Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ nano và nhu cầu xử lý môi trường ngày càng cao, việc tổng hợp và ứng dụng các vật liệu nano có tính năng xúc tác và kháng khuẩn hiệu quả trở thành một hướng nghiên cứu trọng điểm. Theo ước tính, các hợp chất amine thơm được tổng hợp chủ yếu qua quá trình khử các hợp chất nitro, tuy nhiên các phương pháp truyền thống thường sử dụng xúc tác kim loại trong môi trường độc hại, gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Do đó, nghiên cứu phát triển các vật liệu xúc tác mới, thân thiện môi trường, có hiệu suất cao là rất cần thiết.

Luận văn tập trung vào tổng hợp vật liệu nano bạc (AgNPs) trên nền graphene oxide (GO) được chức hóa với polymaleicamide siêu nhánh (PMAAM) nhằm ứng dụng làm chất xúc tác trong phản ứng khử 4-nitrophenol (4-NP) và khảo sát hoạt tính kháng khuẩn đối với các chủng vi khuẩn Escherichia coli, Staphylococcus aureus và Bacillus cereus. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2021.

Mục tiêu cụ thể bao gồm: chức hóa GO với maleic anhydride (MA) bằng phản ứng Diels-Alder trong dung môi ion thế hệ mới (deep eutectic solvent - DES), tổng hợp polymer siêu nhánh GO-PMAAM với cấu trúc một, hai và ba tầng, tích hợp nano bạc trên nền GO-PMAAM, đánh giá hoạt tính xúc tác khử 4-NP và khả năng tái sử dụng, cũng như khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu tổng hợp. Nghiên cứu góp phần phát triển quy trình tổng hợp vật liệu nano bạc thân thiện môi trường, hiệu quả cao, đồng thời mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường và y sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Phản ứng Diels-Alder (DA): Phản ứng cycloaddition giữa maleic anhydride (MA) và graphene oxide (GO) trong dung môi DES, tạo liên kết cộng hóa trị nhằm chức hóa bề mặt GO, tăng khả năng tương tác với polymer và kim loại.

  • Dung môi ion thế hệ mới (Deep Eutectic Solvent - DES): Hỗn hợp eutectic của choline chloride và zinc chloride (tỉ lệ mol 1:2) được sử dụng làm dung môi xanh, thân thiện môi trường, hỗ trợ phản ứng DA dưới tác động sóng siêu âm.

  • Polymer siêu nhánh (Dendrimer): Polymaleicamide (PMAAM) được tổng hợp trên nền GO qua các phản ứng chức hóa luân phiên với MA và ethylenediamine (EDA), tạo cấu trúc một, hai và ba tầng, cung cấp môi trường ổn định cho sự tích hợp nano bạc.

  • Nano bạc (AgNPs): Các hạt nano bạc được tổng hợp và tích hợp trên nền GO-PMAAM bằng phương pháp khử ion bạc (AgNO3) dưới ánh sáng nhìn thấy, tận dụng diện tích bề mặt lớn và tính năng kháng khuẩn vượt trội của AgNPs.

  • Khả năng xúc tác và kháng khuẩn: Vật liệu AgNPs/GO-PMAAM được ứng dụng làm chất xúc tác trong phản ứng khử 4-nitrophenol thành 4-aminophenol, đồng thời khảo sát hiệu quả kháng khuẩn đối với các vi khuẩn Gram âm và Gram dương.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các hóa chất chuẩn như graphite, maleic anhydride, choline chloride, zinc chloride, ethylenediamine, AgNO3 và các dung môi methanol, ethanol, nước khử ion. Vật liệu tổng hợp được phân tích bằng các phương pháp hóa lý hiện đại.

  • Phương pháp tổng hợp:

    1. Tổng hợp graphene oxide (GO) từ graphite bằng phương pháp Hummers cải tiến.
    2. Chức hóa GO với maleic anhydride (MA) trong dung môi DES (choline chloride: zinc chloride) dưới tác động sóng siêu âm, tạo GO-MA.
    3. Tổng hợp polymer siêu nhánh GO-PMAAM với cấu trúc một, hai và ba tầng qua phản ứng luân phiên giữa GO-MA, MA và ethylenediamine (EDA).
    4. Tích hợp nano bạc (AgNPs) trên nền GO-PMAAM bằng phương pháp khử AgNO3 dưới ánh sáng nhìn thấy, tạo vật liệu AgNPs/GO-PMAAM.

  • Phương pháp phân tích:

    • Phổ Raman, phổ hồng ngoại FT-IR để xác định nhóm chức và cấu trúc hóa học.
    • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và kích thước hạt nano.
    • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) đánh giá tính ổn định nhiệt của vật liệu.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) khảo sát hình thái bề mặt và thành phần nguyên tố.
    • Phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) theo dõi quá trình xúc tác khử 4-nitrophenol.

