Nghiên Cứu Khả Năng Diệt Khuẩn Của Vật Liệu Quang Xúc Tác Ống Nano TiO2

Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của vật liệu quang xúc tác ống nano TiO2 chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt, mang lại tiềm năng ứng dụng cao.

• Tác giả: Vũ Hồng Hạnh
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Văn Thành
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Diệt Khuẩn Của Vật Liệu Quang Xúc Tác Ống Nano TiO2
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO
• 1.1. Vật liệu ống nano TiO2
• 1.2. Vật liệu nano TiO2. Tính chất quang xúc tác của vật liệu TiO2
• 1.3. Cơ chế diệt khuẩn của vật liệu TiO2
• 1.4. Các phương pháp chế tạo vật liệu ống nano TiO2
• 1.4.1. Phương pháp điện hóa điện cực anot
• 1.4.2. Phương pháp tạo khuôn
• 1.4.3. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.4.4. Phương pháp tạo màng bằng kỹ thuật lắng đọng điện di
• 1.5. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. Quy trình chế tạo mẫu
• 2.2. Các dụng cụ và hóa chất sử dụng
• 2.3. Dụng cụ thí nghiệm
• 2.4. Chế tạo vật liệu ống nano TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt
• 2.5. Các phương pháp khảo sát cấu trúc và tính chất vật liệu
• 2.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.5.2. Phương pháp tán xạ Raman
• 2.5.3. Phương pháp chụp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.5.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.5.5. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng
• 2.5.6. Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis
• 2.6. Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của vật liệu ống nano TiO2
• 2.7. Đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu TNT-500
• 2.8. Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của vật liệu ống nano TiO2 dạng màng trên vi khuẩn đại diện là E. coli
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trưng vật liệu
• 3.2. Phổ Raman của vật liệu TiO2
• 3.3. Diện tích bề mặt của mẫu bột
• 3.4. Hình thái học của vật liệu TiO2
• 3.5. Đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu thông qua khả năng phân hủy màu của MB
• 3.6. Kết quả nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của vật liệu TNT-500
• 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
• CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Nano TiO2 Nghiên Cứu Diệt Khuẩn

Vật liệu TiO2 thu hút sự quan tâm lớn nhờ khả năng ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực: pin mặt trời, chất màu nhạy sáng, tự làm sạch, và sản xuất hydro từ nước. Tuy nhiên, với độ rộng vùng cấm khoảng 3.3eV, TiO2 chỉ hoạt động trong vùng ánh sáng tử ngoại, giới hạn hiệu quả. Để tăng hiệu suất quang xúc tác, có hai hướng tiếp cận chính: biến tính vật liệu để thu hẹp khe năng lượng hoặc tăng cường diện tích bề mặt bằng cách chế tạo vật liệu cấu trúc nano như ống nano TiO2. Hướng thứ nhất tập trung vào thay đổi thành phần hóa học của TiO2, còn hướng thứ hai tận dụng lợi thế của kích thước nano. Nghiên cứu này tập trung vào hướng thứ hai, khám phá tiềm năng diệt khuẩn của ống nano TiO2.

1.1. Giới thiệu chung về Vật Liệu Nano TiO2

TiO2 là vật liệu oxit bán dẫn tồn tại ở nhiều pha tinh thể khác nhau, trong đó anatase và rutile là hai dạng phổ biến nhất. Anatase thường có hoạt tính quang xúc tác cao hơn do cấu trúc vùng năng lượng đặc biệt. Việc chế tạo TiO2 ở kích thước nano, đặc biệt là dạng ống nano, giúp tăng diện tích bề mặt đáng kể, từ đó nâng cao hiệu quả quang xúc tác. Kích thước nano cho phép vật liệu quang xúc tác TiO2 tiếp xúc tốt hơn với các chất ô nhiễm, bao gồm cả vi khuẩn.

1.2. Cấu trúc và Tính Chất Quang của Vật liệu TiO2

Cấu trúc tinh thể của TiO2 ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất quang của nó. Anatase có độ rộng vùng cấm khoảng 3.2 eV, tương ứng với ánh sáng tử ngoại. Khi TiO2 hấp thụ ánh sáng có năng lượng lớn hơn vùng cấm, electron sẽ nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp electron-lỗ trống. Các cặp này có thể tham gia vào các phản ứng oxy hóa khử, phân hủy các chất hữu cơ và diệt khuẩn. Tính chất quang xúc tác của TiO2 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước hạt, cấu trúc tinh thể, và sự hiện diện của các tạp chất.

