Nghiên cứu tính chất quang của màng nano Ag-TiO2 ứng dụng trong quang xúc tác và diệt khuẩn

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vnu uet tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang của màng nano ag tio2 ứng dụng trong quang xúc tác, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Thị Thanh Tâm
• Người hướng dẫn: TS. Lâm Quang Vinh
• Trường học: Không có thông tin
• Chuyên ngành: Không có thông tin
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất quang của màng nano Ag-TiO2 trong quang xúc tác và diệt khuẩn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: Không có thông tin
• Địa điểm: Không có thông tin

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về công nghệ nano
• 1.2. Các nghiên cứu về hạt nano trong và ngoài nước
• 1.3. Hạt nano Bạc
• 1.3.1. Giới thiệu về hạt Bạc kim loại
• 1.3.2. Một số tính chất của hạt Ag kích thước nanomet
• 1.3.3. Cơ chế kháng khuẩn của bạc
• 1.3.4. Ứng dụng của hạt nano Bạc
• 1.3.5. Các phương pháp chế tạo hạt nano kim loại
• 1.3.5.1. Tổng hợp keo nano Ag bằng phương pháp polyol
• 1.4. Vật liệu TiO2
• 1.4.1. Cấu trúc của hợp chất TiO2
• 1.4.2. Các tính chất đặc trưng của TiO2
• 1.4.3. Quá trình tự làm sạch của TiO2
• 1.4.4. Chế tạo vật liệu bằng phương pháp sol-gel
• 1.4.5. Chế tạo vật liệu bằng phương pháp in lụa
• 1.4.6. Mục đích pha tạp Ag vào TiO2
• 1.5. Khái quát về vi khuẩn
• 1.5.1. Khái niệm chung về vi khuẩn
• 1.5.2. Vi khuẩn Bacillus
• 1.6. Các phương pháp phân tích hóa lý
• 1.6.1. Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến (UV-VIS)
• 1.6.2. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 1.6.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM
• 1.6.4. Kính hiển vi điện tử quét SEM
• 2. CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO VẬT LIỆU
• 2.1. Vật liệu và thiết bị
• 2.1.1. Vật liệu chế tạo keo nano bạc
• 2.1.2. Vật liệu chế tạo sol TiO2
• 2.2. Các thiết bị và dụng cụ
• 2.3. Phương pháp
• 2.3.1. Phương pháp chế tạo dung dịch keo nano bạc
• 2.3.2. Phương pháp chế tạo sol Ag-TiO2
• 2.3.3. Quá trình tạo màng bằng phương pháp phủ nhúng
• 2.3.4. Chế tạo màng TiO2 bằng phương pháp in lụa
• 2.3.5. Chế tạo màng Ag-TiO2 từ màng TiO2 in lụa
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
• 3.1. Các thông số ảnh hưởng đến sự hình thành nano Ag
• 3.1.1. Khảo sát theo tỉ lệ AgNO3/PVP
• 3.1.2. Khảo sát theo thời gian phản ứng
• 3.1.3. Khảo sát theo nhiệt độ khuấy
• 3.2. Kết quả tạo màng và bột từ sol Ag – TiO2
• 3.2.1. Kết quả tạo sol Ag-TiO2
• 3.2.2. Kết quả tạo màng bằng phương pháp phủ nhúng
• 3.2.3. Kết quả tạo bột Ag-TiO2
• 3.2.4. Kết quả tạo màng Ag-TiO2 bằng phương pháp in lụa
• 3.3. Kết quả phân hủy methylen blue (MB)
• 3.4. Kết quả diệt khuẩn
• 3.4.1. Quy trình kiểm tra khả năng kháng khuẩn E coli và Bacilus
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tính chất quang của màng nano Ag TiO2

Màng nano Ag-TiO2 đang thu hút sự chú ý trong nghiên cứu quang xúc tác và diệt khuẩn. Tính chất quang của màng này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất quang xúc tác mà còn có khả năng diệt khuẩn hiệu quả. Nghiên cứu này sẽ trình bày tổng quan về các tính chất quang của màng nano Ag-TiO2, từ đó mở ra hướng đi mới trong ứng dụng công nghệ nano.

1.1. Giới thiệu về màng nano Ag TiO2

Màng nano Ag-TiO2 được chế tạo từ sự kết hợp giữa bạc và titanium dioxide, mang lại những tính chất quang đặc biệt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc pha tạp bạc vào TiO2 không chỉ cải thiện khả năng quang xúc tác mà còn tăng cường tính kháng khuẩn của vật liệu.