  • Phân tích hoạt tính xúc tác: Đo tốc độ khử 4-nitrophenol thành 4-aminophenol trong dung dịch có NaBH4 và vật liệu xúc tác AgNPs/GO-PMAAM, khảo sát ảnh hưởng của số tầng polymer, khối lượng xúc tác, pH và khả năng tái sử dụng.

  • Khảo sát hoạt tính kháng khuẩn: Thử nghiệm in vitro với các chủng vi khuẩn Escherichia coli, Staphylococcus aureus và Bacillus cereus, xác định đường kính vòng ức chế và nồng độ ức chế tối thiểu (MIC).

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 6 đến tháng 12 năm 2021 tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chức hóa GO thành công với MA trong DES:

    • Hiệu suất tổng hợp GO-MA đạt khoảng 85%.
    • Phổ Raman và FT-IR xác nhận sự gắn kết covalent của MA lên bề mặt GO qua phản ứng Diels-Alder.
    • SEM-EDX cho thấy sự phân bố đồng đều các nguyên tố C, O, N trên vật liệu GO-MA.

  2. Tổng hợp polymer siêu nhánh GO-PMAAM với cấu trúc đa tầng:

    • Các mẫu GO-PMAAM-G1.0, G2.0 và G3.0 được tổng hợp với hiệu suất lần lượt khoảng 80%, 75% và 70%.
    • XRD và TGA cho thấy vật liệu có cấu trúc ổn định, kích thước hạt nano bạc trung bình khoảng 10-50 nm tùy theo số tầng polymer.
    • SEM hình ảnh vật liệu có bề mặt nhẵn, không bị kết tụ hạt nano bạc.

  3. Tích hợp nano bạc trên nền GO-PMAAM:

    • Phổ UV-Vis ghi nhận đỉnh hấp thụ đặc trưng của AgNPs tại khoảng 420 nm, chứng tỏ sự hình thành hạt nano bạc.
    • Phân tích EDX xác nhận hàm lượng bạc chiếm khoảng 15-20% trọng lượng vật liệu tổng hợp.

  4. Hoạt tính xúc tác khử 4-nitrophenol:

    • Vật liệu AgNPs/GO-PMAAM-G3.0 có hằng số tốc độ khử 4-NP cao nhất, đạt khoảng 0.015 s⁻¹, vượt trội hơn 30% so với mẫu một tầng (G1.0).
    • Khả năng tái sử dụng xúc tác duy trì trên 85% hiệu suất sau 5 chu kỳ.
    • Ảnh hưởng pH cho thấy hiệu suất xúc tác tối ưu ở pH trung tính (pH 7).

  5. Hoạt tính kháng khuẩn:

    • Vật liệu AgNPs/GO-PMAAM-G3.0 ức chế hiệu quả các vi khuẩn E. coli, S. aureus và B. cereus với đường kính vòng ức chế lần lượt là 15 mm, 18 mm và 16 mm.
    • Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) dao động từ 10 đến 20 µg/mL tùy chủng vi khuẩn.

Thảo luận kết quả

Việc sử dụng dung môi DES trong phản ứng Diels-Alder giúp chức hóa GO hiệu quả mà không cần sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh, giảm thiểu tác động môi trường và điều kiện phản ứng khắc nghiệt. Kết quả phổ Raman và FT-IR minh chứng sự gắn kết covalent của MA lên GO, tạo nền tảng cho sự phát triển polymer siêu nhánh.

Cấu trúc polymer đa tầng GO-PMAAM tạo môi trường ổn định cho sự tích hợp nano bạc, hạn chế hiện tượng kết tụ hạt nano, từ đó nâng cao diện tích bề mặt xúc tác. Hằng số tốc độ khử 4-NP tăng theo số tầng polymer cho thấy cấu trúc siêu nhánh góp phần cải thiện hiệu quả xúc tác nhờ tăng diện tích tiếp xúc và khả năng phân tán AgNPs.

Khả năng tái sử dụng xúc tác cao chứng tỏ vật liệu có tính ổn định cơ học và hóa học tốt, phù hợp cho ứng dụng thực tế. Hoạt tính kháng khuẩn mạnh mẽ của AgNPs/GO-PMAAM-G3.0 được giải thích bởi cơ chế giải phóng ion Ag+ liên tục, tác động lên màng tế bào vi khuẩn và DNA, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về nano bạc.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ UV-Vis thể hiện sự suy giảm hấp thụ 4-NP theo thời gian, bảng so sánh hằng số tốc độ xúc tác giữa các mẫu polymer khác nhau, và biểu đồ đường kính vòng ức chế kháng khuẩn đối với từng chủng vi khuẩn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng quy trình tổng hợp xanh:

    • Khuyến nghị sử dụng dung môi DES trong các quy trình chức hóa GO để giảm thiểu tác động môi trường.
    • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu nano và công nghiệp hóa học.

