Nghiên Cứu Tổng Hợp Cu2O, Cu2O/Au Nano và Khả Năng Ứng Dụng

Chuyên khảo phân tích Luận văn thạc sỹ vũ thị nhớ, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Tác giả: Vũ Thị Nhớ
• Người hướng dẫn: PGS. Triệu Thị Nguyệt
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Cu2O và Au Nano: Ứng Dụng và Phương Pháp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các phương pháp tổng hợp Cu2O nano
• 1.1.1. Phương pháp khử trong dung dịch
• 1.1.2. Phương pháp đồng kết tủa
• 1.1.3. Phương pháp sử dụng bức xạ và sóng siêu âm
• 1.2. Ứng dụng của Cu2O nano
• 1.2.1. Xúc tác cho quá trình polime hóa
• 1.2.2. Chế tạo cảm biến
• 1.2.3. Cu2O với quá trình chuyển hóa năng lượng
• 1.3. Các phương pháp tổng hợp Au nano
• 1.3.1. Phương pháp phát triển mầm
• 1.3.2. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.3.3. Phương pháp khử nhiệt
• 1.4. Ứng dụng của Au nano
• 1.4.1. Chế tạo pin năng lượng mặt trời
• 1.4.2. Ứng dụng trong sinh, y học
• 1.5. Cấu trúc dị thể Au – Cu2O nhân – vỏ
• 1.5.1. Các phương pháp tổng hợp Au – Cu2O nhân – vỏ
• 1.5.1.1. Phương pháp khử hóa học
• 1.5.1.2. Phương pháp sử dụng bức xạ sóng siêu âm
• 1.5.1.3. Phương pháp ủ nhiệt
• 1.5.2. Ứng dụng của Au – Cu2O nhân – vỏ
• 1.5.2.1. Chế tạo cảm biến khí
• 1.5.2.2. Chế tạo cảm biến glucozơ
• 1.6. Các phương pháp nghiên cứu
• 1.6.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 1.6.2. Phương pháp quang phổ UV – VIS
• 1.6.3. Kính hiển vi điện tử quét SEM
• 1.6.4. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 1.6.5. Quang phổ tia X (PIXE)
• 2. CHƯƠNG 2: MỤC ĐÍCH, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục đích và nội dung nghiên cứu
• 2.2. Điều chế Cu2O nano
• 2.3. Điều chế hạt nano vàng
• 2.4. Điều chế thanh vàng
• 2.5. Điều chế Au – Cu2O nhân – vỏ
• 2.6. Sử dụng Cu2O nano và Au – Cu2O nano xúc tác cho quá trình khử màu xanh metylen
• 2.7. Phương pháp nghiên cứu
• 2.7.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.7.2. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.7.3. Phương pháp quang phổ UV – Vis
• 2.7.4. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.7.5. Phương pháp quang phổ tia X (PIXE)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp Cu2O
• 3.2. Tổng hợp nhân vàng kích cỡ nanomet
• 3.2.1. Hạt nano vàng
• 3.2.2. Thanh nano vàng
• 3.3. Điều chế cấu trúc dị thể nhân – vỏ Au – Cu2O
• 3.3.1. Cấu trúc dị thể với nhân là hạt nano vàng
• 3.3.2. Cấu trúc dị thể với nhân là thanh vàng
• 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt
• 3.4.1. Ảnh hưởng của CTAB và PVP khi sử dụng nhân là hạt nano vàng
• 3.4.1.1. Chất hoạt động bề mặt CTAB
• 3.4.1.2. Chất hoạt động bề mặt PVP
• 3.4.2. Ảnh hưởng của CTAB và PVP khi sử dụng nhân là thanh nano vàng
• 3.4.2.1. Chất hoạt động bề mặt CTAB
• 3.4.2.2. Chất hoạt động bề mặt PVP
• 3.5. Sử dụng Cu2O, Au - Cu2O nano xúc tác cho quá trình khử màu dung dịch metylen xanh
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Cu2O và Au 52 ký tự

Vật liệu nano đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu then chốt, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Công nghệ nano mở ra những khả năng mới trong việc tạo ra các vật liệu với tính chất độc đáo. Các ứng dụng của vật liệu nano rất đa dạng, từ điện tử, hóa học đến y sinh và năng lượng. Đồng(I) oxit (Cu2O) và vàng nano (Au) là hai vật liệu nano có nhiều tiềm năng ứng dụng. Việc kết hợp hai vật liệu này trong cấu trúc dị thể mở ra cơ hội tạo ra vật liệu với các tính chất cộng sinh, vượt trội hơn so với từng thành phần riêng lẻ. Luận văn này tập trung vào nghiên cứu tổng hợp các dạng Cu2O, Cu2O/Au nano và khám phá khả năng ứng dụng của chúng.

1.1. Giới thiệu về Đồng I oxit Cu2O Nano

Đồng(I) oxit, hay Cu2O, là một oxit của đồng có màu đỏ. Nó bền nhiệt, không tan trong nước nhưng tan chậm trong kiềm đặc và amoniac đặc, và tan tốt trong axit. Trong không khí ẩm, Cu2O dễ bị oxy hóa thành đồng(II) oxit (CuO). Cu2O có cấu trúc tinh thể lập phương và là chất bán dẫn loại p với năng lượng vùng cấm khoảng 2.0 eV. Tính chất bán dẫn này làm cho Cu2O nổi bật trong các quá trình quang hóa. Theo tài liệu gốc, Cu2O có hằng số mạng a = 4.

1.2. Giới thiệu về Vàng Nano Au

Vàng nano (Au) là vật liệu có nhiều tính chất ưu việt như tính trơ hóa học, khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh trong vùng khả kiến (hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt), và khả năng tương thích sinh học cao. Au nano được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong y sinh học để hỗ trợ điều trị ung thư, cố định các phân tử sinh học (kháng nguyên, kháng thể) phục vụ xét nghiệm sinh học và chẩn đoán y khoa.