1.2. Tính chất quang của màng nano Ag TiO2

Tính chất quang của màng nano Ag-TiO2 được xác định bởi hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt. Hiệu ứng này giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng, đặc biệt là trong vùng khả kiến, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu màng nano Ag TiO2

Mặc dù màng nano Ag-TiO2 có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc tối ưu hóa tính chất quang và khả năng diệt khuẩn. Các vấn đề như sự phân bố không đồng đều của bạc trong màng và khả năng tái tổ hợp electron cần được giải quyết.

2.1. Thách thức trong việc chế tạo màng nano Ag TiO2

Quá trình chế tạo màng nano Ag-TiO2 gặp khó khăn trong việc kiểm soát kích thước và phân bố của hạt nano. Điều này ảnh hưởng đến tính chất quang và hiệu suất diệt khuẩn của màng.

2.2. Vấn đề tái tổ hợp electron trong quang xúc tác

Tái tổ hợp electron và lỗ trống là một trong những vấn đề lớn trong quang xúc tác. Việc cải thiện khả năng tách rời electron và lỗ trống sẽ giúp nâng cao hiệu suất quang xúc tác của màng nano Ag-TiO2.

III. Phương pháp chế tạo màng nano Ag TiO2 hiệu quả

Để tối ưu hóa tính chất quang của màng nano Ag-TiO2, nhiều phương pháp chế tạo đã được nghiên cứu. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện tính chất quang mà còn nâng cao khả năng diệt khuẩn của màng.

3.1. Phương pháp sol gel trong chế tạo màng nano

Phương pháp sol-gel là một trong những phương pháp phổ biến để chế tạo màng nano Ag-TiO2. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước và hình dạng của hạt nano, từ đó cải thiện tính chất quang của màng.

3.2. Phương pháp phủ nhúng trong chế tạo màng

Phương pháp phủ nhúng giúp tạo ra màng nano Ag-TiO2 với độ dày đồng đều. Phương pháp này cũng cho phép kiểm soát tốt sự phân bố của bạc trong màng, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

IV. Ứng dụng thực tiễn của màng nano Ag TiO2 trong diệt khuẩn

Màng nano Ag-TiO2 có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực diệt khuẩn. Khả năng diệt khuẩn của màng này đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu, mở ra hướng đi mới trong việc phát triển vật liệu diệt khuẩn hiệu quả.

4.1. Ứng dụng trong y tế

Màng nano Ag-TiO2 được ứng dụng trong các sản phẩm y tế như khẩu trang, băng gạc kháng khuẩn. Khả năng diệt khuẩn của màng giúp ngăn ngừa sự lây lan của vi khuẩn và virus.

4.2. Ứng dụng trong xử lý nước

Màng nano Ag-TiO2 cũng được sử dụng trong xử lý nước, giúp loại bỏ vi khuẩn và các chất ô nhiễm. Hiệu suất quang xúc tác của màng giúp tăng cường khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về màng nano Ag-TiO2 đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực quang xúc tác và diệt khuẩn. Việc tối ưu hóa tính chất quang và khả năng diệt khuẩn của màng sẽ là hướng đi quan trọng trong tương lai.

5.1. Hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện khả năng tách rời electron và lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác của màng nano Ag-TiO2.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp

Màng nano Ag-TiO2 có tiềm năng ứng dụng lớn trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ y tế đến xử lý môi trường. Việc phát triển các sản phẩm từ màng nano này sẽ góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường và sự gia tăng của các chủng vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh, việc phát triển các vật liệu thông minh có khả năng tự làm sạch và diệt khuẩn đóng vai trò vô cùng cấp thiết. Vật liệu bán dẫn titan đioxit (TiO2) là chất quang xúc tác kinh điển nhưng tồn tại hạn chế lớn khi độ rộng vùng cấm dao động từ 3,2 eV đến 3,5 eV, chỉ hấp thụ được khoảng 4% đến 5% năng lượng mặt trời thuộc vùng tử ngoại (UV). Trong khi đó, bức xạ ánh sáng khả kiến chiếm tới gần 45% năng lượng mặt trời lại không được khai thác hiệu quả. Đồng thời, các hạt nano bạc (Ag) sở hữu hoạt tính kháng khuẩn mạnh mẽ hơn 20.000 đến 50.000 lần so với ion bạc và có khả năng tiêu diệt hơn 650 chủng vi sinh vật, song dễ bị rửa trôi và kết tụ khi sử dụng độc lập.

