Tổng quan nghiên cứu

Trong những thập niên gần đây, sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy nghiên cứu về vật liệu nano, đặc biệt là nano oxit kim loại như ZnO. Với kích thước nano, hạt ZnO sở hữu các tính chất vật lý, hóa học và quang học độc đáo, bao gồm tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn, khả năng hấp thụ ánh sáng vùng tử ngoại, dẫn nhiệt tốt và tính bền nhiệt cao. Theo ước tính, nano ZnO có độ rộng vùng cấm khoảng 3,37 eV, cho phép hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 350-370 nm, rất phù hợp cho các ứng dụng trong quang học, mỹ phẩm chống tia UV, vật liệu kháng khuẩn và quang xúc tác.

Tuy nhiên, việc sản xuất hạt nano ZnO với kích thước, hình dạng và cấu trúc tinh thể kiểm soát được, đồng thời thân thiện môi trường và quy mô lớn vẫn là thách thức lớn. Phương pháp điện hóa được xem là giải pháp tiềm năng nhờ tính đơn giản, sạch và chi phí thấp. Luận văn này tập trung nghiên cứu tính chất quang của hạt nano ZnO chế tạo bằng phương pháp điện hóa, kết hợp xử lý nhiệt bằng vi sóng nhằm cải thiện cấu trúc và tính ổn định của hạt. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2019-2020 tại Viện Nghiên cứu Nano - Trường Đại học Phenikaa và Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên.

Mục tiêu chính của luận văn là chế tạo thành công hạt nano ZnO từ thanh kẽm dạng khối bằng phương pháp điện hóa và phân tích chi tiết các tính chất quang học của hạt nano sau xử lý vi sóng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển quy trình sản xuất vật liệu nano ZnO sạch, ổn định, phục vụ cho các ứng dụng trong y sinh, môi trường và công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Cấu trúc tinh thể ZnO: ZnO tồn tại chủ yếu ở cấu trúc lục giác Wurtzite với hằng số mạng a ≈ 0,325 nm và c ≈ 0,521 nm, cấu trúc này ổn định về mặt nhiệt động lực học ở điều kiện thường. Cấu trúc tinh thể ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất quang và điện của vật liệu.

  • Tính chất quang học của nano ZnO: Với vùng cấm rộng 3,37 eV, nano ZnO hấp thụ mạnh ánh sáng tử ngoại và phát xạ huỳnh quang ở bước sóng 380 nm (vùng cận tử ngoại) và 498-504 nm (vùng khả kiến), liên quan đến các sai hỏng tinh thể.

  • Quang xúc tác và hoạt tính kháng khuẩn: Nano ZnO có khả năng quang xúc tác nhờ tạo ra các electron và lỗ trống khi hấp thụ photon, từ đó sinh ra các gốc tự do phân hủy chất hữu cơ. Hoạt tính kháng khuẩn của ZnO dựa trên cơ chế giải phóng tác nhân oxy hóa, ion Zn2+ và tiếp xúc vật lý với màng tế bào vi khuẩn.

  • Phương pháp điện hóa trong tổng hợp nano ZnO: Dựa trên hiện tượng dương cực tan khi điện phân kim loại kẽm trong dung dịch, tạo ra hạt nano ZnO trực tiếp từ kim loại dạng khối. Phương pháp này thân thiện môi trường, chi phí thấp và có thể phát triển quy mô lớn.

  • Gia nhiệt bằng vi sóng: Vi sóng cung cấp nhiệt đồng đều trong dung dịch, giúp cải thiện cấu trúc và kích thước hạt nano ZnO, rút ngắn thời gian xử lý so với gia nhiệt truyền thống.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu thanh kẽm nguyên chất, natri citrate làm chất ổn định, nước cất 2 lần làm dung môi. Dữ liệu thu thập từ các phép đo phổ UV-Vis, phổ huỳnh quang (PL), nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FT-IR), phổ Raman, đo thế Zeta và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).

  • Phương pháp phân tích: Phân tích cấu trúc tinh thể bằng XRD, khảo sát tính chất quang học qua UV-Vis và PL, xác định cấu trúc hóa học bằng FT-IR và Raman, đánh giá kích thước và hình thái hạt bằng TEM, đo độ ổn định dung dịch qua thế Zeta.

