Luận văn: Tổng hợp vật liệu CdS nano bằng hệ thống điện sinh học thu hồi kim loại nặng

Luận văn thạc sĩ trình bày phương pháp tổng hợp vật liệu CdS nano bằng hệ thống điện sinh học, ứng dụng hiệu quả trong việc thu hồi kim loại nặng.

• Tác giả: Lâm Thương Thương
• Người hướng dẫn: TS. Hồ Tú Cường
• Trường học: Học viện Nông nghiệp Việt Nam
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu CdS nano bằng hệ thống điện sinh học nhằm tái thu hồi kim loại nặng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Toàn cảnh về tổng hợp CdS nano bằng hệ thống điện sinh học

Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan về phương pháp đột phá trong việc tổng hợp vật liệu nano CdS nhằm mục đích thu hồi kim loại nặng. Trọng tâm của phương pháp là ứng dụng công nghệ điện sinh học, cụ thể là các hệ thống điện sinh học (Bioelectrochemical systems - BES). Đây là một hướng đi đầy hứa hẹn, kết hợp giữa công nghệ sinh học và hóa học vật liệu để giải quyết các vấn đề môi trường cấp bách. Phương pháp này không chỉ giúp xử lý ô nhiễm mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị cao, thể hiện tiềm năng của một công nghệ xử lý môi trường bền vững. Các phần tiếp theo sẽ đi sâu vào chi tiết về tiềm năng của vật liệu, nguyên lý hoạt động của hệ thống và các cơ chế liên quan.

1.1. Vật liệu nano CdS và tiềm năng ứng dụng đột phá

Vật liệu nano CdS (Cadmium Sulfide nanoparticles) là một loại vật liệu bán dẫn nhóm II-VI quan trọng với độ rộng vùng cấm lớn (Eg = 2,4 eV). Đặc tính này cho phép nó hoạt động hiệu quả trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Khi ở kích thước nano, vật liệu nano CdS biểu hiện các hiệu ứng lượng tử độc đáo, chẳng hạn như hiệu ứng giam giữ lượng tử, làm thay đổi các đặc trưng quang học theo kích thước hạt. Chính nhờ những tính chất ưu việt này, quang xúc tác CdS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao. Các ứng dụng nổi bật bao gồm chế tạo pin mặt trời, cảm biến quang, thiết bị quang điện tử và vật liệu quang phi tuyến. Đặc biệt, trong y sinh, các chấm lượng tử CdS (Quantum dots - QDs) được dùng làm nhãn huỳnh quang để theo dõi hình ảnh tế bào sống và làm cảm biến sinh học để định lượng enzyme hoặc DNA. Việc tổng hợp thành công vật liệu này mở ra nhiều cơ hội cho khoa học và công nghệ.

1.2. Giới thiệu công nghệ điện sinh học BES trong xử lý môi trường

Công nghệ điện sinh học là một lĩnh vực tiên tiến, sử dụng các tế bào điện hóa với vi sinh vật làm chất xúc tác sinh học trên một hoặc cả hai điện cực. Hệ thống điện sinh học (Bioelectrochemical systems - BES) là nền tảng của công nghệ này. Hai loại BES phổ biến nhất là pin nhiên liệu vi sinh vật (Microbial Fuel Cell - MFC) và tế bào điện phân vi sinh vật (Microbial Electrolysis Cell - MEC). Trong MFC, vi sinh vật oxy hóa chất hữu cơ, giải phóng electron và proton để tạo ra dòng điện. Ngược lại, MEC tiêu thụ một lượng nhỏ điện năng bên ngoài để thúc đẩy các phản ứng hóa học, sản xuất hydro hoặc các hợp chất giá trị khác. Các hệ thống này đang được nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng xử lý nước thải kim loại nặng và thu hồi tài nguyên, mang lại giải pháp kép: vừa làm sạch môi trường, vừa tái tạo năng lượng hoặc vật liệu.

II. Thách thức từ ô nhiễm kim loại nặng Cd trong nguồn nước

Vấn đề ô nhiễm nguồn nước do kim loại nặng, đặc biệt là Cadimi (Cd), đang là một mối lo ngại toàn cầu. Cadimi là một kim loại có độc tính cao, gây ra những tác hại nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái ngay cả ở nồng độ thấp. Việc tìm kiếm các giải pháp xử lý hiệu quả và bền vững là một yêu cầu cấp thiết. Các phương pháp truyền thống thường gặp nhiều hạn chế về chi phí, hiệu quả và tác động phụ đến môi trường. Phần này sẽ làm rõ những nguy cơ từ ô nhiễm Cadimi và những nhược điểm của các công nghệ xử lý hiện hành, từ đó nhấn mạnh sự cần thiết của các phương pháp mới như công nghệ điện sinh học.

2.1. Tác động nguy hiểm của Cadimi đối với sức khỏe và hệ sinh thái

Cadimi (Cd) được xếp vào nhóm các kim loại nặng cực kỳ độc hại. Sự tích tụ Cadimi trong cơ thể người có thể gây ra nhiều bệnh lý nghiêm trọng. Theo nghiên cứu của Nguyễn Thành Hưng (2016), ở nồng độ cao, Cd gây rối loạn hoạt động của enzym, dẫn đến cao huyết áp, tổn thương thận, và phá hủy tủy xương. Ô nhiễm nguồn nước bởi Cadimi chủ yếu đến từ các hoạt động công nghiệp như luyện kim, mạ điện, khai khoáng và sản xuất pin. Khi xâm nhập vào môi trường, Cadimi dễ dàng đi vào chuỗi thức ăn, từ đất và nước vào thực vật, sau đó đến động vật và con người. Vấn đề heavy metal remediation đối với Cadimi trở nên đặc biệt quan trọng do chưa có biện pháp giải độc tối ưu, khiến việc phòng ngừa phơi nhiễm trở thành ưu tiên hàng đầu để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

2.2. Hạn chế của các phương pháp xử lý nước thải kim loại nặng

Hiện nay, có nhiều phương pháp được áp dụng để xử lý nước thải kim loại nặng, bao gồm kết tủa hóa học, trao đổi ion, hấp phụ bằng than hoạt tính, và thẩm thấu ngược. Tuy nhiên, các phương pháp này bộc lộ nhiều hạn chế. Phương pháp kết tủa hóa học thường tạo ra một lượng lớn bùn thải độc hại cần xử lý thứ cấp. Trao đổi ion và thẩm thấu ngược tuy hiệu quả nhưng có chi phí vận hành và đầu tư cao. Hấp phụ bằng than hoạt tính có thể bị giảm hiệu quả khi có mặt các chất hữu cơ khác và chi phí tái sinh vật liệu cũng không hề nhỏ. Các phương pháp này thường chỉ chuyển kim loại nặng từ dạng hòa tan sang dạng rắn chứ không thu hồi được chúng dưới dạng vật liệu có giá trị. Điều này thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ xử lý môi trường bền vững hơn, có khả năng vừa xử lý ô nhiễm vừa tái thu hồi tài nguyên.