II. Phương Pháp Tổng Hợp Nano Cu2O Bí Quyết Thành Công 57 ký tự

Có nhiều phương pháp tổng hợp Cu2O nano, trong đó phương pháp kết tủa trong dung môi lỏng là phổ biến nhất. Các phương pháp khác bao gồm khử trong dung dịch, đồng kết tủa, sử dụng bức xạ và sóng siêu âm. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến kích thước, hình dạng và tính chất của sản phẩm Cu2O nano. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

2.1. Khử trong dung dịch để tạo Nano Cu2O

Phương pháp này dựa trên việc khử ion đồng (Cu2+) trong dung dịch bằng các chất khử khác nhau. Cu2O có kích thước 2-18nm có thể được điều chế bằng cách thêm dung dịch t-BuOH vào dung dịch hỗn hợp CuA2 và NaH trong THF ở 63°C. Sản phẩm Cu2O tạo thành được phân tán trong dung môi hữu cơ. Tác giả [22] đã điều chế bột Cu2O kích thước 2-3 nm bằng cách cho dung dịch CuSO4 tác dụng với các phối tử hữu cơ và khử bằng KBH4.

2.2. Phương pháp Đồng Kết Tủa Nano Cu2O

Phương pháp đồng kết tủa sử dụng các chất kết tủa để tạo thành Cu2O từ dung dịch chứa các ion đồng (Cu2+). Các tác giả [10] đã tổng hợp được các hạt nano Fe/Cu2O bằng cách khử hỗn hợp CuSO4 và Fe(NO3)3 bằng hidrazin trong môi trường kiềm. Kết quả cho thấy sự thay đổi độ rộng vùng cấm của Cu2O khi thêm Fe.

III. Tổng Hợp Au Nano Các Phương Pháp và Ứng Dụng 54 ký tự

Các phương pháp tổng hợp Au nano bao gồm phương pháp phát triển mầm, phương pháp thủy nhiệt và phương pháp khử nhiệt. Mỗi phương pháp tạo ra Au nano với kích thước và hình dạng khác nhau. Au nano có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau như điện cực, pin mặt trời và đặc biệt là trong y sinh học.

3.1. Phương pháp Phát Triển Mầm Au Nano

Phương pháp phát triển mầm là một trong những phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp Au nano với kích thước và hình dạng được kiểm soát. Phương pháp này bao gồm hai giai đoạn chính: tạo mầm và phát triển mầm. Các mầm vàng nhỏ được tạo ra đầu tiên, sau đó các ion vàng (Au3+) trong dung dịch sẽ khử và bám vào bề mặt mầm, làm cho mầm lớn dần lên thành hạt Au nano có kích thước mong muốn.

3.2. Phương pháp Thủy Nhiệt Au Nano

Phương pháp thủy nhiệt sử dụng nhiệt độ và áp suất cao trong môi trường nước để tổng hợp Au nano. Phương pháp này thường tạo ra các hạt Au nano có độ tinh khiết cao và kích thước đồng đều. Các chất khử và chất ổn định cũng có thể được sử dụng để kiểm soát kích thước và hình dạng của sản phẩm.

IV. Ứng Dụng Cu2O Au Nano Từ Cảm Biến Đến Xúc Tác 56 ký tự

Cấu trúc dị thể Au-Cu2O nhân-vỏ kết hợp các tính chất ưu việt của cả hai vật liệu, tạo ra các ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực. Khả năng xúc tác, dẫn điện và cảm biến của nhân-vỏ Au-Cu2O nano tốt hơn nhiều so với từng dạng đơn lẻ Au và Cu2O. Ví dụ, chúng có thể được sử dụng để chế tạo cảm biến khí, cảm biến glucose, và làm chất xúc tác trong các phản ứng hóa học.

4.1. Ứng dụng trong Chế Tạo Cảm Biến

Cấu trúc dị thể Au-Cu2O có thể được sử dụng để chế tạo các cảm biến khí có độ nhạy cao. Cu2O có khả năng hấp thụ các phân tử khí trên bề mặt, trong khi Au đóng vai trò là chất dẫn điện tốt, giúp tăng cường tín hiệu cảm biến. Ngoài ra, Au-Cu2O cũng có thể được sử dụng để chế tạo cảm biến glucose, ứng dụng trong y học để theo dõi đường huyết cho bệnh nhân tiểu đường.

4.2. Xúc Tác trong Phản Ứng Hóa Học

Cấu trúc dị thể Au-Cu2O có hoạt tính xúc tác cao trong nhiều phản ứng hóa học. Diện tích bề mặt lớn của Cu2O nano kết hợp với khả năng hoạt hóa các phân tử của Au nano tạo ra hiệu ứng xúc tác cộng sinh. Nghiên cứu cho thấy rằng Au-Cu2O nano có thể được sử dụng làm chất xúc tác hiệu quả trong các phản ứng oxy hóa khử, phản ứng chuyển hóa CO thành CO2, và phản ứng khử màu các chất ô nhiễm hữu cơ.

V. Nghiên Cứu Khả Năng Xúc Tác Cu2O Au Nano Kết Quả 59 ký tự

Luận văn tập trung vào nghiên cứu khả năng xúc tác của Cu2O, Au - Cu2O nano cho quá trình khử màu dung dịch xanh metylen. Kết quả cho thấy Au-Cu2O nano thể hiện hoạt tính xúc tác cao hơn so với Cu2O nano đơn lẻ, chứng tỏ hiệu quả của việc kết hợp hai vật liệu trong cấu trúc dị thể. Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng của Au-Cu2O nano trong xử lý nước thải và các ứng dụng môi trường khác.

5.1. Khảo Sát Ảnh Hưởng của Chất Hoạt Động Bề Mặt

Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt như CTAB và PVP đến quá trình hình thành cấu trúc dị thể Au-Cu2O và hoạt tính xúc tác của vật liệu. Kết quả cho thấy chất hoạt động bề mặt có vai trò quan trọng trong việc kiểm soát kích thước, hình dạng và sự phân tán của các hạt nano, từ đó ảnh hưởng đến khả năng xúc tác của vật liệu.