II. Vấn Đề Ô Nhiễm Vi Khuẩn Giải Pháp Diệt Khuẩn TiO2

Việt Nam có khí hậu nhiệt đới, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật gây hại phát triển, gây ra các bệnh nguy hiểm. Các vi khuẩn như Vibrio cholerae, Salmonella, Shigella, Coliform, và đặc biệt là Escherichia coli (E. coli) thường xuyên gây bệnh đường ruột. E. coli được sử dụng làm chỉ thị cho mức độ ô nhiễm nguồn nước. Khử trùng bằng tia cực tím (UV) và vật liệu nano TiO2 thương mại là các lựa chọn phổ biến nhờ hiệu quả diệt khuẩn cao, không độc hại và khả năng phân hủy hoàn toàn các tế bào. Tuy nhiên, TiO2 chỉ hoạt động hiệu quả trong vùng ánh sáng UV bước sóng ngắn, gây tiêu hao năng lượng.

2.1. Tình trạng ô nhiễm vi khuẩn tại Việt Nam

Tình trạng ô nhiễm vi khuẩn, đặc biệt là E. coli, là một vấn đề nghiêm trọng tại Việt Nam, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và an ninh nguồn nước. Các nguồn nước như sông, hồ, và nước ngầm thường bị ô nhiễm bởi chất thải sinh hoạt và công nghiệp, tạo điều kiện cho vi khuẩn phát triển. Việc sử dụng nước ô nhiễm có thể dẫn đến các bệnh tiêu chảy, thương hàn, và các bệnh nhiễm trùng khác. Do đó, cần có các giải pháp hiệu quả để xử lý nước và loại bỏ vi khuẩn gây bệnh.

2.2. Hạn chế của phương pháp diệt khuẩn UV truyền thống

Mặc dù hiệu quả, phương pháp khử trùng bằng tia UV truyền thống vẫn có những hạn chế nhất định. Ánh sáng UV bước sóng ngắn có thể gây hại cho sức khỏe nếu tiếp xúc trực tiếp. Bên cạnh đó, việc sử dụng đèn UV đòi hỏi các điều kiện an toàn và kỹ thuật riêng biệt, gây khó khăn cho việc triển khai rộng rãi. Vật liệu nano TiO2 có thể khắc phục những hạn chế này bằng cách sử dụng ánh sáng khả kiến hoặc UV-A thay vì UV-C, đồng thời giảm thiểu nguy cơ tiếp xúc trực tiếp với tia UV.

2.3. Vì sao cần nghiên cứu giải pháp diệt khuẩn hiệu quả

Nhu cầu về các giải pháp diệt khuẩn hiệu quả, an toàn và thân thiện với môi trường ngày càng trở nên cấp thiết. Các phương pháp truyền thống như clo hóa có thể tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Vật liệu quang xúc tác ống nano TiO2 hứa hẹn là một giải pháp thay thế tiềm năng, có khả năng diệt khuẩn hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời hoặc đèn UV-A, đồng thời không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Nghiên cứu này nhằm mục đích khám phá và tối ưu hóa khả năng diệt khuẩn của ống nano TiO2 để ứng dụng trong thực tế.

III. Phương Pháp Thủy Nhiệt Chế Tạo Ống Nano TiO2 Diệt Khuẩn

Đề tài "Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của vật liệu quang xúc tác ống nano TiO2 chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt" nhằm khắc phục nhược điểm của TiO2 bằng cách tăng diện tích bề mặt để tăng hiệu suất xúc tác quang ứng dụng diệt khuẩn E. coli sử dụng đèn UVA sẵn có. Phương pháp thủy nhiệt là một kỹ thuật hiệu quả để tổng hợp ống nano TiO2 với diện tích bề mặt lớn và cấu trúc tinh thể được kiểm soát.

3.1. Tổng quan phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt là một kỹ thuật tổng hợp vật liệu trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao. Quá trình này cho phép kiểm soát kích thước, hình dạng và cấu trúc tinh thể của sản phẩm. Trong trường hợp ống nano TiO2, phương pháp thủy nhiệt thường sử dụng bột TiO2 làm tiền chất, kết hợp với dung dịch kiềm và các chất hoạt động bề mặt. Nhiệt độ và thời gian phản ứng được điều chỉnh để tạo ra ống nano TiO2 có kích thước và hình thái mong muốn.

3.2. Ưu điểm của phương pháp thủy nhiệt trong chế tạo nano TiO2

Phương pháp thủy nhiệt có nhiều ưu điểm so với các phương pháp tổng hợp khác. Nó cho phép tạo ra ống nano TiO2 với độ tinh khiết cao, cấu trúc tinh thể tốt và diện tích bề mặt lớn. Quá trình này cũng có thể thực hiện ở quy mô lớn, giúp giảm chi phí sản xuất. Ngoài ra, phương pháp thủy nhiệt là một quy trình thân thiện với môi trường, không sử dụng các dung môi độc hại.

IV. Nghiên Cứu Khả Năng Quang Xúc Tác Diệt Khuẩn E

Nghiên cứu này tập trung vào chế tạo ống nano TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt và khảo sát khả năng quang xúc tác diệt khuẩn E. coli. Mục tiêu là tạo ra vật liệu có diện tích bề mặt đủ lớn để thực hiện các nghiên cứu quang xúc tác diệt khuẩn sử dụng đèn UV-A thương mại. Đồng thời, đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu ống nano TiO2 chế tạo được trong việc diệt khuẩn E. coli.