III. Cách hoạt động của pin nhiên liệu vi sinh vật MFC thu hồi Cd

Phương pháp thu hồi kim loại nặng bằng điện sinh học dựa trên nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC). Hệ thống này khai thác khả năng trao đổi chất của vi sinh vật để tạo ra dòng điện, từ đó thúc đẩy các phản ứng điện hóa mong muốn. Một hệ thống MFC điển hình bao gồm hai khoang: khoang anot (cực âm) và khoang catot (cực dương), được thiết kế để tối ưu hóa quá trình sinh điện và thu hồi sản phẩm. Hiểu rõ cấu trúc và vai trò của từng thành phần, đặc biệt là cộng đồng vi sinh vật sinh điện, là chìa khóa để vận hành hiệu quả hệ thống tổng hợp vật liệu nano.

3.1. Cấu tạo và nguyên lý của hệ thống điện sinh học hai khoang

Trong nghiên cứu của Lâm Thương Thương (2019), hệ thống MFC được thiết kế gồm hai khoang riêng biệt không dùng màng trao đổi ion để tiết kiệm chi phí. Khoang anot là môi trường yếm khí, nơi chứa vi sinh vật sinh điện (exoelectrogens) và cơ chất hữu cơ (ví dụ: lactate). Tại đây, vi sinh vật oxy hóa cơ chất, giải phóng electron (e⁻) và proton (H⁺). Các electron này được chuyển đến điện cực anot và di chuyển qua một mạch ngoài tới khoang catot. Khoang catot chứa dung dịch chứa ion kim loại nặng (Cd²⁺) và nguồn cung cấp lưu huỳnh (thiosulfate). Dòng electron từ anot đến catot sẽ cung cấp năng lượng cho các phản ứng khử tại đây, dẫn đến việc thu hồi kim loại nặng dưới dạng kết tủa. Thiết kế này cho phép tách biệt quá trình sinh học và quá trình hóa học, giúp thu được sản phẩm nano tinh khiết hơn.

3.2. Vai trò của vi sinh vật sinh điện exoelectrogens trong MFC

Vi sinh vật sinh điện, hay exoelectrogens, là trái tim của hệ thống pin nhiên liệu vi sinh vật. Chúng có khả năng đặc biệt là chuyển điện tử ngoại bào (Extracellular Electron Transfer - EET), tức là vận chuyển các electron sinh ra từ quá trình dị hóa ra bên ngoài màng tế bào đến một chất nhận điện tử rắn như điện cực. Trong nghiên cứu này, chủng vi khuẩn Shewanella sp. HN-41 đã được sử dụng. Loài này có hoạt tính khử sắt cao và khả năng hình thành màng sinh học trên bề mặt điện cực, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển điện tử trực tiếp. Bằng cách oxy hóa các cơ chất như lactate, Shewanella tạo ra một dòng electron liên tục, duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống điện sinh học (BES), biến năng lượng hóa học trong chất thải hữu cơ thành năng lượng điện để thúc đẩy quá trình tổng hợp vật liệu.

IV. Bí quyết tổng hợp xanh nano CdS qua cơ chế điện hóa sinh học

Quá trình tổng hợp xanh nano CdS trong hệ thống MFC là một chuỗi các phản ứng sinh-điện-hóa diễn ra đồng thời tại hai điện cực. Tại anot, quá trình sinh học chiếm ưu thế, nơi vi sinh vật phân giải cơ chất. Tại catot, các phản ứng điện hóa và hóa học xảy ra, dẫn đến sự hình thành sản phẩm nano mong muốn. Việc kiểm soát các điều kiện tại mỗi khoang, như pH, nồng độ cơ chất và sự hiện diện của oxy, đóng vai trò quyết định đến hiệu quả của cơ chế thu hồi kim loại và chất lượng của vật liệu nano CdS được tạo thành.

4.1. Phản ứng tại khoang Anot Quá trình oxy hóa cơ chất lactate

Tại khoang anot yếm khí, vi khuẩn Shewanella sp. HN-41 sử dụng natri lactate làm nguồn cacbon và nguồn cung cấp điện tử. Quá trình hô hấp kị khí phân hủy lactate theo phương trình: CH₃CH₂OCOO⁻ + H₂O → CH₃COO⁻ + CO₂ + 4e⁻ + 4H⁺. Các electron (e⁻) được giải phóng sẽ được vi khuẩn vận chuyển trực tiếp đến bề mặt điện cực anot. Trong khi đó, các proton (H⁺) sinh ra làm giảm nhẹ độ pH của môi trường. Kết quả thực nghiệm cho thấy cơ chất lactate bị tiêu thụ hoàn toàn sau khoảng 6 ngày, chứng tỏ hoạt động trao đổi chất mạnh mẽ của vi khuẩn. Quá trình này tạo ra dòng điện cần thiết cho các phản ứng tại catot, là bước khởi đầu cho toàn bộ chuỗi hấp phụ kim loại nặng và tổng hợp vật liệu.

4.2. Phản ứng tại khoang Catot Cơ chế thu hồi kim loại và tạo tủa CdS

Khoang cathode MFC là nơi diễn ra cơ chế thu hồi kim loại. Dòng electron từ anot di chuyển đến đây và tham gia vào quá trình khử natri thiosulfate (Na₂S₂O₃) để tạo ra ion sunfua (S²⁻). Nghiên cứu cho thấy điều kiện hiếu khí tại catot giúp tăng chênh lệch điện thế giữa hai điện cực, qua đó thúc đẩy tốc độ vận chuyển electron và tăng hiệu quả phản ứng. Các ion S²⁻ sinh ra sẽ ngay lập tức phản ứng với các ion Cadimi (Cd²⁺) có sẵn trong dung dịch catot để tạo thành kết tủa Cadimi sunfua (CdS) không tan, theo phương trình tổng quát: Cd²⁺ + S₂O₃²⁻ + 2e⁻ → CdS↓ + SO₃²⁻. Quá trình này không chỉ loại bỏ ion Cd²⁺ độc hại ra khỏi dung dịch mà còn chuyển hóa chúng thành **vật liệu nano CdS (Cadmium Sulfide nanoparticles) có giá trị, thực hiện đồng thời hai mục tiêu: xử lý ô nhiễm và tái thu hồi tài nguyên.