  • Quy trình tổng hợp: Hai điện cực kẽm được làm sạch và đặt trong dung dịch nước cất chứa natri citrate, điện phân với hiệu điện thế 9 V trong 2 giờ, khuấy từ 200 vòng/phút. Dung dịch sau điện hóa được xử lý bằng vi sóng ở 90°C, công suất 500 W với các thời gian 1, 3, 5, 10 và 15 phút.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu được lấy sau mỗi thời gian xử lý vi sóng để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt vi sóng đến tính chất hạt nano ZnO. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên từ dung dịch thu được nhằm đảm bảo tính đại diện.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong khoảng thời gian 12 tháng, bao gồm tổng hợp mẫu, xử lý vi sóng, đo đạc và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hình thành hạt nano ZnO và ảnh hưởng của vi sóng đến phổ hấp thụ UV-Vis: Dung dịch ZnO sau điện hóa có đỉnh hấp thụ tại 354 nm, chứng tỏ sự hình thành hạt nano ZnO. Sau xử lý vi sóng 1-3 phút, đỉnh hấp thụ dịch chuyển về 362 nm, tương ứng với hạt dạng cầu kích thước lớn hơn. Ở 5 phút, đỉnh dịch chuyển mạnh đến 372 nm, cho thấy sự phát triển hạt. Ở 10-15 phút, đỉnh hấp thụ ổn định tại 368 nm, biểu thị trạng thái hạt ổn định hơn.

  2. Hình thái và kích thước hạt qua TEM: Trước xử lý vi sóng, hạt nano ZnO có hình lục lăng, kích thước trung bình 40x30 nm. Sau 1 phút vi sóng, cấu trúc lục lăng biến mất, xuất hiện hạt cầu rỗng ~100 nm. Ở 5 phút, hạt cầu rỗng vỡ thành mảnh đa hình. Ở 10 phút, xuất hiện hạt lục lăng và tứ giác lớn hơn, kích thước ~120 nm, cấu trúc ổn định.

  3. Cấu trúc tinh thể qua XRD: Mẫu không xử lý vi sóng là pha đơn ZnO Wurtzite với kích thước tinh thể trung bình 24,94 nm. Ở 1 và 5 phút vi sóng, xuất hiện pha phụ Zn(OH)2 orthorhombic, kích thước tinh thể giảm còn 22,06 và 22,83 nm. Ở 10 phút, chỉ còn pha ZnO Wurtzite với kích thước tinh thể tăng lên 31,11 nm.

  4. Phổ IR và Raman: Phổ IR xác nhận sự hiện diện của liên kết Zn-O đặc trưng ở 477 cm⁻¹ và các dao động O-H do nước bề mặt. Phổ Raman cho thấy các dao động đặc trưng của ZnO, không có tạp chất đáng kể, phản ánh cấu trúc tinh thể ổn định sau xử lý vi sóng.

  5. Độ ổn định dung dịch qua thế Zeta: Thế Zeta của các mẫu dao động trong khoảng ±30 đến ±60 mV, cho thấy dung dịch nano ZnO có độ ổn định từ trung bình đến tốt, cải thiện sau xử lý vi sóng.

Thảo luận kết quả

Sự dịch chuyển đỉnh hấp thụ UV-Vis về bước sóng dài sau xử lý vi sóng phản ánh sự tăng kích thước hạt và thay đổi hình thái từ lục lăng sang cầu rỗng rồi đa hình, phù hợp với quan sát TEM. Vi sóng cung cấp nhiệt đồng đều, kích thích sự tái cấu trúc hạt, làm tăng kích thước và ổn định cấu trúc tinh thể. Sự xuất hiện tạm thời pha Zn(OH)2 ở thời gian xử lý ngắn (1-5 phút) có thể do phản ứng thủy phân trong quá trình gia nhiệt, nhưng pha này biến mất khi xử lý đủ lâu (≥10 phút), cho thấy quá trình chuyển hóa hoàn toàn về ZnO tinh khiết.

Kích thước tinh thể tăng lên sau 10 phút xử lý vi sóng cho thấy sự kết tinh tốt hơn, phù hợp với sự ổn định cao của dung dịch qua thế Zeta. Các kết quả phổ IR và Raman khẳng định tính thuần khiết và cấu trúc ổn định của hạt nano ZnO sau xử lý.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng gia nhiệt truyền thống, phương pháp điện hóa kết hợp xử lý vi sóng rút ngắn thời gian xử lý, nâng cao độ đồng nhất và ổn định của hạt nano ZnO. Kết quả này mở ra hướng phát triển quy trình sản xuất vật liệu nano ZnO thân thiện môi trường, hiệu quả và phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thời gian xử lý vi sóng: Khuyến nghị xử lý vi sóng trong khoảng 10 phút để đạt được kích thước hạt và cấu trúc tinh thể ổn định, nâng cao chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu.