Nghiên cứu tập trung giải quyết vấn đề mở rộng phổ hấp thu của TiO2 sang vùng khả kiến và cố định hạt nano Ag trên chất nền vững chắc nhằm tạo ra màng nanocomposite Ag/TiO2 đa chức năng. Mục tiêu cụ thể là tối ưu hóa quy trình tổng hợp keo nano bạc kích thước dưới 10 nm bằng phương pháp polyol, chế tạo màng Ag-TiO2 trên lam kính thông qua kỹ thuật phủ nhúng và in lụa, đồng thời đánh giá hoạt tính quang xúc tác phân hủy phẩm màu Methylene Blue cùng khả năng diệt khuẩn đối với Escherichia coli và Bacillus subtilis. Đề tài được thực hiện thực nghiệm tại hệ thống phòng thí nghiệm chuyên sâu ở Thành phố Hồ Chí Minh, mở ra giải pháp công nghệ nâng cao hiệu suất phân hủy chất ô nhiễm trên 85% và gia tăng độ bền sử dụng trong thực tế xử lý môi trường và y tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thuyết tán xạ Mie và hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR). Theo thuyết Mie, sự dao động tập thể của các điện tử dẫn tự do trên bề mặt hạt nano kim loại khi tương tác với bức xạ điện từ tạo ra đỉnh hấp thụ quang học đặc trưng trong khoảng bước sóng 400 nm đến 450 nm, phụ thuộc trực tiếp vào kích thước và hình thái hạt. Đối với chất bán dẫn TiO2, cơ chế quang xúc tác kích hoạt khi vật liệu hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm (3,23 eV đối với pha Anatase và 3,02 eV đối với pha Rutile), kích thích electron từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn và tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống linh động.

Các phần tử mang điện này phản ứng với oxy và hơi nước trong không khí để sinh ra các gốc tự do có tính oxy hóa cực mạnh như hydroxyl và superoxide, có khả năng bẻ gãy các liên kết hữu cơ độc hại. Về mặt sinh học, cơ chế kháng khuẩn của bạc dựa trên sự giải phóng ion bạc liên kết với peptidoglycan ở thành tế bào và nhóm sunfuahydrin (-SH) của enzym chuyển hóa oxy, làm bất hoạt quá trình hô hấp và ức chế chuỗi xoắn DNA của vi khuẩn. Khi kết hợp hai cấu trúc, hạt nano Ag đóng vai trò như bẫy giữ điện tử, hạn chế sự tái tổ hợp giữa electron và lỗ trống, từ đó kéo dài thời gian sống của các phần tử phản ứng.

                  +---------------------------------------------------+
                  |                Ánh Sáng Khả Kiến                  |
                  +---------------------------------------------------+
                                         |
                                         v
+------------------------+      +-------------------+      +------------------------+
|   Hiệu Ứng SPR Nano Ag | ---> | Phân Tách Cặp e-/h+| ---> | Sinh Gốc Tự Do OH/O2-  |
+------------------------+      +-------------------+      +------------------------+
                                                                       |
                                                                       v
                                                           +------------------------+
                                                           | Phân Hủy Hữu Cơ & Diệt |
                                                           | Khuẩn E. coli/Bacillus |
                                                           +------------------------+

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 5 nhóm mẫu chế tạo sol Ag-TiO2 với tỷ lệ pha tạp Ag lần lượt là 0%, 1%, 1,5%, 2% và 3% thể tích, kết hợp với các dải nhiệt độ khảo sát từ 70°C đến 100°C và thời gian phản ứng từ 5 phút đến 30 phút. Nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu thực nghiệm có kiểm soát biến số, sử dụng đế thủy tinh tiêu chuẩn kích thước 7,5 x 2,5 cm đã qua quy trình xử lý bề mặt siêu âm và ngâm axit để đảm bảo tính đồng nhất tuyệt đối cho màng phủ.

Các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại được lựa chọn có chủ đích nhằm làm sáng tỏ toàn diện cấu trúc và tính chất vật liệu:

• Phương pháp quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis Cary 100 Conc) được chọn để xác định vị trí đỉnh cộng hưởng Plasmon, sự dịch chuyển bờ hấp thu và định lượng biến thiên nồng độ chất hữu cơ theo định luật Lambert-Beer.
• Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD D8 Advance) cho phép giải đoán cấu trúc pha tinh thể và tính toán kích thước hạt trung bình dựa trên công thức Scherrer.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM JEM 1010) với độ phân giải cao 0,2 nm và kính hiển vi điện tử quét (SEM Jeol 6480 LV) được ứng dụng để quan sát trực tiếp hình thái học, kích thước nano và độ xốp bề mặt màng mà không phá hủy cấu trúc mẫu.

Toàn bộ quy trình từ tổng hợp hóa học đến thử nghiệm hoạt tính sinh học được tiến hành đồng bộ theo lộ trình nghiên cứu 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát điều kiện tổng hợp dung dịch keo nano bạc cho thấy sự ảnh hưởng quyết định của tỷ lệ tiền chất, nhiệt độ và thời gian phản ứng. Tại tỷ lệ mol AgNO3:PVP là 1:10, nhiệt độ khuấy 100°C trong thời gian 20 phút, phổ UV-Vis ghi nhận đỉnh hấp thụ SPR rất nhọn và hẹp tại bước sóng 414 nm. Kết quả đo kính hiển vi điện tử truyền qua TEM khẳng định các hạt nano Ag tạo thành có dạng hình cầu đồng đều với kích thước trung bình đạt từ 8 nm đến 10 nm, phân tán phân lớp lý tưởng mà không bị tụ khối nhờ sự bảo vệ không gian của chuỗi polymer PVP.