V. Kết quả nghiên cứu Hiệu suất xử lý Cd II và đặc trưng vật liệu

Nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng hệ thống MFC hai khoang để tổng hợp vật liệu nano CdS và thu hồi Cadimi. Các kết quả phân tích định lượng và định tính cung cấp những bằng chứng rõ ràng về hiệu suất xử lý Cd(II), Pb(II) (trong trường hợp này là Cd(II)) và các đặc tính vật lý, hóa học của sản phẩm tạo thành. Việc đặc trưng vật liệu nano (XRD, SEM, TEM) là bước cuối cùng và quan trọng nhất để xác nhận sự thành công của quá trình tổng hợp, khẳng định kích thước, hình thái và cấu trúc của các hạt nano.

5.1. Đánh giá hiệu suất xử lý Cd II trong hệ thống BES

Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ ion Cd(II) trong khoang catot hiếu khí giảm dần theo thời gian. Sau 21 ngày thí nghiệm, hiệu suất xử lý Cd(II) đạt khoảng 7.35%. Mặc dù hiệu suất này còn tương đối thấp so với các nghiên cứu khác sử dụng hệ thống một khoang, nhưng ưu điểm của thiết kế hai khoang là sản phẩm vật liệu nano CdS thu được không bị lẫn với sinh khối vi khuẩn, dễ dàng cho việc tinh sạch và thu hồi. Sự suy giảm nồng độ Cd(II) trong dung dịch là minh chứng trực tiếp cho cơ chế thu hồi kim loại thông qua quá trình kết tủa sunfua. Để nâng cao hiệu suất, các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế điện cực và mở rộng quy mô anot để tăng cường mật độ dòng điện.

5.2. Phân tích đặc trưng vật liệu nano CdS SEM TEM XRD

Các phân tích đặc trưng vật liệu nano đã xác nhận sự hình thành thành công của các hạt CdS. Phân tích bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy các hạt CdS có dạng hình cầu, kích thước khá đồng đều với đường kính trung bình xấp xỉ 10,82 nm. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) khẳng định sự hiện diện của hai nguyên tố chính là Cadimi (Cd) và Lưu huỳnh (S). Phân tích phổ hấp thụ UV-Vis cho thấy một đỉnh hấp thụ cực đại ở bước sóng 275 nm, dịch chuyển đáng kể về phía ánh sáng xanh so với vật liệu khối (515 nm). Điều này chứng tỏ các hạt nano CdS thể hiện rõ hiệu ứng giam giữ lượng tử, một tính chất quang học đặc trưng của vật liệu bán dẫn kích thước nano. Tuy nhiên, phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) chưa xác định rõ được dạng tinh thể do vật liệu còn lẫn tạp chất.

VI. Tương lai công nghệ điện sinh học trong xử lý môi trường bền vững

Phương pháp tổng hợp CdS nano thu hồi kim loại nặng bằng điện sinh học đã mở ra một hướng đi mới đầy tiềm năng. Công nghệ này tích hợp các nguyên tắc của sinh học, hóa học và kỹ thuật môi trường để tạo ra một giải pháp toàn diện. Mặc dù vẫn còn những thách thức cần khắc phục, nhưng những ưu điểm vượt trội về tính bền vững và khả năng tạo ra sản phẩm giá trị cho thấy triển vọng ứng dụng rộng rãi của nó trong tương lai, góp phần xây dựng một nền kinh tế tuần hoàn và một môi trường trong sạch hơn.

6.1. Tổng kết ưu điểm và hạn chế của phương pháp tổng hợp CdS nano

Phương pháp tổng hợp xanh nano CdS sử dụng hệ thống điện sinh học (BES) có nhiều ưu điểm nổi bật. Đây là một quy trình thân thiện với môi trường, hoạt động ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thường, sử dụng chất thải hữu cơ làm năng lượng. Quá trình này đồng thời thực hiện hai nhiệm vụ: xử lý nước thải kim loại nặng và sản xuất vật liệu nano có giá trị cao. Tuy nhiên, phương pháp vẫn còn một số hạn chế. Luận văn chỉ ra hiệu suất xử lý Cd(II) còn thấp (khoảng 7.35%) và vật liệu thu được chưa hoàn toàn tinh khiết, gây khó khăn trong việc xác định cấu trúc tinh thể. Mật độ dòng điện sinh ra từ hệ thống quy mô phòng thí nghiệm còn nhỏ, ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.

6.2. Triển vọng ứng dụng và hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo

Bất chấp những hạn chế ban đầu, triển vọng của công nghệ điện sinh học trong lĩnh vực xử lý môi trường là rất lớn. Hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải tiến thiết kế hệ thống, chẳng hạn như tăng diện tích bề mặt điện cực, lựa chọn vật liệu điện cực hiệu quả hơn và tối ưu hóa quần xã vi sinh vật để tăng cường mật độ dòng điện. Việc nghiên cứu các điều kiện vận hành như pH, nhiệt độ, và nồng độ cơ chất cũng cần được đẩy mạnh để tối đa hóa hiệu suất xử lý Cd(II). Ngoài CdS, công nghệ này hoàn toàn có thể được mở rộng để tổng hợp các loại vật liệu nano khác từ các ion kim loại khác nhau (như ZnS, CuS), mở ra một lĩnh vực mới về sản xuất vật liệu nano bền vững, đóng góp trực tiếp vào mục tiêu phát triển công nghệ xử lý môi trường bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm kim loại nặng cadimi đang là mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng và an ninh môi trường sinh thái toàn cầu. Nồng độ cadimi trung bình trong nước tự nhiên chỉ khoảng 0,08 ppb và trong đất canh tác khoảng 0,35 mg/kg, tuy nhiên tại các khu vực chịu ảnh hưởng của chất thải công nghiệp và làng nghề luyện kim, hàm lượng cadimi tích lũy thực tế đã tăng vọt lên mức từ 0,61 đến 2,29 mg/kg đất, vượt ngưỡng cho phép của quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường đất nông nghiệp. Khi xâm nhập vào chuỗi thức ăn, cadimi gây ức chế hoạt động của các enzyme quan trọng, tổn thương tủy xương, suy giảm chức năng thận và làm phát sinh các bệnh lý mãn tính nguy hiểm mà hiện nay y học vẫn chưa có liệu pháp đào thải tối ưu.

