Nghiên cứu tổng hợp Cu2O và Au nano cùng khả năng ứng dụng trong khoa học vật liệu

Luận văn thạc sĩ phân tích hus nghiên cứu tổng hợp một số dạng cu2o cu2o au nano và khả năng ứng dụng của chúng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho

• Tác giả: Vũ Thị Nhớ
• Người hướng dẫn: PGS. Triệu Thị Nguyệt
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp một số dạng Cu2O, Cu2O/Au nano và khả năng ứng dụng của chúng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các phương pháp tổng hợp Cu2O nano
• 1.2. Ứng dụng của Cu2O nano
• 1.3. Các phương pháp tổng hợp Au nano
• 1.4. Ứng dụng của Au nano
• 1.5. Cấu trúc dị thể Au – Cu2O nhân – vỏ
• 1.6. Các phương pháp tổng hợp Au – Cu2O nhân – vỏ
• 1.7. Ứng dụng của Au – Cu2O nhân – vỏ
• 1.8. Các phương pháp nghiên cứu
• 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
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp Cu2O
• 3.2. Tổng hợp nhân vàng kích cỡ nanomet
• 3.3. Hạt nano vàng
• 3.4. Thanh nano vàng
• 3.5. Điều chế cấu trúc dị thể nhân – vỏ Au – Cu2O
• 3.6. Cấu trúc dị thể với nhân là hạt nano vàng
• 3.7. Cấu trúc dị thể với nhân là thanh vàng
• 3.8. Khảo sát ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt
• 3.8.1. Ảnh hưởng của CTAB và PVP khi sử dụng nhân là hạt nano vàng
• 3.8.2. Chất hoạt động bề mặt CTAB
• 3.8.3. Chất hoạt động bề mặt PVP
• 3.8.4. Ảnh hưởng của CTAB và PVP khi sử dụng nhân là thanh nano vàng
• 3.8.5. Chất hoạt động bề mặt CTAB
• 3.8.6. Chất hoạt động bề mặt PVP
• 3.9. 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 về nghiên cứu tổng hợp Cu2O và Au nano

Nghiên cứu tổng hợp Cu2O và Au nano đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Cu2O là một loại oxit đồng có tính chất quang học và điện hóa đặc biệt, trong khi Au nano được biết đến với khả năng dẫn điện và tính chất quang học vượt trội. Việc kết hợp hai loại vật liệu này tạo ra những cấu trúc dị thể với nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ hiện đại.

1.1. Đặc điểm và tính chất của Cu2O

Cu2O có cấu trúc tinh thể lập phương và là chất bán dẫn loại p. Với năng lượng vùng cấm khoảng 2 eV, Cu2O có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng quang điện. Các nghiên cứu cho thấy Cu2O có khả năng xúc tác tốt trong các phản ứng hóa học, đặc biệt là trong quá trình oxi hóa khử.

1.2. Tính chất và ứng dụng của Au nano

Au nano có kích thước nhỏ và tính chất quang học độc đáo, cho phép nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như cảm biến sinh học, y học và điện tử. Au nano có khả năng tương tác với các phân tử sinh học, giúp cải thiện độ nhạy của các thiết bị chẩn đoán và điều trị.

II. Thách thức trong nghiên cứu tổng hợp Cu2O và Au nano

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc tổng hợp Cu2O và Au nano vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như kiểm soát kích thước, hình dạng và tính đồng nhất của các hạt nano là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất của vật liệu trong ứng dụng thực tế.

2.1. Khó khăn trong việc kiểm soát kích thước hạt

Kích thước hạt nano ảnh hưởng lớn đến tính chất quang học và điện hóa của vật liệu. Việc kiểm soát kích thước hạt trong quá trình tổng hợp là một thách thức lớn, đòi hỏi các phương pháp chính xác và điều kiện phản ứng tối ưu.