Đối với hệ sol-gel Ag-TiO2, sự xuất hiện của hạt nano Ag làm bờ hấp thụ quang học dịch chuyển mạnh từ vùng tử ngoại sang vùng ánh sáng khả kiến (400 nm đến 500 nm). Tỷ lệ pha tạp 2% Ag mang lại cường độ hấp thụ tối ưu nhất, giúp thu hẹp độ rộng năng lượng vùng cấm của màng nanocomposite từ 3,23 eV xuống mức xấp xỉ 2,85 eV. Khi vượt quá ngưỡng 3%, cường độ hấp thụ có xu hướng suy giảm nhẹ do hiện tượng che chắn ánh sáng của lượng kim loại dư thừa.

Màng Ag-TiO2 chế tạo bằng phương pháp in lụa kết hợp ngâm keo bạc 24 giờ và nung kết tinh ở 450°C trong 30 phút sở hữu độ xốp cao và diện tích bề mặt hiệu dụng vượt bậc. Thử nghiệm phân hủy quang xúc tác phẩm màu Methylene Blue cho thấy màng Ag-TiO2 đạt tốc độ phân hủy nhanh hơn 2,5 lần so với màng TiO2 tinh khiết dưới cùng điều kiện chiếu sáng. Đặc biệt, thử nghiệm vi sinh ghi nhận màng vật liệu nanocomposite có khả năng ức chế và tiêu diệt 100% mật độ khuẩn lạc của cả vi khuẩn Gram âm Escherichia coli và trực khuẩn Gram dương sinh bào tử Bacillus subtilis sau 60 phút tiếp xúc.

Thông số khảo sát	Mẫu TiO2 tinh khiết	Mẫu Composite Ag-TiO2 (2% Ag)	Mức độ cải thiện
Bước sóng bờ hấp thụ (nm)	Khoảng 380 nm	414 - 500 nm	Dịch chuyển về vùng khả kiến
Năng lượng vùng cấm Eg (eV)	3,23 eV	2,85 eV	Giảm khoảng 11,8%
Kích thước tinh thể Scherrer (nm)	20 nm	8 - 10 nm (Ag) / 20 nm (TiO2)	Phân tán kích thước nano mịn
Tỷ lệ diệt khuẩn E. coli sau 60 phút	Khoảng 42%	100%	Tăng hơn 2,3 lần
Tỷ lệ diệt khuẩn Bacillus sau 60 phút	Khoảng 35%	100%	Tăng hơn 2,8 lần

Hiệu suất phân hủy Methylene Blue theo thời gian (%):
100% |                                      * (Ag-TiO2 in lụa: 96%)
 80% |                           *
 60% |                *
 40% |         *                     o (TiO2 nguyên chất: 41%)
 20% |  *             o       o
  0% +--------------------------------------->
       0 min        20 min   40 min   60 min

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp màng nanocomposite Ag-TiO2 gia tăng vượt bậc hoạt tính quang hóa bắt nguồn từ việc hình thành tiếp xúc dị thể Schottky giữa hạt nano Ag và mạng tinh thể TiO2. Khi tiếp xúc, chênh lệch công thoát điện tử khiến electron quang sinh từ TiO2 nhanh chóng chuyển dịch sang hạt nano bạc, ngăn chặn hiệu quả hơn 80% quá trình tái tổ hợp của các cặp electron - lỗ trống tự do. Đồng thời, điện trường cục bộ mạnh mẽ sinh ra từ hiệu ứng cộng hưởng Plasmon của hạt nano Ag kích thước 10 nm đã gia tăng mật độ hạt mang điện trên bề mặt.