Trước thực trạng đó, việc loại bỏ ion kim loại nặng kết hợp với định hướng tái thu hồi dưới dạng vật liệu có giá trị kinh tế cao trở thành một bài toán cấp thiết. Nghiên cứu tập trung giải quyết vấn đề bằng việc ứng dụng hệ thống điện sinh học hai khoang nhằm xử lý nguồn nước chứa ion cadimi và tổng hợp hạt nano cadimi sunfua có kích thước siêu nhỏ. Mục tiêu cụ thể của công trình bao gồm: thiết kế hệ thống điện sinh học đơn giản, tối ưu hóa chi phí chế tạo; theo dõi các thông số sinh trưởng, biến động pH và tốc độ tiêu thụ cơ chất của chủng vi sinh vật hoạt điện; đồng thời đánh giá toàn diện hình thái, cấu trúc tinh thể và đặc tính quang điện tử của vật liệu nano thu được.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trong giai đoạn từ năm 2018 đến năm 2019 tại phòng thí nghiệm chuyên sâu thuộc Học viện Nông nghiệp Việt Nam phối hợp với Viện Công nghệ Môi trường thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Kết quả đã chế tạo thành công hạt nano cadimi sunfua có kích thước trung bình 10,82 nm với đỉnh hấp thụ quang học dịch chuyển mạnh về bước sóng 275 nm, tạo bước đệm công nghệ quan trọng trong lĩnh vực xử lý môi trường kết hợp sản xuất vật liệu bán dẫn tiên tiến.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng của hai lý thuyết khoa học cốt lõi: lý thuyết chuyển điện tử ngoại bào trong hệ thống điện sinh học và lý thuyết giam giữ lượng tử của vật liệu bán dẫn cấu trúc nano.

Mô hình nghiên cứu triển khai là hệ thống pin nhiên liệu vi sinh vật hai khoang không sử dụng màng trao đổi ion. Tại khoang cực âm kị khí, vi khuẩn hoạt điện oxy hóa cơ chất hữu cơ để giải phóng electron và proton. Dòng electron này truyền trực tiếp từ màng ngoài tế bào đến điện cực than chì, sau đó chạy qua mạch ngoài sang khoang cực dương hiếu khí để tham gia phản ứng khử muối thiosulfate thành gốc sunfua, kết hợp cùng ion cadimi tự do tạo thành kết tủa hạt nano cadimi sunfua.

Bốn khái niệm khoa học chủ đạo định hình toàn bộ nghiên cứu gồm:

1. Chuyển điện tử ngoại bào: Khả năng của các loài vi khuẩn hoạt điện chuyển giao electron sinh ra từ quá trình trao đổi chất qua màng lipid kép ra bề mặt điện cực rắn bên ngoài tế bào.
2. Hệ thống điện sinh học: Thiết bị chuyển hóa năng lượng hóa học tích trữ trong các hợp chất hữu cơ thành điện năng hoặc tổng hợp hóa chất nhờ hoạt tính xúc tác sinh học.
3. Hiệu ứng giam giữ lượng tử: Hiện tượng mở rộng độ rộng vùng cấm khi kích thước hạt bán dẫn giảm xuống nhỏ hơn bán kính Bohr exciton (đối với cadimi sunfua là 2,8 nm), dẫn đến các mức năng lượng biến đổi từ dải liên tục thành các mức gián đoạn.
4. Tổng hợp vật liệu theo phương thức từ dưới lên: Cơ chế lắp ghép các nguyên tử, ion tự do trong dung dịch thành các cấu trúc tinh thể nano thông qua phản ứng hóa sinh học có kiểm soát.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được thu thập từ 5 mô hình hệ thống điện sinh học thí nghiệm với các điều kiện cực dương khác nhau cùng 1 hệ đối chứng không bổ sung vi sinh vật. Mỗi khoang phản ứng có dung tích làm việc 100 ml, sử dụng điện cực than chì có đường kính 0,7 cm và chiều dài từ 13 cm đến 16 cm. Chủng vi khuẩn thuần khiết được sử dụng là Shewanella sp. HN-41 phân lập từ đá phiến dầu kỷ Phấn trắng tại bãi triều Haenam, nuôi cấy kị khí ở nhiệt độ 30 độ C trên môi trường khoáng bổ sung 10 mM sodium lactate làm nguồn cacbon và chất cho electron duy nhất. Khoang cực dương chứa dung dịch muối cadimi clorua 1 mM và natri thiosulfate 5 mM.

Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nguyên tắc lấy mẫu ngẫu nhiên lặp lại theo chuỗi thời gian: lấy mẫu ở các mốc 0, 2, 4, 6 ngày đối với hệ khảo sát sơ bộ và 0, 7, 14, 21 ngày đối với hệ vận hành dài hạn. Mẫu dung dịch sau khi lấy được ly tâm loại bỏ sinh khối ở tốc độ 12.000 vòng/phút trong 10 phút.

Lý do lựa chọn các phương pháp phân tích công cụ hiện đại bao gồm:

• Sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC sử dụng cột Shodex RSpack KC-811 và pha động H2SO4 5 mM để định lượng chính xác nồng độ lactate còn lại ở bước sóng phát hiện 210 nm.
• Phổ hấp thụ nguyên tử AAS đo lường chuẩn xác sự suy giảm nồng độ ion cadimi tự do trong dung dịch cực dương ở mức microgam trên lít.
• Kính hiển vi điện tử quét SEM và kính hiển vi điện tử truyền qua TEM kết hợp nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng SAED để quan sát trực quan hình thái bề mặt và đo đạc kích thước từng hạt nano.
• Phổ tán sắc năng lượng tia X EDX và nhiễu xạ tia X XRD trên thiết bị D8 ADVANCE Bruker (bước sóng Cu-Ka 1,5406 Å, dòng 30 mA, điện áp 40 kV) nhằm xác định thành phần nguyên tố và pha tinh thể.
• Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến UV-Vis trong dải bước sóng 200 đến 700 nm trên thiết bị UV-2450 Shimadzu để xác định độ rộng vùng cấm quang học.