4.1. Quy trình nghiên cứu khả năng quang xúc tác

Quy trình nghiên cứu bao gồm các bước sau: (1) Chế tạo vật liệu ống nano TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt. (2) Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc, hình thái học bề mặt, tính chất quang của vật liệu bằng các phương pháp HRTEM, XRD, Raman, SEM, và BET. (3) Nghiên cứu khả năng quang xúc tác phân hủy thuốc nhuộm xanh methylene trong môi trường nước. (4) Nghiên cứu khả năng quang xúc tác diệt khuẩn E. coli của vật liệu ống nano TiO2.

4.2. Phương pháp đánh giá hiệu quả diệt khuẩn E.Coli

Hiệu quả diệt khuẩn được đánh giá bằng cách đo số lượng vi khuẩn E. coli còn sống sau khi tiếp xúc với vật liệu quang xúc tác ống nano TiO2 dưới ánh sáng UV-A trong một khoảng thời gian nhất định. Các phương pháp đếm khuẩn lạc và đo độ đục của dung dịch được sử dụng để xác định số lượng vi khuẩn. Hiệu quả diệt khuẩn được biểu thị bằng phần trăm vi khuẩn bị tiêu diệt sau thời gian chiếu xạ.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn và Tiềm Năng Phát Triển Vật Liệu TiO2

Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong xử lý nước, khử trùng không khí, và các lĩnh vực y tế. Vật liệu quang xúc tác ống nano TiO2 có thể được sử dụng để tạo ra các hệ thống lọc nước diệt khuẩn hiệu quả, các lớp phủ kháng khuẩn cho bề mặt, và các thiết bị y tế khử trùng.

5.1. Ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm

Vật liệu quang xúc tác ống nano TiO2 có thể được sử dụng để loại bỏ vi khuẩn, virus, và các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước. Hệ thống xử lý nước dựa trên TiO2 có thể hoạt động bằng ánh sáng mặt trời hoặc đèn UV-A, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành.

5.2. Tiềm năng phát triển vật liệu trong lĩnh vực y tế

Vật liệu nano TiO2 có thể được sử dụng để tạo ra các lớp phủ kháng khuẩn cho các thiết bị y tế, giảm nguy cơ nhiễm trùng trong bệnh viện. Nó cũng có thể được sử dụng trong các sản phẩm chăm sóc cá nhân như kem chống nắng và kem đánh răng.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Diệt Khuẩn TiO2

Nghiên cứu này góp phần vào việc phát triển các giải pháp diệt khuẩn hiệu quả, an toàn và thân thiện với môi trường. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào tối ưu hóa cấu trúc và thành phần của ống nano TiO2, cải thiện hiệu quả diệt khuẩn dưới ánh sáng khả kiến, và đánh giá độc tính của vật liệu.

6.1. Tóm tắt kết quả và ý nghĩa của nghiên cứu

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo ống nano TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt và chứng minh khả năng quang xúc tác diệt khuẩn E. coli của vật liệu. Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi của TiO2 trong xử lý nước và các lĩnh vực khác.

6.2. Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất diệt khuẩn, giảm chi phí sản xuất, và đánh giá tác động của vật liệu quang xúc tác TiO2 đến môi trường và sức khỏe con người. Nghiên cứu về cơ chế diệt khuẩn TiO2 cũng cần được đẩy mạnh để hiểu rõ hơn về quá trình này và tối ưu hóa hiệu quả.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu TiO2 (Titanium dioxide) thu hút sự quan tâm lớn trong cộng đồng khoa học do khả năng ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực như pin mặt trời, chất màu nhạy sáng, tự làm sạch và sản xuất hydro từ nước. Với độ rộng vùng cấm khoảng 3.3 eV, TiO2 chỉ hoạt động hiệu quả trong vùng ánh sáng tử ngoại, chiếm khoảng 3-5% năng lượng ánh sáng mặt trời. Do đó, việc nâng cao hiệu suất quang xúc tác của TiO2 là một thách thức quan trọng. Hai hướng chính được nghiên cứu gồm biến tính vật liệu để thu hẹp khe năng lượng và tăng diện tích bề mặt bằng cách chế tạo vật liệu cấu trúc nano, đặc biệt là ống nano TiO2.

Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới, tạo điều kiện thuận lợi cho các vi sinh vật gây bệnh như Escherichia coli (E.coli) phát triển, gây ra các bệnh về đường ruột. Việc loại bỏ vi khuẩn E.coli trong nguồn nước là vấn đề cấp thiết. TiO2 thương mại được sử dụng phổ biến trong khử trùng nhờ hiệu quả diệt khuẩn cao, không độc hại và khả năng phân hủy tế bào thành CO2 và H2O. Tuy nhiên, TiO2 chỉ hoạt động dưới ánh sáng UV bước sóng ngắn, gây tiêu hao năng lượng và hạn chế ứng dụng thực tế.

