B GIO DC V O TO TRNG I HC VINH NGUYN TH HềA NGHIÊN CứU TổNG HợP KẽM OXIT PHA TạP BạC Có KíCH THƯớC NANOMET BằNG PHƯƠNG PHáP ĐốT CHáY Và THử KHả NĂNG KHáNG KHUẩN E.COLI TRONG NƯớC LUN VN THC S HểA HC VINH - 2014 B GIO DC V O TO TRNG I HC VINH NGUYN TH HềA NGHIÊN CứU TổNG HợP KẽM OXIT PHA TạP BạC Có KíCH THƯớC NANOMET BằNG PHƯƠNG PHáP ĐốT CHáY Và THử KHả NĂNG KHáNG KHUẩN E.COLI TRONG NƯớC Chuyờn ngnh: Húa vụ c Mó s: 60.44.25 LUN VN THC S HểA HC Ngi hng dn khoa hc: TS. NGUYN XUN DNG VINH - 2014 LỜI CẢM ƠN Luận văn này được thực hiện tại khoa Hóa - Trường Đại học Vinh. Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo - TS. Nguyễn Xuân Dũng người đã chỉ bảo, cung cấp các kiến thức bổ ích và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy, cô trong tổ Hóa Vô cơ - Khoa Hóa học, Trung tâm thí nghiệm - Trường Đại học Vinh đã đóng góp ý kiến, cung cấp các thiết bị và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi hoàn thành tốt luận văn của mình. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp luôn bên tôi động viên, khích lệ và chia sẻ giúp tôi hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ này. Vinh, tháng 10 năm 2014 Người thực hiện Nguyễn Thị Hòa MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3 1.1. Công nghệ nano và vật liệu nano 3 1.1.1. Công nghệ nano (nanotechnology) 3 1.1.2. Vật liệu nano 3 1.1.3. Hóa học nano 4 1.1.4. Ứng dụng công nghệ nano 4 1.1.5. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano 5 1.2. Giới thiệu về kẽm oxit (ZnO) 13 1.2.1. Cấu trúc tinh thể ZnO 13 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể 15 1.2.3. Tính chất của ZnO 16 1.2.4. Ứng dụng của ZnO 18 1.3. Bạc và nano bạc 19 1.3.1. Giới thiệu về kim loại Bạc 19 1.3.2. Bạc nano và tính ưu việt của bạc nano so với bạc ion và bạc khối 20 1.3.3. Các phương pháp điều chế nano bạc 21 1.3.4. Cơ chế diệt khuẩn của hạt nano bạc 22 1.3.5. Ứng dụng của nano bạc 24 1.4. Các phương pháp nghiên cứu 26 1.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X 26 1.4.2. Phương pháp hiển vi điện tử 28 1.4.3. Phương pháp phân tích nhiệt (DTA - TG) 31 1.4.4. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng 32 1.4.5. Phương pháp quang phổ hấp thu UV- VIS 33 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 34 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 34 2.1.1. Hóa chất 34 2.1.2. Dụng cụ, thiết bị 34 2.2. Pha chế dung dịch 34 2.2.1. Dung dịch Zn(NO 3 ) 2 1M 34 2.2.2. Dung dịch AgNO 3 1M 35 2.3. Điều chế ZnO và ZnO pha tạp Ag kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy 35 2.4. Các phương pháp đánh giá các đặc trưng vật liệu 35 2.4.1. Phương pháp phân tích nhiệt 35 2.4.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X 36 2.4.3. Phương pháp chụp TEM 37 2.4.4. Phương pháp chụp ảnh SEM, EDS 37 2.4.5. Phương pháp đo phổ hấp thu UV - VIS 37 2.5. Phương pháp thử khả năng kháng khuẩn của vật liệu 37 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 3.1. Phân tích nhiệt 39 3.2. Kết quả phổ XRD 40 3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nung đến sự tạo pha tinh thể 40 3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng PVA đến kích thước hạt 43 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel 45 3.3. Kết quả chụp SEM và TEM 47 3.4. Kết quả phổ tán sắc năng lượng (EDX) 47 3.5. Kết quả đo phổ hấp thu UV-VIS 48 3.6. Kết quả thử hoạt tính kháng khuẩn với chủng E.Coli ATCC 25922 50 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CS Combustion synthesis: Tổng hợp đốt cháy DNA Axit Deoxyribo Nucleic EDTA Ethylendiamin Tetraacetic Acid EDX Energy-dispersive X-ray spectroscopy: Phổ tán sắc năng lượng tia X EM Electron Microscopy: Hiển vi điện tử PAA polyacrylic axit PEG polyetylen glycol PVA Polyvinyl ancol SC Solution combustion : Đốt cháy dung dịch SEM Scanning Electron Microscope: Kính hiển vi điện tử quét SSC Solid state combustion : Đốt cháy pha rắn TEM Transmission Electron Microscopy: Kính hiển vi điện tử truyền qua XRD X - Ray Diffraction: Nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Sơ đồ điều chế vật liệu bằng phương pháp sol - gel 7 Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể ZnO 13 Hình 1.3. Ba lớp xếp chặt ABC dạng lập phương 14 Hình 1.4. Cấu trúc zincblende 15 Hình 1.5. Cấu trúc wurtzite 15 Hình 1.6. Khẩu trang nano bạc ngăn ngừa cúm H1N1 25 Hình 1.7. Bình sữa phủ nano bạc 25 Hình1.8. Dung dịch rửa nano bạc 25 Hình 1.9. Đồ đựng thực phẩm phủ nano bạc 26 Hình 1.10. Kem mỹ phẩm chứa nano bạc 26 Hình 1.11. Vải tẩm nano bạc 26 Hình 1.12. Tất không mùi (phủ nano bạc) 26 Hình 1.13. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể chất rắn khi tia X lan truyền trong chất rắn 27 Hình 1.14. Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét SEM 29 Hình 1.15. Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 30 Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lý phổ tán sắc năng lượng 32 Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt của gel ZnO pha tạp Ag 39 Hình 3.2. Phổ XRD của mẫu ZnO pha tạp Ag nung ở các nhiệt độ khác nhau 41 Hình 3.3. Phổ XRD ZnO pha tạp Ag với các tỉ lệ PVA/(Zn 2+ , Ag + ) khác nhau 43 Hình 3.4. Phổ XRD của mẫu ZnO pha tạp Ag điều chế ở nhiệt độ tạo gel khác nhau 45 Hình 3.5. Ảnh TEM ZnO pha tạp Ag 47 Hình 3.6. Ảnh SEM ZnO pha tạp Ag 47 Hình 3.7. Phổ EDX của ZnO pha tạp Ag 48 Hình 3.8. Phổ hấp thu UV-VIS của ZnO và ZnO pha tạp Ag 49 Hình 3.9. Mẫu chứng (10 -3 ) 51 Hình 3.10. Mẫu chứng (10 -5 ) 51 Hình 3.11. Mẫu chứng (10 -7 ) 51 Hình 3.12. Mẫu thử T0 (10 -3 ) 52 Hình 3.13. Mẫu thử T0 (10 -5 ) 52 Hình 3.14. Mẫu thử T0 (10 -7 ) 52 Hình 3.15. Mẫu thử T1(10 -3 ) 52 Hình 3.16. Mẫu thử T1 (10 -5 ) 52 Hình 3.17. Mẫu thử T1 (10 -7 ) 52 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Một số vật liệu được điều chế bằng đốt cháy dung dịch 11 Bảng 1.2. Một số hợp chất được điều chế theo phương pháp đốt cháy gel polyme 13 Bảng 3.1. Kích thước tinh thể ZnO pha tạp Ag với các nhiệt độ nung khác nhau 42 Bảng 3.2. Các hằng số mạng của mẫu ZnO pha tạp Ag khi nung ở các nhiệt độ khác nhau 42 Bảng 3.3. Kích thước tinh thể ZnO pha tạp Ag với tỉ lệ PVA/(Zn 2+ , Ag + ) khác nhau 44 Bảng 3.4. Các hằng số mạng của mẫu ZnO pha tạp Ag với tỉ lệ PVA/(Zn 2+ , Ag + ) 44 Bảng 3.5. Kích thước tinh thể ZnO pha tạp Ag ở các nhiệt độ tạo gel khác nhau 46 Bảng 3.6. Các hằng số mạng của mẫu ZnO pha tạp Ag ở các nhiệt độ tạo gel khác nhau 46 Bảng 3.7. Kết quả thử