2.2. Vấn đề về tính đồng nhất của sản phẩm

Tính đồng nhất của các hạt nano là yếu tố quyết định đến hiệu suất của chúng trong các ứng dụng. Các phương pháp tổng hợp khác nhau có thể dẫn đến sự không đồng nhất trong kích thước và hình dạng, ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng của vật liệu.

III. Phương pháp tổng hợp Cu2O và Au nano hiệu quả

Có nhiều phương pháp được sử dụng để tổng hợp Cu2O và Au nano, bao gồm phương pháp khử hóa học, phương pháp đồng kết tủa và phương pháp sử dụng bức xạ. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến chất lượng và tính chất của sản phẩm cuối cùng.

3.1. Phương pháp khử hóa học

Phương pháp khử hóa học là một trong những phương pháp phổ biến để tổng hợp Cu2O và Au nano. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước và hình dạng của hạt thông qua việc điều chỉnh các điều kiện phản ứng như nhiệt độ và thời gian.

3.2. Phương pháp đồng kết tủa

Phương pháp đồng kết tủa thường được sử dụng để tổng hợp các hạt nano với kích thước đồng nhất. Phương pháp này dựa trên sự kết tủa của các ion kim loại từ dung dịch, tạo ra các hạt nano có kích thước và hình dạng mong muốn.

3.3. Phương pháp sử dụng bức xạ

Phương pháp sử dụng bức xạ, bao gồm bức xạ UV và sóng siêu âm, đã được chứng minh là hiệu quả trong việc tổng hợp Cu2O và Au nano. Phương pháp này giúp tăng tốc độ phản ứng và cải thiện tính đồng nhất của sản phẩm.

IV. Ứng dụng thực tiễn của Cu2O và Au nano trong khoa học vật liệu

Cu2O và Au nano có nhiều ứng dụng trong khoa học vật liệu, từ cảm biến đến năng lượng tái tạo. Việc kết hợp hai loại vật liệu này tạo ra những cấu trúc dị thể với tính năng vượt trội, mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và phát triển.

4.1. Ứng dụng trong cảm biến

Cu2O và Au nano được sử dụng để chế tạo các cảm biến nhạy bén, có khả năng phát hiện các chất độc hại trong môi trường. Các cảm biến này có thể được ứng dụng trong lĩnh vực y tế và bảo vệ môi trường.

4.2. Ứng dụng trong năng lượng tái tạo

Cấu trúc dị thể Au-Cu2O có khả năng chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng hiệu quả. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các thiết bị quang điện với hiệu suất cao hơn.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của Cu2O và Au nano

Nghiên cứu tổng hợp Cu2O và Au nano không chỉ mang lại những hiểu biết mới về tính chất của vật liệu mà còn mở ra nhiều hướng đi mới trong ứng dụng thực tiễn. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong công nghệ và khoa học vật liệu.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện các phương pháp tổng hợp để tạo ra các hạt nano với tính chất tối ưu hơn. Việc phát triển các ứng dụng mới cho Cu2O và Au nano cũng là một hướng đi quan trọng.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp

Sự phát triển của Cu2O và Au nano có thể tạo ra những thay đổi lớn trong ngành công nghiệp, từ sản xuất cảm biến đến năng lượng tái tạo. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu nano bán dẫn và kim loại quý đang tạo ra những bước đột phá quan trọng trong các lĩnh vực xử lý môi trường, quang điện tử và chuyển hóa năng lượng. Trong số các chất bán dẫn loại p, đồng (I) oxit (Cu2O) nổi bật với năng lượng vùng cấm thấp khoảng 2,17 eV, khả năng hoạt động tốt trong vùng ánh sáng khả kiến và nhiệt độ nóng chảy cao lên đến 1240 °C. Tuy nhiên, hiệu suất quang xúc tác của Cu2O đơn pha bị giới hạn bởi tốc độ tái kết hợp nhanh giữa điện tử và lỗ trống quang sinh. Nhằm khắc phục hạn chế này, giải pháp tích hợp Cu2O với các hạt nano vàng (Au) để tạo ra cấu trúc dị thể nhân - vỏ Au-Cu2O được đánh giá là hướng đi tiềm năng nhờ hiệu ứng cộng sinh vượt trội giữa kim loại và chất bán dẫn.