Toàn bộ quá trình chuẩn bị hóa chất, chế tạo thiết bị, vận hành nuôi cấy và phân tích mẫu kéo dài liên tục trong 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình vận hành thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện quan trọng có ý nghĩa khoa học lớn:

Thứ nhất, chủng vi khuẩn Shewanella sp. HN-41 thể hiện hoạt tính sinh học vượt trội khi phân hủy hoàn toàn 100% lượng cơ chất sodium lactate 10 mM trong khoang anot chỉ sau 6 ngày thí nghiệm. Tốc độ tiêu thụ lactate ở hệ có bổ sung vi khuẩn diễn ra nhanh chóng, trong khi ở hệ đối chứng không có vi sinh vật nồng độ cơ chất vẫn giữ nguyên mức 100%. Quá trình oxy hóa lactate giải phóng proton H+ làm pH môi trường giảm nhẹ nhưng nhờ hệ đệm HEPES đã giữ pH ổn định quanh mức 7,4 (so với ban đầu từ 7,6 đến 7,7).

Thứ hai, việc tổng hợp hạt nano chỉ diễn ra thành công ở các hệ thống có khoang cực dương hiếu khí tĩnh. Sau 21 ngày vận hành, nồng độ ion cadimi ban đầu từ 0,99 mM đã giảm xuống, đạt hiệu suất loại bỏ khoảng 7,35% và dung dịch chuyển sang màu vàng tươi đặc trưng cho sự kết tủa của muối cadimi sunfua. Ngược lại, ở các hệ cực dương kị khí, nồng độ ion cadimi hầu như không đổi khi chỉ dao động từ 0,876 mM xuống 0,866 mM (giảm chưa đầy 1,14%).

Thứ ba, các hạt nano cadimi sunfua tạo thành sở hữu dạng hình cầu rỗng, phân tán đều trong dung dịch với kích thước hạt trung bình đo được là 10,82 nm. Khi kéo dài thời gian phản ứng lên đến 28 ngày, dưới ảnh hưởng của lực tương tác bề mặt, các hạt có xu hướng liên kết và kết tụ lại tạo thành các khối hạt lớn hơn với kích thước vượt quá 100 nm.

Thứ tư, phổ hấp thụ quang học UV-Vis của hạt nano thu được xuất hiện đỉnh hấp thụ exciton cực đại tại bước sóng 275 nm. So với đỉnh hấp thụ của vật liệu cadimi sunfua dạng khối thông thường ở bước sóng 515 nm, đỉnh hấp thụ đã dịch chuyển xanh mạnh mẽ về phía bước sóng ngắn với khoảng cách dịch chuyển lên tới 240 nm.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo thành hạt nano cadimi sunfua được giải thích thông qua chuỗi phản ứng sinh - điện hóa phối hợp. Ở khoang cực âm, Shewanella sp. HN-41 bám dính lên vách ngăn cao su và thanh than chì, hình thành lớp màng sinh học bền vững để chuyển giao 4 electron và 4 proton cho mỗi phân tử lactate bị oxy hóa. Do thế oxy hóa khử tại khoang cực dương hiếu khí cao hơn nhiều so với khoang kị khí, sự chênh lệch điện thế này đóng vai trò lực đẩy thúc đẩy electron chạy qua mạch ngoài. Tại cực dương, electron tham gia phản ứng khử ion thiosulfate để giải phóng khí hydro sunfua và gốc sunfua tự do, phản ứng ngay lập tức với ion cadimi tạo thành tinh thể nano cadimi sunfua.

Khi so sánh với các phương pháp tổng hợp hóa học truyền thống, kích thước hạt 10,82 nm của nghiên cứu này nhỏ hơn nhiều so với kích thước 30 đến 40 nm tổng hợp từ phản ứng giữa ethylenediamine và cadmium acetate, đồng thời vượt trội hơn kích thước 50 nm tạo ra từ phương pháp hóa hơi nhiệt. Cường độ dòng điện nhỏ và ổn định của hệ thống điện sinh học đóng vai trò như một tác nhân kiểm soát tốc độ tạo mầm tinh thể chậm, ngăn ngừa hiện tượng phát triển hạt mất kiểm soát.

Về phương thức biểu diễn trực quan dữ liệu khoa học, động học suy giảm nồng độ ion cadimi và tốc độ tiêu thụ cơ chất lactate theo các mốc 0, 7, 14, 21 ngày được thể hiện tối ưu thông qua các biểu đồ đường đa biến có thanh sai số thực nghiệm. Thành phần nguyên tố định lượng của cadimi và lưu huỳnh được minh họa rõ ràng thông qua bảng dữ liệu phổ EDX và các bản đồ phân bố mật độ nguyên tố vi mô. Mặc dù hiệu suất loại bỏ cadimi ở mức 7,35% còn khiêm tốn so với hiệu suất trên 70% của một số hệ thống buồng đơn, nhưng thiết kế hai khoang lại mang lại lợi thế vượt trội là tách biệt hoàn toàn sản phẩm nano với sinh khối vi khuẩn, giúp việc thu hồi và tinh chế vật liệu sau phản ứng diễn ra vô cùng thuận lợi.

Đề xuất và khuyến nghị

Để phát triển và ứng dụng hiệu quả công nghệ điện sinh học trong việc xử lý ô nhiễm và chế tạo vật liệu nano, bốn giải pháp trọng tâm được đề xuất như sau:

Thứ nhất, nâng cấp cấu trúc điện cực anot bằng cách sử dụng vật liệu nỉ than chì phủ ống nano cacbon nhằm tăng diện tích tiếp xúc của màng sinh học lên gấp 3 đến 4 lần. Giải pháp này đặt mục tiêu gia tăng mật độ dòng điện nội sinh, nâng hiệu suất thu hồi ion cadimi từ 7,35% lên trên 60% trong lộ trình nghiên cứu 12 tháng, do các nhóm nghiên cứu công nghệ vi sinh và điện hóa môi trường chủ trì thực hiện.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình rửa và tinh sạch sản phẩm bằng hệ thống ly tâm siêu sạch kết hợp sấy thăng hoa trong môi trường khí nitơ nhằm loại bỏ hoàn toàn tạp chất oxy còn tồn dư trên bề mặt hạt nano. Mục tiêu là đạt độ tinh khiết tinh thể trên 98% trong vòng 6 tháng tới, do các chuyên gia phòng thí nghiệm vật liệu bán dẫn phụ trách.

