Nghiên cứu tính chất quang của hạt nano ZnO chế tạo bằng phương pháp điện hóa

Nghiên cứu tính chất quang của hạt nano ZnO chế tạo bằng phương pháp điện hóa, mang lại ứng dụng tiềm năng trong công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Mai Vi Cảnh
• Người hướng dẫn: TS. Trần Quang Huy
• Trường học: Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất quang của hạt nano ZnO chế tạo bằng phương pháp điện hóa
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT
• 1.1. Giới thiệu về kẽm ôxít (ZnO) và nano ZnO
• 1.2. Tính chất của hạt nano ZnO
• 1.2.1. Tính chất quang
• 1.2.2. Hoạt tính kháng khuẩn của nano ZnO
• 1.3. Tổng hợp hạt nano ZnO
• 1.3.1. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.3.2. Phương pháp sol - gel
• 1.3.3. Phương pháp điện hóa
• 1.3.4. Phương pháp vi sóng
• 1.4. Lý do chọn đề tài tổng hợp hạt nano ZnO bằng phương pháp điện hóa hỗ trợ vi sóng
• 1.5. Ứng dụng của nano ZnO
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất, nguyên vật liệu
• 2.2. Quy trình tổng hợp nano ZnO bằng phương pháp điện hóa
• 2.3. Khảo sát tính chất của hạt nano ZnO
• 2.3.1. Phương pháp đo phổ hấp thụ UV - vis
• 2.3.2. Phương pháp đo phổ huỳnh quang (PL)
• 2.3.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.3.4. Phương pháp phổ hồng ngoại IR
• 2.3.5. Phương pháp đo tán xạ Raman
• 2.3.6. Phương pháp đo thế Zeta
• 2.3.7. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Đặc tính của hạt nano ZnO chế tạo bằng phương pháp điện hóa
• 3.1.1. Phổ hấp thụ UV-vis
• 3.1.2. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 3.1.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 3.1.4. Phổ hấp thụ hồng ngoại IR
• 3.1.5. Phổ huỳnh quang
• KẾT LUẬN CHUNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tính chất quang của hạt nano ZnO

Nghiên cứu về tính chất quang của hạt nano ZnO đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trong những năm gần đây. Hạt nano ZnO không chỉ có kích thước nhỏ mà còn sở hữu nhiều đặc tính quang học độc đáo. Những đặc tính này bao gồm khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại và khả năng phát xạ huỳnh quang. Việc hiểu rõ về tính chất quang của hạt nano sẽ mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như quang học, y học và công nghệ môi trường.

1.1. Giới thiệu về hạt nano ZnO và ứng dụng của chúng

Hạt nano ZnO là một trong những vật liệu nano được nghiên cứu nhiều nhất. Chúng có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại, làm cho chúng trở thành thành phần quan trọng trong các sản phẩm như kem chống nắng và vật liệu quang xúc tác. Đặc tính này giúp hạt nano ZnO có thể ứng dụng rộng rãi trong công nghệ và y học.

1.2. Tính chất quang học của hạt nano ZnO

Tính chất quang học của hạt nano ZnO được xác định bởi độ rộng vùng cấm khoảng 3,37 eV. Điều này cho phép chúng hấp thụ ánh sáng trong khoảng 350 nm đến 370 nm. Phổ huỳnh quang của hạt nano ZnO cũng cho thấy sự phát xạ mạnh mẽ trong vùng cận tử ngoại, điều này rất quan trọng cho các ứng dụng quang học.

II. Thách thức trong nghiên cứu tính chất quang của hạt nano ZnO

Mặc dù có nhiều ứng dụng tiềm năng, việc nghiên cứu tính chất quang của hạt nano ZnO vẫn gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc chế tạo hạt nano với kích thước và hình dạng đồng nhất. Điều này ảnh hưởng đến tính chất quang học của chúng. Ngoài ra, việc kiểm soát các điều kiện chế tạo cũng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

2.1. Vấn đề về kích thước và hình dạng của hạt nano

Kích thước và hình dạng của hạt nano ZnO có ảnh hưởng lớn đến tính chất quang của chúng. Hạt nano không đồng nhất có thể dẫn đến sự biến đổi trong phổ hấp thụ và phát xạ, làm giảm hiệu suất quang học.

