CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về vật liệu 1. Giới thiệu sơ lược về kim loại đồng (copper) Đồng (Copper) là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Cu (bắt nguồn từ tiếng Latin: cuprum). Trong bảng tuần hoàn hóa học đồng thuộc IB, chu kỳ 4, có số hiệu nguyên tử bằng 29.
Đồng là một kim loại mềm, dẻo, dễ kéo sợi và tráng mỏng, có tính dẫn nhiệt và điện rất cao. Cấu hình electron nguyên tử đồng là 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1.Viết gọn là [Ar] 3d10 4s1. Đồng được sử dụng làm chất dẫn nhiệt và điện, vật liệu xây dựng và là thành phần của các hợp kim của nhiều kim loại. Đồng xuất hiện trong tự nhiên ở dạng đồng kim loại và đã được ghi chép trong các tư liệu của một số nền văn minh cổ đại, nó có lịch sử sử dụng ít nhất là 9000 năm Trước Công Nguyên ở Trung Đông.
Hoa tai bằng đồng đã được tìm thấy ở miền bắc Iraq có niên đại 8700 năm Trước Công Nguyên. Đồng là kim loại kém hoạt động. Ở nhiệt độ thường và trong không khí đồng bị bao phủ một mảng màu đỏ gồm đồng kim loại và đồng (I) oxide. Oxide này được tạo nên bởi những phản ứng: 2Cu + O2 + 2H2O→ 2Cu(OH)2 (1.1) Cu(OH)2 + Cu → Cu2O + H2O (1.2) Có nhiều phương pháp khác nhau được áp dụng để điều chế nano đồng, trong đó phải kể đến là phương pháp hóa học xanh sử dụng dịch chiết thực vật.
Như đã biết, trong dịch chiết thực vật có chứa các chất khử như polyphenol, alkaloide, terpenoid, flavonoide, tannin, quinines, … và các chất này sẽ khử ion Cu2+ thành nguyên tử nano đồng kim loại. Đây là phương pháp tổng hợp đơn giản, phản ứng xảy ra nhẹ nhàng, điều kiện phản ứng êm dịu, thân thiện với môi trường. Đặc biệt tạo ra được dung dịch chứa hạt nano đồng bền, hạt nano đồng tạo thành không bị oxi hóa, do dịch chiết thực vật vừa đóng vai trò như một tác nhân khử, vừa có tác dụng ổn định hạt nano đồng tạo thành [17], [18]. Giới thiệu sơ lược về vật liệu Fe3O4 Oxide sắt từ (magnetite) là hợp chất oxide phổ biến của nguyên tố sắt, được viết dưới dạng Fe3O4 hoặc FeO.Fe2O3 với tỉ lệ Fe2+:Fe3+ = 1:2.
Oxide sắt từ thường ở dạng bột màu đen, có khối lượng riêng d = 5,17 g/cm3 và nhiệt độ nóng chảy tonc = 1597 oC. Có nhiều phương pháp để điều chế hạt nano oxide sắt từ như: + Phương pháp nghiền: vật liệu từ tính Fe3O4 được nghiền cùng với chất hoạt động bề mặt (acid oleic,…) và dung môi (dầu, n-hexane,…). Ở đây, chất hoạt động bề mặt 4 giúp quá trình nghiền được diễn ra dễ dàng và tránh hiện tượng các hạt kết tụ với nhau. Sau khi nghiền, sản phẩm được thông qua quá trình phân tách hạt rất phức tạp để có được các hạt tương đối đồng nhất.
+ Phương pháp đồng kết tủa: cho phép tạo ra các hạt nano từ tính có kích thước và tính chất từ khác nhau bằng việc điều chỉnh các điều kiện thí nghiệm. Các hạt Fe 3O4 được tổng hợp bằng phương pháp này có kích thước từ vài nanomet đến vài chục nanomet, đồng thời đảm bảo được tính đồng nhất hóa học và hoạt tính cao của sản phẩm tạo thành. + Phương pháp vi nhũ tương: là sự phân tán của chất lỏng trong một chất lỏng ổn định khác bằng màng phân cách của các hoạt tính bề mặt. Vi nhũ tương là một chất lỏng không màu, đẳng hướng và ổn định về mặt động lực học.
