Nghiên Cứu Sử Dụng Điện Cực Carbon Biến Tính Bảng Graphen Oxit

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu hóa học nghiên cứu sử dụng điện cực cacbon biến tính bằng graphen oxit dạng khử để xác định một số, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hải Phong
• Trường học: Đại Học Huế
• Chuyên ngành: Hóa Phân Tích
• Đề tài: Nghiên Cứu Sử Dụng Điện Cực Carbon Biến Tính Trong Phân Tích Hóa Học
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Hóa Học
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thừa Thiên Huế

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Điện Cực Carbon Biến Tính Giới Thiệu

Phương pháp von-ampe (SV) đã phát triển từ thành công của phương pháp phổ khoa học Heyrovsky. Ban đầu, điện cực thủy ngân được sử dụng, nhưng với sự phát triển của công nghệ, phương pháp SV xung phân ứng dụng trong các máy phân tích hiện đại. Các phương pháp như DP-ASV hoặc SqW-ASV được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Phương pháp ASV là một phương pháp điện hóa phân tích, bao gồm giai đoạn làm giàu và giai đoạn quét. Giai đoạn làm giàu diễn ra trên bề mặt điện cực làm việc (WE), thường được khuấy đều. Điện phân làm giàu thường sử dụng kim loại như Cu. Các hợp chất hữu cơ phụ thuộc vào điện thế hoặc phức kim loại phụ thuộc vào bề mặt WE trong giai đoạn hòa tan. Trong giai đoạn phân tích, WE bằng điện thế dương hơn. Trong giai đoạn quét ngược, giai đoạn giàu. Nếu sử dụng xung phân, phương pháp DP-ASV hoặc SqW-ASV được sử dụng. Riêng kim loại được ampe phụ xung phân (DP-AdSV) hoặc sóng vuông (SqW-AdSV).

1.1. Nguyên Tắc Cơ Bản Của Phương Pháp Von ampe

Phương pháp von-ampe (ASV) là một phương pháp ampe phân tích, bao gồm giai đoạn làm giàu và giai đoạn quét. Bản chất của giai đoạn phân tích là trên bề mặt điện cực làm việc (WE), một điện cực dung dịch được khuấy đều bằng máy khuấy hoặc dùng dòng chảy. Quá trình phân tích trên bề mặt WE. Điện phân làm giàu thường được sử dụng kim loại như Cu. WE khác nhau phụ thuộc vào cách sử dụng, thường được sử dụng hợp chất. Các hợp chất hữu cơ phụ thuộc hoặc phức kim loại phụ thuộc vào bề mặt WE trong giai đoạn hòa tan. Thực hiện giai đoạn phân tích WE bằng điện thế dương hơn. Trong giai đoạn ngược lại, giai đoạn giàu. Trong giai đoạn thường không khuấy dung dịch phân tích. Nếu sử dụng xung phân phương pháp DP-ASV, sử dụng sóng vuông SqW-ASV kim loại. Riêng được ampe phụ xung phân (DP-AdSV) hoặc sóng vuông (SqW-AdSV).

1.2. Ưu Điểm Của Kỹ Thuật Von ampe Sóng Vuông SqW

Kỹ thuật von-ampe sóng vuông (SqW) được dùng để xây dựng đường von-ampe. Theo đó, những xung đối xứng như nhau khoảng vài mV xung không khoảng vài ms được chồng lên 16 bước (xem Hình 1). Dòng được đo xung xung khoảng dòng thông thường. Dòng được đồng bộ được hàm xung được dòng cộng dòng Faraday dòng. Dòng giảm nhanh hơn nhiễu dòng Faraday I~ oe" It dung phan tmeas tmeas tmeas tmeas tu €2) tu €2) Ustep, vn q @ staxt Frequency if uP. Trong dòng được điểm được dòng dương được dòng âm một ngắn khoảng thời điểm (5) điểm Đông được hàm làm f(Ewe) dòng dòng được dưới dạng một.