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của vật liệu quang xúc tác ống nano TiO2 chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt, nhằm tăng diện tích bề mặt và hiệu suất quang xúc tác dưới ánh sáng đèn UVA thương mại. Mục tiêu cụ thể gồm chế tạo thành công vật liệu ống nano TiO2 có diện tích bề mặt lớn, khảo sát đặc trưng cấu trúc, hình thái học, tính chất quang và đánh giá khả năng phân hủy thuốc nhuộm xanh methylene cũng như diệt khuẩn E.coli. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2015-2018 tại Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, với ý nghĩa nâng cao hiệu quả xử lý nước và ứng dụng trong y sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Tính chất quang xúc tác của TiO2: TiO2 là vật liệu bán dẫn với vùng cấm rộng (anatase ~3.2 eV, rutile ~3.0 eV). Khi được kích thích bởi photon có năng lượng ≥ Eg, electron từ vùng hóa trị chuyển lên vùng dẫn, tạo ra các lỗ trống và electron tự do. Các lỗ trống và electron này tham gia vào phản ứng oxy hóa khử, sinh ra các gốc tự do hydroxyl (OH·), superoxide (O2·-) và hydrogen peroxide (H2O2), có khả năng phân hủy các chất hữu cơ và diệt khuẩn.

• Cơ chế diệt khuẩn của TiO2: Các gốc oxy hóa tấn công màng tế bào vi khuẩn, phá hủy cấu trúc phospholipid, làm đứt gãy chuỗi DNA, gây tổn thương không thể phục hồi và dẫn đến chết tế bào. Quá trình này được minh chứng qua sự rò rỉ ion K+, protein và ARN từ tế bào bị phá hủy, cũng như sự phân hủy endotoxin từ màng ngoài vi khuẩn Gram âm như E.coli.

• Mô hình cấu trúc ống nano TiO2: Ống nano TiO2 có diện tích bề mặt lớn hơn so với dạng hạt, giúp tăng hiệu quả quang xúc tác. Cấu trúc anatase được ưu tiên do khả năng khử O2 thành O2·- mạnh hơn so với rutile, từ đó tăng hiệu suất diệt khuẩn.

• Phương pháp chế tạo vật liệu: Phương pháp thủy nhiệt được lựa chọn để tổng hợp ống nano TiO2 do khả năng kiểm soát cấu trúc, thời gian tạo mẫu nhanh và khả năng tổng hợp khối lượng lớn. Ngoài ra, kỹ thuật lắng đọng điện di (EPD) được sử dụng để tạo màng mỏng ống nano TiO2 trên đế dẫn điện trong suốt (ITO), thuận tiện cho ứng dụng quang xúc tác diệt khuẩn.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu TiO2 thương mại P25 được sử dụng làm tiền chất. Ống nano TiO2 được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt với dung dịch NaOH 10 M, nhiệt độ 130°C trong 13 giờ, sau đó xử lý axit HCl và nung ở 500°C trong 2 giờ để tạo mẫu TNT-500.

• Phương pháp khảo sát cấu trúc và tính chất vật liệu:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha tinh thể và cấu trúc mạng.
  • Phổ tán xạ Raman để phân tích các mode dao động phân tử.
  • Hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để khảo sát hình thái học và kích thước ống nano.
  • Đo diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp Brunauer-Emmet-Teller (BET).
  • Phổ hấp thụ UV-Vis để đánh giá khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu suất quang xúc tác.

• Nghiên cứu khả năng quang xúc tác phân hủy thuốc nhuộm xanh methylene (MB): Dung dịch MB 10 ppm được xử lý với vật liệu TNT-500 dưới chiếu xạ đèn UVA 8W trong 3 giờ. Nồng độ MB được xác định qua phổ UV-Vis tại bước sóng 665 nm theo các thời điểm 0, 30, 60, 90, 120, 150, 180 phút.

• Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn E.coli: Vật liệu TNT-500 được tạo màng trên đế ITO bằng kỹ thuật lắng đọng điện di (EPD). Thí nghiệm diệt khuẩn được thực hiện tại Bộ môn Vi sinh, Trường Đại học Y - Dược Thái Nguyên, sử dụng vi khuẩn E.coli làm đối tượng khảo sát. Các mẫu được chiếu xạ đèn UVA và đánh giá hiệu quả diệt khuẩn theo thời gian tiếp xúc.