2.2. Ảnh hưởng của điều kiện chế tạo đến tính chất quang

Điều kiện chế tạo như nhiệt độ, áp suất và thời gian xử lý có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất quang của hạt nano ZnO. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là cần thiết để đạt được sản phẩm chất lượng cao.

III. Phương pháp chế tạo hạt nano ZnO bằng điện hóa

Phương pháp điện hóa là một trong những cách hiệu quả để chế tạo hạt nano ZnO. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt hơn về kích thước và hình dạng của hạt. Bằng cách sử dụng hai điện cực kẽm, hạt nano ZnO có thể được tạo ra ở nhiệt độ phòng, giúp tiết kiệm năng lượng và thời gian.

3.1. Quy trình chế tạo hạt nano ZnO bằng điện hóa

Quy trình chế tạo hạt nano ZnO bằng điện hóa bao gồm việc hòa tan kẽm trong dung dịch và áp dụng điện áp để tạo ra hạt nano. Quy trình này đơn giản và hiệu quả, giúp tạo ra hạt nano với kích thước đồng nhất.

3.2. Lợi ích của phương pháp điện hóa trong chế tạo hạt nano

Phương pháp điện hóa không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn cho phép điều chỉnh kích thước và hình dạng của hạt nano. Điều này giúp cải thiện tính chất quang của hạt nano ZnO, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hạt nano ZnO trong công nghệ

Hạt nano ZnO có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như quang học, y học và công nghệ môi trường. Chúng được sử dụng trong các sản phẩm chống nắng, vật liệu quang xúc tác và cảm biến sinh học. Những ứng dụng này không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

4.1. Ứng dụng trong sản phẩm chống nắng

Hạt nano ZnO được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm chống nắng nhờ khả năng hấp thụ tia UV. Chúng giúp bảo vệ da khỏi tác hại của ánh sáng mặt trời, đồng thời an toàn cho sức khỏe người sử dụng.

4.2. Ứng dụng trong quang xúc tác

Hạt nano ZnO có khả năng xúc tác quang mạnh mẽ, giúp phân hủy các chất ô nhiễm trong môi trường. Điều này làm cho chúng trở thành một giải pháp hiệu quả trong việc xử lý nước thải và không khí.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu hạt nano ZnO

