Giáo trình vật liệu nano và hoá học xanh

MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 17 Chương GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU NANO 20 1.1 Giới thiệu vật liệu nano hóa h ọ c 21 1.2 Liên kết hạt nano 26 1.3 Phân loại vật liệu nano 29 1.3.1 Dựa vào kích thước 29 1.3.2 Dựa vào hình thái 31 1.3.3 Dựa vào thành phần hóa học 31 1.4 Các nguyên nhân dẫn đến tính chất lạ vật liệu nano 32 1.4.1 Tính chất phụ thuộc kích thước 32 1.4.2 Tính chất quang 34 1.4.3 Tính chất bề mặt 37 1.5 Kết luận Chương 39 1.6 Câu hỏi hướng dẫn ôn tập, câu hỏi thảo luận, tài liệu tham khảo 39 1.6.1 Câu hỏi hướng dẫn ôn tập 39 1.6.2 Câu hỏi thảo luận 40 1.6.3 Tài liệu tham khảo 40 Chương ĐIỀU CHẾ, ĐẶC TRUNG VÀ TÍNH CHẤT CÁC VẬT LIỆUNANO 41 Giới thiệu trình tạo mầm phát triển tinh th ể 41 2.2 Các phương pháp điều c h ế 44 VÕ VIỄN 2.2.1 Quá trình sol 44 2.2.2 Mixel (micelle) 47 2.2.3 Quá trình sol-gel 52 2.2.4 Kết tủa hoá h ọ c .53 2.2.5 Tổng hợp thủy nhiệt 55 2.2.6 Nhiệt phân 57 2.2.7 Ngưng tụ hóa học (Chemical Vapor Déposition, CVD) 58 2.2.8 Ngưng tụ vật lý (Physical Vapor Déposition, PVD) 60 2.3 Đặc trưng vật liệu nano 61 2.3.1 Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction, XRD) 63 2.3.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 64 2.3.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 66 2.3.4 Hấp phụ giải hấp phụ N2 77 K 67 2.3.5 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) 69 2.3.6 Phổ hồng ngoại (IR) 71 2.4 Tính chất vật liệu nano 73 2.4.1 Các hạt nano bán dẫn 73 2.4.2 Cấu trúc electron riêng biệt .75 2.4.3 Sự chuyển quang cấu trúc nano có hình dạng khác 77 2.4.4 Các hạt nano kim loại 80 2.4.5 Tỉ lệ diện tích thể tích cao hạt nano 82 2.4.6 Điểm nóng chảy 83 2.5 Kết luận Chương 84 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU NANO VÀ HỎA HỌC XANH Câu hỏi hướng dẫn ôn tập, câu hỏi thảo luận, tài liệu tham khảo 84 2.6.1 Câu hỏi hướng dẫn ôn tập 84 2.6.2 Câu hỏi thảo luận 85 2.6.3 Tài liệu tham khảo 85 Chương MỘT SỐ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO 87 3.1 Xúc tác nano 87 3.1.1 Mở đầu 87 3.1.2 Xúc tác đồng th ể 88 3.1.3 Xúc tác dị thể chất m ang 96 3.2 Vật liệu nano xử lý môi trường 105 3.3 ứng dụng vật liệu nano y học 109 3.3.1 Tạo ảnh 109 3.3.2 Thuốc hướng đích 111 3.3.3 Điều trị bệnh 116 3.3.4 Cảm biến 118 3.4 Vật liệu nano vấn đề lượng 120 3.4.1 ứng dụng pin mặt trờ i 120 3.4.2 ứng dụng pin sạc 125 3.5 Kết luận Chương 146 3.6 Câu hỏi hướng dẫn ôn tập, câu hỏi thảo luận, tài liệu tham khảo 3.6.1 Câu hỏi hướng dẫn ôn tập 147 3.6.2 Câu hỏi thảo luận 147 3.6.3 Tài liệu tham khảo 147 VÕ VIỄN Chương GIỚI TH ỆU CHUNG VỀ HÓA HỌC XANH 149 4.1 Khái niệm Hóa học xanh .149 4.2 Lịch sử Hóa học xanh 151 4.3 Các nguyên lý Hóa học xanh 154 4.4 Chỉ số đánh giá trình .166 4.4.1 Chỉ số môi trường E (Environment) 166 4.4.2 Tính kinh tế nguyên tử (Atomic Economy, AE) 166 4.4.3 Hiệu suất khối lượng hiệu dụng (Effective Mass Efficiency, EMY) 167 4.4.4 Chỉ số môi trường (Environmental Quotient, E Q ) 167 4.4.5 Thang đo sinh thái (EcoScale) .167 4.5 Các lĩnh vực khoa học để áp dụng cho Hóa học xanh 170 4.6 Kết luận Chương 174 4.7 Câu hỏi hướng dẫn ôn tập, câu hỏi thảo luận, bải tập thực hành, tài liệu tham khảo 175 4.7.1 Câu hỏi hướng dẫn ôn tập 175 4.7.2 Câu hỏi thảo luận 176 4.7.3 Tài liệu tham khảo 176 Chương VAI TRÒ CỦA xúc TÁC VÀ DUNG MƠI TRONG HĨA HỌC XANH .177 5.1 Xúc tác đồng thể 178 5.2 Xúc tác dị thể 181 5.3 Vai trò xúc tác việc sử dụng nguyên liệu có khả tái sinh 184 5.4 Dung môi thân thiện với môi trường 191 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU NANO VẢ HĨA HỌC XANH 5.4.1 Dung mơi tái sinh 194 5.4.2 Chất lỏng ion 195 5.4.3 Dung môi eutectic 196 5.4.4 Polymer lỏng 197 5.4.5 Dung môi C 02 197 5.5 Kết luận Chuơng 199 5.6 Câu hỏi hướng dẫn ôn