Khi đối chiếu với các công bố quốc tế về vật liệu bán dẫn pha tạp, kết quả phân hủy Methylene Blue dạng đường cong suy giảm nồng độ bậc một C/C0 theo thời gian chứng minh cơ chế cộng hưởng quang học và oxy hóa bề mặt diễn ra đồng thời. Biểu đồ đếm số lượng khuẩn lạc (CFU) trên đĩa petri thể hiện sự suy giảm theo hàm mũ của vi khuẩn, khẳng định tác động kép: ion Ag+ phá hủy tính thấm của màng tế bào tạo điều kiện cho các gốc tự do hydroxyl thâm nhập tiêu diệt bào tử vi khuẩn từ bên trong.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát huy tối đa giá trị thực tiễn của vật liệu nanocomposite Ag-TiO2, các giải pháp ứng dụng và mở rộng sản xuất được đề xuất cụ thể như sau:

1. Chuẩn hóa quy trình in lụa công nghiệp tạo màng quy mô lớn: Doanh nghiệp sản xuất vật liệu cần tối ưu hóa độ nhớt của keo in TiO2 và tốc độ dao gạt cơ khí để phủ màng đồng đều trên diện tích kính lớn hơn 1 m², mục tiêu giảm 30% chi phí nguyên liệu phụ trợ trong vòng 6 tháng tới.
2. Thiết kế module lọc khí khử mùi và diệt khuẩn chuyên dụng: Các đơn vị công nghệ môi trường nên triển khai tích hợp màng mỏng Ag-TiO2 vào hệ thống thông gió bệnh viện và xưởng xử lý chất thải, hướng tới mục tiêu loại bỏ 99% các hợp chất khí độc hại như H2S, CH3SH và vi khuẩn phát tán trong không khí trong thời gian 12 tháng.
3. Ứng dụng sản xuất gốm sứ và kính tự làm sạch dân dụng: Các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng cần ứng dụng công nghệ phủ nhúng sol Ag-TiO2 lên gạch men và bề mặt kính tòa nhà cao tầng, đặt mục tiêu giảm 70% tần suất bảo trì và tẩy rửa hóa chất trong lộ trình 18 tháng.
4. Đánh giá độ bền rửa trôi và chuẩn hóa chỉ tiêu an toàn sinh thái: Các viện nghiên cứu hóa sinh cần thực hiện kiểm tra độ thôi nhiễm của nano bạc ra môi trường nước sau 100 chu kỳ sử dụng liên tục, thiết lập khung tiêu chuẩn an toàn vật liệu nano trong thời hạn 24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Khoa học Vật liệu, Hóa lý, Công nghệ Nano: Nắm bắt chi tiết quy trình tổng hợp sol-gel, phương pháp khử hóa học polyol có chất bảo vệ PVP, cùng phương pháp tính toán độ rộng vùng cấm và kích thước tinh thể qua phổ UV-Vis và XRD.
• Kỹ sư công nghệ môi trường và xử lý nước thải công nghiệp: Ứng dụng mô hình xúc tác quang hóa dị thể để thiết kế các bể phản ứng quang phân hủy thuốc nhuộm hữu cơ, hóa chất dệt nhuộm và các hợp chất phenol khó phân hủy sinh học.
• Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, gạch men và kính thông minh: Tiếp cận công nghệ chế tạo lớp phủ màng mỏng tự làm sạch bằng kỹ thuật in lụa và phủ nhúng chi phí thấp, dễ dàng tích hợp vào dây chuyền sản xuất công nghiệp sẵn có.
• Nhà nghiên cứu y sinh và phát triển vật tư y tế kháng khuẩn: Tham khảo cơ chế bất hoạt vi khuẩn Gram âm, Gram dương và quy trình phủ lớp nanocomposite diệt khuẩn lên bề mặt dụng cụ y khoa, thiết bị lọc khí phòng mổ.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần kết hợp nano bạc với chất nền TiO2 thay vì sử dụng riêng lẻ?
Việc kết hợp giải quyết triệt để hai nhược điểm cố hữu: TiO2 nguyên chất chỉ hoạt động dưới tia cực tím (chiếm 4% ánh sáng mặt trời), còn nano bạc dạng tự do rất dễ bị rửa trôi và kết tụ làm giảm hoạt tính. Mạng lưới TiO2 đóng vai trò giá thể cố định hạt bạc, trong khi Ag mở rộng bờ hấp thụ của TiO2 sang vùng ánh sáng khả kiến (chiếm 45% năng lượng mặt trời) và ngăn ngừa tái tổ hợp điện tử.

Vai trò chính của chất bảo vệ Polyvinylpyrrolidone (PVP) trong quá trình tổng hợp hạt nano bạc là gì?
PVP đóng vai trò là chất hoạt hóa bề mặt tạo hiệu ứng cản trở không gian, ngăn không cho các nguyên tử bạc trung hòa va chạm kết tụ thành hạt khối lớn. Đồng thời, các nguyên tử oxy và nitơ trên mạch polymer PVP chuyển dịch cặp electron tạo liên kết phối trí với ion Ag+, giúp kiểm soát kích thước hạt phân tán đồng đều ở mức 8 đến 10 nm.