II. Thách Thức Giải Pháp Điện Cực Carbon Biến Tính Graphene

Vật liệu graphene là một lớp phẳng đơn nguyên tử carbon được sắp xếp trong mạng tinh thể hình tổ ong. Graphene có thể được cuộn lại thành ống nano hoặc xếp chồng lên nhau thành graphite (3D). Các lớp graphene nằm cách nhau một khoảng nhất định. Graphene được các nhà khoa học người Anh và Nga Andre Geim và Konstantin Novoselov (Đại học Manchester, Anh) khám phá vào năm 2004 và được trao giải Nobel năm 2010. Về mặt lý thuyết, các mảng graphene tự do phẳng, nhưng chúng có thể bị lõm hoặc nhăn như sóng mô phỏng. Về mặt cấu trúc, màng graphene được tạo thành từ các nguyên tử carbon liên kết với nhau trong cùng một mặt phẳng. Do đó, cấu trúc lớp vỏ của nguyên tử carbon phân bố ở trạng thái đóng gói quan trọng. Các nguyên tử carbon liên kết với nhau theo hướng phương nhau một góc 120°. Mỗi nguyên tử carbon này phủ với một nguyên tử khác thành liên kết cộng hóa trị. Chính mạng tinh thể graphene ở hình dạng tổ ong làm cho graphene vững về mặt cơ học và về mặt phẳng mạng.

2.1. Tổng Quan Về Vật Liệu Graphene và Graphene Oxide GO

Graphene Oxide (GO) là sản phẩm oxy hóa của graphene, với nhiều nhóm chức chứa oxy như epoxy, carbonyl, carboxyl, và hydroxyl gắn trên bề mặt graphene. Các nhóm chức này làm cho GO dễ dàng phân tán trong dung môi phân cực như nước. Hình 2 mô tả cấu trúc của mạng carbon. Quá trình khử các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt GO chuyển đổi các C-sp² thành C-sp³ và tạo ra sản phẩm phản ứng khử được gọi là Reduced Graphene Oxide (RGO).

2.2. Các Phương Pháp Tổng Hợp Graphene Dạng Khử RGO

Quá trình khử nhóm chức chứa oxy trên bề mặt GO chuyển C-sp” phẩm phản ứng khử được graphene oxit dạng khử (Reduced Graphene RGO). Các phương pháp khử GO thành RGO được nghiên cứu rộng rãi. Phương pháp hóa học sử dụng các nhân khử như hydrazine monohydrat (N;H,H;O), borohydride (NaBH,), dimethyl hydrazine, hydriodic acid. Mỗi nhân khử có một nhóm chức khử khác nhau. N;H,.H;O khử được RGO C:O hydrazin khử mạnh nhóm epoxy cacboxylic khử 10,3. Tuy nhiên, phương pháp khử này có một nhược điểm. Do khử trường trường hydrazin phương pháp khử GO. Gần nhân khử chẳng như vitamin nhôm, khử đường, amin, được nghiên dụng khử GO thành RGO nhóm Vũ Thu Viện Hóa công nghiệp hợp GO bằng phương pháp Hummers khử GO thành RGO bằng nhân khử xanh “Caffein”, RGO được khoảng.

III. Ứng Dụng Điện Cực Carbon Biến Tính Phân Tích Dược Phẩm

Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng điện cực carbon biến tính bằng graphene dạng khử để xác định các hợp chất hữu cơ bằng phương pháp Von-Ampe hòa tan. Mục tiêu là xây dựng quy trình phân tích định lượng đồng thời các hợp chất trong mẫu dược phẩm, bao gồm Caffein (CA), Axit Ascorbic (AA), và Paracetamol (PA), bằng phương pháp von-ampe sóng vuông (SqW-ASV). Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển phương pháp von-ampe nhằm xác định đồng thời AA, PA và CA trong một mẫu dược phẩm. Phương pháp nghiên cứu sử dụng phương pháp von-ampe dùng sóng vuông nhằm nghiên cứu AA, PA CA trên điện cực. Phương pháp thống kê được sử dụng để đánh giá phương pháp. khoa thực nghiệm và ý nghĩa khoa học. Góp phần làm (WE) phương pháp von-ampe nghiên cứu AA, PA và CA. Ứng dụng nghiên cứu phân tích AA, và CA trong mẫu dược phẩm, làm cơ sở phân tích mẫu khác trong tương lai.