• Cỡ mẫu và timeline: Các mẫu vật liệu được chế tạo và khảo sát trong khoảng thời gian 2015-2018. Phân tích dữ liệu được thực hiện với nhiều mẫu thử để đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng cấu trúc và hình thái học:

   • XRD xác định vật liệu TNT-500 chủ yếu ở pha anatase với các đỉnh đặc trưng rõ ràng, cho thấy cấu trúc tinh thể ổn định sau nung.
   • SEM và TEM cho thấy ống nano TiO2 có đường kính trong khoảng 5-8 nm, chiều dài khoảng 100 nm, cấu trúc ống rỗng và phân bố đồng đều.
   • Diện tích bề mặt riêng của TNT-500 đạt khoảng 150 m²/g, tăng đáng kể so với TiO2 thương mại P25 (~50 m²/g), góp phần nâng cao hiệu quả quang xúc tác.

2. Khả năng phân hủy thuốc nhuộm xanh methylene (MB):

   • Sau 180 phút chiếu xạ đèn UVA, nồng độ MB giảm khoảng 85% khi sử dụng vật liệu TNT-500, trong khi mẫu đối chứng không có vật liệu chỉ giảm dưới 10%.
   • Đường chuẩn hấp thụ quang của MB có hệ số tương quan R² > 0.99, đảm bảo độ chính xác trong xác định nồng độ.

3. Hiệu quả diệt khuẩn E.coli:

   • Màng TNT-500 trên đế ITO dưới chiếu xạ đèn UVA cho hiệu suất diệt khuẩn đạt trên 99% sau 120 phút tiếp xúc.
   • So với vật liệu TiO2 thương mại, TNT-500 thể hiện khả năng diệt khuẩn vượt trội nhờ diện tích bề mặt lớn và cấu trúc ống nano giúp tăng tiếp xúc với vi khuẩn.
   • Kết quả thí nghiệm phù hợp với cơ chế diệt khuẩn dựa trên sự sinh ra các gốc oxy hóa mạnh như OH· và H2O2.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả quang xúc tác và diệt khuẩn của vật liệu ống nano TiO2 chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt được cải thiện rõ rệt so với TiO2 thương mại. Diện tích bề mặt riêng tăng gấp khoảng 3 lần giúp tăng khả năng hấp phụ các phân tử MB và vi khuẩn trên bề mặt vật liệu, từ đó nâng cao hiệu suất phản ứng quang xúc tác. Cấu trúc ống nano anatase ổn định sau nung 500°C đảm bảo tính bền vững và hoạt tính quang xúc tác lâu dài.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của nhóm nghiên cứu Mỹ và Nhật Bản về khả năng diệt khuẩn của TiO2 anatase dưới ánh sáng UV. Việc sử dụng đèn UVA thương mại thay cho đèn UV bước sóng ngắn giúp giảm chi phí và tăng tính ứng dụng thực tế. Kỹ thuật lắng đọng điện di (EPD) tạo màng mỏng TNT-500 trên đế ITO giúp vật liệu dễ dàng ứng dụng trong các thiết bị xử lý nước và diệt khuẩn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ giảm nồng độ MB theo thời gian chiếu xạ, biểu đồ phần trăm diệt khuẩn E.coli theo thời gian tiếp xúc, cùng bảng so sánh diện tích bề mặt và kích thước ống nano giữa các mẫu vật liệu. Các kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của vật liệu ống nano TiO2 trong xử lý nước và y sinh.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình chế tạo vật liệu ống nano TiO2:

   • Điều chỉnh nồng độ NaOH, thời gian và nhiệt độ thủy nhiệt để tăng diện tích bề mặt và ổn định cấu trúc ống nano.
   • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.
   • Chủ thể: Các phòng thí nghiệm vật liệu và công nghệ nano.

2. Phát triển công nghệ tạo màng mỏng TiO2 trên các đế dẫn điện khác nhau:

   • Nghiên cứu mở rộng kỹ thuật lắng đọng điện di (EPD) trên các vật liệu giá thể khác như kính, nhựa trong suốt để ứng dụng đa dạng.
   • Thời gian: 12 tháng.
   • Chủ thể: Trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ vật liệu.

3. Ứng dụng vật liệu trong hệ thống xử lý nước diệt khuẩn quy mô nhỏ và vừa:

   • Thiết kế và thử nghiệm các module xử lý nước sử dụng màng TiO2 ống nano dưới ánh sáng đèn UVA thương mại.
   • Thời gian: 18 tháng.
   • Chủ thể: Các viện nghiên cứu môi trường, doanh nghiệp xử lý nước.

4. Nghiên cứu kết hợp TiO2 với các vật liệu khác để mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng:

   • Tích hợp các ion kim loại hoặc vật liệu bán dẫn khác để thu hẹp khe năng lượng, tăng hiệu quả quang xúc tác dưới ánh sáng nhìn thấy.
   • Thời gian: 24 tháng.
   • Chủ thể: Các nhóm nghiên cứu vật liệu tiên tiến.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý, Hóa học vật liệu:

   • Hiểu rõ về phương pháp chế tạo và đặc trưng vật liệu ống nano TiO2, áp dụng trong nghiên cứu quang xúc tác và vật liệu nano.

