Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước bởi các ion kim loại nặng như Pb(II) và Co(II) đang là vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo ước tính, các ngành công nghiệp và nông nghiệp phát triển mạnh đã làm gia tăng lượng chất thải độc hại, trong đó có các ion kim loại nặng, gây ô nhiễm môi trường nước. Việc phát triển các phương pháp xác định nhanh, chính xác các ion kim loại trong nước là cần thiết để kiểm soát và xử lý ô nhiễm. Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu Fe3O4 trên nền graphen oxit dạng khử (rGO) và ứng dụng trong xác định điện hóa ion Pb(II) và Co(II) trong môi trường nước. Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Sư phạm Đà Nẵng trong năm 2022, với mục tiêu nâng cao hiệu quả phát hiện ion kim loại nặng bằng phương pháp điện hóa, góp phần phát triển công nghệ cảm biến môi trường. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện độ nhạy và giới hạn phát hiện của điện cực biến tính, hỗ trợ công tác giám sát chất lượng nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

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:

  • Lý thuyết vật liệu carbon và graphen oxit: Graphen oxit (GO) là đơn lớp của graphit oxit, chứa nhiều nhóm chức oxy hóa như hydroxyl, epoxy, carbonyl. Graphen oxit dạng khử (rGO) là sản phẩm thu được sau quá trình khử GO, có cấu trúc gần giống graphen với độ dẫn điện cao hơn GO.
  • Mô hình tổng hợp và biến tính vật liệu Fe3O4/rGO: Sự kết hợp giữa hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 và tấm rGO tạo thành composite có diện tích bề mặt lớn, tính dẫn điện và hoạt tính điện hóa cao, thích hợp làm vật liệu biến tính điện cực.
  • Khái niệm điện hóa và phương pháp von-ampe hòa tan xung vi phân (DPV): Phương pháp DPV giúp đo cường độ dòng điện phát sinh khi ion kim loại bị oxi hóa hoặc khử trên bề mặt điện cực, từ đó xác định nồng độ ion trong dung dịch với độ nhạy và giới hạn phát hiện cao.
  • Khái niệm diện tích bề mặt hoạt động điện hóa: Diện tích bề mặt điện cực ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hấp phụ và phản ứng điện hóa của ion kim loại, từ đó ảnh hưởng đến độ nhạy của phép đo.
  • Phản ứng oxi hóa khử của ion Pb(II) và Co(II): Quá trình oxi hóa điện hóa của Pb(II) và Co(II) trên điện cực Fe3O4/rGO/GCE có sự tham gia của 2 proton (H+) và 2 electron, theo cơ chế EC’.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các hóa chất phân tích tinh khiết, vật liệu graphit, FeSO4, FeCl3, Pb(NO3)2, CoCl2 và các dung môi chuẩn. Dữ liệu thu thập từ các phép đo thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Đại học Sư phạm Đà Nẵng.
  • Phương pháp tổng hợp vật liệu:
    • Tổng hợp graphit oxit (GrO) theo phương pháp Tour bằng oxy hóa hóa học.
    • Tách lớp GrO thành graphen oxit (GO) bằng siêu âm.
    • Khử GO thành rGO bằng axit ascorbic trong dung dịch nước.
    • Tổng hợp composite Fe3O4/rGO bằng phản ứng kết tủa muối sắt trong môi trường kiềm với sự có mặt của rGO, khuấy 16 giờ ở nhiệt độ phòng.
  • Phương pháp phân tích vật liệu:
    • Xác định cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD).
    • Xác định nhóm chức trên bề mặt vật liệu bằng phổ hồng ngoại (FT-IR).
  • Phương pháp điện hóa:
    • Biến tính điện cực than thủy tinh (GCE) bằng cách phủ huyền phù Fe3O4/rGO lên bề mặt.
    • Xác định diện tích bề mặt hoạt động điện hóa bằng phương pháp cyclic voltammetry (CV) trong dung dịch K3[Fe(CN)6].
    • Khảo sát bản chất điện hóa của Pb(II) và Co(II) trên điện cực biến tính bằng CV.
    • Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu DPV như pH, thế làm giàu, thời gian làm giàu, biên độ xung, bước nhảy thế.
    • Xây dựng đường chuẩn, xác định giới hạn phát hiện (LOD) và độ lặp lại của phép đo.
  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu và phân tích đặc trưng trong 3 tháng đầu; khảo sát điện hóa và tối ưu điều kiện đo trong 3 tháng tiếp theo; đo mẫu thực và hoàn thiện luận văn trong 2 tháng cuối năm 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu Fe3O4/rGO:

    • Phổ IR cho thấy sự biến mất các nhóm chức oxy hóa trên GO sau khi khử, đồng thời xuất hiện đỉnh đặc trưng Fe-O ở 540 cm$^{-1}$, xác nhận thành công biến tính rGO bằng Fe3O4.
    • Phổ XRD cho thấy đỉnh đặc trưng của Fe3O4 tại các góc 30,2°, 35,6°, 42,8°, 57,2°, 62,8°, đồng thời đỉnh của rGO rộng và dịch nhẹ về 24,3°, thể hiện cấu trúc không trật tự của graphen oxit dạng khử.

