Nghiên cứu đặc trưng quang học của vật liệu hạt cacbon nano chế tạo từ lá lốt

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA: VẬT LÍ TRẦN THỊ NGUYÊN THẢO NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG QUANG HỌC CỦA VẬT LIỆU HẠT CACBON NANO CHẾ TẠO TỪ LÁ LỐT KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Đà Nẵng, 05/2023 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 16990017536741000000 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA: VẬT LÍ TRẦN THỊ NGUYÊN THẢO NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG QUANG HỌC CỦA VẬT LIỆU HẠT CACBON NANO CHẾ TẠO TỪ LÁ LỐT KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Sư phạm Vật lí Khố học: 2019 - 2023 Người hướng dẫn: Th.S LÊ VŨ TRƯỜNG SƠN Đà Nẵng, năm 2023 LỜI CẢM ƠN Được chấp thuận thầy giáo hướng dẫn ThS Lê Vũ Trường Sơn với đồng ý ban chủ nhiệm khoa Vật Lí cho em tìm hiểu thực đề tài “Nghiên cứu đặc trưng quang học vật liệu hạt Cacbon nano chế tạo từ lốt” Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo Lê Vũ Trường Sơn, Thầy cô Khoa Vật Lí, Trường Đại học Sư Phạm – Đại học Đà Nẵng nhiệt tình hướng dẫn truyền đạt kinh nghiệm quý báu, tinh thần trách nhiệm, niềm say mê nghiên cứu khoa học tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành khố luận tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Đinh Thanh Khẩn có góp ý để em hồn thiện khố luận Mặc dù cố gắng chắn đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận góp ý q thầy ! Đà Nẵng, tháng năm 2023 Người thực Trần Thị Nguyên Thảo I LỜI CẢM ƠN I DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT III DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG BIỂU IV MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HẠT CACBON NANO 1.1 Giới thiệu tổng quan hạt cacbon nano 1.2 Các đặc trưng CNPs 11 1.2.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) .11 1.2.2 Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 11 1.2.3 Phổ phát quang (PL) .12 1.3 Các tính chất CNPs .13 1.3.1 Tính chất quang học 13 1.3.2 Tính hòa tan nước 15 1.4 Một số phương pháp chế tạo CNPs .15 1.4.1 Phương pháp sinh học 15 1.4.2 Phương pháp oxi hoá thuỷ nhiệt 16 Kết luận chương 17 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 18 2.1 Phương pháp thủy nhiệt 18 2.2 Quy trình thực .19 2.2.1 Vật liệu hóa chất .19 2.2.2 Quy trình chế tạo mẫu CNPs từ lốt 19 2.3 Các phương pháp phân tích thiết bị đo đạc 20 2.3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) .20 2.3.2 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 22 2.3.3 Phổ phát quang 23 Kết luận chương 25 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 Bảng mã hoá mẫu CNPs .26 3.2 Hình thái cấu trúc vật liệu CNPs 26 3.3 Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fouriere (FTIR) .27 3.4 Phổ phát quang vật liệu CNPs (PL) 28 3.4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ thuỷ nhiệt 28 3.4.2 Ảnh hưởng khối lượng tiền chất .29 3.5 Hiệu suất lượng tử .32 Kết luận chương 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 SẢN PHẨM KHOA HỌC 44 II DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Dịch nghĩa CNPs Carbon nanoparticles Hạt cacbon nano FTIR Fourier transform infrared Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier spectroscopy LSM Confocal laser scanning microscope Kính hiển vi quét laser đồng tiêu PL Photoluminescence Phổ phát quang PTA Terephthalic acid Terephthalic