Phương pháp in lụa có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp phủ nhúng khi chế tạo màng TiO2?
Phương pháp in lụa cho phép kiểm soát chính xác độ dày lớp phủ thông qua mật độ mắt lưới và số lần gạt dao cao su, tạo ra màng có độ bám dính cao và cấu trúc xốp đồng đều trên diện tích rộng. Ngược lại, phương pháp phủ nhúng phụ thuộc nhiều vào tốc độ kéo và sức căng bề mặt dung dịch nên dễ gây ra hiện tượng không đều độ dày màng.

Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt (SPR) giúp nâng cao hoạt tính quang xúc tác như thế nào?
Khi ánh sáng khả kiến kích thích, các điện tử tự do trên bề mặt hạt nano Ag dao động cộng hưởng tạo ra điện trường cục bộ rất mạnh quanh hạt. Hiệu ứng này gia tăng khả năng bắt giữ photon ánh sáng, đồng thời hạt bạc hoạt động như bẫy thu nhận electron quang sinh từ TiO2, giúp phân tách hiệu quả các cặp điện tử - lỗ trống để tạo gốc tự do oxy hóa chất bẩn.

Màng nanocomposite Ag-TiO2 có thể tiêu diệt được những loại vi sinh vật nào trong thực tế?
Màng vật liệu đã được chứng minh tiêu diệt 100% trực khuẩn Gram âm Escherichia coli (gây bệnh tiêu hóa đường ruột) và trực khuẩn Gram dương Bacillus subtilis (loài vi khuẩn hình que có khả năng tạo bào tử chịu nhiệt cao làm hư hỏng thực phẩm) trong vòng 60 phút chiếu sáng, đồng thời có khả năng ức chế nhiều loại vi nấm và virus gây bệnh khác.

Kết luận

• Tổng hợp thành công dung dịch keo nano bạc đồng đều kích thước 8 - 10 nm bằng phương pháp polyol với tỷ lệ tối ưu AgNO3:PVP là 1:10 ở 100°C trong 20 phút.
• Chế tạo thành công hệ sol và màng nanocomposite Ag-TiO2 với tỷ lệ 2% Ag, mở rộng bờ hấp thụ quang học sang vùng ánh sáng khả kiến và giảm năng lượng vùng cấm xuống 2,85 eV.
• Màng Ag-TiO2 chế tạo bằng kỹ thuật in lụa và nung 450°C thể hiện hoạt tính quang xúc tác phân hủy Methylene Blue vượt trội gấp 2,5 lần so với màng đối chứng.
• Đạt hiệu suất diệt khuẩn 100% đối với hai chủng vi khuẩn tiêu biểu Escherichia coli và Bacillus subtilis sau 60 phút thử nghiệm.
• Khẳng định khả năng ứng dụng thực tiễn cao của màng mỏng tự làm sạch, lọc khí độc hại H2S/CH3SH và chế tạo bề mặt kháng khuẩn trong công nghiệp y tế và đời sống.

Lộ trình tiếp theo cần tập trung nghiên cứu thử nghiệm độ bền cơ lý của màng trên các chất nền kim loại và gốm sứ phức tạp trong 12 tháng tới, đồng thời đánh giá độ an toàn sinh thái học trước khi thương mại hóa quy mô lớn. Quý độc giả, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác toàn văn tài liệu và hợp tác chuyển giao công nghệ để tối ưu hóa các giải pháp vật liệu quang xúc tác thế hệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU  Ngày nay, công nghệ nano đã và đang cuốn hút không chỉ các nhà nghiên cứu khoa học mà còn kể các ngành công nghiệp vì tính ứng dụng cao của nó đối với cuộc sống của con ngƣời. Đặc biệt các hạt keo nano kim loại có tính ứng dụng cao trong các ngành kỹ thuật dân dụng nhƣ trong sản xuất kính xe, gốm sứ, mỹ phẩm, y tế. Trong số các hạt keo nano kim loại, hạt keo nano Ag đang và đƣợc sử dụng rộng rãi trong những ứng dụng trong lĩnh vực y tế nhƣ đƣợc dùng trong gel rửa tay kháng khuẩn, làm khẩu trang y tế, vải kháng khuẩn… nhƣng khả năng thất thoát ra môi trƣờng của nano Ag sẽ ảnh hƣởng đến môi trƣờng sống của con ngƣời. Vật liệu TiO2, thân thiện với môi trƣờng và có nhiều ứng dụng trong đời sống nhƣ sử lý môi trƣờng, diệt khuẩn v.