  2. Diện tích bề mặt hoạt động điện hóa của điện cực:

    • Diện tích bề mặt hoạt động điện hóa của điện cực Fe3O4/rGO/GCE đạt 12,2 mm$^2$ (theo dòng catot), gấp 4 lần so với điện cực GCE chưa biến tính (3,2 mm$^2$) và gấp gần 3 lần so với điện cực rGO/GCE (4,1 mm$^2$).
    • Diện tích lớn giúp tăng khả năng hấp phụ và phản ứng điện hóa của ion kim loại trên điện cực.

  3. Ảnh hưởng của bản chất điện cực đến tín hiệu điện hóa Pb(II) và Co(II):

    • Cường độ dòng đỉnh anot của Pb(II) trên Fe3O4/rGO/GCE tăng 2,89 lần so với điện cực GCE.
    • Cường độ dòng đỉnh anot của Co(II) tăng gấp 13 lần trên Fe3O4/rGO/GCE so với GCE.
    • Điều này cho thấy Fe3O4/rGO có khả năng xúc tác điện hóa mạnh mẽ, cải thiện đáng kể độ nhạy phát hiện ion kim loại.

  4. Ảnh hưởng của pH môi trường:

    • pH tối ưu để đo điện hóa Pb(II) và Co(II) trên Fe3O4/rGO/GCE là pH = 6.
    • Quá trình oxi hóa kim loại trong dung dịch đệm axetat có sự tham gia của 2 H$^+$ và 2 electron, phù hợp với cơ chế EC’.

  5. Thông số tối ưu cho phép đo DPV:

    • Pb(II): biên độ xung 0,03 V, bước nhảy thế 0,015 V, thế làm giàu -0,8 V, thời gian làm giàu 90 s.
    • Co(II): biên độ xung 0,015 V, bước nhảy thế 0,02 V, thế làm giàu -1 V, thời gian làm giàu 120 s.
    • Giới hạn phát hiện (LOD) của điện cực Fe3O4/rGO/GCE là 0,90 ppb với Pb(II) và 0,77 ppb với Co(II) trong khoảng tuyến tính 1-100 ppb.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu Fe3O4/rGO tổng hợp thành công có cấu trúc tinh thể và nhóm chức phù hợp, đồng thời tăng diện tích bề mặt hoạt động điện hóa của điện cực GCE lên gấp nhiều lần. Điều này làm tăng khả năng hấp phụ và xúc tác điện hóa các ion Pb(II) và Co(II), giúp tăng cường độ dòng đỉnh anot đáng kể so với điện cực chưa biến tính hoặc chỉ phủ rGO. Sự tăng cường này được giải thích bởi tính dẫn điện cao của rGO kết hợp với hoạt tính xúc tác của Fe3O4, trong đó ion Fe(II) tham gia trao đổi electron trong quá trình oxi hóa ion kim loại theo cơ chế EC’.

pH môi trường ảnh hưởng rõ rệt đến cường độ dòng điện, với pH = 6 là điều kiện tối ưu, phù hợp với môi trường đệm axetat và cơ chế phản ứng điện hóa. Các thông số DPV được tối ưu giúp đạt giới hạn phát hiện thấp, phù hợp với yêu cầu giám sát ô nhiễm nước ở mức vết.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, điện cực Fe3O4/rGO/GCE trong nghiên cứu này có giới hạn phát hiện thấp và độ nhạy cao hơn nhiều, chứng tỏ hiệu quả của phương pháp tổng hợp và biến tính điện cực. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ CV và DPV minh họa sự tăng cường cường độ dòng điện trên các điện cực khác nhau, bảng tổng hợp diện tích bề mặt và giới hạn phát hiện, giúp trực quan hóa hiệu quả nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi điện cực Fe3O4/rGO/GCE trong giám sát môi trường nước: Khuyến nghị các cơ quan quản lý môi trường và phòng thí nghiệm sử dụng điện cực biến tính Fe3O4/rGO để phát hiện nhanh và chính xác ion Pb(II) và Co(II) trong nước thải và nguồn nước sinh hoạt, nhằm nâng cao hiệu quả kiểm soát ô nhiễm.

  2. Phát triển cảm biến điện hóa dựa trên Fe3O4/rGO: Đề xuất nghiên cứu tiếp tục cải tiến thiết kế cảm biến mini, tích hợp hệ thống đo tự động, tăng độ bền và khả năng tái sử dụng điện cực, hướng tới ứng dụng thực tiễn trong giám sát liên tục.

