Nghiên Cứu và Ứng Dụng Đồng(I) Oxit Nano trong Hóa Học

LỜI CAM ĐOAN

LỜI MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA ĐỒNG(I) OXIT

1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP Cu2O NANO DẠNG BỘT

1.2.1. Phương pháp khử trong dung dịch

1.2.2. Phương pháp kết tủa

1.2.3. Phương pháp sử dụng bức xạ và sóng siêu âm

1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG MỎNG Cu2O NANO

1.3.1. Phương pháp lắng đọng hơi hoá học (CVD)

1.3.2. Phương pháp kết tủa điện hoá (ECD)

1.3.3. Phương pháp phún xạ

1.4. ỨNG DỤNG CỦA Cu2O NANO

1.4.1. Xúc tác cho quá trình polime hoá

1.4.2. Chế tạo cảm biến sinh học

1.4.3. Cu2O với quá trình chuyển hoá năng lượng

1.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X

1.5.2. Phương pháp quang điện tử tia X

1.5.3. Các phương pháp kính hiển vi

1.5.3.1. Kính hiển vi điện tử - Phổ tán sắc năng lượng tia X

1.5.3.2. Kính hiển vi lực nguyên tử

1.5.4. Phương pháp xác định độ dày màng mỏng

1.5.5. Các phương pháp quang phổ

2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ

2.2. TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG ĐỒNG(I) OXIT DẠNG BỘT

2.2.1. Tổng hợp Cu2O nano dạng bột

2.2.2. Tổng hợp Cu2O thô

2.2.3. Sử dụng Cu2O nano làm xúc tác trong phản ứng polime hóa axetilen để chế tạo sợi cacbon

2.2.4. Sử dụng Cu2O nano xúc tác cho quá trình khử màu dung dịch metyl da cam

2.3. CHẾ TẠO MÀNG MỎNG Cu2O NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP CVD

2.3.1. Tổng hợp đồng(I) axetylaxetonat

2.3.2. Khảo sát khả năng thăng hoa của phức chất Cu(acac)2

2.3.3. Chế tạo màng mỏng Cu2O nano

2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.4.1. Phương pháp xác định thành phần và cấu trúc tinh thể

2.4.2. Phương pháp phân tích nhiệt

2.4.3. Các phương pháp đánh giá hình thái vật liệu nano và bề mặt màng mỏng

2.4.4. Phương pháp nghiên cứu tính chất quang

2.4.5. Xác định thành phần phức chất Cu(acac)2

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. TỔNG HỢP Cu2O NANO DẠNG BỘT

3.1.1. Ảnh hưởng của chất bảo vệ và chất khử

3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ kiềm

3.1.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng

3.2. ỨNG DỤNG CỦA Cu2O NANO DẠNG BỘT

3.2.1. Sử dụng Cu2O làm xúc tác trong phản ứng polime hóa axetilen để tổng hợp sợi nano cacbon

3.2.1.1. Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí axetilen

3.2.1.2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng

3.2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

3.2.1.4. Phân tích nguyên tố sợi cacbon bằng EDS

3.2.2. Sử dụng Cu2O nano làm xúc tác quang hóa trong phản ứng khử màu metyl da cam

3.2.2.1. Khả năng xúc tác quang của Cu2O

3.2.2.2. Khả năng tái sử dụng của xúc tác

3.3. CHẾ TẠO MÀNG MỎNG Cu2O NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP CVD

3.3.1. Các đặc trưng của tiền chất Cu(acac)2

3.3.2. Chế tạo màng mỏng Cu2O nano bằng phương pháp CVD từ đồng(II) axetylaxetonat

3.3.2.1. Nghiên cứu thành phần màng

3.3.2.2. Nghiên cứu hình thái bề mặt màng mỏng

3.3.2.3. Nghiên cứu tính chất quang của màng

3.3.2.4. Ảnh hưởng của tác nhân phản ứng đến thành phần và tính chất của màng mỏng CuO nano

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Đồng I Oxit Nano và Ứng Dụng Hóa Học

Nghiên cứu và ứng dụng Đồng(I) oxit nano (Cu2O nano) đang thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực hóa học và vật liệu. Vật liệu nano Cu2O thể hiện nhiều tính chất độc đáo so với vật liệu khối, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Bài viết này sẽ trình bày tổng quan về cấu trúc, tính chất, phương pháp tổng hợp và các ứng dụng quan trọng của Cu2O nano trong hóa học. Từ xúc tác đến cảm biến và y sinh, Cu2O nano hứa hẹn mang lại nhiều đột phá trong tương lai. Theo tài liệu gốc, Cu2O có nhiều ứng dụng trong thực tiễn như làm bộ cảm biến áp suất oxi, chất bán dẫn loại p cho pin mặt trời, nguyên liệu trong công nghiệp dược phẩm và các thiết bị y tế.

