Luận văn thạc sĩ về tổng hợp vật liệu nanocomposite oxit sắt từ trong kỹ thuật hóa học

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite oxit sắt từ, ứng dụng trong công nghệ và vật liệu mới.

• Tác giả: Lê Đức Quân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hữu Hiếu
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu Nanocomposite Oxit Sắt Từ/Graphene Aerogel Để Hấp Phụ Bisphenol A, Tetracyline
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu nanocomposite

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite oxit sắt từ/graphene aerogel (Fe3O4/GA) đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các vật liệu mới với khả năng hấp phụ cao. Vật liệu oxit sắt từ là một trong những loại vật liệu có tính từ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, môi trường và công nghệ. Sự kết hợp giữa vật liệu nano và graphene tạo ra một cấu trúc có diện tích bề mặt lớn, từ đó tăng cường khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm như bisphenol A và tetracycline. Theo nghiên cứu, tỷ lệ Fe3O4:GO và thời gian phản ứng là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất của nanocomposite. Việc khảo sát các yếu tố này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình tổng hợp mà còn gia tăng hiệu quả ứng dụng của vật liệu trong xử lý ô nhiễm môi trường.

1.1. Đặc điểm và ứng dụng của vật liệu nanocomposite

Vật liệu nanocomposite oxit sắt từ/graphene aerogel có nhiều ưu điểm nổi bật nhờ vào cấu trúc xốp và khả năng hấp phụ mạnh mẽ. Công nghệ nanocomposite cho phép kết hợp các thành phần khác nhau để tạo ra vật liệu có tính chất vượt trội so với các vật liệu truyền thống. Sự kết hợp giữa oxit sắt từ và graphene không chỉ cải thiện khả năng hấp phụ mà còn giúp vật liệu có thể thu hồi dễ dàng nhờ vào tính từ của oxit sắt. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu này có thể hấp phụ hiệu quả các hợp chất hữu cơ độc hại, góp phần cải thiện chất lượng nước và bảo vệ môi trường. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm xử lý nước thải, lọc không khí và trong các hệ thống cảm biến sinh học.

II. Phương pháp tổng hợp vật liệu

Quá trình tổng hợp vật liệu oxit sắt từ/graphene aerogel được thực hiện qua nhiều bước, bao gồm tổng hợp graphene oxit (GO) từ graphite bằng phương pháp Hummers cải tiến, sau đó là tổng hợp graphene aerogel (GA) thông qua phương pháp thủy nhiệt. Phương pháp tổng hợp này cho phép điều chỉnh các yếu tố như loại chất khử và hàm lượng chất khử, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng của GA. Tiếp theo, nano oxit sắt từ (Fe3O4) được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa. Cuối cùng, vật liệu composite Fe3O4/GA được hình thành thông qua quy trình đồng kết tủa, trong đó tỷ lệ Fe3O4:GO và thời gian phản ứng được nghiên cứu để xác định điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp.

2.1. Khảo sát điều kiện tổng hợp

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng điều kiện tổng hợp có ảnh hưởng lớn đến hình thái và tính chất của vật liệu nanocomposite. Việc khảo sát các yếu tố như tỷ lệ nguyên liệu và thời gian phản ứng giúp xác định được điều kiện tối ưu cho việc tổng hợp vật liệu nanocomposite. Cụ thể, tỷ lệ Fe3O4:GO là yếu tố quan trọng quyết định đến khả năng hấp phụ của vật liệu đối với các chất ô nhiễm. Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc điều chỉnh tỷ lệ này có thể tạo ra vật liệu với tính chất hấp phụ tốt hơn, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm trong môi trường nước.

III. Đánh giá khả năng hấp phụ

Khả năng hấp phụ của vật liệu nanocomposite Fe3O4/GA đối với bisphenol A và tetracycline được đánh giá thông qua các mô hình động học và đẳng nhiệt hấp phụ. Nghiên cứu đã áp dụng các mô hình động học bậc một, bậc hai và khuếch tán mao quản để phân tích quá trình hấp phụ. Kết quả cho thấy rằng thời gian tiếp xúc, pH và nồng độ ban đầu của chất hấp phụ có ảnh hưởng đáng kể đến dung lượng hấp phụ của vật liệu. Các mô hình đẳng nhiệt như Langmuir và Freundlich cũng được sử dụng để mô tả quá trình hấp phụ, từ đó xác định được các thông số hấp phụ tối ưu.