Nghiên cứu về tính chất quang của hạt nano ZnO đã mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại những phát triển mới trong công nghệ vật liệu nano.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hạt nano ZnO có nhiều đặc tính quang học độc đáo, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng. Việc chế tạo hạt nano bằng phương pháp điện hóa cho thấy hiệu quả cao trong việc kiểm soát kích thước và hình dạng.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Tương lai của nghiên cứu hạt nano ZnO sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và khám phá thêm nhiều ứng dụng mới. Việc phát triển các phương pháp chế tạo thân thiện với môi trường cũng sẽ là một xu hướng quan trọng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC MAI VI CẢNH NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA HẠT NANO ZnO CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8 44 01 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Trần Quang Huy TS. Nguyễn Thị Luyến THÁI NGUYÊN - 2020 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu tôi đã thực hiện dưới sự hướng dẫn, chỉ đạo về chuyên môn của Tiến sĩ Trần Quang Huy và Tiến sĩ Nguyễn Thị Luyến. Luận văn này không sao chép của bất kì ai và kết quả nghiên cứu đảm bảo tính trung thực. Nội dung của luận văn là một phần trong dự án nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ quốc gia, mã số: 108.08, có tham khảo sử dụng một số tài liệu bài báo đã được công bố và được trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Tiến sĩ Trần Quang Huy và Tiến sĩ Nguyễn Thị Luyến đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viên khích lệ cũng như định hướng cho tôi trong quá trình thực hiện công trình nghiên cứu này. Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Khoa Vật lí và Công nghệ, trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, tôi đã được nhận được sự quan tâm, giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, các anh chị học viên. Tôi xin chân thành cảm ơn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương, Viện Nghiên cứu Nano - Trường Đại học Phenikaa, Phòng thí nghiệm Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện về máy móc, trang thiết bị và phòng thí nghiệm để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn anh Nguyễn Xuân Quang, nghiên cứu sinh tại Viện nghiên cứu nano - Trường Đại học Phenikaa đã tận tình hướng dẫn tôi các phương pháp chế tạo mẫu, sử dụng các loại máy đo và hướng dẫn tôi phân tích các kết quả. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Phổ thông Dân tộc nội trú Bắc Kạn và các đồng chí đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện, động viên giúp đỡ để tôi hoàn thành khóa học. Luận văn được sự hỗ trợ của của đề tài nghiên cứu cơ bản được Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ quốc gia, mã số: 108.08 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . ii MỤC LỤC . iii DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT . vi DANH MỤC BẢNG BIỂU . vi DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ . vii MỞ ĐẦU . TỔNG QUAN LÍ THUYẾT . Giới thiệu về kẽm ôxít (ZnO) và nano ZnO . Tính chất của hạt nano ZnO . Tính chất quang . Hoạt tính kháng khuẩn của nano ZnO . Tổng hợp hạt nano ZnO . Phương pháp thủy nhiệt . Phương pháp sol - gel. Phương pháp điện hóa . Phương pháp vi sóng . Lý do chọn đề tài tổng hợp hạt nano ZnO bằng phương pháp điện hóa hỗ trợ vi sóng . Ứng dụng của nano ZnO .6 Kết luận chương 1 . PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM . Hóa chất, nguyên vật liệu . Quy trình tổng hợp nano ZnO bằng phương pháp điện hóa . Khảo sát tính chất của hạt nano ZnO . Phương pháp đo phổ hấp thụ UV - vis . 20 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phương pháp đo phổ huỳnh quang (PL) . Phương pháp nhiễu xạ tia X . Phương pháp phổ hồng ngoại IR. Phương pháp đo tán xạ Raman . Phương pháp đo thế Zeta . Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) . Kết luận chương 2 . KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN . Đặc tính của hạt nano ZnO chế tạo bằng phương pháp điện hóa . Phổ hấp thụ UV-vis . Hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Phương pháp nhiễu xạ tia X . Phổ hấp thụ hồng ngoại IR . Phổ huỳnh quang . 44 KẾT LUẬN CHUNG . 