  2. Phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn: Áp dụng phương pháp điện hóa kết hợp xử lý vi sóng trong sản xuất công nghiệp để tạo nguồn nano ZnO sạch, đồng nhất, phục vụ các ứng dụng y sinh và công nghiệp. Thời gian triển khai: 1-2 năm. Chủ thể: doanh nghiệp công nghệ vật liệu.

  3. Nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực y sinh và môi trường: Khai thác tính chất kháng khuẩn và quang xúc tác của nano ZnO chế tạo để phát triển vật liệu dẫn thuốc, xử lý môi trường. Chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học.

  4. Mở rộng nghiên cứu pha tạp và điều chỉnh kích thước hạt: Kết hợp phương pháp điện hóa với các kỹ thuật khác để điều khiển kích thước, hình dạng và pha tạp nhằm đa dạng hóa tính chất vật liệu. Chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu nano.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano: Luận văn cung cấp quy trình tổng hợp và phân tích chi tiết tính chất quang học của nano ZnO, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu vật liệu mới.

  2. Chuyên gia công nghệ y sinh: Thông tin về tính kháng khuẩn và khả năng ứng dụng nano ZnO trong dẫn thuốc, điều trị ung thư giúp phát triển vật liệu y học tiên tiến.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu: Quy trình chế tạo thân thiện môi trường, chi phí thấp phù hợp để áp dụng trong sản xuất quy mô công nghiệp.

  4. Sinh viên và giảng viên ngành Vật lý, Hóa học, Khoa học vật liệu: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan đến vật liệu nano và quang học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp điện hóa có ưu điểm gì so với các phương pháp khác trong tổng hợp nano ZnO?
    Phương pháp điện hóa đơn giản, sử dụng nguyên liệu dạng khối sẵn có, chi phí thấp và thân thiện môi trường, không tạo chất tồn dư. Ví dụ, dung dịch nano ZnO thu được sạch và có thể xử lý tiếp bằng vi sóng để cải thiện tính chất.

  2. Tại sao cần xử lý dung dịch nano ZnO bằng vi sóng sau điện hóa?
    Vi sóng cung cấp nhiệt đồng đều, giúp tái cấu trúc hạt, tăng kích thước và ổn định cấu trúc tinh thể, rút ngắn thời gian xử lý so với gia nhiệt truyền thống. Kết quả cho thấy xử lý 10 phút là tối ưu.

  3. Kích thước và hình dạng hạt nano ZnO ảnh hưởng thế nào đến tính chất quang học?
    Kích thước lớn hơn và hình dạng thay đổi từ lục lăng sang cầu rỗng hoặc đa hình làm dịch chuyển đỉnh hấp thụ UV-Vis về bước sóng dài hơn, ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ và phát xạ huỳnh quang.

  4. Thế Zeta đo được có ý nghĩa gì đối với dung dịch nano ZnO?
    Thế Zeta cao (±30 đến ±60 mV) cho thấy dung dịch có độ ổn định tốt, chống kết tụ hạt, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả ứng dụng của nano ZnO.

  5. Nano ZnO có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    Nano ZnO được ứng dụng rộng rãi trong vật liệu chống tia UV, kháng khuẩn, dẫn thuốc, quang xúc tác xử lý môi trường, và tạo ảnh sinh học trong y học.

Kết luận

  • Chế tạo thành công hạt nano ZnO bằng phương pháp điện hóa từ thanh kẽm dạng khối, dung dịch thu được có màu trắng đục đặc trưng.
  • Xử lý vi sóng giúp cải thiện kích thước, hình thái và cấu trúc tinh thể hạt nano ZnO, với thời gian tối ưu khoảng 10 phút.
  • Kích thước tinh thể trung bình tăng từ 24,94 nm (không xử lý) lên 31,11 nm (xử lý 10 phút), đồng thời pha tạp Zn(OH)2 biến mất sau xử lý đủ lâu.
  • Dung dịch nano ZnO có độ ổn định tốt qua đo thế Zeta, phù hợp cho các ứng dụng y sinh và công nghiệp.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển quy trình sản xuất vật liệu nano ZnO thân thiện môi trường, hiệu quả và phù hợp với điều kiện nghiên cứu tại Việt Nam.

Next steps: Triển khai tối ưu quy trình sản xuất quy mô lớn, nghiên cứu ứng dụng thực tiễn trong y sinh và môi trường, đồng thời mở rộng nghiên cứu pha tạp và điều chỉnh kích thước hạt.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu nano được khuyến khích áp dụng và phát triển quy trình này để nâng cao chất lượng sản phẩm và mở rộng ứng dụng.