1.1. Cấu Trúc Tinh Thể và Tính Chất Quang Học Cu2O Nano

Cu2O có cấu trúc tinh thể lập phương, thuộc nhóm đối xứng không gian Pn3m. Ở cấp độ nanomet, khi kích thước hạt giảm, năng lượng vùng cấm tăng lên do hiệu ứng kích thước (size effect). Điều này cho phép Cu2O nano hấp thụ photon trong vùng khả kiến. Tính chất quang học này làm cho Cu2O nano trở nên ưu việt trong các ứng dụng quang hóa so với các oxit kim loại khác, như TiO2 chỉ hấp thụ tia tử ngoại. Cụ thể, Cu2O có tính chất quang học tốt ở nhiệt độ tương đối thấp do có kha năng hấp thụ các exciton và trao đổi với các photon khác nhau.

1.2. Ứng Dụng Tiềm Năng của Vật Liệu Nano Cu2O trong Hóa Học

Cu2O nano sở hữu diện tích bề mặt lớn, mang lại khả năng xúc tác hiệu quả cho nhiều phản ứng hóa học, cả hữu cơ truyền thống và hiện đại. Ngoài ra, Cu2O nano còn được ứng dụng trong các lĩnh vực như điện tử, cảm biến, y sinh và môi trường. Việc nghiên cứu sâu hơn về ứng dụng Cu2O nano sẽ mở ra những cơ hội phát triển công nghệ mới.

II. Thách Thức và Vấn Đề Nghiên Cứu về Tổng Hợp Cu2O Nano

Mặc dù Cu2O nano có nhiều tiềm năng, quá trình tổng hợp Cu2O nano vẫn còn nhiều thách thức. Việc kiểm soát kích thước, hình thái và độ ổn định của các hạt nano là rất quan trọng để đảm bảo tính chất và hiệu quả ứng dụng. Các phương pháp chế tạo Cu2O nano hiện tại đôi khi gặp khó khăn trong việc tạo ra vật liệu có độ tinh khiết cao và khả năng tái sản xuất ổn định. Do đó, vẫn còn nhiều thách thức trong việc tổng hợp Cu2O nano dạng bột bằng nhiều phương pháp khác nhau.

2.1. Ảnh Hưởng của Điều Kiện Phản Ứng đến Kích Thước Cu2O Nano

Các yếu tố như nhiệt độ, pH, nồng độ chất phản ứng, và sự hiện diện của chất bảo vệ có ảnh hưởng đáng kể đến kích thước Cu2O nano và hình thái của chúng. Nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng để đạt được Cu2O nano với kích thước và hình dạng mong muốn.

2.2. Độ Ổn Định của Cu2O Nano Các Giải Pháp Cải Thiện

Cu2O nano có xu hướng bị oxy hóa thành CuO, đặc biệt trong điều kiện môi trường ẩm. Việc cải thiện độ ổn định Cu2O nano là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả ứng dụng lâu dài. Các giải pháp bao gồm sử dụng chất bảo vệ, tạo lớp phủ bề mặt, hoặc điều chỉnh môi trường phản ứng.

2.3. Các Phương Pháp Đặc Trưng Cu2O Nano

Việc đặc trưng Cu2O nano là rất quan trọng, giúp xác định thành phần, cấu trúc và tính chất của vật liệu. Các phương pháp thường được sử dụng bao gồm nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ quang điện tử tia X (XPS), và phổ hấp thụ nguyên tử (AAS). Các phương pháp này cung cấp thông tin quan trọng để kiểm soát và tối ưu hóa quá trình chế tạo Cu2O nano.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Bột Cu2O Nano Khử trong Dung Dịch

Một trong những phương pháp phổ biến để tổng hợp Cu2O nano là khử muối đồng trong dung dịch. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước hạt và hình thái ở một mức độ nhất định. Các chất khử thường được sử dụng bao gồm hydrazin, natri borohydride và axit ascorbic. Việc lựa chọn chất khử và điều kiện phản ứng phù hợp là yếu tố then chốt để đạt được Cu2O nano chất lượng cao. Theo tài liệu gốc, Cu2O có kích cỡ 2-18 nm được điều chế bằng cách thêm từ từ dung dịch t- BuOH trong tetrahidrofuran (THF) vào dung dịch hỗn hợp CuAa (A=Cl, CH3COO, (CHzCOO);CH) và NaH trong THF ở 63°C.

3.1. Ảnh Hưởng của Chất Bảo Vệ PVA PEG LA đến Hình Thái Cu2O Nano

Chất bảo vệ đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa sự kết tụ của các hạt nano và kiểm soát hình thái Cu2O nano. Các chất bảo vệ thường được sử dụng bao gồm polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG) và natri lauryl sulfat (LA). Loại và lượng chất bảo vệ có ảnh hưởng lớn đến kích thước và hình dạng của Cu2O nano.

3.2. Tối Ưu Hóa Nồng Độ Kim Loại và Thời Gian Phản Ứng cho Cu2O nano

Nồng độ kim loại và thời gian phản ứng là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kích thước hạt và hiệu suất tổng hợp Cu2O nano. Việc tìm ra điều kiện tối ưu cho hai yếu tố này là rất cần thiết để đạt được Cu2O nano với chất lượng tốt nhất.