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 46 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] v DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tt Viết tắt Giải nghĩa 1 Zn Kẽm 2 ZnO Ô xít kẽm 3 ZnO NPs Nano kẽm Ô xít 4 SEM Hiển vi điện tử quét 5 TEM Hiển vi điện tử truyền qua 6 XRD Nhiễu xạ tia X 7 UV-vis Tử ngoại khả kiến 8 PL Huỳnh quang LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2. Một số trang thiết bị thường dùng trong thí nghiệm . Độ ổn định của dung dịch hạt nano phụ thuộc vào thế bề mặt . Đỉnh hấp thụ UV-Vis của các mẫu xử lý vi sóng theo thời gian . Độ bán rộng và kích thước tinh thể trung bình của nano ZnO trong các điều kiện vi sóng khác nhau . Đỉnh thế Zeta của các mẫu chế tạo ở điều kiện khác nhau.44 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] vii DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1. Bột ôxit kẽm . Cấu trúc tinh thể ZnO: (a) Rocksalt; (b) Zins Blende; (c) Wurtzite [9] . Phổ huỳnh quang của nano ZnO [14] . Cơ chế quang xúc tác của nano ZnO [15]. Cơ chế kháng khuẩn của nano ZnO trong nước [16]. Sơ đồ biểu diễn quy trình chế tạo dung dịch nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt [18]. Quy trình chế tạo nano ZnO bằng phương pháp sol - gel . Sơ đồ hệ điện hóa chế tạo hạt nano ZnO trong các dung môi khác nhau [19]. So sánh quá trình cấp nhiệt bằng vi sóng và quá trình cấp nhiệt thông thường [20]. Một số ứng dụng của hạt nano ZnO. Quy trình chế tạo nano ZnO bằng phương pháp điện hóa . Hệ chế tạo nano ZnO bằng phương pháp điện hóa tại phòng thí nghiệm Viện Nghiên cứu Nano - Trường Đại học Phenikaa . Thiết bị vi sóng UWAVE 2000 tại Viện Nghiên cứu Nano - Trường Đại học Phenikaa . Mô hình quang phổ hấp thụ. Sơ đồ nguyên lý đo UV - Vis hai chùm tia [26] . Máy OPTIMA model SP 3000 nano xuất xứ Nhật Bản, tại Viện Nghiên cứu Nano - Trường Đại học Phenikaa. Cơ chế phát xạ theo giản đồ năng lượng. Sơ đồ nguyên lý máy đo huỳnh quang. 23 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] viii Hình 2. Máy đo phổ huỳnh quang FLS 1000 Tại Phòng thí nghiệm thực hành Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên. Máy nhiễu xạ tia X - EQUINOX 5000 tại Tại Phòng thí nghiệm tại viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam . Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt dộng của máy đo phổ hồng ngoại FT-IR. Máy đo phổ hồng ngoại FT-IR 4600 Tại Phòng thí nghiệm thực hành - Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên. Tán xạ Raman thu được khi kích thích phân tử bằng laser . Sơ đồ hệ đo quang phổ Raman . Máy đo Macro Raman - Horiba Tại Viện nghiên cứu nano - Trường Đại học Phenikaa. Cơ chế hình thành thế Zeta của hạt nano trong dung dịch . Thiết bị đo Zeta Zetasizer tại Viện khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm khoa học - công nghệ Việt Nam. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử truyền qua [29]. Kính hiển vi điện tử truyền qua (JEM 1010, JEOL), tại phòng thí nghiệm siêu cấu trúc, Viện vệ sinh dịch tễ Trung ương. Mẫu ZnO sau khi được ủ vi sóng ở các mức thời gian khác nhau . Phổ hấp thụ UV - Vis của dung dịch ZnO xử lý ví sóng theo thời gian khác nhau ở 0, 1, 3, 5, 10 và 15 phút . Ảnh TEM của mẫu nano ZnO xử lý ví sóng theo thời gian khác nhau:(a) 0 phút; (b) 1 phút; (c) 5 phút; (d) 10 phút . Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của mẫu nano ZnO xử lý ví sóng theo thời gian khác nhau:(a) không vi sóng; (b) 1 phút; (c) 5 phút; (d) 10 phút; . 38 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ix Hình 3. Phổ IR của các mẫu dung dịch nano ZnO xử lý ví sóng theo thời gian: (a) không vi sóng; (b) 1 phút; (c) 3 phút; (d) 5 phút; (e) 10 phút . Phổ raman của các mẫu dung dịch nano ZnO xử lý ví sóng theo thời gian: (a) không vi sóng; (b) 5 phút; (c) 10 phút. Phổ phát xạ huỳnh quang của các mẫu nano ZnO xử lý ví sóng theo thời gian khác nhau:không vi sóng; 1 phút; 5 phút;10 phút. Giản đồ thế Zeta của các mẫu dung dịch nano ZnO xử lý ví sóng theo thời gian: (a) không vi sóng; (b) 1 phút; (c) 5 phút; (d) 10 phút; . 44 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 1 MỞ ĐẦU Vài thập niên gần đây, nhân loại chứng kiến sự phát triển toàn diện, vượt bậc của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật. Ngành nghiên cứu về vật liệu mới trong đó có vật liệu nano cũng nằm trong dòng chảy đó. Đặc biệt, sự độc đáo các đặc tính và công dụng của các hạt nano cũng phát sinh từ nhiều thuộc tính khác nhau, bao gồm cả kích thước của các hạt nano và cấu trúc tinh thể của các hạt [1]. Vì vậy, vật liệu kích thước nano với những đặc tính quý báu đã là vật liệu phổ biến của các ứng dụng tiên tiến mới trong truyền thông, lưu trữ năng lượng, cảm biến, lưu trữ dữ liệu, quang học, truyền dẫn, bảo vệ môi trường, mỹ phẩm, sinh học và y học. Trong đó, hạt nano ZnO cũng được các nhà khoa học trong nước cũng như trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Hạt nano ZnO với các tính chất quý báu như tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn, dẫn nhiệt tốt, bền về nhiệt và hóa học, ít độc tính, và có khả năng phân tán tốt trong nước, có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại (UV) và khả năng gây phản ứng quang xúc tác mạnh. Chính vì thế, nano ZnO có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: chất kháng khuẩn [2]; vật liệu dẫn thuốc[3]; chất kháng tế bào ung thư [4]; quang xúc tác [5]; cảm biến sinh học [6]; ứng dụng làm lớp vật liệu bảo vệ chống tia UV [7] và tạo ảnh sinh học [8].