+ Phương pháp hóa siêu âm: là phương pháp tổng hợp hóa học dưới sự hỗ trợ của sóng siêu âm. Muối sắt (II) acetate được cho vào trong nước cất hai lần rồi cho chiếu xạ siêu âm với công suất khoảng 200 W trong 2 giờ trong môi trường bảo vệ. Sóng siêu âm được tác dụng dưới dạng xung để tránh hiện tượng quá nhiệt do siêu âm tạo ra. Khi tác dụng siêu âm, trong dung dịch sẽ xuất hiện các chất có tính khử và tính oxi hóa như H2, H2O2.
Các sản phẩm trung gian năng lượng cao có thể là HO2 (superoxide), hydrogen nguyên tử, hydroxyl và điện tử. Các chất này sẽ oxi hóa muối sắt và biến chúng thành magnetite Fe3O4. Sau khi phản ứng xảy ra, ta thu được hạt nano Fe3O4. + Phương pháp điện hóa: được dùng để chế tạo hạt nano oxide sắt từ với kích thước hạt nano từ 3-8 nm, được điều khiển bằng cách thay đổi mật độ dòng điện phân.
Dung dịch điện hóa được sử dụng là dung dịch hữu cơ, sự phân tán của các hạt nano nhờ vào các chất hoạt hóa bề mặt dương. + Phương pháp nhiệt phân là phương pháp rất hiệu quả để chế tạo hạt nano với quy mô lớn. Phương pháp này được phân thành hai phương pháp nhỏ đó là nhiệt phân bụi hơi và nhiệt phân laser. Nguyên tắc của phương pháp nhiệt phân bụi hơi để tạo hạt nano oxide sắt bắt đầu từ muối Fe3+ và một vài hóa chất đóng vai trò tác nhân khử ion thành kim loại để sau đó bị oxi hóa thành oxide sắt.
Phương pháp nhiệt phân laser được dùng để chế tạo hạt oxide có kích thước từ 5-20 nm. Ở phương pháp này, luồng hơi có chứa hỗn hợp chất phản ứng được nung nóng bởi laser CO2 và phản ứng xảy ra do nhiệt độ cao. Hạt nano tạo từ phương pháp này có kích thước nhỏ, đồng nhất và hầu như không kết tụ. Một số thuộc tính đặc trưng của Fe3O4 [21].
Công thức phân tử FeO.Fe2O3 hay Fe3O4 Khối lượng mol 231,5386 g/mol Bề ngoài Bột màu đen đặc Khối lượng riêng 5,17 g/ cm3 Điểm nóng chảy 1597 (1870 K; 2907 oF) Điểm sôi 2623 oC (2896 K; 4753 oF) Chiết suất (nD) 2,42 1. Giới thiệu về vật liệu Cu/Fe3O4 Vật liệu composite Cu/Fe3O4 được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Có nhiều phương pháp khác nhau để phân tán Cu lên trên bền mặt Fe3O4. Trong tài liệu [14] Cu-Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp nén hỗn hợp nano Fe3O4 và Cu dưới áp suất cao, đồng thời gia nhiệt ở nhiệt độ cao.
Vật liệu được báo cáo có tính dẫn điện giống kim loại, đồng thời có từ tính cao. Nhóm tác giả Andra Mihaela Predescu và các cộng sự đã tổng hợp thành công vật liệu Cu-Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa tạo ra Fe3O4, sau đó sử dụng ethylene glycol và 1,2 – propenediol để khử Cu2+ thành Cu. Composite Cu-Fe3O4 được tạo thành có tính dẫn điện nằm giữa chất bán dẫn và kim loại [15]. Năm 2016, Cu/Fe3O4 được Mahmoud Nasrollahzadeh và các cộng sự tổng hợp thành công nhờ phản ứng giữa Cu2+ và dịch chiết lá cây Morinda morindoides, một cây thuộc họ Thiến Thảo, chi Nhàu.
