Chế tạo vật liệu trên cơ sở ống nano tio2 bằng phương pháp điện hóa định hướng ứng dụng trong y sinh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chế tạo vật liệu sở ống nano TiO2 phương pháp điện hóa định hướng ứng dụng y sinh DƯƠNG HỒNG QUÂN Quan.DH202616M@sis.hust.edu.vn Ngành Vật lý kỹ thuật Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Phạm Hùng Vượng Viện: Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS) HÀ NỘI, 09/2022 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Dương Hồng Quân Đề tài luận văn: Chế tạo vật liệu sở ống nano TiO2 phương pháp điện hóa định hướng ứng dụng y sinh Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số SV: 20202616M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 28/09/2022 với nội dung sau: - Đã chỉnh sửa mục tiêu cho phù hợp với nội dung luận văn - Đã bổ sung phần tổng quan - Đã sửa thuật ngữ chun mơn - Đã sửa số lỗi tả lỗi đánh máy - Đã Việt hóa hình vẽ; thống ký tự dùng tiếng Anh tiếng Việt (dấu phẩy thay dấu chấm) - Đã bổ sung kết fit phổ EIS để đánh giá mức độ tương đồng tính tốn thực nghiệm Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm 2022 Tác giả luận văn PGS.TS Phạm Hùng Vượng CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Dương Hồng Quân LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan kết khoa học trình bày luận văn thành nghiên cứu thân nhóm nghiên cứu suốt thời gian học tập Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST) – Đại Học Bách Khoa Hà Nội (nay thuộc viện ITIMS) Các số liệu kết đạt luận văn xác hồn tồn trung thực, không chép tài liệu khoa học khác Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Học viên Dương Hồng Quân i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin chân thành cám ơn thầy PGS.TS Phạm Hùng Vượng tận tình dạy hướng dẫn em thời gian học làm việc Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS) – Đại học Bách Khoa Hà Nội Em xin bày tỏ lòng cám ơn tới Viện Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST) – Đại học Bách Khoa Hà Nội (nay thuộc viện ITIMS) tạo điều kiện thuận lợi trang thiết bị, sở vật chất cho chúng em có mơi trường nghiên cứu cách tốt Nhân tiện, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy cô, anh chị làm nghiên cứu sinh, bạn học viên bạn sinh viên viện hỗ trợ, giúp đỡ em trình học tập nghiên cứu Mặc dù cố gắng hết sức, giới hạn lực, thời gian thiết bị nghiên cứu nên khó tránh khỏi sai sót Vì vậy, mong nhận góp ý, bảo q thầy cơ, anh chị bạn Những góp ý người học quý giá đời em Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Học viên cao học ii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn trình bày nghiên cứu chế tạo ống nano titan dioxit titan dung môi ethylene glycol thân thiện môi trường phương pháp điện hóa Trong chế hình thành phát triển ống nghiên cứu Hình thái cấu trúc ống nano TiO khảo sát thơng qua kính hiển vi điện tử qt phát xạ trường (FE-SEM) giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) Q trình ăn mịn mẫu phân tích dung dịch mô SBF sử dụng phổ tổng trở điện hoá (EIS) phép đo phân cực động Kết cho thấy cấu trúc vật liệu Ti phủ TiO2 có tính chống ăn mịn cao so với Ti trần, xác định ăn mòn cao mật độ dòng ăn mòn thấp Điều cho thấy vật liệu có tiềm ứng dụng cấy ghép xương Trên sở đó, lớp phủ apatit có cấu trúc gần xương người phát triển hình thành bề mặt vật liệu theo thời gian khảo sát khả chống ăn mịn vật liệu dung dịch mơ SBF sau 45 ngày ngâm iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN iii DANH MỤC VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG .vii DANH MỤC HÌNH VẼ viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Vật liệu nano titan dioxit (TiO2) 1.1.1 Cấu trúc tinh thể TiO2 1.1.2 Tính chất hố – lý TiO2 1.1.3 Ứng dụng nano TiO2 đời sống 1.2 Tổng quan Phương pháp điện hóa .8 1.2.1 Nguyên lý phương pháp điện hóa 1.2.2 Động học điện cực phương pháp điện hóa 10 1.3 Ăn mòn kim loại chống ăn mòn kim loại 10 1.3.1 Những khái