính $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO/Naf-GCE}$ là bao nhiêu và có bị ảnh hưởng bởi tá dược không?
Điện cực than thủy tinh biến tính $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO/Naf-GCE}$ xác định paracetamol bằng phương pháp DP-ASV đạt giới hạn phát hiện là $7{,}2 \times 10^{-8}\text{ M}$. Quá trình phân tích cho độ thu hồi tốt và hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của các hợp chất thường đi kèm trong các viên thuốc thương mại như axit ascorbic, axit uric và caffein.
5. Cảm biến khí màng nanocomposit trong luận án thể hiện độ nhạy và tính chọn lọc tốt nhất với loại khí nào?
Cảm biến khí chế tạo từ màng nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ ủ nhiệt ở $600^\circ\text{C}$ trên đế $\text{Si/SiO}_2$ tích hợp điện cực platin thể hiện độ nhạy, độ chọn lọc và độ ổn định cao nhất đối với hơi etanol ($\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$) trong dải nhiệt độ làm việc từ $350^\circ\text{C}$ đến $450^\circ\text{C}$, vượt trội so với các khí khảo sát khác gồm $\text{CO}$, $\text{H}_2$ và $\text{NH}_3$.
Kết luận
Luận án "Nghiên cứu biến tính graphen oxit dạng khử bằng sắt oxit và ứng dụng" đã thiết lập thành công hai quy trình tổng hợp nanocomposit $\text{Fe}_3\text{O}_4/\text{rGO}$ có từ tính siêu thuận từ ($M_s = 59{,}4\text{ emu/g}$) sử dụng chất khử axit ascorbic thân thiện với môi trường. Vật liệu chế tạo thể hiện khả năng ứng dụng đa năng với hoạt tính hấp phụ cao đối với các ion kim loại nặng $\text{As(V)}$, $\text{Ni(II)}$, $\text{Pb(II)}$ trong nước, đồng thời nâng cao độ nhạy khi biến tính điện cực xác định paracetamol (LOD đạt $7{,}2 \times 10^{-8}\text{ M}$) và cho đáp ứng cảm biến nhạy, chọn lọc với hơi cồn $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$. Công trình cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm toàn diện và có giá trị khoa học cũng như thực tiễn cao trong các lĩnh vực vật liệu nano, xử lý môi trường và phân tích hóa lý.