3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng hấp phụ

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các yếu tố như pH, nồng độ ban đầu của chất hấp phụ và hàm lượng chất hấp phụ đều có tác động lớn đến khả năng hấp phụ của vật liệu oxit sắt từ/graphene aerogel. Việc tối ưu hóa các yếu tố này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả hấp phụ mà còn mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng vật liệu trong xử lý ô nhiễm môi trường. Kết quả thực nghiệm cho thấy dung lượng hấp phụ cao nhất đạt được ở điều kiện pH tối ưu, cùng với nồng độ chất hấp phụ phù hợp, từ đó khẳng định tính khả thi của việc sử dụng Fe3O4/GA trong các ứng dụng thực tế.

IV. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Luận văn đã cung cấp cái nhìn tổng quan về vật liệu nanocomposite oxit sắt từ/graphene aerogel và khả năng ứng dụng trong việc hấp phụ các chất ô nhiễm như bisphenol A và tetracycline. Kết quả nghiên cứu không chỉ khẳng định tiềm năng của vật liệu trong việc xử lý ô nhiễm môi trường mà còn mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong tương lai. Việc phát triển và tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu nanocomposite sẽ là một bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ nanomaterial vào thực tiễn.

4.1. Triển vọng ứng dụng trong tương lai

Với những ưu điểm vượt trội về khả năng hấp phụ và tính từ, vật liệu nanocomposite Fe3O4/GA hứa hẹn sẽ có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như xử lý nước thải, lọc không khí và cảm biến sinh học. Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới, cải tiến tính chất của vật liệu, từ đó nâng cao hiệu quả ứng dụng trong xử lý ô nhiễm và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Trong giai đoạn đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhiều ngành công nghiệp đã mở rộng quy mô và phạm vi sản xuất. Các chất gây ô nhiễm (chất màu hữu cơ, các ion kim loại n ng, các hợp chất hữu cơ, v.) được thải ra ngoài môi trường với hàm lượng ngày càng tăng gây ra tác động xấu đến môi trường và cơ thể con người. Trong đó, các hợp chất phenolic, kháng sinh từ công nghiệp sản xuất là tác nhân ô nhiễm nguy hiểm do có khả năng phân hủy kém, độc tính cao, thời gian tồn tại kéo dài, và tác động xấu đến sức khỏe con người và môi trường. Vấn đề xử lý dư lượng các hợp chất phenolic, kháng sinh trong nước đang được quan tâm.

Nhiều phương pháp để xử lý dư lượng các hợp chất hữu cơ trong nước như hấp phụ, sinh học, x c tác quang, v. đã được phát triển. Phương pháp hấp phụ với ưu điểm vận hành đơn giản, chi ph đầu tư thấp đang được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên, việc áp dụng các loại vật liệu hấp phụ truyền thống hiện có (như than hoạt tính, zeolite, silicagel, v.) để xử lý vẫn chưa đem lại kết quả tối ưu.

Trong những năm gần đây, vật liệu nanocomposite (Fe3O4/GA) với độ xốp cao, diện tích bề m t riêng lớn, v. được xem là vật liệu hấp phụ tiềm năng trong xử lý các hợp chất phenolic và kháng sinh. Bên cạnh đó, các hạt nano Fe3O4 phân bố trên bề m t GA gi p th c đẩy quá trình liên kết các tấm graphene với nhau hình thành cấu trúc aerogel. Ngoài ra, vật liệu được tổng hợp có từ tính cao nên dễ thu hồi sau khi tiến hành hấp phụ.

Vì vậy, đề tài được chọn để thực hiện là ―Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite oxit sắt từ/graphene aerogel để hấp phụ bisphenol A, tetracyline”. xvii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Graphite Graphite (Gi) là một dạng hình thù của cacbon, được cấu tạo từ những đơn lớp cacbon liên kết với nhau thông qua lực phân tử Van der Waals. Lực liên kết yếu này làm cho các lớp cacbon trong Gi có thể trượt lên nhau và tách ra khi có lực tác động.

Trên mỗi đơn lớp của Gi, các nguyên tử cacbon sắp xếp theo cấu trúc lục giác đều [1]. Khoảng cách giữa các đơn lớp khoảng 0,334 nm và khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon trong liên kết là 0,142 nm được mô tả ở hình 1. Cấu trúc của Gi [2,3] Gi được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như chế tạo điện cực, vật liệu chịu nhiệt, bôi trơn, chất hấp phụ, v. Bên cạnh đó, Gi với nhiệt độ nóng chảy cao (1000 oC) được dùng để chế tạo chén nung và nồi nấu chảy kim loại.