3.1. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Các Thông Số Kỹ Thuật

Khảo nghiệm hợp phương pháp von-ampe sóng vuông (SqW-ASV) định một hợp hữu paracetamol, Ap dung phuong pháp SqW-ASV dùng phân lượng một hợp hữu paracetamol, mot miu phan. Chuẩn làm Trước chuẩn (GCE), đường mm, thước Ngém dung HNO; bằng khô GC duge bóng Al;O; chuyên nước. Phương pháp phân điện Phương pháp von-ampe vong (CV) Phương pháp von-ampe vòng được dụng nhằm khử graphen thành graphen dang. Quy nghiệm phương pháp von-ampe được Chuẩn GCE GO (GO/GCE), Cho GO/GCE chứa dung dém PBS M (pH Quét von-ampe -1,5 Za ™ 5V Hình nghiệm phương pháp von-ampe vòng Thế.

3.2. Ứng Dụng Phân Tích Mẫu Dược Phẩm Thực Tế

Phương pháp von-ampe hòa anot Phương pháp von-ampe (ASV) ding sóng vuông (SqW) được dụng nhằm nghiên cứu đồng AA, PA CA GO dạng khử.Quy nghiệm phương pháp SqW-ASV.2 Giai đoạn làm Dung phân mL dém B-RBS (0,5M; pH dung phân (AA, PA, CA), thêm nước cất Áp 400 mV, vừa mL; 2000 neni 10s đoạn tan: Quét Khoảng -200 +1500 mV; = mV/s; dụng SqW E,trong hành lượng bằng phương pháp thêm Hình nghiệm phương pháp von-ampe sóng vuông Phương pháp thống Áp dụng phương pháp thống nghiệm đánh phương pháp phân bằng phần mềm như Origin 2010,

IV. Kết Luận Hướng Phát Triển Điện Cực Carbon Biến Tính

Điện cực biến tính graphene dạng khử (RGO) mở ra hướng mới trong phân tích hóa học, đặc biệt trong việc xác định đồng thời nhiều hợp chất hữu cơ trong mẫu phức tạp như dược phẩm. Phương pháp von-ampe sử dụng điện cực RGO cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát triển các quy trình phân tích nhanh chóng, nhạy và hiệu quả. Nghiên cứu này góp phần vào việc mở rộng ứng dụng của vật liệu graphene trong lĩnh vực phân tích, đồng thời cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về phát triển các loại điện cực biến tính tiên tiến hơn.

4.1. Đánh Giá Độ Tin Cậy Của Phương Pháp Phân Tích

Áp dụng phương pháp thống kê nghiệm đánh phương pháp phân bằng phần mềm như Origin 2010, THIẾT DỤNG CỤ VÀ HÓA CHÁT dụng Máy phân CPA HHS; Điện cacbon bình Cân phân XB 220A, Thụy Máy nước Aquatron (Bibby Anh); Micropipet Labpette hãng Labnet, Mỹ; 3 Máy khuấy Velp Máy tâm Universal 320R; Máy âm Cole Parmer Các dụng như n...

4.2. Triển Vọng Phát Triển Của Điện Cực RGO Trong Tương Lai

Quan hơn khử GO dụng nhân nhân RGO làm cacbon làm RGO được những khuyết nhau RGO khử bằng nhân cũng khác graphen nguyên Phương pháp hóa:Theo Graphen được hình phương Phuong pháp điểm hơn phương phương pháp kiệm Không dụng nguy hiểm trường, Trong hợp dụng (không phẩm được không nhiễm được Ngoài phương pháp phép kiểm phẩm mg GO mL H,0 âm 3000 GO-I Lấy GO GCE phòng GO/GCE Quét Š v= mV/S; M PBS, pH= RGO/GCE Hình hợp graphen phương pháp

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan + Giới thiệu về phương pháp von-ampe hòa tan anot: nguyên tắc, các kỹ thuật ghỉ đường von-ampe hòa tan anot và các loại điện cực sử dụng trong phương pháp von-ampe; + Tổng quan về graphen oxit và graphen oxit dạng khử. + Giới thiệu về AA, PA và CA. Nội dung và phương pháp nghiên cứu.