tập, câu hỏi thảo luận, tài liệu tham khảo 200 5.6.1 Câu hỏi hướng dẫn ôn tập .200 5.6.2 Câu hỏi thảo luận 200 5.6.3 Tài liệu tham khảo 200 Chương CÁC MỐI QUAN HỆ VỀ NĂNG LƯỢNG 201 6.1 Năng lượng 201 6.2 Năng lượng mặt trờ i 202 6.3 Lưu trữ sản xuất lượng từ hóa chất 205 6.4 Các nguồn lượng 207 6.5 Chuyển hóa dạng lượng .210 6.6 Cơng nghệ xanh hiệu suất chuyển hóa lượng .213 6.7 Các nguồn lượng tái sinh 215 6.8 Kết luận Chương 219 6.9 Câu hỏi hướng dẫn ôn tập, câu hỏi thảo luận, tài liệu tham khảo ' 219 6.9.1 Câu hỏi hướng dẫn ôn tập 219 6.9.2 Câu hỏi thảo luận 219 6.9.3 Tài liệu tham khảo 219 VÕ VIỄN Chương HÓA HỌC TRONG V Ệ C BẢO VỆ MƠI TRƯỜNG 221 7.1 Vai trị nước phương pháp làm nước 221 7.2 Bảo vệ làm khơng khí khí .226 7.3 Sử dụng tối đa vật liệu có khả tái sinh sinh học 230 7.4 Hóa học việc bảo vệ sức khỏe người 232 7.5 Kết luận Chương 238 7.6 Câu hỏi hướng dẫn ôn tập, câu hỏi thảo luận, tài liệu tham khảo ! ! 239 7.6.1 Câu hỏi hướng dẫn ôn tập 239 7.6.2 Câu hỏi thảo luận 239 7.6.3 Tài liệu tham khảo 239 DANH MỤC HINH Hình 1.1 So sánh kích thước cấu trúc khác n h a u 22 Hình 1.2 Bát sứ c ổ 23 - Hình 1.3 Sơ đồ phân loại VLNN theo kích thước .30 Hình 1.4 Sơ đồ kết hợp hạt nano 32 Hình 1.5 (A) Sự phát huỳnh quang hạt nano vỏ lõi CdSe CdS với đường kính từ 1,7 nm (xanh lam) đến nm (đỏ), chứng mở rộng lượng vùng cấm bán dẫn theo kích thước hạt (B) Giản đồ biểu diễn hiệu ứng kích thước hạt đến khoảng cách vùng hóa trị (VB) vùng dẫn (CB), hấp thụ (mũi tên lên) huỳnh quang (mũi tên xuống) Các hạt nhỏ có vùng cấm rộng .36 Hình 1.6 Tính chất quang học hạt nano Au Ag dạng keo „ 36 Hình 2.1 Hình ảnh minh họa lượng tự tổng AG hàm phát triển hạt .42 Hình 2.2 Hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua hạt nano CdS, quantum dot (trái) nanorod (phải) 47 Hình 2.3 Các cấu trúc micelle nghịch (a) thường (b ) 48 Hình 2.4 Các hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua đạt sau tổng hợp nồng độ [Cu(AOT)2] = 5xl0'2 M, w = 4, 20, 34, 40 riêng b iệ t 51 Hình 2.5 Hình ảnh minh họa cho trình điều chế giếng lượng từ CdS/HgS/CdS với độ dày khác hình ảnh TEM tương ứ n g 54 VÕ VIỄN Hình 2.6 Các nghiên cứu HRTEM tiến triển cấu trúc cấu trúc nano CdS/HgS/CdS 54 Hình 2.7 Hình ảnh TEM tinh thể nano CrN tổng hợp phương pháp thủy nhiệt 56 Hình 2.8 Các ống nano SnS2 tổng hợp phương pháp thủy nhiệt 56 Hình 2.9 (a) Hình ảnh TEM điển hình ống nano phát fríen 1000 °c nhiệt phân hỗn hợp polycarbosilane với hạt nano sắt (b) Hình ảnh TEM phóng đại ống nano carbón hình chữ V .l 58 Hình 2.10 Các hình ảnh TEM nano composỉte FeC điều chế phương pháp nhiệt p h â n 58 Hình 2.11 (a,b) Các hạt nano AlInAs, (c) InGaAs phát triển bề mặt AlGaAs 59 Hình 2.12 Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) ống nano carbón phát triển chất đa tinh thể Ni 59 Hình 2.13 Các nano ZnO phát triển nhơm oxit 61 Hình 2.14 Các dải băng nano Ga20 phát triển carbón 61 Hình 2.15 Sơ đồ phản xạ bề mặt tinh thể 63 Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý phổ hiển vi điện tử quét 67 Hình 2.17 Đồ thị biểu diễn biến thiên P/[V(P0 —P)] theo p/p0 68 Hình 2.18 (A) Ảnh AFM; (B) hình ảnh địa hình ba chiều hạt nano T i02 kem chống nắng thương mại; (C) biểu diễn giản đồ vật có trình quét A F M 70 Hình 2.19 (a) Phổ hấp thụ tinh thể nano CuCl có bán kính 310 (1), 29 (2),và 20 nm (3) (b) Sự phụ thuộc vào kích thước vị 10 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU NANO VÀ HỎA HỌC XANH trí pic kích thích hàm 1/a2; đường nối liền đường lý thuyết 76 Hình 2.20 (a) Phổ hấp thụ tinh thể nano CuBr có bán kính 240 (1), 36 (2), 23 nm (3) (b) Sự phụ thuộc vào kích thước vị trí pic kích thích hàm 1/a2; đường nối liền kết lý thuyết cho kích thích giống nguồn cấp 76 Hình 2.21 (a) Các phổ hấp thụ của tinh thể CdS có bán kính 330 (1), 33 (2), 15 (3), 12 nm (4) (b) Sự phụ thuộc kích thước vị trí pic kích thích hàm 1/a2 Các đường rắn kết lý thuyết 77 Hình 2.22 Các chuyển electron riêng rẽ phổ hấp thụ quang hạt nano CdSe có kích thước khác 77 Hình 2.23 Ảnh SEM ZnO điều chế dung môi 1-hexanol (a), ethylene (b) glycol nước (c) 78 Hình 2.24 Phổ UV-Vis DRS mẫu Z nO 79 Hình 2.25 Hoạt tính xúc tác quang phân hủy Acid Orange 74 mẫu A, B c 79 Hình 2.26 Hình minh họa kích thích dao động plasmon bề mặt lưỡng cực Dao động lưỡng cực electron tạo với chu kỳ T 80 Hình 2.27 Phổ hấp thụ quang hạt nano vàng hình cầu 22, 48 99 nm Dải hấp thụ rộng tưong ứng với cộng hưởng plasmon bề m ặ t 81 Hình 2.28 Tỉ lệ s /v hàm kích thước hạt 82 Hình 2.29 Mối quan hệ điểm nóng chảy kích thước hạt nano vàng (trái) CdS (phải) 84 Hình 3.1 Kích thước hạt nano PVP-Pd hàm thời gian phản ứ n g 91 11 VÕ VIỄN Hình 3.2 Các hình ảnh TEM phân bố kích thước hạt nano PVP-Pd trước phản ứng Suzuki (a,b), sau tái sinh lần (c,d), sau tái sinh (e,f) 92 Hình 3.3 Hình ảnh TEM hạt nano Pd làm bền ppp 93 Hình 3.4 Các hình ảnh TEM phân bố hình dạng hạt nano Pt có dạng hình khối tứ diện, lập phương, hình cầu (a, b, d, e, g, h), lượng hoạt hóa tương ứng (c, f, i ) 94 Hình 3.5 Hình ảnh TEM hạt nano Pt hình khối tứ diện trước phản ứng chuyển electron (a), sau phản ứng (b), hạt nano Pt lập phương trước phản ứng (c), sau phản ứng (d ) 95 Hình 3.6 Hình ảnh kính hiển vi lực nguyên tử dãy hạt nano Pt điều chế phương pháp đúc (chiều cao hạt nano 15±2 nm, khoảng cách hạt 100±1 n m ) 98 Hình 3.7 Các hình ảnh TEM hạt nano Pt mang carbon Vulcan (a), sau gắn nano với sol silica để tạo gel khô CSi02 biển tính Pt hai kiểu nung 900 °c (c,d) r 100 Hình 3.8 Các hình ảnh TEM sợi nano carbon mà tạo thành trình phân hủy methane với xúc tác hạt nano Ni (a) Pd (b) mang kim cương bị oxi hóa 105 Hình 3.9 Phân tử thuốc (•) kết hợp vỏ hạt (trái) chứa bên hạt (phải) 112 Hình 3.10 Cấu trúc liposome phân tử thuốc (•) 113 Hình 3.11 Vật tải polymer phân tử thuốc (■) .113 Hình 3.12 Sự di động phân tử thuốc hạt tải thuốc huyết quản ( 1) Huyết quản mơ tế bào bình thường (2) huyết quản mô tế bào ung th 114 12 VÕ VIỄN thể phủ vi sinh vật Tuy nhiên, quy trình sử dụng phổ biến tại q trình bùn hoạt tính Trong q trình này, nước thải bơm vào đầu bể sục khí lớn, qua khơng khí tạo dạng bọt khí Vi sinh vật hoạt động lơ lửng bể chuyển hóa chất hữu nước thải thành carbon dioxide sinh vi sinh vật bổ sung phản ứng tổng thể biểu thị phương trình sau: {CH20} + —í►C 02 + H20 + Biomass 7.2 B ảo vệ v làm k h ô n g kh í k h í qu yển Bầu khí khơng khí xung quanh Chúng ta biết người động vật cần phải có khơng khí để thở Con người bị thiếu oxi cung cấp sống thời gian ngắn ý thức, vài phút chết Nhưng không khí khơng nguồn cung cấp oxi, bảo vệ sinh vật Trái đất theo cách khác Một chức bảo vệ giữ cho ấm áp Nó thực điều cách tái hấp thụ xạ hồng ngoại mà Trái đất phát nhờ nhận từ mặt trời Bằng cách trì hỗn lượng vào khơng gian bên ngồi, nhiệt độ trung bình bề mặt Trái đất khoảng mực nước biển, nhiên nhiệt độ phụ thuộc thời gian không gian Không hiệu ứng này, thực vật phát triển hầu hết sinh vật khác tồn Chức bảo vệ thứ hai khí hấp thụ bước sóng ngắn xạ mặt trời tia cực tím Nếu xạ đạt đến mức cao, phân hủy phân tử sinh học, đặc biệt ADN tham gia vào q trình điều hịa sinh sản tế bào, làm cho hầu hết sinh vật sống không tồn Ở mức độ thơng thường, khơng khí hỗn hợp khí có thành phần đồng nhất, ngoại trừ nước, chiếm 1-3 % khí theo thể tích số khí vi lượng khác, chất nhiễm lưu 226 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU NANO VẢ HỎA HỌC XANH huỳnh dioxide trạng thái khơ, khơng khí bao gồm (theo thể tích) 78,1 % nitơ, 21,0 % oxi, 0,9 % argon 0,04 % carbon dioxide Thông thường, khơng khí có 1-3 % nước theo thể tích Các khí dạng vết mức 0,002 % khơng khí bao gồm amoniac, carbon