I. Tổng quan về Carbon Quantum Dot CQD
Carbon Quantum Dot (CQD) là một loại vật liệu nano dựa trên carbon, có kích thước nhỏ hơn 10 nm, được cấu tạo chủ yếu từ carbon và các nguyên tố khác như oxy, nitơ. CQD nổi bật nhờ khả năng phát quang, độ tương thích sinh học cao, và tính thân thiện với môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp CQD từ vỏ bưởi, một nguồn nguyên liệu phế phẩm nông nghiệp giàu polyphenol và các hợp chất hữu cơ. Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để chuyển hóa vỏ bưởi thành CQD, tận dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
1.1. Phương pháp tổng hợp CQD
CQD được tổng hợp thông qua hai phương pháp chính: Top-down và Bottom-up. Phương pháp Top-down liên quan đến việc phá vỡ cấu trúc carbon lớn hơn như than chì hoặc ống nano carbon thành các hạt nhỏ hơn. Trong khi đó, phương pháp Bottom-up xây dựng CQD từ các phân tử nhỏ như carbohydrate hoặc polymer thông qua quá trình thủy nhiệt hoặc sử dụng sóng siêu âm. Nghiên cứu này áp dụng phương pháp Bottom-up để tổng hợp CQD từ vỏ bưởi, đảm bảo tính đơn giản và hiệu quả.
1.2. Ứng dụng của CQD
Nhờ khả năng phát quang và tính chất quang học độc đáo, CQD được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cảm biến quang học, xúc tác, và phân phối thuốc. Trong nghiên cứu này, CQD được tích hợp với nano bạc (Ag) để tạo thành vật liệu nanocomposite CQD-Ag, nhằm nâng cao hiệu quả xúc tác trong các phản ứng hóa học, đặc biệt là phản ứng khử nitrophenol và methyl orange.
II. Tổng hợp và ứng dụng của nanocomposite CQD Ag
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp nanocomposite CQD-Ag bằng cách kết hợp CQD từ vỏ bưởi với nano bạc (Ag) thông qua phương pháp khử hóa học sử dụng NaBH4. Vật liệu này được phân tích bằng các phương pháp như TEM, XRD, UV-Vis, và FTIR để xác định cấu trúc, hình thái, và thành phần hóa học. Kết quả cho thấy CQD-Ag có khả năng xúc tác mạnh mẽ, đặc biệt trong phản ứng khử 4-nitrophenol và methyl orange, với hiệu suất phân hủy gần 100% trong thời gian ngắn.
2.1. Phương pháp tổng hợp nano bạc
Nano bạc (Ag) được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học sử dụng NaBH4 trong dung dịch chứa CQD. Quá trình này tạo ra các hạt nano bạc có kích thước đồng đều và phân bố đều trên bề mặt CQD. Phương pháp này đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của vật liệu nanocomposite CQD-Ag.
2.2. Ứng dụng xúc tác của CQD Ag
Nanocomposite CQD-Ag được đánh giá khả năng xúc tác thông qua phản ứng khử 4-nitrophenol và methyl orange. Kết quả cho thấy vật liệu này có hiệu suất xúc tác cao, với khả năng phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ độc hại trong thời gian ngắn. Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng của CQD-Ag trong xử lý nước thải và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
III. Phân tích và đánh giá vật liệu
Các phương pháp phân tích như TEM, XRD, UV-Vis, và FTIR được sử dụng để đánh giá cấu trúc, hình thái, và thành phần hóa học của CQD và nanocomposite CQD-Ag. Kết quả TEM cho thấy các hạt nano bạc phân bố đều trên bề mặt CQD, trong khi XRD xác nhận sự hiện diện của các pha tinh thể bạc. Phổ UV-Vis và FTIR cung cấp thông tin về khả năng hấp thụ ánh sáng và các nhóm chức hóa học trên bề mặt vật liệu.
3.1. Phân tích hình thái và cấu trúc
Kết quả TEM cho thấy các hạt nano bạc có kích thước từ 10-20 nm, phân bố đều trên bề mặt CQD. Phân tích XRD xác nhận sự hiện diện của các pha tinh thể bạc, chứng minh sự thành công của quá trình tổng hợp nanocomposite CQD-Ag.
3.2. Phân tích quang học và hóa học
Phổ UV-Vis cho thấy CQD-Ag có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh trong vùng UV và khả kiến, trong khi phổ FTIR xác định sự hiện diện của các nhóm chức như -OH, -COOH trên bề mặt vật liệu. Những đặc điểm này góp phần nâng cao hiệu quả xúc tác của CQD-Ag.
IV. Kết luận và kiến nghị
Nghiên cứu đã chứng minh thành công trong việc tổng hợp Carbon Quantum Dot (CQD) từ vỏ bưởi và tích hợp với nano bạc (Ag) để tạo thành vật liệu nanocomposite CQD-Ag. Vật liệu này có khả năng xúc tác mạnh mẽ trong các phản ứng khử nitrophenol và methyl orange, với hiệu suất phân hủy gần 100%. Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng của CQD-Ag trong xử lý nước thải và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu cũng đề xuất hướng phát triển tiếp theo là tối ưu hóa quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng của CQD-Ag trong các lĩnh vực khác như y sinh và năng lượng.