5.2. So Sánh Hiệu Quả Xúc Tác Cu2O và Au Cu2O Nano

So sánh hiệu quả xúc tác của Cu2O và Au-Cu2O nano trong phản ứng khử màu xanh metylen cho thấy Au-Cu2O nano có khả năng khử màu nhanh hơn và hiệu quả hơn. Điều này có thể được giải thích bằng sự cộng hưởng plasmon bề mặt của Au nano, giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra các điện tử và lỗ trống có năng lượng cao, thúc đẩy quá trình khử màu.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Vật Liệu Cu2O Au 53 ký tự

Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp các dạng Cu2O, Au nano và cấu trúc dị thể Au-Cu2O nhân-vỏ bằng các phương pháp khác nhau. Kết quả khảo sát hoạt tính xúc tác cho thấy tiềm năng ứng dụng của các vật liệu này trong nhiều lĩnh vực. Hướng phát triển tiếp theo là tối ưu hóa các phương pháp tổng hợp để tạo ra vật liệu với tính chất vượt trội hơn và mở rộng phạm vi ứng dụng sang các lĩnh vực mới.

6.1. Tối Ưu Hóa Phương Pháp Tổng Hợp

Việc tối ưu hóa các phương pháp tổng hợp, bao gồm điều chỉnh các thông số phản ứng như nhiệt độ, thời gian, nồng độ chất phản ứng và loại chất hoạt động bề mặt, là cần thiết để tạo ra vật liệu Cu2O/Au nano với kích thước, hình dạng và cấu trúc mong muốn. Điều này sẽ giúp cải thiện tính chất và hiệu suất của vật liệu trong các ứng dụng khác nhau.

6.2. Mở Rộng Ứng Dụng Sang Các Lĩnh Vực Mới

Ngoài các ứng dụng đã được nghiên cứu, vật liệu Cu2O/Au nano còn có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như pin mặt trời, cảm biến sinh học, và điện tử nano. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng mới sẽ giúp khai thác tối đa tiềm năng của vật liệu này và đóng góp vào sự phát triển của khoa học và công nghệ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường nước ngày càng trở nên nghiêm trọng, nhu cầu phát triển các hệ vật liệu quang xúc tác thế hệ mới có khả năng hấp thụ hiệu quả bức xạ ánh sáng mặt trời đang thu hút sự quan tâm đặc biệt của giới khoa học. Theo ước tính từ các báo cáo ngành dệt may và hóa chất, hàng triệu mét khối nước thải chứa phẩm nhuộm hữu cơ khó phân hủy như xanh metylen được thải ra mỗi năm. Các chất xúc tác quang truyền thống như titan đioxit dạng anatase với độ rộng vùng cấm 3,2 eV hoặc kẽm oxit với 3,4 eV chỉ bị kích thích bởi bức xạ tử ngoại, vốn chỉ chiếm khoảng 4% đến 5% năng lượng trong quang phổ ánh sáng mặt trời. Ngược lại, đồng một oxit là chất bán dẫn loại p có năng lượng vùng cấm hẹp khoảng 2,0 eV đến 2,17 eV, cho phép hấp thụ mạnh bức xạ trong vùng ánh sáng khả kiến chiếm tới 43% năng lượng mặt trời.

Tuy nhiên, vật liệu đồng một oxit đơn thành phần thường gặp nhược điểm lớn là tốc độ tái kết hợp của cặp điện tử và lỗ trống quang sinh diễn ra nhanh chóng, dẫn đến suy giảm hoạt tính xúc tác và độ bền quang hóa. Để khắc phục triệt để rào cản này, luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp có kiểm soát hình thái hạt đồng một oxit nano, các dạng vàng nano bao gồm hạt nano cầu và thanh nano, từ đó tạo ra cấu trúc dị thể nhân vỏ vàng đồng một oxit. Đề tài được triển khai thực nghiệm tại Trung tâm Khoa học Vật liệu và Khoa Hóa học thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2014. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi nâng cao hiệu suất phân hủy phẩm nhuộm xanh metylen từ mức 62% của đồng một oxit đơn lẻ lên tới 85% đối với cấu trúc dị thể nhân vỏ sau 120 phút chiếu sáng, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng vật liệu nano lai trong xử lý nước thải và chế tạo cảm biến khí quang điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết vùng năng lượng của chất bán dẫn và hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ của các hạt nano kim loại quý. Theo lý thuyết chất rắn, đồng một oxit kết tinh theo hệ lập phương với hằng số mạng lý thuyết là 4,27 Å, trong đó mỗi ô cơ sở chứa 4 nguyên tử đồng và 2 nguyên tử oxy. Với độ rộng vùng cấm trực tiếp khoảng 2,0 eV, đồng một oxit dễ dàng chuyển electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn dưới tác động của photon vùng ánh sáng nhìn thấy.

Bên cạnh đó, lý thuyết cộng hưởng plasmon bề mặt giải thích rằng khi các hạt nano vàng có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng tới, dao động tập thể của các electron tự do trên bề mặt sẽ cộng hưởng với điện trường ngoài. Hiện tượng này tạo ra dải hấp thụ quang học đặc trưng trong khoảng 520 nm đến 530 nm đối với hạt vàng hình cầu và hai dải hấp thụ riêng biệt tương ứng với dao động ngang và dao động dọc đối với thanh nano vàng.

Khi kết hợp hai thành phần tạo thành cấu trúc tiếp xúc dị thể nhân vỏ, sự chênh lệch mức năng lượng Fermi tại ranh giới tiếp xúc kim loại và bán dẫn tạo nên một hàng rào thế năng. Cơ chế bẫy điện tử của nhân kim loại vàng ngăn chặn sự tái tổ hợp giữa electron và lỗ trống, kéo dài thời gian sống của các phần tử mang điện tự do. Các khái niệm cốt lõi được áp dụng xuyên suốt bao gồm: quang xúc tác dị thể, cấu trúc nhân vỏ nano lai, hiệu ứng phân tách điện tích quang sinh và vai trò định hình bề mặt của các chất hoạt động bề mặt như cetyl trimetyl ammoni bromide, natri dodecyl sunfat và polyvinylpyrrolidone.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm hóa học ướt kết hợp với phương pháp mầm trung gian để tổng hợp có kiểm soát kích thước và hình thái hạt. Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết kế hệ thống gồm 4 hệ mẫu đồng một oxit ký hiệu từ N1 đến N4, 2 hệ mầm vàng nano dạng hạt cầu và thanh, cùng 8 hệ mẫu cấu trúc dị thể nhân vỏ vàng đồng một oxit ký hiệu từ D1 đến D8. Thể tích chất khử hydroxylamine hydroclorua 0,2M được khảo sát biến thiên chính xác từ 0,15 ml đến 0,65 ml trên nền dung môi nước có tổng thể tích cố định 10 ml. Phương pháp chọn mẫu dựa trên nguyên tắc kiểm soát biến số đơn yếu tố có đối chứng, cố định nồng độ muối đồng hai clorua 0,1M, natri hydroxit 1M và lượng chất phân tán 0,087 g nhằm đánh giá độc lập ảnh hưởng của chất khử và chất hoạt động bề mặt.