monoxit, heli, hydro, krypton, methane, neon, nitơ đioxit, nitơ oxit, ozôn, lưu huỳnh dioxide xenon Mặc dù người có cảm nhận bầu khí dày nhung thực lại nhỏ so với đường kính Trái đất Sau ví dụ so sánh Hãy xem xét máy bay phản lực bay với tốc độ 10,7 km/h Trong trường hợp áp suất buồng lái, phi cơng có khoảng 15 giây để lấy mặt nạ dưỡng khí trước bất tỉnh hành khách khoang có thời gian ngắn thê Nhưng điêu quan trọng phi công phải tỉnh táo lặn xuống mức thấp độ cao Lý cho điều tất khơng khí bầu khí bên độ cao 11 km Khoảng cách bé so với đường kính Trái đất gần 13.000 km Đê hạn chê nhiêm khí quyển, biện pháp kiểm soát phát thải hạt bụi Phương pháp đơn giản để kiểm soát hạt bụi lăng đọng, hạt bị vào khí lắng băng trọng lực khoang tương đối lớn Phương pháp lắng cách tương đối hiệu hạt tương đối lớn Có thể thu hạt cách dựa vào chế quán tính hoạt động cách quay chất khí buồng trịn cho hạt va chạm vào thành thùng chứa cách lực ly tâm Các lọc vải có tác dụng lọc hạt từ khơng khí ngăn khí Bằng việc lắc định kỳ lọc vải, thu hạt giữ thành cùa chúng, khơi phục dịng khí qua vải Máy chà sàn phun nước dung dịch biện pháp nhàm giảm phát tán bụi Trong số trường hợp chúng vận hành với lượng nước tối thiểu, làm bay hơi, để thu chất rắn Một phương tiện kiếm soát hạt 227 VÕ VIỄN bụi hiệu bao gồm lọc bụi tĩnh điện Các thiết bị sử dụng điện áp cao để truyền điện tích âm lên hạt từ điện cực trung tâm hạt bị hút thu thập tường tích điện dương thiết bị Một vấn đề mà nhân loại phải đối mặt nóng lên tồn cầu Hóa học xanh giúp đối phó với tượng Hóa học xanh lĩnh vực liên quan sinh thái cơng nghiệp giúp đối phó với vấn đề hai khía cạnh Cách tiếp cận cung cấp phương tiện để ngăn chặn nóng lên tồn cầu diễn Thứ hai đối phó với nóng lên tồn cầu, xảy Việc ngăn chặn nóng lên tồn cầu thực tốt cách tránh phát tán khí nhà kính, đáng kể số carbon dioxide Một cách để giảm thải carbon dioxide cách sừ dụng sinh khối làm nhiên liệu nguyên liệu thô cho sản xuất sản phẩm khác Đốt nhiên liệu sinh khối khơng giải phóng carbon dioxide vào khí thực tế lượng carbon dioxide sinh đốt lượng loại bỏ khỏi bầu khí q ưình quang hợp để tạo lượng sinh khối đó, xét tổng chu trình, khơng bổ sung lượng C 02 vào khí Một cách tiếp cận khác Hóa học xanh để ngăn chặn việc bổ sung carbon dioxide vào bầu khí thơng qua q trình lập carbon, carbon dioxide tạo ra, bị ràng buộc dạng cho khơng bị ngồi khí Cách tiếp cận có tiềm lớn ứng dụng nơi carbon dioxide sản xuất dạng cô đặc Các phản ứng carbon từ than với oxi nước để tạo hydro nguyên tổ carbon dioxide theo phương trình sau: 2C + Ơ2 + 2H20 -*■ 2C 02 + 2H2 Hydro tạo sử dụng làm nhiên liệu khơng ô nhiễm pin nhiên liệu trình đốt cháy động Khí 228 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU NANO VẢ HĨA HỌC XANH carbonic bom vào vùng biển sâu, điều có có khả làm giảm độ pH đại dương không nhiêu, gây bất lợi cho sinh vật biển Một lựa chọn khác bơm carbon dioxide sâu lịng đất Một lợi ích phụ cách tiếp cận thứ hai số khu vực, carbon dioxide bơm lịng đất có thê sử dụng để thu hồi dầu thô bổ sung từ giếng dầu cạn kiệt Một cách tiếp cận Hóa học xanh gián tiếp để giám lượng khí thai carbon dioxide phát triển phương pháp sán xuất nãng lượng thay thế, chẳng hạn phát triển tế bào quang điện có hiệu suất cao Các thiết bị có trờ nên cạnh tranh để sản xuất điện chí cải tiến nhỏ hiệu cho phép chúng sừ dụng rộng rãi hơn, thay hóa thạch, nguồn nhiên liệu sản xuất điện Một thiết bị khác hữu ích hệ thống sản xuất H2 từ trình tách nước quang hóa, sử dụng pin nhiên liệu Một ứng dụng hóa học xanh làm giảm lượng khí thải carbon dioxide phát triên thực vật với hiệu cao cho trình quang hợp Các nhà máy có hiệu suất khoảng 0,5 % việc chuyên đoi nang lượng ánh sáng thành lượng hóa học Việc tăng giá trị lên % tạo nhiều khác biệt tính kinh tế cùa việc sản xuât sinh