+ Nội dung nghiên cứu: Khảo sát các đặc tính von-ampe hòa tan cia AA, PA vàCA trên điện cực biến tính; khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến tín hiệu hòa tan của AA, PA vàCA. ể áp dụng phân tích một số mẫu dược phẩm; 1 + Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp von-ampe vòng, phương pháp von-ampe hòa tan anot dùng kỹ thuật sóng vuông và phương pháp thống kê xử. Kết quả và thảo luận + Tổng hợp vật liệu graphen oxit và graphen oxit dạng khử + Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến tín hiệu hòa tan + Đánh giá độ tin cậy của phương pháp. + Phân tích mẫu thực tế ~ Kết luận và kiến nghị.

- Tải liệu tham khảo. GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP VON - AMPE HÒA TAN ANOT Phương pháp von-ampe hòa tan (SV) được khởi nguồn từ sự phát triển thành công phương pháp cực phổ của nhà khoa học J. Đến thập niên 1960, lý thuyết về phương pháp SV trên điện cực giọt thủy ngân treo và mảng thủy ngân đã bắt đầu phát triển. Những năm sau đó, cùng với tiến bộ về công nghệ điện tử, phương pháp SV với kỹ thuật xung vi phân đã bắt đầu ứng dụng vào thực tiễn.

Trong thập niên 1980, với thiết bị máy vi tính và phần mềm điều khiển đã được thương mại hóa rộng rãi và đến thập niên 1990, phương pháp von — ampe hòa tan anot xung vi phân (DP-ASV) hoặc/và von — ampe hỏa tan anot sóng vuông (SqW-ASV) đã được một số quốc gia trên thế giới, chẳng hạn như Mỹ (USA) đã được xem là một trong những phương pháp phân tích tiêu chuẩn để xác định đồng thời một số kim loại như kẽm (Zn), cadimi (Cd) va chi (Pb) [9] Tuy nhiên, tủy thuộc vào phương pháp SV và đối tượng phân tích mà nguyên. tắc của phương pháp có khác nhau. Sau đây chúng tôi sẽ trình bày nguyên tắc chung. của phương pháp von ~ ampe hòa tan anot.

Nguyên tắc Phương pháp von — ampe hòa tan anot (ASV) là một trong các phương pháp. von ~ ampe hòa tan và vì vậy, quá trình phân tích cũng bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn làm giàu và giai đoạn hỏa tan[9], [17]. Giai đoạn làm giàu Bản chất của giai đoạn làm giàu là tập trung chất cần phân tích trong dung. dịch lên trên bề mặt điện cực làm việc (WE) ở một thế và thời gian xác định.

giai đoạn làm giàu, dung dịch được khuấy trộn đều bằng khuấy từ hoặc dùng điện. cực rắn đĩa quay. Quá trình tập trung chất phân tích lên trên bề mặt WE có thể bằng. hai cách: 1s ~ Điện phân làm giàu: cách này thường được sử dụng đề xác định trực tiếp các kim loại như Zn, Cd, Pb, Cu và asen (As) với các WE khác nhau [9], lắp phụ làm giàu: theo cách này thường được sử dụng để xác định trực tiếp.

các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Các hợp chất vô cơ và hữu cơ có thể hấp phụ trực. tiếp hoặc có thể tạo phức với ion kim loại rồi hấp phụ lên trên bề mặt WE [17]. b, Giai đoạn hòa tan: Thực chất của giai đoạn hòa tan là hòa tan chất phân tích ra khỏi bề mặt WE.

bằng cách quét thế về phía dương hơn (gọi là quét anot). Trong giai đoạn này, quá. trình xảy ra trên điện cực là ngược với giai đoạn làm giàu[ 17]. Trong giai đoạn này, thường không khuấy dung dịch phân tích.