Các phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất quang học hiện đại được lựa chọn với các lý do khoa học rõ ràng:

• Phương pháp nhiễu xạ tia X thực hiện trên máy SIEMENS D5005 với bức xạ Cu-Kalpha bước sóng 0,15406 nm quét góc 2theta từ 20 độ đến 70 độ ở nhiệt độ 25 độ C, kết hợp công thức Debye-Scherrer để định danh chính xác thành phần pha tinh thể và tính toán kích thước tinh thể trung bình.
• Kính hiển vi điện tử quét trường Nova Nano SEM 450 và kính hiển vi điện tử truyền qua Jeol Jem-1010 với độ phóng đại lên tới 400.000 lần được lựa chọn nhằm quan sát trực quan hình thái đa diện, độ phân tán và ranh giới phân cách giữa nhân vàng và lớp vỏ đồng một oxit.
• Quang phổ tử ngoại khả kiến UV-Vis trên thiết bị Shimadzu UV-2450 đo mật độ quang tại bước sóng cực đại 665 nm của xanh metylen, thiết lập đường chuẩn tuyến tính có hệ số tương quan R2 đạt 0,995 để định lượng chính xác độ chuyển hóa của phản ứng quang xúc tác.
• Phương pháp quang phổ tia X cảm ứng hạt tích điện thực hiện trên máy gia tốc tĩnh điện Pelletron 5SDH-2 nhằm phân tích định lượng không phá hủy thành phần nguyên tố vàng và đồng phân tán trên đế silic.

Toàn bộ quy trình thực nghiệm và phân tích kiểm tra được tiến hành liên tục trong khung thời gian 12 tháng của năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện quan trọng có giá trị khoa học cao:

Thứ nhất, lượng chất khử hydroxylamine hydroclorua đóng vai trò quyết định đến kích thước và hình thái hình học của hạt nano đồng một oxit. Khi thể tích dung dịch chất khử tăng từ 0,15 ml lên 0,25 ml rồi 0,45 ml, hình dạng hạt biến đổi tuần tự từ dạng lập phương có kích thước 150 nm đến 200 nm ở mẫu N1 sang dạng tứ phương cụt ở mẫu N2 và chuyển thành dạng đa diện gần cầu kích thước khoảng 250 nm ở mẫu N3. Khi tăng lượng chất khử lên 0,65 ml ở mẫu N4, sản phẩm thu được có dạng bát diện cụt với kích thước thu nhỏ chỉ còn 90 nm đến 120 nm. Giản đồ XRD của cả 4 mẫu đều xuất hiện 3 đỉnh nhiễu xạ đặc trưng tại góc 2theta là 36,4 độ, 42,3 độ và 61,3 độ tương ứng với các mặt mạng (111), (200), (220), xác định hằng số mạng thực nghiệm a đạt khoảng 4,262 Å, hoàn toàn trùng khớp với cấu trúc tinh thể lập phương chuẩn của Cu2O.

Thứ hai, nghiên cứu đã chế tạo thành công nhân nano vàng dạng hạt và thanh với độ tinh khiết cao. Hạt vàng nano hình cầu có kích thước đồng đều khoảng 20 nm, thể hiện một cực đại hấp thụ plasmon duy nhất tại bước sóng 530 nm và hằng số mạng a = 4,076 Å. Đối với thanh nano vàng, phổ UV-Vis ghi nhận rõ ràng hai cực đại hấp thụ tại bước sóng 524 nm do dao động lưỡng cực ngang và bước sóng 674 nm do dao động lưỡng cực dọc, hằng số mạng tính toán từ giản đồ nhiễu xạ đạt 4,079 Å, tương thích hoàn hảo với thẻ chuẩn ICDD 04-0784.

Thứ ba, cấu trúc dị thể nhân vỏ vàng đồng một oxit được hình thành hoàn chỉnh với lớp vỏ bọc đều quanh nhân kim loại. Phổ PIXE trên đế silic xác nhận sự tồn tại đồng thời của các nguyên tố đồng và vàng trong mẫu dị thể. Ảnh TEM chứng minh chất hoạt động bề mặt CTAB và PVP giúp tạo lớp vỏ đồng một oxit có nhiều góc cạnh và phát triển ưu tiên các mặt phẳng tinh thể định hướng (111).

Thứ tư, hoạt tính quang xúc tác của cấu trúc dị thể nhân vỏ thể hiện sự vượt trội rõ rệt. Dưới điều kiện chiếu xạ liên tục bằng nguồn đèn cao áp thủy ngân đối với 50 ml dung dịch xanh metylen nồng độ ban đầu 6,13 mg/l, mẫu trắng không có xúc tác chỉ ghi nhận độ phân hủy 4% sau 120 phút. Mẫu chứa xúc tác đồng một oxit đơn lẻ đạt độ chuyển hóa 62%, trong khi mẫu cấu trúc dị thể vàng đồng một oxit đạt hiệu suất phân hủy lên tới 85%, cao hơn 23% so với đồng một oxit nguyên chất và gấp 21,25 lần so với mẫu đối chứng không xúc tác.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất quang xúc tác tăng vọt của cấu trúc dị thể nhân vỏ vàng đồng một oxit có thể được giải thích bằng cơ chế chuyển dịch điện tích tại ranh giới tiếp xúc dị thể. Dưới tác dụng của ánh sáng kích thích, các electron quang sinh từ vùng dẫn của đồng một oxit nhanh chóng dịch chuyển sang nhân vàng có mức năng lượng thấp hơn. Nhân vàng đóng vai trò như một trung tâm bẫy điện tử hiệu quả, làm chậm đáng kể quá trình tái kết hợp giữa electron và lỗ trống quang sinh. Các lỗ trống tích tụ tại vùng hóa trị của đồng một oxit tự do tương tác với các phân tử nước và ion hydroxyl để sinh ra các gốc tự do có hoạt tính oxy hóa cực mạnh, tấn công và bẻ gãy mạch liên kết của phân tử thuốc nhuộm xanh metylen thành các hợp chất vô cơ không độc hại.