khối thay cho carbon hóa thạch làm tăng đáng kê sổ lượng nhiên liệu sinh khối sẵn có Hóa học xanh áp dụng việc ngăn chặn khí phát thải gây hiệu ứng nhà kính khác ngồi carbon dioxide Điều tiến hành số hoạt động, thay chlorofluorocarbon (Freons) với hợp chất tương tự có liên kết C-H, thu hợp chất dễ phá hủy tầng đối lưu Cả hai loại hợp chất hoạt động khí nhà kính, khí sau tồn thời gian ngắn nhiều, thời gian chúng có sẵn để hấp thụ xạ hồng ngoại Một cách tiếp cận khác hạn chế phát thải CH4 Một lượng lớn khí CH4 giái phóng vi khuẩn kỵ khí 229 VÕ VIỄN phát triển cánh đồng lúa ngập nước Bằng cách phát triển giống lúa phương tiện canh tác cho phép trồng đất khơng khí, nguồn khí CH4 bị giam giữ giảm đáng kể thải vào khí Hệ thống thu gom khí CH4 đặt bãi chôn lấp rác thải đô thị ngăn chặn việc thải khí CH4 từ nguồn cung cấp nguồn nhiên liệu methane Hóa học xanh, hóa sinh sinh học sử dụng để đối phó với nóng lên tồn cầu Các loại trồng, phân bón thuốc trừ sâu phát triển để giúp trồng phát triển điều kiện hạn hán kéo theo nóng lên tồn cầu Cách tiếp cận khác phát triển loại trồng chịu mặn trồng đất mặn, nơi nguồn cung cấp nước bị hạn chế 7.3 S d ụ n g tối đa v ậ t liệu có khả n ăn g tái sinh sinh học Các sinh vật cung cấp phần lớn vật liệu cho người sử dụng suốt sống Cây cối nguồn cung cấp gỗ xây dựng củi đốt Các loài động vật cung cấp da lông để bảo vệ người nguyên thủy khỏi giá lạnh Các bò rừng Mỹ nguồn cung cấp thức ăn, nơi ở, quần áo nhiều loại khác vật dụng hữu ích cho người Mỹ địa sống vùng đồng Tơ protein thu từ kén côn trùng len protein từ cừu động vật khác Sinh khối, nguyên liệu thực vật tạo từ trình quang hợp ứng cử viên hàng đầu để thay dầu mỏ làm ngun liệu cho ngành cơng nghiệp hóa chất hữu Có số loại sinh khối sử dụng làm ngun liệu thơ: Carbohydrat, có cơng thức chung (CH20 )n, Carbohydrate sinh khối tạo ban đầu dạng đường glucose từ nước khí carbonic q trình quang hợp Nó có số phận cùa thực vật, phổ biến cellulose, chất tạo màng sinh học 230 GIÁO TRÌNH VẢT LIÊU NANO VÀ HĨA HỌC XANH Lignin polymer sinh học có câu trúc phưc tạp, cung ton với cellulose carbohydrat phận thân gô thực vật, sợi liên kết cellulose với Chất tương đơi cơng dụng, lại tạo tạp chất việc chiêt xuât cellulose để sử dụng làm nguyên liệu Dầu lipid chiết xuất từ hạt, bao gồm đậu nành, hoa hướng dương ngô Các tecpen hydrocarbon sản xuất cao su, thông số loại khác loại thực vật Protein, sản xuất với số lượng tương đối nhỏ, có giá trị tiềm chất dinh dưỡng công dụng khác Vật liệu sinh học sử dụng làm nguồn nguyên liệu thường hỗn hợp phức tạp, điều làm cho việc tách vật liệu mong muốn trở nên khó khăn Tuy nhiên, trường hợp, vật liệu tự nhiên ngn ngun liệu cho q trình tổng hợp Hầu hết vạt liẹu sinh khơi có chứa phân oxi, trường hợp cùa carbohydrat, chứa khoảng oxi nguyên tử cho mồi nguyên tử carbon (so VỚI hydrocarbon dâu mỏ khơng có oxi) Điều tránh bước oxi hóa đắt tiền, đơi khó khăn, liên quan thuốc thử điều kiện nguy hiểm tiềm ẩn Sự phức tạp nguồn sinh khối làm cho việc tách lập cấu từ mong muốn tương đối khó khăn Có số đường mà ngun liệu thơ có thê lấy từ sinh khối Đơn giản số phân tách vật lý đơn giản vật liệu sinh học, chẳng hạn ép dầu từ sinh khối chứa dầu khai thác mủ từ cao su Nếu cần hiệu suất cao, có xử lý bàng cách chiết xuất dầu dung mơi hữu Người ta dùng phương pháp vật lý quy trình hóa học đê thu sinh khơi hữu ích khỏi cấu trúc vật liệu thực vật 231 VÕ VIỄN Carbohydrate có lẽ ứng cử viên có khả làm nguyên liệu cho quy trình sản xuất hóa chất Carbohydrate có nhiều dạng Đường sucrose, C12H220n , ép từ mía chiết xuất từ củ cải đường Năng suất quang hóa đặc biệt mía đường làm cho sucrose từ mía lựa chọn hấp dẫn Ngoài ra, vật liệu tự nhiên có chứa nhiều carbohydrate tinh bột, polymer glucose dễ dàng phân lập từ ngũ cốc, chẳng hạn ngô, từ khoai tây