  3. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các ion kim loại khác: Khuyến khích nghiên cứu áp dụng vật liệu Fe3O4/rGO biến tính điện cực để phát hiện các ion kim loại nặng khác như Cd(II), Cr(III), Cu(II), nhằm đa dạng hóa công cụ phân tích điện hóa trong môi trường.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Đề xuất tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ phòng thí nghiệm và doanh nghiệp về tổng hợp vật liệu và kỹ thuật biến tính điện cực, đồng thời thúc đẩy chuyển giao công nghệ để ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

  5. Thời gian thực hiện: Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 1-2 năm tới, bắt đầu từ việc thử nghiệm quy mô phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực địa, nhằm nhanh chóng đưa công nghệ vào sử dụng hiệu quả.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Hóa lý: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp vật liệu nano composite Fe3O4/rGO, phương pháp phân tích điện hóa, giúp nâng cao hiểu biết và kỹ năng nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu và cảm biến.

  2. Cán bộ phòng thí nghiệm môi trường: Thông tin về phương pháp biến tính điện cực và kỹ thuật DPV giúp cải thiện độ nhạy và độ chính xác trong phân tích ion kim loại nặng, hỗ trợ công tác giám sát và xử lý ô nhiễm nước.

  3. Doanh nghiệp công nghệ môi trường và thiết bị cảm biến: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để phát triển sản phẩm cảm biến điện hóa mới, nâng cao hiệu quả và tính cạnh tranh trên thị trường.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Kết quả nghiên cứu giúp xây dựng các tiêu chuẩn, quy trình kiểm tra chất lượng nước, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn Fe3O4/rGO làm vật liệu biến tính điện cực?
    Fe3O4/rGO kết hợp tính dẫn điện cao của rGO và hoạt tính xúc tác của Fe3O4, tạo diện tích bề mặt lớn và tăng cường khả năng điện hóa, giúp phát hiện ion kim loại với độ nhạy và giới hạn phát hiện thấp hơn nhiều so với vật liệu truyền thống.

  2. Phương pháp tổng hợp Fe3O4/rGO có ưu điểm gì?
    Phương pháp tổng hợp sử dụng phản ứng kết tủa trong môi trường kiềm với sự có mặt của rGO, đơn giản, hiệu quả, cho sản phẩm có cấu trúc đồng nhất, kích thước hạt nano nhỏ và phân bố đều trên bề mặt rGO, đảm bảo tính chất điện hóa tốt.

  3. Giới hạn phát hiện của phương pháp này là bao nhiêu?
    Điện cực Fe3O4/rGO/GCE đạt giới hạn phát hiện khoảng 0,90 ppb với Pb(II) và 0,77 ppb với Co(II), phù hợp để phát hiện ion kim loại ở mức vết trong môi trường nước.

  4. Điều kiện pH ảnh hưởng thế nào đến phép đo?
    pH môi trường ảnh hưởng đến cường độ dòng điện và vị trí thế đỉnh oxi hóa. pH = 6 được xác định là điều kiện tối ưu cho phép đo Pb(II) và Co(II) trên điện cực Fe3O4/rGO/GCE, đảm bảo phản ứng điện hóa diễn ra hiệu quả.

  5. Phương pháp DPV có ưu điểm gì so với các kỹ thuật khác?
    DPV giúp loại bỏ tối đa ảnh hưởng của dòng tụ điện, tăng độ nhạy và giảm giới hạn phát hiện, thời gian đo nhanh, phù hợp cho phân tích ion kim loại nặng trong môi trường nước với độ chính xác cao.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu Fe3O4 trên nền graphen oxit dạng khử (rGO) với cấu trúc tinh thể và nhóm chức phù hợp, xác nhận bằng phổ IR và XRD.
  • Điện cực biến tính Fe3O4/rGO/GCE có diện tích bề mặt hoạt động điện hóa lớn gấp 4 lần so với điện cực GCE chưa biến tính, tăng khả năng hấp phụ và xúc tác điện hóa ion Pb(II) và Co(II).
  • Phương pháp điện hóa DPV trên điện cực Fe3O4/rGO/GCE đạt giới hạn phát hiện thấp (0,90 ppb với Pb(II), 0,77 ppb với Co(II)) trong khoảng tuyến tính 1-100 ppb, với pH tối ưu là 6.
  • Các thông số đo DPV được tối ưu giúp nâng cao độ nhạy và độ chính xác, phù hợp ứng dụng trong giám sát ô nhiễm môi trường nước.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng vật liệu Fe3O4/rGO trong phát triển cảm biến điện hóa và giám sát môi trường, đồng thời đào tạo chuyển giao công nghệ trong 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển công nghệ cảm biến điện hóa hiện đại, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.