Gần đây, Gi được sử dụng làm tiền chất cho tổng hợp các vật liệu trên cơ sở graphene. Cấu trúc Graphene (Gr) là những đơn lớp Gi được tách ra ở với độ dày chỉ bằng một nguyên tử cacbon. Gr được tạo thành từ các nguyên tử cacbon sắp xếp theo cấu tr c lục giác trên cùng một m t phẳng. Do chỉ có 6 điện tử tạo thành lớp vỏ của nguyên tử cacbon nên chỉ có bốn điện tử phân bố ở trạng thái 2s và 2p đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết hóa học giữa các nguyên tử với nhau.

Các trạng thái 2s và 2p của nguyên tử cacbon lai hóa với nhau tạo thành ba orbital ở trạng thái sp2 đồng phẳng với góc liên kết khoảng 120o. Mỗi orbital ở trạng thái sp2 của nguyên tử cacbon này xen phủ với một orbital ở trạng thái sp2 của nguyên tử cacbon kề bên hình thành nên liên kết cộng hóa trị () [6,3]. Các liên kết  này quy định cấu tr c mạng lưới tổ ong và t nh bền cơ học và trơ hóa học của Gr. Ngoài các liên kết , giữa hai nguyên tử cacbon lân cận còn tồn tại liên kết pi (π) hình thành do sự xen phủ của các orbitan 2pz không tham gia lai hóa.

Do liên kết π này yếu và có định hướng không gian vuông góc với các orbitan sp2 nên các điện tử tham gia liên kết này rất linh động, nên Gr có khả năng dẫn điện [7]. Liên kết  Orbital p Liên kết  Orbital lai hóa sp2 Hình 1. Các liên kết trong Gr [7] 1. Tính chất Gr có t nh cơ học cao, độ bền kéo 42 N/m và bền cơ 130,5 GPa, gấp 200 lần so với thép, và có thể kéo dãn tới 20 % so với k ch thước ban đầu mà không bị phá hủy.

Bên cạnh đó, do liên kết  không định chỗ trong toàn bộ cấu tr c Gr nên các điện tử tham gia liên kết này có thể di chuyển giữa các orbital, nên Gr có độ linh động điện tử cao (200000 cm2/ V. Độ dẫn nhiệt của Gr được xác định là 6000 W/mK, cao hơn các dạng cấu trúc 2 khác của cacbon: ống nanocacbon, graphite, và kim cương. Gr có khả năng dẫn nhiệt theo các hướng là như nhau, góp phần gia tăng hiệu quả tản nhiệt của vật liệu [8,9]. Các tính chất của Gr được mô tả ở bảng 1.

Tính chất của Gr [7] Tính chất Giá trị Chiều dài liên kết C – C 0,142 nm Diện tích bề m t lý thuyết 2630 m2 Mô đun đàn hồi 1100 GPa Độ cứng 125 GPa Độ linh động điện tử 200 000 cm2 /V. Ứng dụng Với nhiều đ c t nh ưu việt, Gr được xem như là vật liệu tiềm năng có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: y tế, vật liệu, điện tử, năng lượng, v.  Y tế: Gr với độ bền hóa học và khả năng tương th ch sinh học cao nên được sử dụng trong chế tạo các mô nhân tạo, cảm biến sinh học. Gr cũng được dùng làm chất dẫn truyền thuốc để chữa trị các bệnh tiểu đường, ung thư, v.

 Môi trƣờng: T nh chất rào cản của lớp Gr ngăn ch n quá trình truyền vận của các phân tử khi khuếch tán qua màng, gia tăng hiệu quả quá trình lọc etanol/nước, H2O2/nước. Gr kết hợp với các oxit kim loại (Fe3O4, FeOOH, NiFe2O4, v.) có khả năng hấp phụ và xúc tác cao ứng dụng trong xử lý các chất ô nhiễm (kim loại n ng, chất màu hữu cơ, v.  Vật liệu: Gr được ứng dụng trong chế tạo lớp vỏ máy bay, giúp giảm trọng lượng, và cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Gr được sử dụng làm lớp phủ bề m t, chất gia cường các tính chất cơ lý cho các vật liệu composite.

 Điện - điện tử: Gr được xem như là vật liệu có khả năng thay thế silicon trong chế tạo các transitor, bóng bán dẫn, vi mạch điện tử. Gr kết hợp với công nghệ đèn LED cho 3 phép gia tăng độ sáng, kéo dài thời gian làm việc và giảm tiêu tốn năng lượng so với đèn LED truyền thống.  Năng lƣợng: Gr được sử dụng trong các pin điện hóa gi p gia tăng khả năng lưu trữ năng lượng và tốc độ sạc. Đ c biệt, do tính dẫn điện và độ trong suốt cao, Gr có khả năng thay thế platin trong pin năng lượng m t trời, giúp giảm giá thành sản phẩm trong khi vẫn duy trì hiệu quả chuyển hóa.