Một nguồn carbohydrate chí cịn lớn tìm thấy cellulose, có phận thân gỗ thực vật Tinh bột tương đối dễ dàng để phá vỡ phân tử bổ sung nước (thủy phân) để tạo đường đơn glucose Đối với cellulose khó hơn, hoàn toàn thực nhờ hoạt động enzyme cellulose Dầu lipid chiết xuất từ hạt số loại Dung môi dễ bay hơi, thường ankan mạch thẳng carbon n-hexan, C6HI4, sử dụng để chiết xuất dầu Trong q trình này, dung mơi chưng cất khỏi dịch chiết tuần hoàn lại qua trình Các hydrocarbon tecpen xuất cao su khai thác từ huyền phù mủ nhựa Xử lý nước chưng cất sử dụng để chiết xuất tecpen từ nguồn sinh khối thơng có múi Hạt ngũ cốc nguồn giàu protein, sử dụng làm thực phẩm, có khả hữu ích ngun liệu hóa học cho ứng dụng đặc biệt Một khả thú vị việc can thiệp khoa học vào thực vật cấy ghép gen vào trồng để chúng tạo protein đặc biệt, chẳng hạn chất làm thuốc 7.4 H óa học tro n g việc bảo v ệ sứ c khỏe ngư i Hóa học đóng vai trò quan trọng việc bảo vệ sức khỏe người Tuy nhiên góc nhìn HHX, đường bảo 232 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU NANO VÀ HỎA HỌC XANH vệ sức khỏe người hóa học phải thân thiện môi trường bên vững Trước làm rõ q trình bền vững hóa học lĩnh vực này, trước hết phần trình bày vấn đề sức khỏe người Bệnh tật vấn đề Các bệnh truyền nhiễm chết người bao gồm sốt rét, dịch tả bệnh lao bị chinh phục phân lớn khu vực thu nhập cao giới, môi đe dọa ở'các khu vực nghèo châu Phi Thậm chí quốc gia giàu hơn, bệnh truyền nhiễm mối đe dọa thường xuyên, đại dịch cúm lợn năm 2009 gần Covid-19 Hơn nữa, kịch tính gia tăng tình trạng kháng thuốc kháng sinh rõ ràng Các bệnh truyền nhiễm nguyên nhân gây tử vong nhiêu nước phát triển, thiếu thuốc vắc xin, phương pháp điều trị rẻ tiền Nghèo đói thiếu khả tiếp cận thuốc đại có nghĩa bệnh truyền nhiễm gặp kiểm sốt qc gia có thu nhập cao (chẳng hạn bệnh tiêu chảy, lao vi rút miên dịch học người/hội chứng suy giảm miễn dịch măc phải (HIV/AIDS) nguyên nhân gây tử vong nước nghèo Chân đoán vân đề thứ hai Nhận biết bệnh sớm q trình phát triên tự nhiên quan trọng để điều trị hiệu Chúng ta cân tiên tới sớm chân đoán cải tiến phương pháp theo dõi bệnh Trên tồn cầu có 33 triệu người sống chung với HIV, 10 % biết họ bị nhiễm Cũng có 8,8 triệu trường hợp mắc bệnh lao hàng năm, nhiều số chưa chân đốn Những bệnh tật, với 665.000 ca tử vong sốt rét năm, đặt gánh nặng lớn nước phát triển Đe khắc phục điều này, cần có hệ thống tốt hon để phát bệnh sớm tốt, để theo dõi hiệu phương pháp điều trị hướng dẫn phương pháp điều trị hướng đích cần thiết 233 VÕ VIỄN Dược phẩm vấn đề sức khỏe người Chúng ta cần phương pháp điều trị hiệu cho bệnh truyền nhiễm không lây nhiễm, ngành công nghiệp dược phẩm, trước nguồn cho phương pháp điều trị y tế mới, ngày thấy khó phát triển Một ước tính cho chi phí trung bình việc mang lại thuốc đưa thị trường 1,3 tỷ USD, tăng từ 1,1 tỷ USD năm năm trước Hầu hết hợp chất thuốc không tiếp cận thị trường, với 90 % ứng viên hợp chất không thành công số thời điểm thử nghiệm lâm sàng Chỉ có ba số mười loại thuốc đạt thị trường thành công lớn tạo đủ lợi tức đầu tư Trong lịch sử, hầu hết công ty dược phẩm dựa vào loại thuốc thành cơng để tạo doanh thu yêu cầu, không trả tiền cho phát triển họ, mà để trả tiền cho phát triến khác, thành công hàng ngàn ứng cử viên thất bại thuốc mà không tiếp cận thị trường Cho đến năm 2008, dược phẩm công ty ngày chi tiêu nhiều cho R&D, tỉ lệ thành công thuốc tiếp tục giảm R&D chi tiêu giảm từ năm 2008 đến năm 2010, đạt mức thấp ba năm 68 tỷ USD Phần vấn đề sức khỏe người Để giải vấn đề đó, Hóa học xanh đóng vai trị Bệnh truyền nhiễm nguy tiếp tục giới phát triển bệnh không lây nhiễm bệnh Alzheimer có nguy ngày tăng đổi với dân sổ già nước có thu nhập cao Chỉ có nhà khoa học hóa học hiểu thêm trình phân tử bệnh tật sinh hóa thuốc, chẩn đoán tốt điều