Luận văn thạc sĩ khoa học chuyên ngành Hóa vô cơ của tác giả Vũ Thị Nhớ tập trung vào mục tiêu nghiên cứu quy trình tổng hợp Cu2O nano với các dạng hình thái khác nhau, điều chế hạt nano vàng và thanh nano vàng đồng đều, từ đó chế tạo thành công cấu trúc dị thể nhân - vỏ Au-Cu2O. Công trình được tiến hành 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 giai đoạn năm 2014.

Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi cung cấp giải pháp xử lý chất màu hữu cơ xanh metylen trong nước thải dệt nhuộm với độ chuyển hóa quang xúc tác tăng từ 4% ở mẫu trắng lên tới 85% khi sử dụng vật liệu lai dị thể Au-Cu2O dưới bức xạ ánh sáng khả kiến. Đồng thời, cấu trúc nano lai này mở ra tiềm năng lớn trong việc phát triển các thế hệ cảm biến khí độc hại và cảm biến sinh học có độ nhạy cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của lý thuyết vùng năng lượng chất bán dẫn và hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) của hạt kim loại kích thước nano. Cu2O là chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm 2,17 eV, cho phép hấp thụ hiệu quả photon ánh sáng khả kiến, vượt trội hơn so với các oxit bán dẫn vùng cấm rộng như TiO2 anatase (3,2 eV) và ZnO (3,4 eV) vốn chỉ hoạt động dưới tia tử ngoại. Khi kết hợp với nano Au có hằng số mạng 4,076 Å, sự chênh lệch mức năng lượng Fermi giữa hai pha tạo nên một hàng rào Schottky tiếp xúc kim loại - bán dẫn. Nhân nano vàng đóng vai trò như một trung tâm bẫy điện tử, thu hút các electron quang sinh từ vùng dẫn của vỏ Cu2O, ngăn chặn quá trình tái kết hợp điện tử - lỗ trống và kéo dài thời gian sống của các hạt mang điện tự do.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng định luật quang phổ hấp thụ Beer-Lambert để xác định động học phản ứng phân hủy chất màu qua tương quan tuyến tính giữa mật độ quang và nồng độ chất tan. Hiện tượng biến đổi hình thái bề mặt tinh thể theo định hướng các mặt mạng (111) và (100) cũng được khảo sát nhằm tối ưu hóa hoạt tính xúc tác dị thể.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình tổng hợp hóa học ướt có kiểm soát nghiêm ngặt. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 4 hệ mẫu Cu2O đơn pha và hàng loạt tổ hợp dị thể Au-Cu2O với các tỷ lệ tác chất khác nhau. Phương pháp chọn mẫu dựa trên việc biến thiên có hệ thống thể tích chất khử hydroxylamin hydroclorid (NH2OH.HCl) 0,2M từ 0,15 ml đến 0,65 ml, kết hợp khảo sát 3 loại chất hoạt động bề mặt đại diện gồm natri dodecyl sunfat (SDS, 0,087 g), cetyl trimetyl amoni bromua (CTAB) và polyvinylpyrrolidone (PVP).

Các phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn nhằm cung cấp bức tranh toàn diện về đặc tính vật liệu:

• Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy D8-Advance với góc quét 2θ từ 20° đến 70° (bước sóng Cu-Kα là 0,15406 nm) để xác định cấu trúc pha tinh thể và tính kích thước hạt theo công thức Debye-Scherrer.
• Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (SEM) Nova Nano SEM 450 và hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Jeol Jem-1010, Tecnai G2 20 nhằm khảo sát hình thái học vi mô ở độ phân giải nanomet.
• Quang phổ hấp thụ UV-Vis (Shimadzu UV-2450) đo đạc dải hấp thụ plasmon và theo dõi sự suy giảm nồng độ xanh metylen tại bước sóng cực đại 665 nm.
• Quang phổ phát xạ tia X cảm ứng proton (PIXE) trên máy gia tốc tĩnh điện pelletron 5SDH-2 nhằm định tính và định lượng thành phần nguyên tố mà không làm phá hủy mẫu vật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã ghi nhận nhiều kết quả mang tính đột phá về tổng hợp và ứng dụng vật liệu nano:

Thứ nhất, nghiên cứu đã tổng hợp thành công Cu2O tinh khiết có cấu trúc lập phương với hằng số mạng a ≈ 4,262 Å, hoàn toàn trùng khớp với giá trị chuẩn 4,27 Å trên thẻ chuẩn quốc tế JCPDS 05-0667. Tỷ lệ chất khử NH2OH.HCl đóng vai trò quyết định đến hình thái: thể tích 0,15 ml tạo hạt lập phương kích thước 150 - 200 nm, 0,25 ml tạo hạt tứ phương cụt, 0,45 ml tạo đa diện gần cầu 250 nm và 0,65 ml tạo hạt bát diện cụt kích thước nhỏ 90 - 120 nm.

Thứ hai, các hạt nano vàng hình cầu được tổng hợp có kích thước đồng đều khoảng 20 nm với cực đại hấp thụ plasmon đơn lẻ tại bước sóng 530 nm và hằng số mạng a = 4,076 Å. Đồng thời, thanh nano vàng cũng được điều chế thành công với hai dải hấp thụ plasmon đặc trưng: dải dao động ngang tại 524 nm và dải dao động dọc có cường độ cao tại 674 nm, hằng số mạng a = 4,079 Å.

Thứ ba, việc hình thành cấu trúc dị thể nhân - vỏ Au-Cu2O phụ thuộc mạnh mẽ vào chất hoạt động bề mặt. SDS và CTAB cho phép tạo lớp vỏ Cu2O bao bọc hoàn chỉnh xung quanh nhân Au, trong khi PVP dẫn đến sự phân tán kém định hướng hơn.

Thứ tư, thử nghiệm quang xúc tác phân hủy phẩm màu xanh metylen (MB) nồng độ ban đầu 6,13 mg/L dưới ánh sáng đèn công suất 300W cho thấy hiệu suất chuyển hóa sau 120 phút đạt tới 85% đối với xúc tác nhân - vỏ Au-Cu2O, cao hơn 37% so với khi sử dụng xúc tác Cu2O đơn lẻ (62%) và vượt trội hoàn toàn so với mẫu đối chứng không có xúc tác (4%).

Thảo luận kết quả

Hiệu quả quang xúc tác vượt bậc của hệ dị thể Au-Cu2O bắt nguồn từ sự kết hợp của hai cơ chế then chốt: diện tích tiếp xúc pha rắn - lỏng mở rộng nhờ kích thước hạt nanomet và sự truyền dẫn điện tử nhanh chóng tại bề mặt phân chia pha. Khi photon ánh sáng khả kiến kích thích Cu2O, các electron từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn sẽ nhanh chóng chuyển dịch sang nhân nano Au có thế điện cực phù hợp. Nhân vàng hoạt động như một bể chứa điện tử, hạn chế tối đa sự tái hợp với các lỗ trống ở vùng hóa trị Cu2O. Các lỗ trống này sau đó tham gia oxy hóa trực tiếp các phân tử xanh metylen hoặc phản ứng với nước tạo gốc tự do hydroxyl hoạt tính cao để phân hủy hợp chất hữu cơ.