IV. Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng Cu2O Nano Bằng CVD

Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) là một kỹ thuật hiệu quả để chế tạo màng mỏng Cu2O nano với độ đồng đều cao và khả năng kiểm soát tốt độ dày. Quá trình CVD bao gồm việc sử dụng một tiền chất dễ bay hơi chứa đồng, sau đó phân hủy nhiệt tiền chất này trên bề mặt chất nền để tạo thành lớp màng mỏng Cu2O. Theo tài liệu gốc, để chế tạo màng mỏng đồng(1) oxit nano trên dé thủy tinh bằng phương pháp CVD từ tiền chất đồng) axetylaxetonat: « Tổng hợp và nghiên cứu khả năng thăng hoa của đồng(II) axetylaxetonat. « Chế tạo màng mỏng CuzO nano từ déng(II) axetylaxetonat trong các điều kiện khác nhau.

4.1. Tiền Chất Đồng II Axetylaxetonat Tổng Hợp và Khảo Sát

Đồng(II) axetylaxetonat [Cu(acac)2] là một tiền chất phổ biến được sử dụng trong CVD để chế tạo màng mỏng Cu2O nano. Việc tổng hợp và khảo sát tính chất của Cu(acac)2, bao gồm khả năng thăng hoa, là rất quan trọng để tối ưu hóa quá trình CVD.

4.2. Ảnh Hưởng của Tác Nhân Phản Ứng H2O Rượu đến Thành Phần Màng

Sự hiện diện của các tác nhân phản ứng như hơi nước hoặc hơi rượu trong quá trình CVD có thể ảnh hưởng đến thành phần và cấu trúc của màng mỏng Cu2O nano. Việc điều chỉnh loại và lượng tác nhân phản ứng cho phép kiểm soát tỷ lệ Cu(I) và Cu(II) trong màng.

V. Ứng Dụng Xúc Tác của Cu2O Nano trong Phản Ứng Hóa Học

Cu2O nano có diện tích bề mặt lớn và nhiều vị trí hoạt động, khiến nó trở thành một chất xúc tác tiềm năng cho nhiều phản ứng hóa học. Các ứng dụng xúc tác bao gồm phản ứng oxy hóa, khử, và phản ứng ghép cặp. Việc nghiên cứu các ứng dụng xúc tác Cu2O nano có thể mang lại các quy trình tổng hợp hóa học hiệu quả và thân thiện với môi trường. Theo tài liệu, do diện tích bề mặt lớn nên có khả năng làm xúc tác cho các quá trình tổng hợp hữu cơ truyền thống và hiện đại.

5.1. Cu2O Nano Xúc Tác cho Phản Ứng Polime Hóa Axetilen

Cu2O nano có thể được sử dụng làm xúc tác trong phản ứng polime hóa axetilen để tạo ra sợi nano cacbon. Kích thước và hình thái của Cu2O nano ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của sợi nano cacbon.

5.2. Phân Hủy Quang Xúc Tác Metyl Da Cam bằng Cu2O Nano

Cu2O nano thể hiện hoạt tính quang xúc tác trong việc phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ, chẳng hạn như metyl da cam. Quá trình phân hủy quang xúc tác này dựa trên khả năng của Cu2O nano hấp thụ ánh sáng và tạo ra các electron và lỗ trống, thúc đẩy quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm.

VI. Kết Luận và Triển Vọng Nghiên Cứu Cu2O Nano Trong Tương Lai

Cu2O nano là một vật liệu đầy hứa hẹn với nhiều ứng dụng tiềm năng trong hóa học và các lĩnh vực liên quan. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc cải thiện phương pháp tổng hợp Cu2O nano, tối ưu hóa tính chất và mở rộng phạm vi ứng dụng. Sự phát triển của công nghệ nano và hóa học nano sẽ thúc đẩy việc khám phá và khai thác triệt để tiềm năng của Cu2O nano. Hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ đóng góp vào việc đưa các nghiên cứu cơ bản vào ứng dụng thực tiễn, đặc biệt là phát triển một hướng nghiên cứu mới ở Việt Nam là chế tạo các màng mỏng bằng kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học.

6.1. Ứng Dụng Cảm Biến và Y Sinh Tiềm Năng của Cu2O Nano

Cu2O nano có thể được sử dụng trong các ứng dụng cảm biến, như cảm biến khí và cảm biến sinh học. Ngoài ra, Cu2O nano cũng có tiềm năng trong lĩnh vực y sinh, ví dụ như làm chất kháng khuẩn và chất chống ung thư.

6.2. Ứng Dụng Môi Trường của Cu2O Nano Xử Lý Nước

Cu2O nano có thể được sử dụng trong ứng dụng môi trường, đặc biệt là trong xử lý nước để loại bỏ các chất ô nhiễm. Khả năng quang xúc tác của Cu2O nano có thể được tận dụng để khử trùng nước và phân hủy các chất hữu cơ độc hại.

Nghiên Cứu Luận Án Tiến Sĩ Về Đồng(I) Oxit Nano Tại Đại Học Quốc Gia Hà Nội