trị bệnh Vai trị hóa học tìm hiểu khởi phát bệnh tiến triển thuốc Các bệnh trục trặc cấp độ phân tử 234 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU NANO VÀ HÒA HỌC XANH hệ thống sinh học Hiểu rõ vê hóa học bệnh cân thiêt để giải thách thức sức khỏe toàn cầu kỷ XXI Tiếp theo gen bệnh khơng lây nhiễm Gen đóng phần quan trọng phát triển nhiều bệnh không lây nhiễm, thiếu hiểu biết chi tiết phân tử điều Mối quan hệ oxi bệnh tật cần quan tâm Các nhà hóa học cung cấp hiểu biết nhiều vai trò cúa oxi tiến triển bệnh Ngoài não bệnh tật, nghiên cứu hóa học não cần thiết để điều trị thối hóa thần kinh rổi loạn bệnh Alzheimer Cuối phân tích trình sinh học Một hệ kỳ thuật đo lường phân tích cần thiết để hiểu rõ bệnh Hóa học đóng góp vào việc chẩn đốn Nhận biết nguồn gốc phân tử, triệu chứng tiến triển bệnh quan trọng để điêu trị hiệu Băng cách phát triển cơng cụ hóa học để phát bệnh sớm phương pháp phát nhạy để theo dõi tiên độ chặt chẽ hơn, nhà hóa học cho phép chẩn đốn nhanh hiệu hơn, giám sát bệnh xâm lấn Đóng góp đâu tiên đánh dấu sinh học Chúng ta cần xác định đánh dấu sinh học cụ thể, đáng tin cậy để phát bệnh giai đoạn đầu nhà hóa học trung tâm để khám phá khai thác chúng Thứ hai sử dụng đầu dị Các nhà hóa học thiết kế sử dụng đầu dò phân tử để chẩn đốn hình ảnh Thứ ba chẩn đoán ảnh phân tử Để tận dụng mục tiêu sinh học phát hiện, nhà hóa học phát triển phương pháp cho ảnh phân tử đo lường mức độ đánh dấu sinh học 235 VÕ VIỄN Hóa học đóng góp quan trọng phát triển thuốc Các nhà hóa học giúp đưa nghiên cứu phát triển vào thời đại đại cách khám phá mục tiêu sinh học xác nhận tốt cho trường hợp nhu cầu lâm sàng khẩn cấp, đại hóa việc khám phá sản xuất thuốc phát triển liệu pháp điều trị v ề xác định mục tiêu, nhà hóa học tìm sản phẩm sinh học cải tiến mục tiêu cho thuốc để làm sở cho chương trình phát thuốc, mà có tỉ lệ thành cơng cao cung cấp loại thuốc hiệu Thiết kế loại thuốc hiệu nhiệm vụ hóa học Sử dụng hiểu biết sâu sắc hóa học phần mềm máy tính tiên tiến, nhà hóa học thay việc sàng lọc hàng loạt cách tiếp cận cho việc kiểm tra thuốc với chiến lược sử dụng ứng viên thuốc hơn, tính mục đích cao Hiện nhà hóa học đường tìm kiếm phương pháp tổng hợp Hóa học hữu tiên tiến tạo loại thuốc đai nhà thiết kế liệu pháp rẻ hơn, đa dạng nguyên liệu ban đầu công cụ nhiều để chế tạo chúng Tự động hóa quy trình xu hướng Quy trình robot thực cơng việc thường ngày thay cho nhà hóa học lành nghề, cho phép họ tập trung vào sáng tạo hóa học Phân phối thuốc quan tâm Các nhà hóa học giúp phát triển công nghệ cho phép kiểm sốt nhiều vị trí thuốc phân phối, đồng thời cho phép giải phóng liên tục theo thời gian để trì nồng độ điều trị thích hợp Các cách tiếp cận đế điều trị bệnh Các nhà hóa học nhìn xa điều truyền thống thiết kế thuốc thử nghiệm tiềm hóa học khám phá mới, bao gồm kỹ thuật mô sinh học tổng hợp, để nâng cao phương pháp trị liệu 236 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU NANO VẢ HỎA HỌC XANH Điều quan trọng cuối HHX việc bảo vệ sức khỏe người sản xuất bền vững Các cách tiếp cận để sản xuất thuốc cung cấp hội tái sử dụng tái chế chất thải để cải thiện hiệu chi phí tài nguyên để giảm lượng chất thải dược phẩm vào mơi trường (Hình 7.1) Tinh bột Hm MW m* Lignocellulose H ình 7.1 Sản x u â t dư ợc p h ẩ m nguyên liệu quan trọn g khác từ sinh k h ố i tá i tạo [1 ] Ngồi đơi phó với bệnh tật, việc hóa học giúp phịng bệnh cho người quan trọng Nước để uống, thức ăn để ăn khơng khí để thở - nhu cầu người Trong lịch sử, nhiều thảm họa nông nghiệp minh họa điểm dễ bị tổn thương cùa chuỗi cung ứng thực phẩm Nguồn cung cấp thực phẩm dễ bị tác động sinh học cơng hóa học Người nơng dân phải đấu tranh liên tục với sâu bệnh kể côn trùng nấm Sự du nhập lồi trùng kỳ lạ gây tàn phá mùa màng nghiêm trọng Vi sinh vật gây bệnh cho