Tuy nhiên, Gr có bề m t kỵ nước và dễ kết tụ với nhau, làm giảm tính dẫn điện và diện tích bề m t nên việc mở rông ứng dụng bị hạn chế. Để khắc phục nhược điểm trên, các vật liệu trên cơ sở graphene như graphene oxit, graphene aerogel, v. đã được phát triển. Cấu trúc Graphene oxit (GO) là đơn lớp của Gi có gắn thêm các nhóm chứa oxy ưa nước như hydroxyl (-OH), epoxy (-O-), và cacbonyl (-C-O) trên bề m t cấu trúc mạng và nhóm carboxyl (-COOH) ở cạnh [12].

Cấu trúc của GO được mô tả ở hình 1. Cấu trúc của GO [13] 1. Tính chất Do có nhiều nhóm chức chứa oxy, GO có t nh ưa nước và khả năng phân tán tốt trong các dung môi phân cực (etanol, metanol, nước). Bên cạnh đó, các nhóm chức mang điện tích âm sẽ tạo ra một lực đẩy giữa các lớp làm nới rộng khoảng cách giữa các lớp.

Đ c biệt là khi GO được phân tán trong nước, liên kết hydro sẽ được hình thành giữa các phân 4 tử nước và bề m t của GO làm nới rộng khoảng cách đáng kể so với Gi như thể hiện ở hình 1. Liên kết hydro hình thành giữa phân tử nước và bề m t của GO [14] Tuy nhiên, các nhóm chức trên bề m t phá vỡ mạng lưới sp2 làm cho GO có khả năng dẫn điện thấp khoảng 0,021 ± 0,002 S/m. Khi các nhóm chức bị khử hoàn toàn sẽ tạo thành graphene. Nếu quá trình khử vẫn còn một số nhóm chức chứa oxy tạo graphene oxit dạng khử (reduced graphene oxit – rGO) [15,16].

Phương pháp tổng hợp GO là sản phẩm của quá trình trình oxy hóa và tách lớp Gi. Do tác động của quá trình oxy hóa, các nhóm chức được gắn lên bề m t của Gi tạo graphite oxit (GiO). Sau đó, tiến hành tách lớp GiO bằng siêu âm để tạo GO. Quá trình tổng hợp GO từ Gi được thể hiện ở hình 1.

5 Oxi hóa Graphite Graphite oxit Tách lớp Graphene oxit Hình 1. Quá trình tổng hợp GO từ Gi [17] Các phương pháp tổng hợp GO đã được phát triển: Brodie (1859), Staudenmaier (1899), và Hummers và Offeman (1958). Phương pháp Brodie và Staudenmaier sử dụng tác nhân KClO3 và HNO3 để oxy hóa graphite. Tuy nhiên, sản phẩm GO tạo thành có tỷ lệ oxy hóa thấp (tỷ lệ C/O 2,4-3,0) và độ khuyết tật trong cấu tr c cao.

Bên cạnh đó, KClO3 dễ gây nổ, thời gian phản ứng kéo dài (4 ngày), và hỗn hợp kh ClO2, NO2, và NO độc hại phát sinh, gây nguy hiểm nên đã hạn chế sử dụng [18]. Năm 1958, Hummers và Offeman phát triển phương pháp tổng hợp GO sử dụng H2SO4, NaNO3, và KMnO4 để oxy hóa Gi đã và đang được sử dụng cho tới nay. Phương pháp Hummers có nhiều ưu điểm so với phương pháp Brodie và Staudenmaier: - Việc sử dụng tác nhân oxy hóa KMnO4 nhằm đảm bảo phản ứng hoàn thành trong vòng vài giờ; - Không có khí dễ nổ ClO2 vì không dùng muối clorat; - Việc thay thế HNO3 bằng NaNO3 loại bỏ hiện tượng bốc khói axit. Tuy nhiên, phương pháp Hummers vẫn còn hạn chế: - Sự hình thành hỗn hợp khí NO2/N2O4 do có m t NaNO3; - Khó loại bỏ ion Na+ và NO3- khỏi nước thải trong quá trình tổng hợp GO và các quá trình lọc; 6 - Oxy hóa không hoàn toàn dẫn đến hình thành hỗn hợp Gi/GO [18].