2. Chuyên gia công nghệ môi trường và xử lý nước:

   • Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển công nghệ xử lý nước diệt khuẩn hiệu quả, thân thiện môi trường.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y sinh và xử lý nước:

   • Tham khảo quy trình chế tạo và ứng dụng vật liệu quang xúc tác để phát triển sản phẩm mới, nâng cao hiệu suất diệt khuẩn.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách về môi trường và y tế công cộng:

   • Sử dụng thông tin nghiên cứu để đánh giá và khuyến khích ứng dụng công nghệ xử lý nước an toàn, hiệu quả trong cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu ống nano TiO2 có ưu điểm gì so với TiO2 dạng hạt?
   Ống nano TiO2 có diện tích bề mặt lớn hơn gấp khoảng 3 lần, giúp tăng khả năng hấp phụ và tiếp xúc với các chất ô nhiễm hoặc vi khuẩn, từ đó nâng cao hiệu quả quang xúc tác và diệt khuẩn.

2. Phương pháp thủy nhiệt được lựa chọn vì sao?
   Phương pháp thủy nhiệt cho phép tổng hợp vật liệu với cấu trúc ống nano ổn định, thời gian tạo mẫu nhanh, dễ kiểm soát điều kiện phản ứng và có thể tổng hợp khối lượng lớn vật liệu.

3. Tại sao sử dụng đèn UVA thay vì đèn UV bước sóng ngắn?
   Đèn UVA có bước sóng dài hơn, an toàn hơn và phổ biến trên thị trường, giúp giảm chi phí và tăng tính ứng dụng thực tế trong xử lý nước và diệt khuẩn.

4. Khả năng diệt khuẩn của vật liệu được đánh giá như thế nào?
   Hiệu quả diệt khuẩn được đánh giá qua tỷ lệ giảm số lượng vi khuẩn E.coli sau thời gian tiếp xúc với màng TiO2 dưới chiếu xạ đèn UVA, đạt trên 99% sau 120 phút.

5. Có thể ứng dụng vật liệu này trong quy mô công nghiệp không?
   Có thể, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm về quy trình tạo màng trên các giá thể phù hợp, tối ưu hóa điều kiện hoạt động và thiết kế hệ thống xử lý nước quy mô lớn.

Kết luận

• Đã chế tạo thành công vật liệu ống nano TiO2 pha anatase bằng phương pháp thủy nhiệt với diện tích bề mặt riêng khoảng 150 m²/g, tăng gấp 3 lần so với TiO2 thương mại.
• Vật liệu TNT-500 thể hiện hiệu suất phân hủy thuốc nhuộm xanh methylene đạt khoảng 85% sau 180 phút chiếu xạ đèn UVA.
• Màng ống nano TiO2 trên đế ITO có khả năng diệt khuẩn E.coli trên 99% sau 120 phút tiếp xúc dưới ánh sáng đèn UVA.
• Kỹ thuật lắng đọng điện di (EPD) là phương pháp hiệu quả để tạo màng mỏng vật liệu quang xúc tác, thuận tiện cho ứng dụng thực tế.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình chế tạo, phát triển công nghệ màng mỏng và ứng dụng trong xử lý nước diệt khuẩn quy mô công nghiệp.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc ứng dụng vật liệu ống nano TiO2 cho xử lý nước và y sinh, đồng thời khuyến khích các nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao hiệu quả và mở rộng ứng dụng. Độc giả và các nhà nghiên cứu được mời gọi tiếp tục phát triển công nghệ này để góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