Vật liệu Cu/Fe3O4 sau khi tổng hợp được ứng dụng để khử các chất hữu cơ như 4-nitrophenol (4-NP), congo đỏ (CR) và rhodamine B (RhB) trong môi trường nước ở nhiệt độ phòng. Chất xúc tác được thu hồi bằng nam châm và được tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính xúc tác của nó không bị giảm đáng kể [12]. Bằng cách sử dụng dịch chiết hoa hồng tuyết (Helleborus niger) [13] và dịch chiết lá chè xanh [11] các tác giả đã tổng hợp vật liệu Cu/Fe3O4 không chỉ xúc tác tốt cho phản ứng đa thành phần tổng hợp các gốc pyrano[3,2-c]chromene từ các andehyt thơm và các andehyt dị vòng mà còn có hoạt tính sinh học như khả năng chống oxi hóa, chống ung thư. Qua nghiên cứu tài liệu thấy rằng, việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite Cu/Fe3O4 bằng phương pháp hóa học xanh sử dụng dịch chiết lá chè xanh và ứng dụng làm chất xúc tác cho phản ứng khử methylene blue là hướng nghiên cứu tiềm năng và 6 có triển vọng [8].
Tổng quan về cây chè xanh 1. Đặc điểm cây chè xanh Cây chè xanh có tên khoa học là Camellia sinensis (L. Tại Việt Nam, cây chè xanh có mặt từ rất sớm và được trồng nhiều tại các vùng núi trung du Bắc Bộ. Với tiềm năng kinh tế cao cây chè xanh ngày càng được trồng phổ biến hơn.
Chè xanh là một cây gỗ, mọc hoang, cây có nhiều cành ngay từ gốc. Đặc điểm thực vật của cây chè xanh: - Thân và cành: Cây chè xanh có thân thẳng đứng, phân cành theo thứ bậc. Do đặc điểm hình thái khác nhau của cành, người ta thường chia cành chè thành 3 dạng thân khác nhau: thân gỗ, thân bụi và thân bán gỗ. Cành của cây chè xanh thường được hình thành từ mầm dinh dưỡng.
Các cành được chia thành nhiều đốt. - Mầm chè: Có 2 loại mầm chè chính là: mầm dinh dưỡng (phát triển thành cành, lá) và mầm sinh thực (phát triển thành nụ hoa, quả chè). - Búp chè: là phần non ở trên cùng của cành chè. Bộ phận tạo thành trà búp Tài Nguyên chính là mầm dinh dưỡng.
Kích thước của búp chè tùy thuộc vào một số yếu tố như giống cây trồng, điều kiện môi trường, dinh dưỡng, kỹ thuật canh tác,… Có hai loại búp trà chính: Búp chè bình thường (có cả lá non và tôm chè) và búp mù xòe (có lá non mà không có phần trà tôm nõn). - Lá chè xanh: dài khoảng từ 4-15 cm, rộng từ 2-2,5 cm, mọc so le, hình dạng của tuỳ vào giống cây chè xanh. Lá già màu lục sẫm, lá non có màu xanh lục nhạt. Lá chè xanh sẽ mọc ra từ đốt trà, thường mọc riêng lẻ, có màu xanh đậm từ trên xuống dưới.
- Hoa chè xanh: phát triển từ mầm sinh thực, thường mọc thành cụm ở nách lá, thuộc hoa lưỡng tính, có màu trắng, có mùi thơm, tràng hoa có 5-9 cánh, mọc ở kẽ lá. - Quả chè: có một nang, thường có 3 ngăn, quả mở bằng lối cắt ngăn; hạt không có phôi nhũ, lá mầm lớn, có chứa dầu. Trung bình mỗi búp chè như vậy cho khoảng 2- 4 hạt chè. Quả chè chín sẽ chuyển sang màu nâu.
- Hạt chè: Khối lượng diệp lục trong hạt rất lớn chiếm 3/4 khối lượng diệp lục. Ngoài ra, hàm lượng dầu trong hạt cũng cao, vượt quá 30%. Cây chè xanh Cây chè xanh thường phân bố ở khu vực nhiệt đới, cận nhiệt đới nơi có khí hậu ẩm ướt và có ánh sáng mặt trời. Ở Việt nam, cây chè xanh được trồng ở nhiều địa phương như: Thái nguyên, Phú Thọ, Tuyên Quang, Hà Giang, Yên Bái, Hòa Bình, Quảng Nam, Lâm Đồng… [3].
Thành phần hóa học của lá chè xanh Cây chè xanh chứa nhiều các hợp chất hóa học như polyphenol, alkaloide, proteine, các amino acid, glucid và pectin. Ngoài ra trong thành phần hóa học của cây chè xanh còn có các chất tạo sắc tố, các vitamin và enzyme [10].