  2. Phát triển vật liệu xúc tác đa tầng:

    • Tăng cường nghiên cứu và tối ưu hóa cấu trúc polymer siêu nhánh để nâng cao hiệu suất xúc tác và kháng khuẩn.
    • Thời gian: 12-18 tháng.
    • Chủ thể: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác.

  3. Mở rộng ứng dụng trong xử lý môi trường:

    • Thử nghiệm quy mô pilot ứng dụng vật liệu AgNPs/GO-PMAAM trong xử lý nước thải chứa hợp chất nitrophenol và vi khuẩn gây hại.
    • Thời gian: 18-24 tháng.
    • Chủ thể: Các công ty xử lý môi trường và cơ quan quản lý.

  4. Nghiên cứu an toàn và tác động sinh thái:

    • Đánh giá tác động lâu dài của vật liệu nano bạc trên môi trường và sức khỏe con người để đảm bảo an toàn khi ứng dụng rộng rãi.
    • Thời gian: 12 tháng.
    • Chủ thể: Các tổ chức nghiên cứu môi trường và y tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu Nano:

    • Học hỏi quy trình tổng hợp vật liệu nano bạc trên nền graphene oxide-polymer siêu nhánh, phương pháp phân tích hiện đại và ứng dụng xúc tác, kháng khuẩn.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và kháng khuẩn:

    • Áp dụng quy trình tổng hợp xanh, phát triển sản phẩm xúc tác hiệu quả, thân thiện môi trường, mở rộng thị trường ứng dụng trong xử lý môi trường và y sinh.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và y tế:

    • Tham khảo các nghiên cứu về vật liệu nano bạc, đánh giá tiềm năng ứng dụng và rủi ro liên quan đến sức khỏe cộng đồng và môi trường.

  4. Phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển công nghệ xử lý nước thải:

    • Ứng dụng vật liệu xúc tác mới trong xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại và vi sinh vật gây bệnh, nâng cao hiệu quả và tính bền vững của công nghệ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu AgNPs/GO-PMAAM có ưu điểm gì so với các vật liệu nano bạc truyền thống?
    Vật liệu này được tổng hợp bằng phương pháp xanh sử dụng dung môi DES, có cấu trúc polymer siêu nhánh giúp phân tán nano bạc đồng đều, tăng diện tích bề mặt và ổn định kích thước hạt, từ đó nâng cao hiệu quả xúc tác và kháng khuẩn so với nano bạc truyền thống dễ kết tụ.

  2. Phản ứng Diels-Alder trong dung môi DES có lợi ích gì?
    Phản ứng diễn ra ở điều kiện ôn hòa, không cần xúc tác độc hại, dung môi DES thân thiện môi trường, giúp chức hóa GO hiệu quả mà không làm suy giảm tính chất vật liệu, giảm thiểu tác động môi trường so với các phương pháp chức hóa truyền thống.

  3. Khả năng tái sử dụng của vật liệu xúc tác như thế nào?
    Vật liệu AgNPs/GO-PMAAM-G3.0 duy trì trên 85% hiệu suất xúc tác sau 5 chu kỳ sử dụng, cho thấy tính ổn định cao và khả năng tái sử dụng tốt, phù hợp cho ứng dụng thực tế trong xử lý môi trường.

  4. Nano bạc có gây hại cho con người và môi trường không?
    Nano bạc có khả năng kháng khuẩn mạnh nhưng không gây hại cho tế bào động vật bậc cao do cấu trúc màng tế bào khác biệt. Tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm về tác động lâu dài và liều lượng sử dụng để đảm bảo an toàn khi ứng dụng rộng rãi.

  5. Vật liệu này có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào ngoài xử lý môi trường?
    Ngoài xử lý nước thải, vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong y sinh như vật liệu kháng khuẩn cho thiết bị y tế, màng lọc, và các sản phẩm bảo vệ sức khỏe nhờ khả năng ức chế vi khuẩn hiệu quả.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu nano bạc trên nền graphene oxide-polymer siêu nhánh bằng phương pháp xanh sử dụng dung môi ion DES và phản ứng Diels-Alder.
  • Vật liệu AgNPs/GO-PMAAM-G3.0 thể hiện hoạt tính xúc tác khử 4-nitrophenol vượt trội và khả năng tái sử dụng cao.
  • Hoạt tính kháng khuẩn mạnh mẽ đối với các chủng vi khuẩn E. coli, S. aureus và B. cereus được xác nhận qua các thử nghiệm in vitro.
  • Quy trình tổng hợp thân thiện môi trường, đơn giản, có thể mở rộng ứng dụng trong xử lý môi trường và y sinh.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô ứng dụng, đánh giá an toàn sinh thái và phát triển các vật liệu xúc tác đa chức năng.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô pilot, tối ưu hóa cấu trúc polymer siêu nhánh, nghiên cứu tác động môi trường và sức khỏe.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu nano và xử lý môi trường nên hợp tác phát triển và ứng dụng vật liệu AgNPs/GO-PMAAM nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.