imkj ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VŨ HỒNG HẠNH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG DIỆT KHUẨN CỦA VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC ỐNG NANO TiO2 CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Thái Nguyên - 2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VŨ HỒNG HẠNH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG DIỆT KHUẨN CỦA VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC ỐNG NANO TiO2 CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐẶNG VĂN THÀNH Thái Nguyên - 2018 LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn TS. Đặng Văn Thành đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên em trong quá trình thực hiện luận văn. Em cũng gửi lời cám ơn chân thành tới các thầy, cô giáo Khoa Vật lý và Công nghệ, các thầy cô Phòng Đào tạo, các thầy cô trong Ban Giám hiệu Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên. Em xin chân thành cảm ơn Thạc sỹ Nguyễn Thị Khánh Vân đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện các công việc thực nghiệm để hoàn thành luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu Trường Đại học Y- Dược đã cho phép em sử dụng cơ sở vật chất và trang thiết bị của phòng thí nghiệm Lý - Lý sinh y học và Dược trong quá trình thực hiện các công việc thực nghiệm. Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình đã luôn động viên và ủng hộ tích cực để em thực hiện trọn vẹn khóa học vừa qua. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế nên kết quả nghiên cứu không thể tránh được các thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 6 năm 2018 Tác giả Vũ Hồng Hạnh i LỜI CAM ĐOAN Tôi tên: Vũ Hồng Hạnh Sinh ngày 30 tháng 4 năm 1978 Quê quán: Hải Phòng Hiện công tác tại: Trường THPT Phạm Ngũ Lão- Thủy Nguyên- Hải Phòng Là học viên cao học khóa 2015 của Trường Đại Học Khoa Học-Đại học Thái Nguyên Tôi cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của vật liệu quang xúc tác ống nano TiO2 chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt” là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu trong luận văn được sử dụng trung thực, nguồn trích dẫn có chú thích rõ ràng, minh bạch, có tính kế thừa, phát triển từ các tài liệu, tạp chí, các công trình nghiên cứu đã được công bố, các website. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan. Thái Nguyên, tháng 6 năm 2018 Tác giả Vũ Hồng Hạnh ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU……………………………………………………….1 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO…….Vật liệu ống nanoTiO2………………………………. Vật liệu nanoTiO2.Tính chất quang xúc tác của vật liệu TiO2………………….Cơ chế diệt khuẩn của vật liệu TiO2………………. Các phương pháp chế tạo vật liệu ống nano TiO2………….Phương pháp điện hóa điện cực anot…………………. Phương pháp tạo khuôn ……………………………. Phương pháp thủy nhiệt ……………………….Phương pháp tạo màng bằng kỹ thuật lắng đọng điện di………. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài………………………….23 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM .Quy trình chế tạo mẫu………………. Các dụng cụ và hóa chất sử dụng………. Dụng cụ thí nghiệm…………………….Chế tạo vật liệu ống nano TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt….Các phương pháp khảo sát cấu trúc và tính chất vật liệu…. Phương pháp nhiễu xạ tia X……………. Phương pháp tán xạ Raman………….Phương pháp chụp hiển vi điện tử quét (SEM) ………………. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)…. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng…. Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis……………………. Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của vật liệu ống nanoTiO2…. Đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu TNT -500……. Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của vật liệu ống nano TiO2……. Đánh giá khả năng diệt khuẩn của vật liệu ống nano TiO2 dạng màng trên vi khuẩn đại diện là E. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………………….Đặc trưng vật liệu……………………. Phổ Raman của vật liệuTiO2…….Diện tích bề mặt của mẫu bột…………………………………………. Hình thái học của vật liệu của TiO2……………………. Đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu thông qua khả năng phân hủy màu của MB…. Kết quả nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của vật liệu TNT-500.52 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ………………………………….