Nếu sử dụng kỹ thuật xung vi phân thì gọi là phương pháp DP-ASV, còn nếu dùng kỹ thuật sóng vuông thì gọi là SqW-ASV đổi với việc xác định kim loại. Riêng đối với quá trình làm giàu là hấp phụ thì được gọi là von — ampe hda tan anot hấp phụ xung vi phân (DP-AdSV) hoặc sóng vuông (SqW-AdSV). Đường von ~ ampe hòa tan thu được có dạng đỉnh (peak). Thế đỉnh (E, hay U,) và độ lớn của dòng đỉnh hỏa tan (I,) phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thành phan nén (chat điện ly nền, pH, chất tạo phúc,.), bản chất của điện cực làm việc, thể và thời gian điện phân làm giàu, điều kiện thủy động học (sự khuấy trộn hoặc quay điện cực,.) trong giai đoạn làm giàu, tốc độ quét thế trong giai đoạn hòa tan, kỹ thuật ghỉ đường von ~ ampe hỏa tan,.

Trong đó, E, dùng dé định tính và 1, dùng để định lượng chất phân tích. Các kỹ thuật ghỉ đường von-ampe hỏa tan anot Trongphươngpháp ASV, dé ghi đường von-ampe hòa tan, có thể dùng các kỹ thuật khác nhau như von-ampe xoay chiều (AC), von-ampe xung vi phan (DP), von-ampe sóng vuông (SqW). Dưới đây sẽ giới thiệu nguyên tắc của kỹ thuật SqW. Kỹ thuật von-ampe sóng vuông (SqW) được ding dé ghi đường von-ampe hỏa tan.

Theo kỹ thuật này, những xung thế đối xứng có biên độ như nhau khoảng từ l đến 50 mV và bề rộng xung không đổi khoảng từ 30 đến 100 ms được đặt chồng lên 16 mỗi bước thế (xem Hình 1. Dòng được đo hai lần: trước khi nạp xung (I,) và trước khi ngắt xung (l;), khoảng thời gian đo dòng thông thường là từ 10 đến 30 ms. Dòng thu được là hiệu của hai giá trị đồng đó (lạ, = Iạ— l) và lạ, được ghi là hàm của thế đặt lên điện cực làm việc. Khi xung thế được áp vào, dòng tổng cộng trong hệ sẽ tăng lên do sự tăng.

Dòng tụ điện giảm nhanh hơn nhiễu so với dong Faraday vi I~ 1 oe" va It 6 day, t - thai gian, R - điện trở, C* - dign dung vi phan của lớp kép. tmeas tmeas tmeas tmeas tu €2) tu €2) ở+ Ustep, q vn @ U staxt ‘step = 17 Frequency if r ib) uP v Hình 1. Sự biến thiên thế theo thời gian (a); Dạng đường von-ampe hòa. tan trong phương pháp SqW-ASV(), Trong đó: = Usagi: (mV): biên độ sóng vuông ; ~ Uy (mV): bước thể ; ~U„„ (mV): thế đầu; <p (8): thời gian mỗi bước thế; ~ U; (mV): thé đỉnh hòa tan; = teas (ms): thời gian đo dòng; =I, (nA): dòng định hòa tan.

1 Trong mỗi chu kì xung, dòng được đo ở hai thời điểm là t (thu được dòng dương l) và t› (thu được dòng âm l;), trong một thời gian rất ngắn khoảng 30 ms. G thai diém ty : 1) = hut Ly (5) Ở thời điểm t; lạt lạ (1.6) Đông thu được là hàm của thế đặt lên điên cực làm việc I = f(Ewe) và có giá trị là hiệu của hai giá trị dòng đó ( , dòng ghỉ được dưới dạng một cực đại 1. Điện cực sử dụng trong phương pháp von-ampe hoà tan Để tiến hành phân tích bằng phương pháp von-ampe hòa tan nói chung và 'von-ampe hòa tan anot nói riêng, người ta dùng hệ thiết bị gồm một máy cực phổ và. một bình điện phân gồm 3 điện cực: ~ Điện cực làm việc (WE) như điện cực rắn đĩa quay bằng kim loại hoặc vật liệu nền là cacbon, điện cực giọt thủy ngân tĩnh (SMDE), điện cực giọt thủy ngân treo (HMDE), điện cực mảng kim loại (MeFE) hoặc điện cực.