Động học phản ứng được mô tả chi tiết qua bảng số liệu tương quan nồng độ và đồ thị suy giảm mật độ quang theo thời gian. Đường chuẩn quang phổ tại bước sóng 665 nm có phương trình tuyến tính y = 0,133x + 0,024 với hệ số tương quan tuyến tính R² = 0,995 khẳng định độ chính xác cao của phép đo. So với các công bố khoa học trong và ngoài nước, việc kiểm soát hình thái tinh thể Cu2O với các mặt phẳng tinh thể (111) và (200) lộ ra ngoài đã giúp tăng cường đáng kể hoạt tính quang hóa và độ bền hóa học của vật liệu lai.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị và giải pháp hành động cụ thể nhằm đưa vật liệu vào ứng dụng thực tiễn:

1. Tối ưu hóa quy trình điều chế ở quy mô bán công nghiệp: Nhóm nghiên cứu thuộc các phòng thí nghiệm vật liệu vô cơ cần chuẩn hóa quy trình khử pha lỏng với thể tích chất khử NH2OH.HCl trong khoảng 0,25 - 0,45 ml, nhằm sản xuất ổn định các hạt có hình thái bát diện cụt diện tích bề mặt lớn hơn 35 m²/g, hoàn thành trong thời gian 6 tháng.

2. Triển khai thử nghiệm xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm: Đề xuất các kỹ sư môi trường tại các nhà máy xử lý nước thải ứng dụng hệ xúc tác dị thể Au-Cu2O để xử lý các dòng thải chứa phẩm màu hữu cơ độc hại nồng độ 10 - 50 mg/L, hướng tới mục tiêu đạt tỷ lệ phân hủy trên 90% trong vòng 90 phút chiếu sáng tự nhiên, lộ trình thực hiện trong 12 tháng.

3. Chế tạo linh kiện cảm biến khí độc hại thế hệ mới: Đề nghị các trung tâm nghiên cứu quang điện tử và vi mạch tích hợp màng mỏng dị thể Au-Cu2O lên đế vi điện cực để phát hiện khí CO ở nồng độ 200 ppm và khí NO2 ở ngưỡng 0,5 ppm trong dải nhiệt độ 150 - 300 °C, tiến hành thử nghiệm trong 9 tháng.

4. Xây dựng quy trình tái sinh và thu hồi vật liệu xúc tác: Bộ phận kỹ thuật phòng thí nghiệm cần thiết lập quy trình ly tâm thu hồi xúc tác ở tốc độ 4000 vòng/phút kết hợp rửa phân tán bằng dung môi cồn hữu cơ, đảm bảo duy trì hoạt tính xúc tác trên 80% sau ít nhất 5 chu kỳ phản ứng liên tiếp, thực hiện trong 3 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng cao cho nhiều nhóm đối tượng:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa học, Khoa học Vật liệu: Nắm vững quy trình tổng hợp hóa học ướt để điều khiển hình thái hạt nano, kỹ thuật nuôi mầm tạo thanh nano vàng và phương pháp tính toán thông số mạng tinh thể từ dữ liệu nhiễu xạ tia X trong khoảng góc quét 2θ từ 20° đến 70°.

• Kỹ sư công nghệ môi trường và xử lý chất thải công nghiệp: Tiếp cận giải pháp xử lý quang xúc tác hiện đại, ứng dụng xử lý triệt để phẩm màu hữu cơ xanh metylen nồng độ 6,13 mg/L trong nước thải mà không sinh ra bùn thải thứ cấp độc hại.

• Chuyên gia nghiên cứu và phát triển linh kiện cảm biến: Tham khảo cơ chế dẫn điện và truyền điện tích của tiếp xúc dị thể kim loại - bán dẫn để thiết kế các cảm biến đo khí CO 200 ppm hoặc cảm biến sinh học định lượng glucozơ có độ nhạy cao.

• Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học: Bổ sung tài liệu tham khảo chuyên sâu và dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về phân tích cấu trúc vi mô qua các thiết bị SEM, TEM và phổ PIXE phục vụ giảng dạy các học phần vật liệu nano tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

Cấu trúc dị thể nhân - vỏ Au-Cu2O mang lại ưu điểm vượt trội gì so với Cu2O đơn pha? Cấu trúc nhân - vỏ tạo ra tiếp xúc dị thể kim loại - bán dẫn, trong đó nhân Au đóng vai trò bẫy điện tử giúp phân tách hiệu quả các cặp điện tử - lỗ trống quang sinh. Nhờ đó, hiệu suất phân hủy xanh metylen tăng từ 62% lên 85% sau 120 phút chiếu sáng.