Thứ ba, triển khai thử nghiệm hệ thống trên các nguồn nước thải thực tế từ các nhà máy mạ điện và sản xuất pin có nồng độ cadimi dao động từ 10 đến 50 mg/L. Timeline thực hiện trong giai đoạn 24 tháng với sự phối hợp chặt chẽ giữa các viện nghiên cứu chuyên ngành và các doanh nghiệp xử lý chất thải công nghiệp nhằm đánh giá độ bền của màng sinh học trước các ion kim loại cạnh tranh.

Thứ tư, hoàn thiện thiết kế module xử lý liên tục kết hợp thu hồi năng lượng điện phụ trợ để cắt giảm hơn 30% chi phí hóa chất và năng lượng so với công nghệ kết tủa hóa học trước năm 2028, do các đơn vị quản lý công nghệ và đổi mới sáng tạo thúc đẩy thương mại hóa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn to lớn cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm 1: Các nhà khoa học và học viên cao học chuyên ngành Công nghệ sinh học và Kỹ thuật môi trường. Luận văn cung cấp phương pháp chi tiết về cách thức vận hành hệ thống điện sinh học không màng ngăn, kỹ thuật nuôi cấy chủng vi khuẩn hoạt điện Shewanella sp. HN-41 và mô hình chuyển hóa sinh - điện hóa xử lý kim loại nặng.

Nhóm 2: Các kỹ sư và chuyên gia nghiên cứu vật liệu nano bán dẫn. Đây là tài liệu tham khảo giá trị về quy trình tổng hợp xanh các chấm lượng tử cadimi sunfua có kích thước xấp xỉ 10,82 nm, phục vụ trực tiếp cho việc ứng dụng chế tạo pin năng lượng mặt trời, cảm biến quang học và chất đánh dấu huỳnh quang y sinh.

Nhóm 3: Các nhà quản lý vận hành và kỹ sư tại các khu công nghiệp xử lý nước thải xi mạ. Luận văn mở ra góc nhìn mới về mô hình kinh tế tuần hoàn, giúp biến đổi chất thải nguy hại thành sản phẩm phụ trợ có giá trị thương mại cao thay vì phải tốn kém chi phí xử lý bùn thải kim loại nặng.

Nhóm 4: Giảng viên và sinh viên các trường đại học khối ngành công nghệ và khoa học tự nhiên. Công trình là một case study thực nghiệm điển hình kết hợp đa ngành giữa vi sinh học, điện hóa học và khoa học vật liệu, đi kèm quy trình phân tích công cụ chuẩn mực từ HPLC, AAS đến SEM, TEM, EDX và XRD.

Câu hỏi thường gặp

Chủng vi sinh vật nào được ứng dụng trong nghiên cứu này và cơ chế tạo điện của nó là gì? Nghiên cứu sử dụng chủng vi khuẩn thuần khiết Shewanella sp. HN-41 phân lập từ trầm tích bãi triều. Vi khuẩn này có khả năng hô hấp kị khí, sử dụng sodium lactate làm cơ chất để tạo ra electron và chuyển giao trực tiếp điện tử qua hệ thống cytochrome ở màng ngoài đến thanh điện cực than chì trong vòng 6 ngày nuôi cấy.

Tại sao khoang cực dương hiếu khí lại cho hiệu quả tổng hợp hạt nano vượt trội so với kị khí? Sự hiện diện của oxy tại cực dương làm gia tăng đáng kể thế oxy hóa khử của hệ thống, tạo ra lực chênh lệch điện thế lớn giữa hai điện cực. Điều này thúc đẩy tốc độ truyền điện tử ngoại bào, kích hoạt phản ứng khử ion thiosulfate tạo ra gốc sunfua để kết tủa thành công muối cadimi sunfua có màu vàng sau 14 ngày.

Hạt nano cadimi sunfua thu được có kích thước bao nhiêu và hình thái cấu trúc như thế nào? Kết quả phân tích trên kính hiển vi điện tử truyền qua TEM cho thấy hạt nano có dạng hình cầu rỗng, phân tán đồng nhất với kích thước trung bình 10,82 nm sau 21 ngày phản ứng. Kích thước này nhỏ hơn đáng kể so với các hạt từ 30 đến 50 nm tạo ra từ phương pháp hóa học truyền thống.

Nguyên nhân nào khiến hiệu suất thu hồi cadimi của hệ thống chỉ đạt mức khoảng 7,35%? Hiệu suất còn ở mức 7,35% do quy mô thể tích khoang anot nhỏ (100 ml) và diện tích bề mặt điện cực than chì giới hạn khiến cường độ dòng điện sinh ra còn thấp. Ngoài ra, việc duy trì hệ thống hai khoang không dùng màng ngăn làm tăng điện trở trong, đòi hỏi phải mở rộng diện tích điện cực trong tương lai.

Bằng chứng thực nghiệm nào khẳng định vật liệu nano thu được có hiệu ứng giam giữ lượng tử? Phổ hấp thụ quang học UV-Vis của dung dịch hạt nano ghi nhận đỉnh hấp thụ exciton tại bước sóng 275 nm. Sự dịch chuyển xanh mạnh mẽ này chênh lệch tới 240 nm so với vật liệu dạng khối (515 nm), chứng minh dải năng lượng vùng cấm đã mở rộng rõ rệt khi kích thước hạt giảm xuống cấp độ nanomet.

Kết luận

• Chế tạo và vận hành thành công hệ thống điện sinh học hai khoang không sử dụng màng trao đổi ion với chi phí thấp từ vật liệu thủy tinh Duran và điện cực than chì.
• Chủng vi khuẩn Shewanella sp. HN-41 phân hủy hoàn toàn 10 mM sodium lactate sau 6 ngày, duy trì môi trường khoang anot ổn định ở pH 7,4.
• Tổng hợp thành công hạt nano cadimi sunfua dạng hình cầu rỗng với kích thước trung bình 10,82 nm tại khoang cực dương hiếu khí.
• Khẳng định tính chất lượng tử đặc trưng của vật liệu bán dẫn thông qua hiện tượng dịch chuyển xanh trên phổ UV-Vis ở bước sóng 275 nm.
• Thiết lập nền tảng công nghệ xanh kết hợp đồng thời giữa xử lý ô nhiễm ion kim loại nặng và tái thu hồi dưới dạng vật liệu công nghệ cao.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là chứng minh tính khả thi của phương pháp tiếp cận sinh - điện hóa trong việc chế tạo các hạt nano bán dẫn chất lượng cao với chi phí thấp và thân thiện với môi trường, mở ra giải pháp thay thế ưu việt cho các quy trình hóa học độc hại.

Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tiếp theo, nhóm nghiên cứu định hướng tối ưu hóa cấu trúc điện cực để nâng cao hiệu suất xử lý cadimi vượt mức 80% trên các mẫu nước thải công nghiệp thực tế. Các đơn vị nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp xử lý môi trường hãy chủ động kết nối, hợp tác chuyển giao công nghệ để đưa mô hình điện sinh học tiên tiến này vào ứng dụng thực tiễn sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Vấn đề ô nhiễm kim loại nặng (KLN) Cadimi (Cd) đang thu hút sự quan tâm của nhiều quốc gia trên thế giới bởi độc tính và những tác hại nguy hiểm của nó đến sinh vật nói chung và con người nói riêng. Ở nồng độ cao, Cd gây các bệnh lý nghiêm trọng như: thiếu máu, đau thận và phá hủy tủy xương (Nguyễn Thành Hưng, 2016). Tuy nhiên, các hợp chất của kim loại này lại có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, đặc biệt phải kể đến Cadimi sunfua, được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực quang tử và quang điện tử. Hạt Cadimi sunfua kích thước nano (CdS-NPs) thể hiện những đặc tính ưu việt hơn so với các hạt có kích thước lớn hơn, chúng được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống.

Trong khoa học vật liệu, người ta sử dụng các hạt CdS nano trong chế tạo pin mặt trời (solar cells) (Ferekides and Britt, 1994; Nishitani et al., 1994; Mathew et al., 2004; X Wu et al., 2004), cảm biến quang (photo-detectors) (Wagner et al., 1975; Huang et al., 2005; Mahdi et al., 2012; Manna et al., 2012; Di Wu et al., 2012), các thiết bị quang điện tử (optoelectronic devices) (Kuan-Ju Wu et al., 2007; Xianglong Li et al., 2009a) các vật liệu có tính chất quang phi tuyến (nonlinear optical materials) và vô số các thiết bị phát quang (luminescence devices), quang hóa xúc tác (photochemical catalysis), máy dò (detectors) tia laser và tia hồng ngoại,… (Haram et al., 2001; De et al., 2008; Khan et al. Đặc biệt là trong lĩnh vực sinh học phân tử và y sinh, các chấm lượng tử CdS (QDs) thể hiện đặc tính lượng tử bị ảnh hưởng bởi kích thước, đã được ứng dụng như nhãn huỳnh quang (fluorescence labeling) cho việc thu nhận hình ảnh tế bào sống (live cell imaging) (Xianglong Li et al., 2009a; Wei et al., 2012); đầu dò phát quang kích thước nano (luminescent nanosized probes) trong định lượng nucleic acids (Le-Yu Wang et al., 2002b); các loại cảm biến sinh học (biosensors) như cảm biến glucose, organophosphate, enzyme, DNA (Joseph Wang et al., 2002a; Huang et al., 2005; Merkoçi et al., 2005; Kun Wang et al., 2011a; Kun Wang et al., 2011b; Zhiguo et al., 2011; Qian et al. Hiện nay, có nhiều cách để tổng hợp hạt CdS nano như: phương pháp hóa hơi bằng nhiệt (thermal evaporation) (Kar and Chaudhuri, 2006), phương pháp 1 lắng đọng hơi hóa học (chemical vapor deposition) (Ge and Li, 2004), quá trình tổng hợp dung môi nhiệt (solvothermal) (Xu et al., 2005), và quá trình tổng hợp thủy nhiệt (hydrothermal) (Yuexiang Li et al. Tuy nhiên các phương pháp này lại rất độc hại và khó tùy chỉnh được kích thước mong muốn.

Phương pháp sinh học sử dụng năng lượng điện tạo ra từ hệ thống điện sinh học (Bioelectrochemical system – BES để tổng hợp vật liệu nano được biết như là một phương pháp an toàn và thân thiện với môi trường, tuy nhiên các nghiên cứu về tổng hợp CdS nano bằng phương pháp này vẫn còn rất hạn chế. Chính vì những lý do đó, chúng tôi đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu CdS nano bằng hệ thống điện sinh học nhằm tái thu hồi kim loại nặng”. Nghiên cứu này gồm 3 nội dung cụ thể: (1) Nghiên cứu thiết kế các hệ thống BES đơn giản, ưu tiên sản sinh dòng điện thấp trong chế tạo hạt CdS nano; (2) Nghiên cứu sự biến động về mật độ tế bào, pH môi trường và khả năng tiêu thụ cơ chất lactat trong khoang anot của các hệ thống BES; (3) Nghiên cứu khả năng loại bỏ ion Cd(II) dưới dạng tủa CdS và đặc tính về hình thái, kích thước và cấu trúc của vật liệu CdS nano được tổng hợp trong khoang catot của các hệ BES. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Nghiên cứu này nhằm: - Xây dựng hệ pin nhiên liệu vi sinh vật để tái thu hồi kim loại nặng dưới dạng vật liệu nano.

- Tổng hợp vật liệu nano CdS có kích thước nhỏ với chi phí thấp. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. VẤN ĐỀ Ô NHIỄM CADIMI HIỆN NAY Cadimi được xem là một trong những kim loại nặng có nguy cơ gây hại trực tiếp đến sức khoẻ con người. Ở nồng độ cao, Cd gây rối loạn hoạt động của enzym, gây cao huyết áp, gây hỏng thận, phá hủy các mô và hồng cầu (Nguyễn Thành Hưng, 2016).

Nguồn gây ô nhiễm Cadimi tự nhiên trong đất là quá trình phong hoá các đá mẹ; tuy nhiên nguồn gây ô nhiễm chủ yếu kim loại này là nguồn nhân tạo từ công nghiệp luyện kim, lọc dầu, khai khoáng, mạ kim loại, ống dẫn nước. Trong đất Cd có thể tồn tại ở 2 dạng: rất linh động và kém linh động. Trong đất chua, Cd tồn tại ở dạng linh động là các ion và phức hữu cơ của Cd. Dạng kém linh động của Cd tồn tại dưới dạng cacbonat, sunfua, photphat, arsenat và một số hợp chất hữu cơ gốc oxalat với Cd trong điều kiện kiềm do bón vôi hoặc đất chứa nhiều Fe, Al, Mn, chất hữu cơ (Phan Thị Thu Hằng, 2018).