Với độ rộng vùng cấm khoảng 3,2eV – 3,5eV, vật liệu TiO2 chỉ có thể cho hiệu ứng quang xúc tác mạnh trong vùng ánh sáng tử ngoại (UV). Tuy nhiên, bức xạ UV chỉ chiếm khoảng 4% - 5% năng lƣợng mặt trời nên hiệu ứng xúc tác ngoài trời thấp [28]. Để sử dụng trực tiếp năng lƣợng mặt trời có hiệu quả hơn, cần mở rộng phổ hấp thu TiO2 về vùng ánh sáng khả kiến (loại bức xạ chiếm gần 45% năng lƣợng mặt trời) [28]. Vì vậy mục đích của nghiên cứu này nhằm kết hợp tính diệt khuẩn của nano Ag và hiệu ứng quang xúc tác của vật liệu TiO2 để khắc phục những hạn chế phát huy hiệu quả của 2 vật liệu trên, những tính chất quang, cấu trúc của vật liệu nano Ag: TiO2 cũng sẽ đƣợc khảo sát qua các phƣơng pháp phân tích hiện đại.

Trong luận văn này, màng nano Ag/TiO2 đƣợc chế tạo dạng màng mỏng trên lam kính với sự hỗ trợ của chất nền TiO2.Việc pha tạp Ag vào TiO2 có tác dụng cũng nâng cao hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu một cách dáng kể đồng thời, nó còn có thể phân hủy thuốc nhuộm, các a xit hữu cơ nhƣ axit oxalic và salicylic cũng nhƣ các hợp chất hữu cơ khác nhƣ saccharose, phenol [16,23]. Ag pha tạp với TiO2 và gắn trên gốm sứ cũng có thể làm việc nhƣ một bộ lọc khí để loại bỏ một số mùi hôi nhƣ H2S, CH3SH hoặc khí N2O độc [21, 25]. Khi Ag lắng đọng trên bề mặt của TiO2 có thể ngăn chặn các phản ứng tái tổ hợp giữa các electron và lỗ trống nâng cao khả năng quang xúc tác của TiO2. HVCH: Nguyễn Thị Thanh Tâm LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận Văn Thạc Sĩ 1 CBHD: TS.

Lâm Quang Vinh CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về công nghệ nano Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thƣớc trên quy mô nanômét (nm, 1 nm = 10-9 m). Ở kích thƣớc nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có đƣợc đó là do sự thu nhỏ kích thƣớc và việc tăng diện tích mặt ngoài. Ý tƣởng cơ bản về công nghệ nano đƣợc đƣa ra bởi nhà vật lý học ngƣời Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa.

Nhƣng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu đƣợc sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trƣờng đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử [2]. Các nghiên cứu về hạt nano trong và ngoài nƣớc  Tình hình nghiên cứu trong nƣớc: Tại Việt Nam trong những năm gần đây công nghệ nano bắt đầu đƣợc đầu tƣ và thu hút sự chú ý của các nhà khoa học. Có những công tình nổi bật nhƣ: Đề tài nghiên cứu về vàng và platin nano để xúc tác chuyển hóa CO thành CO2 đƣợc tác giả Nguyễn Thiết Dũng Viện khoa học Vật liệu ứng dụng – Viện khoa học và công nghệ Việt Nam thực hiện (2009 – 2010). Về bạc, nhóm tác giả Nguyễn Đức Nghĩa, Hoàng Mai Hà công bố trên Tạp chí hóa học (2001) đã chế tạo đƣợc hạt nano bạc bằng phƣơng pháp khử các ion bạc sử dụng tác nhân oleate trong polyme ổn định, thu đƣợc các hạt bạc có kích thƣớc từ 4 – 7nm.

Với phƣơng pháp polyol có gia nhiệt bằng lò vi sóng thì phải kể đến nhóm tác giả Nguyễn Thị Phƣơng Phong, Ngô Kế Thành, Nguyễn Văn Thuận, Nguyễn Huyền Vũ. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công hạt nano Ag có kích thƣớc dao động từ 8-20 nm, đồng thời cũng đã đƣa đƣợc hạt nano Ag vào trong vải nonwoven [7], trong latex cao su thiên nhiên [11] nhằm tạo ra các vật liệu diệt khuẩn ứng dụng trong thực tế. Các nhà khoa học Việt Nam cũng bắt đầu triển khai ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo thuốc hƣớng đích và kết hoạch nghiên cứu ứng dụng của các hạt nano trong y - sinh học để chẩn đoán và chữa bệnh. Bài báo “chế tạo và ứng dụng hạt nano từ tính trong y sinh học” của nhóm tác giả Nguyễn Hữu Đức, Nguyễn Hoài Hà, Trần Mậu Danh Bộ môn Vật liệu và Linh kiện từ tính nano, khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội và Trung tâm Khoa học Vật liệu, trƣờng Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội báo cáo tại HVCH: Nguyễn Thị Thanh Tâm LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận Văn Thạc Sĩ 2 CBHD: TS.

Lâm Quang Vinh hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI (2005). Tuy nhiên, công nghệ nano vẫn là một điều gì đó mới lạ ở Việt Nam. Nói chung, công nghệ nano tại Việt Nam hiện chỉ trong giai đoạn đặt những viên gạch móng đầu tiên.  Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc: Phƣơng pháp chế tạo hạt kim loại nano nói chung và chế tạo nano bạc nói riêng đã đƣợc rất nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu.

Phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng chủ yếu là: điện hóa, khử hóa học, khử nhiệt, sinh học, khử do bức xạ ion hóa… Nguyên tắc chung của các phƣơng pháp này là khử ion kim loại trong dung dịch thành nguyên tử kim loại, sau đó các nguyên tử liên kết với nhau thành tập hợp rồi phát triển kích thƣớc thành các hạt nano và sử dụng polyme để ổn định hạt [18]. Hƣớng nghiên cứu ứng dụng chính của nano bạc tập trung vào khả năng kháng lại các loại vi khuẩn, virut, các ứng dụng trong các thiết bị y tế và trong các thiết bị diệt khuẩn, lọc nƣớc. Hạt nano Bạc 1. Giới thiệu về hạt Bạc kim loại Cấu hình electron của bạc: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1 Bán kính nguyên tử Ag: 0,288 nm Bán kính ion bạc: 0,23 nm Bảng 1.

Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích Kích thƣớc của hạtnano Ag (nm) Số nguyên tử chứa trong đó 1 31 5 3900 20 250000 Bạc nano là vật liệu có diện tích bề mặt riêng rất lớn, có những đặc tính độc đáo sau. - Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có khả năng phát xạ tia hồng ngoại đi xa, chống tĩnh - Có khả năng phân tán ổn định trong các loại dung môi khác nhau (trong các dung môi phân cực nhƣ nƣớc và trong các dung môi không phân cực nhƣ benzene, toluene HVCH: Nguyễn Thị Thanh Tâm LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận Văn Thạc Sĩ 3 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh - Độ bền hóa học cao, không bị biến đổi dƣới tác dụng của ánh sáng và các tác nhân oxy hóa khử thông thƣờng. - Ổn định ở nhiệt độ cao 1.

Một số tính chất của hạt Ag kích thƣớc nanomet  Tính chất quang: Hạt nano kim loại, đặc biệt là các kim loại quý nhƣ vàng, bạc, đồng, platin có một hiệu ứng vô cùng đặc biệt khi tồn tại ở kích thƣớc nanomet, đó là “Cộng hưởng Plasmon bề mặt” (surface plasmon resonance _ SPR ), hiệu ứng này khiến cho chúng có những màu sắc khác nhau khi ánh sáng truyền qua. Plasma là trạng thái thứ tƣ của vật chất, là trạng thái mà các hạt mang điện chuyển động hỗn loạn. Trong kim loại cũng có một loại plasma đó là plasma khí điện tử đƣợc sinh ra do các electron trong kim loại tách ra khỏi mối liên kết với nguyên tử chuyển thành các electron dẫn chuyển động tự do. Khi có sự kích thích của ánh sáng, những chuyển động tự do này của electron trên bề mặt kim loại sẽ tạo ra sóng truyền dọc theo bề mặt kim loại, tạo thành sóng điện tử bề mặt ( surface electromagnetic waves ) truyền đi theo phƣơng song song với kim loại hay với bề mặt chung của môi trƣờng điện môi (hình 1.

Hiện tƣợng này đƣợc gọi là “Plasmon bề mặt” của kim loại (surface plasmon_SPs). Plasmon bề mặt của kim loại. Và sự kích thích của plasmon bề mặt bởi ánh sáng gọi là “cộng hưởng Plasmon bề mặt” (surface plasmon resonance_SPR). Hiện tƣợng này có đƣợc khi tần số của ánh sáng tới cộng hƣởng với tần số dao động plasma của các điện tử dẫn trên bề mặt kim loại.

HVCH: Nguyễn Thị Thanh Tâm LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận Văn Thạc Sĩ 4 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh Có thể giải thích cho các hiện tƣợng trên nhƣ sau: Khi có ánh sáng, tức là có điện từ trƣờng tƣơng tác với bề mặt kim loại, dao động của vec tơ điện trƣờng và vec tơ từ trƣờng của ánh sáng làm cho điện tử tự do của kim loại dao động, các điện tử ở chỗ này bị nén lại, mật độ điện tử tăng lên; điện tử ở chỗ kia bị dãn ra, mật độ điện tử giảm xuống. Vậy là, ánh sáng tạo ra sóng mật độ điện tử lan truyền trong plasma điện tử ở kim loại. Thông thƣờng các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thƣớc.

Nhƣng khi kích thƣớc của kim loại nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình thì hiện tƣợng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hƣởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano có đƣợc do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tƣơng tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động nhƣ vây, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lƣỡng cực điện. Dao động của đám mây electron khi bị chiếu sáng [9].