hoạt tính kháng khuẩn với chủng E.Coli ATCC 25922 50 1 MỞ ĐẦU Nhờ các tính chất ưu việt như bền hóa học, không độc hại, giá thành thấp và hoạt tính quang hóa mạnh mà vật liệu ZnO được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường và diệt khuẩn. Hạn chế chính của vật liệu này là sự đòi hỏi chiếu bức xạ UV và sự tái kết hợp nhanh chóng các cặp điện tử và lỗ trống. Việc biến tính ZnO đã được thực hiện với nhiều kim loại như: Co, Cr, Mn, Ni, Cu, Ag hay phi kim như: N, C, S Trong đó kim loại Ag đã được quan tâm nghiên cứu do Ag có thể giữ chọn lọc các electron từ ZnO và để lại những lỗ trống cho những phản ứng phân hủy các chất hữu cơ. Từ đó kéo dài vùng bước sóng phản xạ hướng đến vùng khả kiến. Các hạt Ag có thể dễ dàng kích thích các electron bằng việc tạo lên một trường điện từ và ảnh hưởng cộng hưởng của các hạt kim loại bạc cũng là một lý do làm tăng hiệu quả của sự kích thích trên. Đồng thời nâng cao hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu một cách đáng kể. Bạc được biết đến là một nguyên tố có tính năng kháng khuẩn, hạn chế và tiêu diệt sự phát triển của nấm mốc, vi khuẩn và thậm chí cả vi rút. Bạc có khả năng phá hủy enzim vận chuyển chất dinh dưỡng của tế bào vi khuẩn, làm yếu màng và thành tế bào, làm rối loạn quá trình trao đổi chất, dẫn đến tiêu diệt vi khuẩn. Trong những năm gần đây, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu ảnh hưởng của Ag đến hoạt tính diệt khuẩn của ZnO. Nhiều kết quả nghiên cứu đã chứng tỏ kim loại Ag đóng vai trò quan trọng giúp tăng cường hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu ZnO. Sự ức chế phát triển của vi khuẩn ở nồng độ bạc thấp và sự phân bố tốt của bạc trên ZnO chứng tỏ ZnO là chất nền thích hợp đối với tác nhân chống khuẩn Ag/ZnO. [...]... ankolat) trong dung môi Hình thành Bắt đầu với dạng sol đ-ợc biến tính Thêm n-ớc và axit hoặc bazo để thuỷ phân và ng-ng tụ Khử dạng sol bằng điều chỉnh pH hoặc nồng độ Tạo gel tự mang (self-supporting gel) Làm già Tạo gel trên chất nền Làm già Gel Làm khô Gel để xử lý dung môi Khử dung môi Làm khô bay hơi ( evaperative drying) Làm khô siêu tới hạn ( supercrictical drying) Tạo aerogel Tạo xerogel Nung... phng phỏp t chỏy gel polyme (Polymer gel combustion method) Trong phng phỏp ny, dung dch tin cht gm dung dch cỏc mui kim loi (thng l mui nitrat) c trn vi polyme ho tan trong nc to thnh hn hp nht Lm bay hi nc hon ton hn hp ny thu c khi xp nh v em nung khong 300-9000C thu c l cỏc oxit phc hp mn Bng 1.1 ch ra mt s oxit, oxit phc hp c iu ch theo phng phỏp t chỏy gel polyme Cỏc polyme úng vai trũ l mụi... phỏp t chỏy gel polyme ngn nga s tỏch pha cng nh to ng nht cho sn phm, phng phỏp hoỏ hc t thng s dng cỏc tỏc nhõn to gel Mt s polyme hu c c s dng lm tỏc nhõn to gel nh polyetylen glycol, polyacrylic axit (PAA-polyacrylic acid) Phng phỏp s dng cỏc polyme ny c gi l phng phỏp tin cht polyme (Polymer-precursor method) Mt s polyme cũn cú vai trũ nhiờn liu nh polyvinyl alcol (PVA), PAA, gelatin nờn phng phỏp... h, k, l l hng s Miller 15 Trong kiu xp cht lc phng mi qu cu u tip xỳc vi 12 qu cu khỏc (SPT = 12) chc c khi lc phng bng 0,74 % Nh vy trong khi vn cũn 26 % khong trng ZnO l cht bỏn dn, cú trong sut v linh