Dữ liệu thực nghiệm của phản ứng quang xúc tác có thể được trình bày trực quan thông qua đồ thị động học biểu diễn sự suy giảm mật độ quang theo thời gian chiếu sáng từ 20, 40, 60, 80, 100 đến 120 phút. Đồ thị chuyển hóa tuyến tính cho thấy tốc độ phân hủy xanh metylen tuân theo quy luật động học bậc một biểu kiến. Bảng ma trận so sánh các thông số quang học khẳng định rằng các hạt đồng một oxit có định hướng mặt tinh thể (111) kết hợp nhân thanh nano vàng cho hoạt tính cao nhất nhờ mật độ vị trí hoạt động bề mặt lớn và khả năng truyền dẫn điện tích ưu việt dọc theo trục thanh kim loại.

Khi so sánh với các nghiên cứu sử dụng xúc tác truyền thống, vật liệu dị thể nhân vỏ vàng đồng một oxit thể hiện ưu thế vượt trội về khả năng khai thác dải quang phổ khả kiến mà không cần đến các nguồn kích thích tử ngoại đắt tiền và độc hại. Điều này giúp tối ưu hóa chi phí năng lượng trong các quy trình xử lý nước thải công nghiệp thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát huy tối đa tiềm năng ứng dụng của vật liệu nano dị thể vàng đồng một oxit, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp trọng tâm:

Thứ nhất, mở rộng quy mô tổng hợp vật liệu từ thể tích phản ứng phòng thí nghiệm 10 ml lên hệ phản ứng dòng liên tục dung tích 5 đến 10 lít mỗi mẻ. Đơn vị chủ trì cần tối ưu hóa các thông số khuấy trộn và gia nhiệt nhằm đạt mục tiêu kiểm soát độ đồng đều kích thước hạt trên 95% với sai số bán kính lớp vỏ dưới 5 nm. Thời gian triển khai dự kiến kéo dài từ 6 đến 9 tháng, do Trung tâm Khoa học Vật liệu phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành đảm trách.

Thứ hai, tiếp tục tối ưu hóa quy trình kiểm soát hình thái bề mặt bằng cách phối trộn các chất hoạt động bề mặt PVP và CTAB ở các tỷ lệ mol xác định. Giải pháp này hướng tới việc gia tăng tỷ lệ diện tích các mặt tinh thể định hướng (111) của lớp vỏ đồng một oxit, phấn đấu nâng mục tiêu hiệu suất phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại lên trên 92% trong thời gian xử lý rút ngắn xuống còn 90 phút. Nhóm nghiên cứu hóa học vô cơ và xúc tác môi trường chịu trách nhiệm thực hiện trong khung thời gian 12 tháng.

Thứ ba, thiết kế và chế tạo mô-đun lọc nước quang xúc tác bán công nghiệp ứng dụng màng vật liệu vàng đồng một oxit cố định trên giá thể gốm xốp hoặc sợi thủy tinh. Mục tiêu xử lý triệt để nước thải dệt nhuộm có nồng độ chất màu từ 50 mg/l xuống dưới ngưỡng cho phép theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT, đạt công suất lọc thử nghiệm 100 lít mỗi giờ. Thời gian tiến hành thử nghiệm thực tế là 18 tháng, với sự hợp tác giữa các trường đại học và doanh nghiệp dệt may.

Thứ tư, đẩy mạnh nghiên cứu tích hợp vật liệu dị thể vàng đồng một oxit vào chế tạo các cảm biến điện hóa đo nồng độ glucose không enzym và cảm biến khí độc hại. Mục tiêu đạt giới hạn phát hiện khí carbon monoxit dưới mức 10 ppm và nồng độ glucose sinh học ở mức 20 nM với thời gian phản hồi tín hiệu dưới 15 giây. Nhóm chuyên gia kỹ thuật vi điện tử và cảm biến y sinh học đảm nhiệm triển khai trong giai đoạn từ 12 đến 24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho bốn nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các nhà nghiên cứu, nghiên cứu sinh và học viên cao học thuộc chuyên ngành Hóa vô cơ, Khoa học Vật liệu và Công nghệ Nano. Luận văn cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về phương pháp khử hóa học và kỹ thuật nuôi mầm tạo cấu trúc nhân vỏ kim loại bán dẫn, làm tài liệu tham khảo nền tảng để phát triển các hệ vật liệu nano dị thể mới.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư môi trường và chuyên viên kỹ thuật tại các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp. Nhóm đối tượng này có thể khai thác các thông số động học phân hủy quang xúc tác của vật liệu để thiết kế các hệ thống bể phản ứng oxy hóa nâng cao, xử lý triệt để các chất màu dệt nhuộm khó phân hủy với chi phí vận hành tối ưu.

Nhóm thứ ba là các chuyên gia nghiên cứu và phát triển sản phẩm trong lĩnh vực cảm biến sinh hóa và năng lượng tái tạo. Luận văn cung cấp các bằng chứng thực nghiệm rõ ràng về khả năng bẫy điện tử và tăng cường độ dẫn điện của cấu trúc dị thể vàng đồng một oxit, hỗ trợ quá trình chế tạo cảm biến khí carbon monoxit và điện cực pin mặt trời màng mỏng.

