Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu nano lai bạc và ôxit graphene trong cảm biến môi trường

• Tác giả: Vũ Văn Cát
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Ngọc Phan
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa Học Vật Liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Lai Bạc Và Ôxít Graphene Cho Cảm Biến Môi Trường
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU NANO LAI Ag/GO, CẢM BIẾN KHÍ QCM VÀ CẢM BIẾN SERS
• 1.1. Tổng quan về graphen oxit
• 1.2. Tổng quan về hạt nano bạc
• 1.3. Tổng quan về vật liệu nano lai Ag/GO
• 1.4. Cảm biến QCM
• 1.5. Cảm biến SERS
• 1.6. Kết luận
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO LAI Ag/GO
• 2.1. Giới thiệu
• 2.2. Quy trình tổng hợp hạt nano Ag và nano lai Ag/GO
• 2.3. Các thiết bị sử dụng
• 2.4. Quy trình tổng hợp vật liệu nano Ag
• 2.5. Đặc tính của hạt nano Ag chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt
• 2.6. Hình thái của hạt nano bạc tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt
• 2.7. Cấu trúc của hạt nano bạc tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt
• 2.8. Đặc tính hình thái, cấu trúc và tính chất của vật liệu nano lai Ag/GO
• 2.9. Hình thái của vật liệu nano lai Ag/GO
• 2.10. Đặc tính cấu trúc của vật liệu nano lai Ag/GO
• 2.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X
• 2.12. Phổ UV-Vis
• 2.13. Phổ FT-IR
• 2.14. Phổ tán xạ Raman
• 2.15. Kết luận
• 3. CHƯƠNG 3: ĐẶC TRƯNG NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN QCM SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO LAI Ag/GO
• 3.1. Quy trình chế tạo cảm biến QCM
• 3.2. Đặc tính nhạy khí của cảm biến QCM
• 3.3. Đặc tính nhạy khí NO2 của cảm biến QCM
• 3.4. Đặc tính nhạy khí SO2 của cảm biến QCM
• 3.5. Đặc tính nhạy khí CO của cảm biến QCM
• 3.6. Khảo sát tính ổn định của cảm biến QCM sử dụng vật liệu GO
• 3.7. Cơ chế nhạy khí của cảm biến QCM sử dụng vật liệu nano lai Ag/GO
• 3.8. Kết luận
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO LAI Ag/GO TRONG CẢM BIẾN SERS
• 4.1. Quy trình chế tạo cảm biến SERS sử dụng vật liệu nano lai Ag/GO
• 4.2. Quy trình khảo sát đặc trưng SERS của vật liệu nano lai Ag/GO
• 4.3. Đặc tính của cảm biến quang SERS sử dụng vật liệu nano lai Ag/GO
• 4.4. Kết quả khảo sát đặc trưng SERS của vật liệu nano lai Ag/GO sử dụng xanh metylen (MB)
• 4.5. Cảm biến quang SERS sử dụng để phát hiện thuốc trừ sâu tricyclazole
• 4.6. Cơ chế tăng cường tán xạ Raman của vật liệu nano lai Ag/GO
• 4.7. Kết luận
• KẾT LUẬN
• HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về vật liệu nano lai Ag GO

Nghiên cứu về vật liệu nano lai giữa hạt nano bạc và ôxit graphene (Ag/GO) đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực cảm biến môi trường. Vật liệu này không chỉ có tính chất điện và quang học vượt trội mà còn có khả năng kháng khuẩn và xúc tác tốt. Các hạt nano bạc có hiệu ứng plasmon bề mặt, giúp tăng cường tính nhạy của cảm biến. Ôxit graphene với cấu trúc đặc biệt và các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt, đóng vai trò quan trọng trong việc hấp phụ các phân tử khí, từ đó nâng cao tính chọn lọc và độ nhạy của cảm biến khí. Việc kết hợp hai loại vật liệu này tạo ra một hệ thống cảm biến có khả năng phát hiện các chất độc hại trong môi trường một cách hiệu quả.

1.1. Tính chất của vật liệu nano lai Ag GO

Vật liệu nano lai Ag/GO thể hiện nhiều tính chất điện và tính chất quang độc đáo. Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi kết hợp hạt nano bạc với ôxit graphene, tính kháng khuẩn và khả năng xúc tác của vật liệu được cải thiện đáng kể. Điều này có thể được giải thích bởi sự tương tác giữa các hạt nano và bề mặt của graphene, tạo ra một môi trường lý tưởng cho các phản ứng hóa học diễn ra. Hơn nữa, hiệu ứng plasmon bề mặt của nano bạc giúp tăng cường tín hiệu trong các cảm biến SERS, cho phép phát hiện các phân tử ở nồng độ rất thấp. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, vật liệu này có thể được ứng dụng trong việc phát hiện khí độc như NO2, SO2 và CO, từ đó góp phần vào việc giám sát chất lượng môi trường.

II. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano lai Ag GO

Quá trình tổng hợp vật liệu nano lai Ag/GO được thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phương pháp hóa học, điện hóa và quang hóa. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng, ảnh hưởng đến hình thái và cấu trúc của vật liệu cuối cùng. Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng phổ biến do khả năng kiểm soát tốt các điều kiện phản ứng, từ đó tạo ra các hạt nano với kích thước đồng đều và tính chất tối ưu. Các nghiên cứu cho thấy rằng, nhiệt độ và thời gian phản ứng là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu. Việc tối ưu hóa các điều kiện này sẽ giúp nâng cao hiệu suất của cảm biến khí, từ đó mở rộng ứng dụng trong thực tiễn.

2.1. Quy trình tổng hợp

Quy trình tổng hợp vật liệu nano lai Ag/GO thường bắt đầu bằng việc chuẩn bị dung dịch tiền chất của nano bạc và ôxit graphene. Sau đó, các thành phần này được trộn lẫn và xử lý dưới các điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định. Kết quả là sự hình thành các hạt nano bạc bám trên bề mặt của ôxit graphene, tạo ra một cấu trúc đồng nhất. Các phương pháp như quang hóa và điện hóa cũng được áp dụng để cải thiện tính chất của vật liệu. Việc nghiên cứu và phát triển quy trình tổng hợp này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất cảm biến mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực môi trường và y sinh.

III. Ứng dụng trong cảm biến môi trường

Vật liệu nano lai Ag/GO đã được chứng minh là có khả năng ứng dụng cao trong các cảm biến môi trường. Các cảm biến này có thể phát hiện các khí độc hại như NO2, SO2 và CO với độ nhạy và độ chọn lọc cao. Việc sử dụng cảm biến khối lượng QCM và cảm biến SERS cho thấy hiệu quả vượt trội của vật liệu này trong việc giám sát chất lượng không khí. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cảm biến sử dụng vật liệu nano lai Ag/GO có thể phát hiện các chất ô nhiễm ở nồng độ rất thấp, từ đó giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và môi trường.

3.1. Tính nhạy khí của cảm biến

Tính nhạy khí của cảm biến sử dụng vật liệu nano lai Ag/GO được đánh giá thông qua các thử nghiệm thực nghiệm. Kết quả cho thấy, cảm biến có thể phát hiện khí NO2 với độ nhạy cao, cho phép phát hiện ở nồng độ thấp hơn nhiều so với các cảm biến truyền thống. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả giám sát môi trường mà còn mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như y tế và an ninh. Việc nghiên cứu sâu hơn về cơ chế nhạy khí của vật liệu này sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế cảm biến, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy trong các ứng dụng thực tế.