…54 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ……………………… .55 TÀI LIỆU THAM KHẢO….56 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Kí hiệu viết tắt Nội dung 1 TNT Titan nanotube (ống TiO2) 2 BET Brunauer Emnet and Teller 3 E.coli Escherichia coli 4 DSSC Dye – sensitized solar cells ( Pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu) 5 MB Xanh methylen Scanning Electron Microscopy 6 SEM (hiển vi điện tử quét) Transmission electron microscopy (hiển vi điện 7 TEM tử truyền qua) 8 XRD X-ray Diffraction (nhiễu xạ tia X) 9 UVA Ultraviolet radiation A 10 UV Ultraviolet radiation v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Các số vật lý của TiO2 pha anatase, rutile và brookite [10]…………5 Bảng 2.Tổng hợp một số nghiên cứu tiêu biểu trong nước liên quan đến hướng sử dụng vật liệu quang xúc tác TiO2………. Kết quả đo độ hấp thụ quang của MB với các nồng độ khác nhau….36 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.Cấu trúc tinh thể của các pha TiO2 rutile(a), anatase(b) và brookite(c) (Ti(màu trắng);O(màu đỏ))[9]………………….Cấu trúc vùng năng lượng của TiO2 cho pha rutile(trái), anatase(giữa) và brookite(phải) [9]………………………………………………… ……. Cơ chế quang xúc tác của vật liệu TiO2[15]…………. Cấu trúc màng tế bào. Sơ đồ minh họa cơ chế tạo gốc hoạt động của TiO2 khi được kích thích bởi ánh sáng.Cơ chế diệt khuẩn của TiO2 khi tiếp xúc với màng tế bào ; (a) màng tế bào ở trạng thái bình thường , (b) màng tế bào tiếp xúc với TiO2 , (c) các tổn thương không thể phục hồi , (d) màng tế bào bị phá hủy ,(e) các thành phần bên trong của tế bào bị phân hủy và quá trình khoáng hóa [19]. Sơ đồ minh họa các phương pháp chế tạo ống nano TiO2: (a) phương pháp thủy nhiệt, (c) tạo khuôn, (e) anốt hóa, (b), (d), (f) ảnh TEM và SEM của vật liệu chế tạo[8] …………………………………………………………. Sơ đồ minh họa kĩ thuật anốt hóa chế tạo ống nano TiO2 sử dụng cấu hình 2 điện cực[21]…………………. Sơ đồ minh họa kĩ thuật anodization chế tạo ống nano TiO2 sử dụng cấu hình 3 điện cực[6]…………………………………………………….10: Sự ảnh hưởng của dung dịch điện phân tới sự hình thành các ống TiO2 (a) sự suy giảm của cường độ dòng điện điện phân theo thời gian ứng với các trường hợp không có (-----) và có (________) ion F- trong dung dịch điện phân, b và c là quá trình di chuyển của các ion linh động trong dung dịch điện phân khi có ion F- và không có ion F- [8]…………………………………………. Sơ đồ minh họa quá trình chế tạo ống nano tube TiO2: (a) tạo khuôn (b) lắng đọng chế tạo lớp màng thụ động , (c) lắng đọng chọn lọc các lỗ phía trong khuôn , (d) ăn mòn hóa học lớp màng PC với dung môi chloroform tại 600C để nhận được cấu trúc ống nano tube TiO2…………………….13 Cơ chế tạo thành cấu trúc ống nano TiO2 anatase sử dụng vật liệu ban đầu là bột TiO2 anatase[29]……………………………………………… 20 Hình 1. Sơ đồ minh họa quá trình lắng điện di: (a) EPD catốt, (b) EPD anốt ………………………………………………………………………………. Các giai đoạn chế tạo vật liệu ống nano TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt………………. Ảnh chụp hệ thủy nhiệt dùng để chế tạo mẫu…………………. Phản xạ của tia X trên họ mặt mạng tinh thể……………. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ MB……. Ảnh chụp hệ quang xúc tác xử lý MB………………. Ảnh chụp hệ quang xúc tác xử lý MB khi làm việc ……………. Sơ đồ minh họa quá trình lắng đọng điện di tạo màng TNT, ảnh nhỏ là màng sau khi chế tạo……………………………………………………. Sơ đồ quy trình nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của màng TNT…. Giản đồ nhiễu xạ của vật liệu TiO2 thương mại(P25)……………. Giản đồ XRD của TNT không ủ…………………………………. Giản đồ XRD của TNT ủ 500oC…………………………………. Phổ Raman của vật liệu TiO2 P25 và TNT khi không ủ và ủ ở 500oC……………………………………………………………. Đường đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ N2 của mẫu TiO2 P25. Đường đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ N2 của mẫu TNT . Đường đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ N2 của mẫu TNT- 500. Ảnh SEM của vật liệu TiO2 thương mại (P25)…………………. Ảnh SEM của TNT không nung……………. Ảnh SEM của TNT nung 5000C……………. Ảnh TEM của vật liệu TiO2 thương mại ……………………. Ảnh TEM của vật liệu TNT không nung ………………………. Ảnh TEM của vật liệu TNT nung 5000C ……………. Ảnh SEM của màng mỏng TNT -500 trên đế ITO; ảnh nhỏ là ảnh chụp màng TNT sau khi chế tạo được sấy khô và cắt cho xử lý diệt khuẩn…. Phổ Raman của màng mỏng TNT – 500 trên đế ITO . Phổ phản xạ khuếch tán của mẫu TNT - 500 . Kết quả xử lý MB theo thời gian của mẫu có và không có xúc tác TNT-500 . Ảnh chụp dung dịch MB được chiếu xạ ở các thời gian khác nhau tương ứng 0 phút, 30 phút, 60 phút, 90 phút, 120 phút, 150 phút, 180 phút. (a) Mẫu có màng TNT-500, có chiếu đèn UVA, (b) mẫu không có màng, chiếu đèn UVA, (c) mẫu không có màng, không chiếu đèn.52 ix x MỞ ĐẦU Vật liệu TiO2 thu hút được sự quan tâm rất lớn của cộng đồng các nhà nghiên cứu do khả năng ứng dụng cao trong các lĩnh vực như chế tạo pin mặt trời, chất màu nhạy sáng, tự làm sạch, sản xuất hydro từ nước [1-4] . Tuy nhiên với độ rộng vùng cấm khoảng 3.3eV, TiO2 chỉ tham gia xúc tác trong vùng ánh sáng tử ngoại do đó chỉ có 3-5% năng lượng ánh sáng mặt trời có thể được sử dụng. Do đó để tăng hiệu suất xúc tác quang của vật liệu TiO2 có hai hướng được sử dụng: biến tính vật liệu để thu hẹp khe năng lượng hoặc tăng cường diện tích bề mặt bằng cách chế tạo vật liệu cấu trúc nano [5-7]. Hướng thứ nhất thu hẹp khe năng lượng của TiO2 bằng cách thay thế một phần ion Ti4+ bằng các ion kim loại như Cu, Cr, Fe, Ni … hoặc thay thế một phần ion O2- bằng các ion phi kim như N, C, F… để làm dịch bờ hấp thụ về phía bước sóng dài và làm tăng hiệu ứng quang xúc tác trong vùng ánh sáng nhìn thấy của TiO2. Hướng thứ hai là chế tạo TiO2 cấu trúc ống hoặc sợi nano để điều khiển các tính chất vật lý hoặc hóa học của TiO2.