Nhóm thứ tư là giảng viên và sinh viên các trường đại học khối ngành khoa học tự nhiên và công nghệ. Công trình là một tài liệu giảng dạy mẫu mực về việc kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết cấu tạo chất rắn và các phương pháp phân tích vật lý hiện đại như XRD, SEM, TEM, UV-Vis và PIXE trong nghiên cứu khoa học vật liệu.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân nào khiến đồng một oxit có ưu thế quang xúc tác vượt trội trong vùng ánh sáng khả kiến so với titan đioxit?

Đồng một oxit là chất bán dẫn loại p sở hữu độ rộng vùng cấm trực tiếp hẹp khoảng 2,0 eV đến 2,17 eV, cho phép hấp thụ trực tiếp các photon trong vùng ánh sáng nhìn thấy chiếm 43% năng lượng mặt trời. Trong khi đó, titan đioxit dạng anatase có vùng cấm rộng 3,2 eV chỉ hoạt động dưới bức xạ tử ngoại chiếm chưa đầy 5% quang phổ.

Cơ chế nào giúp cấu trúc dị thể vàng đồng một oxit đạt hiệu suất phân hủy xanh metylen lên tới 85% sau 120 phút?

Nhân nano vàng tiếp xúc với lớp vỏ đồng một oxit tạo nên hàng rào tiếp xúc dị thể, hoạt động như một bẫy thu giữ electron quang sinh từ vùng dẫn của đồng một oxit. Quá trình này triệt tiêu sự tái kết hợp của cặp điện tử và lỗ trống, kéo dài thời gian sống của lỗ trống tự do để tạo ra các gốc tự do hydroxyl oxy hóa mạnh mẽ phân hủy phẩm nhuộm.

Lượng chất khử hydroxylamine hydroclorua ảnh hưởng như thế nào đến hình thái hạt nano đồng một oxit?

Khi thể tích dung dịch chất khử tăng dần từ 0,15 ml lên 0,45 ml, hình thái hạt chuyển đổi tuần tự từ dạng lập phương kích thước 150 đến 200 nm sang dạng tứ phương cụt và dạng đa diện gần cầu kích thước 250 nm. Ở mức 0,65 ml chất khử, hạt chuyển sang dạng bát diện cụt với kích thước giảm xuống còn 90 đến 120 nm.

Tại sao phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến của thanh nano vàng lại xuất hiện hai cực đại hấp thụ riêng biệt?

Thanh nano vàng có tính bất đối xứng hình học, dẫn đến sự phân tách của dao động plasmon bề mặt thành hai chế độ riêng biệt. Đỉnh hấp thụ ở bước sóng ngắn 524 nm tương ứng với dao động lưỡng cực theo phương ngang, còn đỉnh hấp thụ mạnh ở bước sóng dài 674 nm đặc trưng cho dao động cộng hưởng plasmon dọc theo chiều dài thanh nano.

Phương pháp quang phổ tia X cảm ứng hạt tích điện PIXE đóng vai trò gì trong nghiên cứu cấu trúc nhân vỏ?

Phương pháp PIXE sử dụng chùm ion mang năng lượng cao từ máy gia tốc Pelletron để kích thích phát xạ tia X đặc trưng của các nguyên tố. Kỹ thuật phân tích không phá hủy mẫu này xác định chính xác sự hiện diện đồng thời của nguyên tố vàng và đồng trên đế silic, khẳng định sự hình thành thành công của cấu trúc dị thể nhân vỏ.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã đạt được những thành tựu nổi bật và đóng góp quan trọng cho lĩnh vực vật liệu nano quang xúc tác:

• Tổng hợp thành công các dạng nano đồng một oxit với hình thái lập phương, tứ phương cụt và bát diện cụt có kích thước kiểm soát từ 90 nm đến 250 nm bằng phương pháp khử hóa học đơn giản và thân thiện với môi trường.
• Chế tạo chính xác hạt nano vàng dạng cầu kích thước 20 nm và thanh nano vàng có độ đồng đều cao, thể hiện rõ hai dải hấp thụ plasmon bề mặt tại 524 nm và 674 nm.
• Thiết lập hoàn chỉnh quy trình bọc lớp vỏ đồng một oxit lên nhân nano vàng, khẳng định vai trò định hướng cấu trúc bề mặt của các chất hoạt động bề mặt SDS, CTAB và PVP.
• Nâng cao vượt bậc hiệu suất quang xúc tác phân hủy phẩm nhuộm xanh metylen lên mức 85% sau 120 phút chiếu sáng, vượt trội hơn hẳn so với mức 62% của đồng một oxit đơn lẻ và 4% của mẫu đối chứng.
• Mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn của hệ vật liệu dị thể nhân vỏ kim loại bán dẫn trong công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm và chế tạo cảm biến quang điện tử có độ nhạy cao.

Đóng góp chính của luận văn là giải quyết triệt để vấn đề tái kết hợp điện tích quang sinh của đồng một oxit bằng cấu trúc tiếp xúc dị thể nhân vỏ với kim loại quý vàng. Về kế hoạch tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự kiến hoàn thiện quy trình gắn vật liệu lên màng lọc cố định và thử nghiệm xử lý nước thải thực tế trong vòng 6 đến 12 tháng tới. Hãy liên hệ với nhóm tác giả hoặc đơn vị quản lý đề tài để trao đổi chuyên môn, tiếp cận dữ liệu thực nghiệm chi tiết và thúc đẩy chuyển giao công nghệ ứng dụng vật liệu nano tiên tiến này vào đời sống sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ngày nay thuật ngữ “nano” không còn xa lạ với con người. Công nghệ nano đã trở thành một vấn đề thời sự và thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Công nghệ nano là một bước tiến vượt bậc của công nghệ, nó cho phép con người tạo ra những loại vật liệu mới với tính năng tưởng chừng như không thể. Nó tham gia và tạo sự đột phá trong nhiều nghành công nghiệp quan trọng như điện, hóa học, mỹ phẩm, nhựa, cơ khí chế tạo….Chúng ta có thể kể đến một vài thành tựu của khoa học nano và công nghệ nano như: Công nghiệp điện tử, quang tử ( các linh kiện chấn lượng tử, vi xử lí tốc độ nhanh, linh kiện lưu giữ thông tin….), công nghiệp hóa học (xúc tác, hấp thụ, chất màu….), năng lượng ( pin mặt trời, pin liti), y – sinh học và nông nghiệp (thuốc chữa bệnh nano, mô nhân tạo…), hàng không – vũ trụ - quân sự (vật liệu siêu nhẹ, siêu bền, chịu bức xạ….), môi trường (khử độc, vật liệu nano xốp, mao quản dùng để lọc nước…).