ng cao, phỏt quang mnh nhit phũng ZnO kt tinh ba dng cu trỳc: hexagonal wurtzite, zincblende, rocksalt, trong ú cu trỳc hexagonal wurtzite l cu trỳc ph bin nht Dng zincblende cú t bo tinh th lp... tng hp bng phng phỏp ny tng rt nhanh trong nhng nm gn õy Phng phỏp t chỏy c bit nh l quỏ trỡnh tng hp t lan truyn nhit cao SHS (self propagating high-temperature synthesis process) Tựy thuc vo trng thỏi ca cỏc cht phn ng, tng hp t chỏy cú th c chia thnh: t chỏy pha rn (SSC- solid state combustion), t chỏy dung dch (SC-Solution combustion) v t chỏy pha khớ (Gas phase combustion) õy, chỳng tụi trỡnh... bột, monolit vàdạng màng Hỡnh 1.1 S iu ch vt liu bng phng phỏp sol - gel 8 Gel c chia thnh hai loi: gel keo c hỡnh thnh t sol ca oxit, hydroxit, mui ca kim loi theo cỏc phng phỏp nh ng kt ta, trn sol vi dung dch: gel polyme hỡnh thnh t cỏc sol i t tin cht hu c, phn ng ngng t to thnh khụng gian ba chiu v n mt thi im no ú nht ca h tng lờn t ngt So vi cỏc phng phỏp khỏc, phng phỏp sol - gel cú th kim... vi ion kim loi Ngoi ra, PVA tng i bn, khụng c, cú giỏ thnh tng i r v c xem l vt liu thõn thin vi mụi trng Mt s cụng trỡnh ó s dng PVA tng hp cỏc cỏc oxit cú kớch thc nanomet v din tớch b mt ln cho thy phng phỏp t chỏy gel PVA rt cú trin vng trong tng hp oxit phc hp mn 13 Bng 1.2 Mt s hp cht c iu ch theo phng phỏp t chỏy gel polyme Nhit Din tớch b Vt liu Tỏc nhõn nung mt riờng (oC) (m2/g) Kớch thc... anot sang Trong nhng iu kin thớch hp s to ra trờn catot mt lp bt mn, kớch thc ht c nano 1.1.5.2 Phng phỏp sol - gel Phng phỏp sol - gel c bit t u th k XIX trong vic nghiờn cu iu ch thy tinh t silicalcoxit nhng ch c phỏt trin mnh t thp niờn 50 - 60 ca th k th XX Trong ú sol l mt h keo cha cỏc cu t cú kớch thc ht t 1 n 1000 nm trong dung mụi ng th v mt húa hc Gel l mt h rn bỏn cng cha dung mụi trong mng... riờng) Dng hexagonal wurtzite cú t bo tinh th lc phng chc c vi a = 3,2495 ; c = 5,2069 ; d = 3,98 - 4,08 Khi nung n 1020oC thỡ dng zincblende chuyn thnh hexagonal wurtzite Mt trong nhng tớnh cht c trng ca phõn mng xp khớt lc phng l giỏ tr c/a Trng hp lý tng thỡ t s ú bng 1,633 Nhng giỏ tr ny ca ZnO l 1,6023, chng t cỏc mt khụng hon ton xp khớt Hỡnh 1.4 Cu trỳc zincblende Hỡnh 1.5 Cu trỳc wurtzite 1.2.2... xng rng 19 Trong lnh vc sn xut thy tinh, men, gm: km oxit cú kh nng lm gim s gión n vỡ nhit, h nhit núng chy, tng bn húa hc cho sn phm Nú c dựng to búng hoc m Ngoi ra, km oxit l nguyờn liu sn xut cỏc cht cỏc mui stearat, photphat, cromat, bromat, dithiophotphat Nú l ngun cung cp km trong thc n ng vt v cụng nghip xi m Ngi ta cũn dựng nú x lý s c rũ r khớ sunfuro Km oxit, kt hp vi cỏc oxit khỏc, . NGUYN TH HềA NGHIÊN CứU TổNG HợP KẽM OXIT PHA TạP BạC Có KíCH THƯớC NANOMET BằNG PHƯƠNG PHáP ĐốT CHáY Và THử KHả NĂNG KHáNG KHUẩN E. COLI TRONG NƯớC LUN VN THC S HểA. NGUYN TH HềA NGHIÊN CứU TổNG HợP KẽM OXIT PHA TạP BạC Có KíCH THƯớC NANOMET BằNG PHƯƠNG PHáP ĐốT CHáY Và THử KHả NĂNG KHáNG KHUẩN E. COLI TRONG NƯớC Chuyờn ngnh: Húa vụ. với phương pháp thông thường. Trên cơ sở khoa học và thực tiễn đó chúng tôi nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu tổng hợp ZnO pha tạp Ag có kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy và thử khả năng