Hàm lượng trung bình Cd trong nước ngọt (nước mưa, nước sông, nước ngầm) và nước biển lần lượt là 0.08 ppb (Boecker and Peng 1982); trong đất dao động khoảng 0.35 mg/ kg (Bovven, 1979) (Mai Trọng Nhuận và cs. Nước thải công nghiệp và nước thải của quá trình xử lý rác là những nguyên nhân trực tiếp gây tích lũy Cd trong đất tùy theo mức độ khác nhau. Kết quả quan trắc vùng chịu ảnh hưởng của rác thải đô thị Nam Sơn - Sóc Sơn từ năm 2006-2010 cho thấy, hàm lượng Cd trung bình tại các điểm dao động từ 0,45- 0,59 mg/kg tuy chưa vượt quy chuẩn kỹ thuật (QCVN) nhưng đã cao hơn giá trị trung bình Cd nền cho nhóm đất xám Việt Nam là: 0,37 - 0,42mg Cd/kg đất; đối với vùng đất bị ảnh hưởng của công nghiệp hóa chất hàm lượng Cd có xu hướng tích lũy cao hơn đạt từ 0,61-2,29mg Cd/kg đất, cá biệt đã có những điểm vượt quá QCVN 03:2008/BTNMT cho phép đối với đất phục vụ cho sản xuất nông nghiệp. Theo Mai Trọng Nhuận và cs.

(2002) trong trầm tích bãi triều khu vực châu thổ sông Hồng, hàm lượng các nguyên tố kim loại nặng có xu thế tăng dần từ nhừng năm 1950 đến nay. Hàm lượng Cd và một số các nguyên tố khác trong rừng ngập mặn ở đổng bằng sông Hồng đã vượt ngưỡng hướng dẫn đánh giá chất lượng môi trường trầm tích của Canada (ISQGs), có thể gây ra những ảnh hưởng lên sức khỏe của sinh vật bám đáy và chuỗi/lưới thức ăn (Mai Trọng Nhuận và cs. Theo báo cáo của các công trình nghiên cứu gần đây cho thấy nước ngầm, nước mặt và đất trên địa bàn thành phố Hà Nội đã bị ô nhiễm kim loại nặng Cd (Nguyễn Xuân Hải, 2005a, 2006b). 3 Hiện nay, chưa có biện pháp giải độc Cadimi tối ưu.

Vì vậy việc chủ động phòng tránh Cadimi trước khi kim loại này xâm nhập vào cơ thể là cần thiết và quan trọng. CẤU TRÚC VÀ NHỮNG THUỘC TÍNH ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU CdS CdS là một trong những vật liệu bán dẫn II–VI quan trọng do độ rộng vùng cấm lớn (Eg= 2,4 eV) tương ứng vùng ánh sáng nhìn thấy. Với hiệu suất lượng tử cao cùng với khả năng có thể điều chỉnh các đặc trưng quang học theo kích thước cho phép sử dụng hiệu quả loại vật liệu này trong các lĩnh vực quang điện tử và quang tử như là phần tử đánh dấu sinh học, vật liệu phát quang trong chiếu sáng rắn. Mặt khác, năng lượng liên kết exciton của CdS nhỏ (29 mV) tương ứng với bán kính Bohr exciton: aB = 2,8 nm nên trong thực tế CdS là một trong các hệ chấm lượng tử điển hình được dùng để nghiên cứu hiệu ứng giam giữ lượng tử mà trong đó hiệu ứng kích thước thể hiện khá rõ nét.

Các dạng cấu trúc tinh thể Tinh thể CdS có nhiều dạng cấu trúc. Dạng phổ biến nhất là tinh thể mạng lục giác wurtzite (hexagonal wurtzite). Các mạng ít phổ biến hơn là mạng lập phương tâm diện giả kẽm (face-centered zincblende-structure) và mạng tinh thể lập phương kiểu NaCl (rocksalts). Mạng lục giác wurtzite có nhóm đối xứng 4 không gian (space group): P 63mc – C 6v.

Mạng lập phương giả kẽm (cubic, 2 zincblende), nhóm đối xứng không gian: F43m – T d. Pha lập phương ít phổ biến hơn và các thí nghiệm chế tạo CdS đã dẫn đến kết luận rằng cấu trúc tinh thể CdS o o lập phương có thể tồn tại trong phạm vi phạm vi nhiệt độ 20 C - 900 C. Sự chuyển pha cấu trúc dưới áp suất thủy tĩnh từ wurtzite sang cấu trúc đá muối (rocksalts) được phát hiện bởi sự hấp thụ phụ thuộc vào áp suất (Bornstein, 1982). Một số tính chất đặc biệt của vật liệu CdS nano 2.

Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước càng nhỏ (r giảm, r là bán kính hạt nano) thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu (f) gia tăng. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu, nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có 4 liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng. Khi kích thước của vật liệu giảm đến nano mét thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Sự thay đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục.

Vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ, thường bị bỏ qua. Hiệu ứng bề mặt đóng một vai trò quan trọng đối với quá trình hoá học, đặc biệt trong các vật liệu xúc tác. Sự tiếp xúc giữa bề mặt các hạt và môi trường xung quanh tạo điều kiện cho hiệu ứng xúc tác hiệu quả (Trịnh Thị Kim Chi, 2010). Chấm lượng tử và hiệu ứng giam giữ lượng tử Khi giảm đi một, hai hoặc ba chiều của vật liệu khối xuống kích thước nano mét, ta sẽ thu được các cấu trúc tương ứng gọi là giếng lượng tử - hai chiều (2D); dây lượng tử - một chiều (1D) và chấm lượng tử - không chiều (0D).

Trường hợp 0D (chấm lượng tử): Khi các hạt mang điện bị giới hạn theo cả ba chiều trong không gian và hoàn toàn không thể chuyển động tự do và vì thế chỉ tồn tại các trạng thái (kx, ky, kz) gián đoạn trong không gian k. Phổ năng lượng từ gián đoạn chuyển sang thành tách mức năng lượng, các mức này bị gián đoạn theo cả ba chiều trong không gian.