Đồng (I) oxit (Cu2O) nano là một trong những vật liệu nano có tính chất đặc biệt. Cu2O nano đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Làm bộ cảm biến áp suất oxi màng mỏng, pin mặt trời màng mỏng, chất bán dẫn loại p, nguyên liệu cho công nghệ dược phẩm và thiết bị y tế…. Vàng nano (Au) là vật liệu có nhiều tính chất ưu việt. Au nano đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: Làm điện cực, pin mặt trời silicon, làm bộ cảm biến… Đặc biệt nó có ứng dụng to lớn trong lĩnh vực sinh, y học như hỗ trợ trong điều trị ung thư, có khả năng cố định các nguyên tử sinh học (kháng nguyên, kháng thể), vì vậy Au nano được dùng trong rất nhiều xét nghiệm sinh học hay chuẩn đoán y khoa.

Khi kết hợp Cu2O và Au nano ở dạng cấu trúc dị thể sẽ tạo ra vật liệu có một số tính chất vượt trội hơn do cấu trúc dị thể nhân – vỏ Au – Cu2O thể hiện tính năng cộng sinh mà rất khó có ở dạng đơn lẻ. Ví dụ như khả năng xúc tác, dẫn điện, cảm 1 Luan.nho TIEU LUAN MOI download : [e-mail] biến… của nhân vỏ Au – Cu2O nano tốt hơn nhiều so với từng dạng đơn lẻ Au và Cu2O. Chính vì vậy chúng tôi chọn đề tài luận văn là “Nghiên cứu tổng hợp một số dạng Cu2O, Cu2O/Au nano và khả năng ứng dụng của chúng” với các nội dung cụ thể như sau: 1. Tổng hợp hạt nano Cu2O.

Tổng hợp hạt nano vàng và thanh nano vàng. Tổng hợp cấu trúc dị thể nhân – vỏ Au – Cu2O với hai hình dạng của nhân vàng là hạt nano vàng và thanh nano vàng. Khảo sát khả năng xúc tác của Cu2O, Au – Cu2O nano cho quá trình khử màu dung dịch xanh metylen.nho TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Đồng (I) oxit (Cu2O) Đồng (I) oxit là một trong hai dạng oxit của đồng, có màu đỏ với công thức hóa học là Cu2O.

Cu2O rất bền với nhiệt (nóng chảy ở 12400C), không tan trong nước nhưng tan chậm trong kiềm đặc và NH3 đặc, tan tốt trong dung dịch axit. Trong không khí ẩm, Cu2O dễ bị oxi hóa tạo thành đồng (II) oxit (CuO). Hình 1: Ô cơ sở của mạng tinh thể Cu2O Cu2O có cấu trúc tinh thể kiểu lập phương với hằng số mạng a = 4. Mạng tinh thể của Cu2O được tạo thành bởi hai phân mạng: phân mạng Cu kiểu lập phương tâm mặt và phân mạng oxi kểu lập phương tâm khối (Hình 1).

Mỗi ô cơ sở chứa 4 nguyên tử Cu và 2 nguyên tử O, trong đó nguyên tử đồng có số phối trí bằng 2, nguyên tử oxi có số phối trí bằng 4 [31]. Cu2O là chất bán dẫn loại p, khi ở dạng khối nó có năng lượng vùng cấm Eg = 2. Tính chất này làm cho Cu2O nổi trội hơn một số oxit khác trong các quá trình quang hóa. Ví dụ, TiO2 anatase có Eg = 3.2 eV, còn ZnO có Eg = 3.4 eV nên chúng chỉ bị kích thích bởi bức xạ tử ngoại.nho TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Các phƣơng pháp tổng hợp Cu2O nano Cu2O nano dạng bột được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng phổ biến nhất là phương pháp kết tủa trong dung môi lỏng. Phương pháp khử trong dung dịch Cu2O có kích cỡ 2 – 18nm được điều chế bằng cách thêm từ từ dung dịch t – BuOH trong tetrahidrofuran (THF) vào dung dịch hỗn hợp CuA2 (A= Cl, CH3COO, (CH3COO)2CH) và NaH trong THF ở 630C [35]. Đầu tiên muối Cu2+ bị khử bằng ion H- hoạt hóa để tạo ra đồng kim loại. 4NaH + 2t-BuOH →2(NaH, t-BuONa) + 2H2 2(NaH, t-BuONa) + CuA2→Cu + 2NaA + 2t-BuONa + H2 Sau đó, đồng kim loại được oxi hóa thành Cu2O bằng cách sục dòng khí hỗn hợp O2 – N2: 2Cu + 1/2O2  Cu2O Sản phẩm cuối cùng Cu2O tạo thành được phân tán trong dung môi hữu cơ.

Tác giả [22] đã điều chế bột Cu2O có kích cỡ 2- 3 nm bằng cách cho dung dịch CuSO4 tác dụng với các phối tử hữu cơ polyetylenglycolmonododecyl ete và axit oleic trong dung môi etylen glycol (EG) và isopropan (IPA), sau đó khử bằng KBH4. Cu2O dạng khối hộp có kích cỡ từ 20 – 500nm được điều chế bằng cách khử dung dịch Cu(CH3COO)2 bằng axit ascobic ở nhiệt độ phòng [5]. Cu2O nano cũng được tạo ra bằng cách khử Cu2+ trong dung dịch có sử dụng chất hoạt động bề mặt bằng phản ứng của phức đồng (II) clorua với hiđrazin N2H4.H2O trong môi trường kiềm ở nhiệt độ phòng [2]. Các hạt Cu2O nano với kích thước 5-6 nm đã được tác giả [17] tổng hợp thành công khi cho Cu(CH3COO)2.H2O tác dụng với axetamit trong dung môi 4 Luan.nho TIEU LUAN MOI download : [e-mail] etylen glycol có sử dụng sóng siêu âm.