vật ni lây lan nghiên cứu người 237 VỎ VIỄN phịng thí nghiệm Rất tác nhân vi khuẩn gây bệnh than, ảnh hưởng đến gia súc người Các bệnh vi rút bệnh nấm trồng xảy lúc Thực phẩm bị ô nhiễm trực tiếp với tác nhân gây bệnh dễ xảy chủ quan khách quan Đối với vùng thành thị, nước sinh hoạt thường cung cấp từ trung tâm lớn Vì mức độ ảnh hưởng chất lượng nước trung tâm cấp nước lớn Tình trạng nhiễm nghiêm trọng nước Bangladesh giết chết hàng nghìn người, lời nhắc nhở khả ảnh hưởng xấu từ nhiễm hóa chất vào nước uống Khơng khí mơi trường bị nhiễm hóa học sinh học Vì việc áp dụng Hóa học xanh quan trọng việc ngăn ngừa ô nhiễm để bảo vệ sức khỏe người 7.5 K ế t lu ậ n C h n g Nước đóng vai trị quan trọng sống người sinh vật nói chung Tuy nhiên tác động người, nước ngày trở nên ô nhiễm, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe người Vì thế, việc làm nước ln đặt lý thuyết có nhiều phương pháp, trường hợp cụ thể, người ta áp dụng biện pháp thích hợp Hóa học xanh áp dụng, làm cải thiện chất lượng nước Ngồi nước, khơng khí đối tượng cần giữ gìn bảo vệ Một biện pháp bảo vệ hữu hiệu ngăn chặn nguồn phát thải việc áp dụng Hóa học xanh quy trình sản xuất Trong trường hợp phải xử lý, sử dụng biện pháp chất nhiễm bụi, dùng hóa, lý chất nhiễm hóa chất Ngồi ra, để bảo vệ mơi trường, sử dụng ngun liệu có khả tái sinh cần khuyến khích Cuối quan trọng cơng việc phịng chữa bệnh cho 238 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU NANO VẢ HỎA HỌC XANH người Để giải tốt vấn đề này, hóa học đóng vai trị quan trọng 7.6 C âu hỏi h n g d ẫn ôn tập , câu h ỏi th ảo luận , tài liệu th a m k h ảo 7.6.1 C â u h ỏ i h n g d ẫ n ôn tậ p Câu Hãy trình bày phân tích vai trị nước phương pháp làm nước Câu Hãy trình bày phân tích vai trị khơng khí, làm khơng khí Câu Phân tích mối liên hệ sử dụng vật liệu có khả tái sinh bảo vệ môi trường? Câu Phân tích vai trị hóa học việc bảo vệ sức khỏe người 7.6.2 Câu hỏi thảo luận Hãy trình bày phân tích ví dụ cụ thể hóa học bảo vệ mơi trường 7.6.3 T i liệ u th a m k h ả o Jon Evans and James Hutchinson, Chemistry for Better Health, A White Paper from the Chemical Sciences and Society Summit fCS3), RSC Advancing the Chimical Sciences (2011) 239 NH À XUẤT BẢN K H O A HỌC T ự N H IÊN VÀ CÔNG NGHỆ Nhà AI6 - Số 18 Hoàng Quốc Việt, cầu Giấy, Hà Nội Điện thoại: Phòng Phát hành: 024.22149040; Phòng Biên tập: 024.37917148; Phòng Quản lý Tổng hợp: 024.22149041; Fax: 024.37910147; Email: nxb@vap.ac.vn; Website: www.vap.ac.vn GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU NANO VÀ HĨA HỌC XANH Võ Viễn Chịu trách nhiệm xuất GỈám đốc, T ồng biên tập PH ẠM TH Ị HIẾU Biên tập: Trình bày kỹ thuật: Trình bày bìa: Hà Thị Thu Trang Đỗ H ồng Ngân Đỗ H ồng Ngân Liên kết xuất bản: Võ Viễn - Trường Đại học Quy Nhơn Số 170 An Dương Vương, TP Quy Nhơn, tỉnh Bình Định ISBN: 978-604-9988-09-7 In 500 cuốn, khổ 16x24 cm, Cơng ty cổ phần Khoa học Cơng nghệ Hồng Quốc Việt Địa chỉ: số 18 Hoàng Quốc Việt, cầu Giấy, Hà Nội Số xác nhận đăng ký xuất bản: 1461-2021/CXBIPH/01-17/KHTNVCN Số định xuất bản: số 27/QĐ-KHTNCN, cấp ngày 18 tháng năm 2021 ín xong nộp lưu chiểu quý II năm 2021 ... liệu tái sinh Ngồi ra, vai trị hóa học mơi trường sức khỏe người đề cập phần 19 Chương GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU NANO 1.1 Giói thiệu vật liệu nano hóa học Vật liệu nano (VLNN) định nghĩa vật. .. suất cao Vào đầu năm 1980, điều kiện cốt lõi 24 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU NANO VÀ HỎA HỌC XANH kỹ thuật cho khoa học quy mô nano đă phát hiện, tạo tác động to lớn đến phát triển công nghệ nano Vào cuổi... tượng lạ chúng Vật liệu nano có kích thước từ - 100 nm, dẫn đến tính chất hạt nằm vật lý cổ điển vật lý lượng tử Do đó, chúng thể tính chất mà 32 GIẢO TRÌNH VẬT LIỆU NANO VÀ HĨA HỌC XANH dạng khối