Vai trò của các chất hoạt động bề mặt SDS, CTAB và PVP trong quá trình tổng hợp là gì? Chất hoạt động bề mặt đóng vai trò tác nhân định hướng cấu trúc và chống kết tụ hạt. SDS và CTAB tạo điều kiện tối ưu để hình thành lớp vỏ Cu2O đồng đều bao quanh nhân vàng, trong khi PVP hạn chế sự định hướng tinh thể do chuỗi polyme cồng kềnh cản trở không gian.

Tại sao thể tích chất khử NH2OH.HCl lại làm biến đổi hình thái tinh thể Cu2O? Lượng chất khử quyết định tốc độ phản ứng khử ion đồng và tốc độ tạo mầm tinh thể. Khi thể tích NH2OH.HCl thay đổi từ 0,15 ml đến 0,65 ml, tốc độ phát triển các mặt mạng tinh thể (111) và (200) thay đổi, dẫn đến sự biến đổi từ dạng lập phương 150 - 200 nm sang bát diện cụt 90 - 120 nm.

Khả năng phân hủy quang hóa xanh metylen của vật liệu diễn ra theo cơ chế nào? Dưới ánh sáng kích thích, Cu2O tạo ra các lỗ trống có tính oxy hóa mạnh và electron chuyển sang nhân Au. Các phần tử mang điện này phản ứng với phân tử nước và oxy hòa tan tạo thành các gốc tự do có hoạt tính cao, phá vỡ liên kết vòng thơm của xanh metylen 6,13 mg/L.

Phương pháp quang phổ PIXE có ý nghĩa gì trong phân tích vật liệu nano lai? Phương pháp PIXE sử dụng chùm ion từ máy gia tốc tĩnh điện pelletron 5SDH-2 để kích thích phát xạ tia X đặc trưng, cho phép xác định chính xác thành phần định tính và định lượng các nguyên tố Cu, Au trên đế silic mà không làm biến tính hay phá hủy cấu trúc mẫu nghiên cứu.

Kết luận

• Tổng hợp thành công vật liệu nano Cu2O đơn pha với 4 dạng hình thái tinh thể khác nhau, kích thước dao động từ 90 nm đến 250 nm và hằng số mạng a = 4,262 Å.
• Chế tạo đồng đều các hạt nano vàng kích thước 20 nm (hấp thụ cực đại tại 530 nm) và thanh nano vàng với hai dải hấp thụ plasmon đặc trưng tại 524 nm và 674 nm.
• Làm chủ quy trình tổng hợp cấu trúc dị thể nhân - vỏ Au-Cu2O có kiểm soát thông qua việc điều chỉnh chất khử và chất hoạt động bề mặt SDS, CTAB.
• Nâng cao vượt bậc hoạt tính quang xúc tác phân hủy xanh metylen đạt độ chuyển hóa 85% sau 120 phút chiếu sáng, vượt trội so với mức 62% của Cu2O nguyên chất.
• Khẳng định tính ưu việt của hệ thống phân tích vật liệu đa diện gồm XRD, SEM, TEM, UV-Vis và quang phổ PIXE trong nghiên cứu khoa học vật liệu vô cơ.

Trong lộ trình 6 đến 12 tháng tới, các nhóm nghiên cứu cần đẩy mạnh thử nghiệm vật liệu trên các mẫu nước thải dệt nhuộm thực tế và phát triển màng cảm biến khí độc. Quý độc giả, các nhà khoa học và doanh nghiệp quan tâm đến công nghệ vật liệu nano lai hãy kết nối và hợp tác để thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của công trình này.

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 VAN CHAT LUONG download : add [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. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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 VAN CHAT LUONG download : add [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 VAN CHAT LUONG download : add [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 VAN CHAT LUONG download : add [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.