Hạt Cu2O nano thu được có hình dạng bông hoa. Phương pháp đồng kết tủa Các tác giả [10] đã tổng hợp được các hạt nano Fe/Cu2O bằng cách khử hỗn hợp CuSO4 và Fe(NO3)3 bằng hidrazin trong môi trường kiềm. Kết quả cho thấy Cu2O có độ rộng vùng cấm 2. Khi thêm 1% Fe vào Cu2O thì độ rộng vùng cấm của mẫu thu được là 1.87eV, còn thêm 2% Fe thì mẫu thu được có độ rộng vùng cấm là 1.

Như vậy có sự giảm độ rộng vùng cấm của các mẫu thu được so với Cu2O tinh khiết. Từ tính của Cu2O cũng thay đổi khi thêm Fe. Ở 3000C mẫu 1%Fe/Cu2O và 2% Fe/Cu2O là thuận từ, trong khi đó Cu2O tinh khiết có tính nghịch từ. Phương pháp sử dụng bức xạ và sóng siêu âm.

Bằng cách chiếu tia γ vào dung dịch CuSO4 có chứa C12H25NaSO4, (CH3)2CHOH và đệm axetat, các tác giả [29] đã tổng hợp được Cu2O có kích cỡ thay đổi từ 14- 50nm tùy thuộc vào thành phần dung dịch đầu và liều lượng tia γ. Cu2O nano hình cầu với kích thước 10 – 20nm cũng được tạo thành bằng cách chiếu tia viba vào dung dịch hỗn hợp CuSO4, NaBH4 và etilenglycol [18]. Ứng dụng của Cu2O nano Đồng (I) oxit là chất bán dẫn loại p với năng lượng vùng cấm khá thấp nên nó là vật liệu đầy hứa hẹn cho quá trình chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng điện và năng lượng hóa học. Cu2O có hệ số hấp phụ quang cao và tính chất quang điện tốt nên được sử dụng trong các thiết bị quang điện với chi phí năng lượng thấp.

Sau đây là một số ứng dụng của Cu2O. Xúc tác oxi hóa khử Do có số oxi hóa trung gian (+1) nên Cu2O có hoạt tính xúc tác oxi hóa – khử. Ví dụ, Cu2O làm xúc tác cho phản ứng phân hủy nước thành O2 và H2 dưới 5 Luan.nho TIEU LUAN MOI download : [e-mail] điều kiện của bức xạ hồng ngoại, ở nhiệt độ phòng khi có mặt WO3 [13]. Kết quả cho thấy khi được chiếu sáng bởi ánh sáng khả kiến thì Cu2O thể hiện hoạt tính xúc tác quang hóa trong phản ứng phân hủy nước thành H2 và O2 khi có mặt n- WO3 mạnh hơn nhiều so với khả năng xúc tác khi chỉ có Cu2O.

Mặt khác, trong hỗn hợp Cu2O - WO3, nếu Cu2O định hướng mặt (111) thì lượng khí H2 sinh ra nhiều hơn so với hỗn hợp chứa Cu2O định hướng mặt (110). Cu2O/C còn làm xúc tác cho phản ứng phân hủy methanol thành H2 và CO; Cu2O làm xúc tác cho các phản ứng chuyển hóa CO thành CO2, NOx thành N2 và O2. Đây là các phản ứng rất có ý nghĩa đối với xử lí khí thải [24]. Nguyên nhân làm cho Cu2O nano có hoạt tính xúc tác tốt hơn Cu2O khối là do diện tích bề mặt của nó lớn.

Khi giảm kích thước hạt thì tỉ lệ các nguyên tử ở trên bề mặt tăng lên, cụ thể là vật liệu với kích thước hạt 30nm có 5% nguyên tử ở trên bề mặt; hạt 10nm có 20% nguyên tử ở trên bề mặt; còn hạt 3nm có tới 50% nguyên tử ở trên bề mặt [27]. Do vậy các hạt nano kích thước nhỏ sẽ có diện tích bề mặt rất lớn. Vì các phản ứng xúc tác dị thể diễn ra trên bề mặt, nên khi sử dụng xúc tác nano thì phản ứng xảy ra nhanh hơn so với xúc tác là vật liệu khối cùng loại. Ngoài ra, Cu2O còn có khả năng xúc tác cho phản ứng oxi hóa muối thiosunfat, góp phần giải quyết ảnh hưởng bất lợi của các muối thiosunfat trong quá trình tuyển nổi (các muối này sẽ làm cho dung dịch có tính axit, trong khi yêu cầu đối với dung dịch tuyển nổi là có tính kiềm hoặc trung tính [30].

Xúc tác quang hóa Với độ rộng vùng cấm nhỏ nên Cu2O dễ bị kích thích bởi ánh sáng trong vùng khả kiến. Mặt khác, Cu2O có độc tính thấp và có giá thành rẻ nên nó được sử dụng rộng rãi để xử lí phẩm nhuộm và các chất thải công nghiệp vì đó là các chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường và không dễ dàng bị phân hủy trong tự nhiên. Cu2O/ chitosan có khả năng làm mất màu phẩm nhuộm X-3B từ nồng độ 50mg/l xuống còn 1. Cu2O còn được sử dụng để xúc tác cho quá trình chuyển p-nitrophenol (một chất 6 Luan.nho TIEU LUAN MOI download : [e-mail] gây ô nhiềm môi trường và độc tính của nó ảnh hưởng lên cả con người, động vật và thực vật) thành p-hydroxylaminphenol [12].

Vì Cu2O có độ rộng vùng cấm nhỏ nên dễ xảy ra quá trình tái kết hợp của điện tử và lỗ trống. Điều này làm giảm hoạt tính xúc tác quang của Cu2O. Để khắc phục hiện tượng trên người ta thường tạo ra các hạt composite giữa Cu2O với các kim loại khác.