niệm ăn mòn kim loại 10 1.3.2 Ăn mịn điện hóa học 11 1.3.3 Các biện pháp chống ăn mịn điện hóa học 12 1.3.3.1 Thụ động môi trường 12 1.3.3.2 Thụ động kim loại 12 1.4 Tổng hợp TiO2 cấu trúc ống phương pháp điện hóa 13 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 16 2.1 Hóa chất vật liệu .16 2.1.1 Hóa chất 16 2.1.2 Thiết bị dụng cụ 16 2.2 Chế tạo vật liệu 16 2.2.1 Vật liệu dung dịch điện phân 16 iv 2.2.2 Chế tạo vật liệu vi cấu trúc TiO2 phương pháp điện hóa 16 2.3 Khảo sát tính chất đặc tính tổng trở vật liệu 17 2.3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X 18 2.3.2 Hiển vi điện tử quét FE-SEM 20 2.3.3 Góc thấm ướt 20 2.3.4 Các phương pháp đánh giá tính chất lý lớp phủ .21 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X 25 3.2 Phân tích hình thái bề mặt kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường 26 3.2.1 Thay đổi điện áp 27 3.2.2 Thay đổi dòng điện 28 3.3 Góc thấm ướt 29 3.4 Kết tổng trở dung dịch mô SBF , 30 3.4.1 Phân tích hành vi ăn mịn 30 3.4.2 Phổ học điện trở kháng 31 3.4.3 Sự hình thành lớp màng apatit 33 3.5 Khả chống ăn mòn vật liệu TiO2 34 KẾT LUẬN 37 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 38 Tài liệu tham khảo 39 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt DSSC Dye Sensitized Solar Cell Pin Mặt Trời nhạy quang XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X FE-SEM Field Emission Scaning Hiển vi điện tử quét phát xạ Electron Microscopy trường Simulated Body Fluid Dung dịch mô chất SBF lỏng thể WE Working Electrode Điện cực làm việc CE Counter Electrode Điện cực đối RE Reference Electrode Điện cực so sánh EIS Electrochemical Impedance Phổ tổng trở điện hóa Spectroscopy vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Cấu trúc tinh thể dạng thù hình TiO2 Bảng 1.2 Một vài tính chất hóa – lý đặc trưng thù hình TiO2 Bảng 2.1 Thang phân loại độ bền chống ăn mòn 24 Bảng 3.1 Kết số liệu trình ăn mịn 30 Bảng 3.2 Giá trị tham số cho phần tử mạch, kết mơ hình hóa EIS dung dịch mô SBF 33 Bảng 3.3 Giá trị tham số cho phần tử mạch, kết mơ hình hóa EIS mẫu TiO2 dung dịch mơ SBF theo thời gian 35 vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình đơn vị tế bào TiO2: a) rutile, b) anatase Hình 1.2 Một số ứng dụng vật liệu nano TiO2 a) Gạch phân huỷ khí độc NO, NOx b) Máy lọc khí sử dụng TiO2; c) Kính tự làm TiO2 Hình 1.3 Ứng dụng ống nano TiO2 y sinh Hình 1.4 Sơ đồ điện hóa chế tạo nano oxit kim loại Hình 1.5 Sơ đồ ăn mịn điện hóa kim loại dung dịch chất điện ly 12 Hình 1.6 Đường phân cực hệ ăn mòn thụ động kim loại 13 Hình 1.7 Các phương pháp tổng hợp ống nano TiO2 14 Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm điện hóa .17 Hình 2.2 Quy trình hình thành lớp phủ apatit .18 Hình 2.3 Nhiễu xạ tia X mặt phẳng nguyên tử 19 Hình 2.4 Kính hiển vi điện tử qt FE-SEM-JSM-7600F 20 Hình 2.5 Góc thấm ướt 21 Hình 2.6 Thang đo góc thấm ướt 21 Hình 2.7 Hệ điện cực đo điện hóa sử dụng 22 Hình 2.8 Biểu đồ Nyquist đồ thị Bode 22 Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu: a) Ti nguyên chất; b) Ti/TiO 2: 50V-0,5A; c) Ti/TiO2: 50V- 2,5A d) Ti/TiO2: 250V-0,5A o xử lý nhiệt 550 C .25 Hình 3.2 Sự hình thành cấu trúc Ti/TiO2 26 Hình 3.3 Ảnh hiển vi điện tử quét FE-SEM mẫu chế tạo điều kiện điện áp thay đổi: a) 50V-0,5A; b) 150V-1,5A; c) 250V2,5A; d) 350V-3,5A 27 Hình 3.4 Sơ đồ minh họa trình hình thành lớp màng TiO2 điều kiện chế tạo thay đổi điện áp 28 Hình 3.5 Ảnh hiển vi điện tử quét FE-SEM mẫu chế tạo điều kiện dòng điện thay đổi: a) 50V-0,5A; b) 50V-1,5A; c) 50V2,5A; d) 50V-3,5A 28 Hình 3.6 Sơ đồ minh họa trình hình thành lớp màng TiO2 điều kiện chế tạo thay đổi dòng điện a) 50V-0,5A; b) 50V-1,5A; c) 50V-2,5A; d) 50V-3,5A .29 Hình 3.7 Góc thấm ướt mẫu .29 Hình 3.8 Hình 3.9: a) Đồ thị điện ăn mòn tự (FCP); b) Đồ thị phân cực động (IE) 31 Hình 3.9 Phổ trở kháng mẫu khảo sát a) Đồ thị Nyquist; b) Biểu đồ trở kháng Bode; c) Đồ thị góc pha Bode; d) Mạch tương đương mẫu .32 viii