biến tính; ~ Điện cực so sánh thường là điện cực calomen hoặc bac/bac clorua; ~ Điện cực phù trợ thường dùng là điện cực platin (PÙ, 'Nắp bình điện phân còn có lỗ hông để dẫn luồng khí trơ (N›, Ar.) vào dung dịch phân tích đề đuổi và loại ôxy hòa tan trong dung dịch. Trong phần tổng quan này, chúng tôi chỉ đề cập đến loại điện cực tính, còn các loại điện cực làm việc khác không để cập đến và có thể tham khảo trong các tải liệu chuyên ngành. Điện cực biến tính = một loại điện cực được quan tâm nghiên cứu trong nhiều năm gần đây - đặc biệt biến tính bằng vật liệu polyme dẫn điện , được tạo ra bằng. các cách như sau j) Điện cực biến tính được chế tạo bởi hạt nano kim loại [9], hay cacbon nano.

Được thực hiện bằng cách gắn các hạt nano kim loại trực tiếp trên bề mặt điện 18 cực GCE, cacbon pase, hoặc chính điện cực kim loại đó. Thường chế tạo bằng. phương pháp ex-situ, dign phân dung dich chia Me" dang nano (sử dụng phương pháp von-ampe vòng) để gắn các hạt nano trên bề mặt điện cực,. hay phủ trực tiếp.

bằng cách nhúng điện cực trong hệ keo nano kim loại hoặc nhỏ giọt dung dịch keo nano kim loại lên bề mặt điện cực. ii) Một kiểu điện cực biến tính khác được nghiên cứu nhiều là điện cực nền được phủ lên bề mặt một polyme dẫn điện. Loại điện cực này được đặc biệt chú ý trong các lĩnh vực cảm biến hóa học và cảm bi sinh học. Bởi vì chúng thể hiện nhiều lợi thế trong việc phát hiện một số chất phân tích do tính nhạy cảm, chọn lọc và tính đồng nhất của chúng trong giai đoạn điện phân làm giàu, kết bám mạnh lên.

bề mặt điện cực và sự ôn định hóa học của những màng polyme dẫn điện. Các polyme này thường đóng vai trò là tác nhân oxy hóa để oxy hóa chất hữu cơ được làm giàu trên bề mặt điện cực. Điện cực loại này được chế tạo đơn giản bằng cách nhỏ giọt dung dịch polyme (hoặc trộn với một chất kết dính) lên bề mặt điện cực. một số trường hợp tiền hành quét CV trong dung địch chứa monomer.

GIỚI THIỆU VẬT LIỆU GRAPHEN 1. Vật liệu graphen 22 := gH = me Bee 4 —— 4 s E2 & 3 : Bees Seema Be E— ® “ước Fallerene x-.(Cason nanotube oun Hình 1.Graphen cấu trúc cơ bản (2D) và các vật liệu cacbon khác (0D, ID và 3D) [18] 19 'Graphen là một mặt phẳng đơn lớp của những nguyên tử cacbon được sắp xếp. chặt chẽ trong mạng tỉnh thể hình tổ ong 2 chiều (2D). Graphen được cuộn lại sẽ tạo.

nên dạng thù hình fullerene (0D), được quấn lại sẽ tạo nên dạng thù hình cacbon. Net lên hình của cấu trúc là sắp xếp các nguyên tửcacbon trên đỉnh. các lục giác đều, nằm cách nhau những khoảng nhất định là 1,42 Â và liên kết với nhau bởi những liên kết sp. Graphen được hai nhà khoa học người Anh gốc Nga là Andre Geim và Konstantin Novoselov (Đại học Manchester, Anh) khám phá ra vào năm 2004, năm.

2010 giải Nobel Vật lý đã được trao cho hai nha khoa học này[ 18].