axit XRD X-ray diffraction Giãn đồ nhiễu xạ tia X TEM Transmission electron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua III DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG BIỂU STT Tên hình Trang Hình ảnh Hình 1.1 (a) Phổ hấp thụ hạt nano vàng rỗng (b) Sự thay đổi màu sắc hạt nano vàng rỗng kích thước hạt độ dày thay đổi Độ nhạy khả đa màu sắc hạt nano động vật sống (a) So sánh phát quang tế bào ung thư tác Hình 1.2 dụng với hạt nano (màu cam bên phải) tế bào ung thư chuyển gen GFP (vòng tròn trắng) (b) Sự phát quang khác tiêm hạt nano khác vào vị trí khác thể chuột Sự hấp thụ chuyển vị trí CNPs mầm đậu xanh A) Hình ảnh kỹ thuật số giá đỗ xanh ánh sáng ban ngày tia UV 365 nm; hình ảnh LSM mặt cắt ngang từ rễ, thân, mầm, , Hình 1.3 B) mặt cắt dọc từ rễ, thân, C) ảnh chụp dọc đậu xanh nuôi cấy CNPs (1.0 mg/mL-1) ngày; D) Ảnh TEM rễ 10 đậu xanh nuôi cấy nước tinh khiết CNPs; e) sơ đồ minh hoạ q trình hấp thụ, vận chuyển tích luỹ CNPs đậu xanh Hình 1.4 Phổ XRD CNPs tổng hợp từ cafe Nestcafes Original 11 Hình 1.5 Phổ FTIR bột cafe CNPs tổng hợp từ Nescafe Original 12 Hình 1.6 Phổ phát quang CNPs bị kích thích từ 300–400 nm Góc phía phổ phát xạ chuẩn hóa 12 Phổ hấp thụ phát quang CNPs (a), CNPs thụ động (b) Hình 1.7 Biểu đồ cường độ phát quang CNPs ( )và CNPs sửa đổi (∎)so với nồng độ (c) IV 13 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Biểu đồ lượng Jablonski 14 Phổ phát quang CNPs chế tạo từ nước cam (a); (b) Pphenylenediamine Bốn giai đoạn hình thành CNPs sử dụng glycine làm phân tử tiền chất: khử nước, trùng hợp, cacbon hóa thụ động hóa 15 17 Hình 2.1 Nồi hấp áp lực 18 Hình 2.2 Quy trình chế tạo CNPs 19 Hình 2.3 Nhiễu xạ tia X bề mặt tinh thể 21 Máy nhiễu xạ tia X cấu hình D8-Advance eco Bruker Phịng Hình 2.4 thí nghiệm Khoa học vật liệu, Trung tâm Tính tốn hiệu nâng cao 21 Khoa học vật liệu Khoa Vật lý, Trường ĐHSP-ĐHĐN Hình 2.5 Máy quang phổ hấp thụ hồng ngoại Fourier Jasco FT/IR – 6300 23 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý làm việc máy đo quang phổ FL3-22 24 Máy đo quang phổ FL3-22 Phòng thí nghiệm Khoa học vật liệu, Hình 2.7 Trung tâm Tính tốn hiệu nâng cao Khoa học vật liệu Khoa 24 Vật lý, Trường ĐHSP- ĐHĐN a Hình ảnh TEM CNPs thuỷ nhiệt 220˚C với định cỡ Hình 3.1 100 nm; Giản đồ nhiễu xạ tia X CNPs 26 Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) CNPs chế tạo Hình 3.2 từ lốt theo nhiệt độ khối lượng tiền chất 27 Phổ phát quang CNPs tổng hợp từ g tiền chất lốt Hình 3.3 nhiệt độ thuỷ nhiệt a 180˚C; b 200˚C; c 220˚C , d Cường độ 28 phát quang cao nhiệt độ thuỷ nhiệt khác Phổ phát quang CNPs thuỷ nhiệt 2200C Hình 3.4 a g lốt với 80ml H2 O; b g lốt với 80ml H2 O; c g lốt với 80ml H2 O; d g lốt với 80ml H2O; e g lốt với 80ml V 30 H2O; f Cường độ phát quang cao khối lượng tiền chất khác Biểu đồ so sánh phần trăm cường độ phát quang CNPs tổng Hình 3.5 hợp nhiệt độ thuỷ nhiệt 220˚C 31 (a) Phổ phát quang dung dịch quinine sulfate giá trị độ hấp thụ khác (b) Đường chuẩn mơ tả mối liên hệ độ Hình 3.6 hấp thụ diện tích đường cong phổ phát quang dung 32 dịch quinine sulfate Đường chuẩn mô tả mối liên hệ độ hấp thụ diện tích Hình 3.7 đường cong phổ phát quang dung dịch cacbon nano tổng hợp 33 từ g tiền chất lốt, thuỷ nhiệt 180˚C h Đường chuẩn mô tả mối liên hệ độ hấp thụ diện tích Hình 3.8 đường cong phổ phát quang dung dịch cacbon nano thuỷ nhiệt 33 200˚C h Đường chuẩn mô tả mối liên hệ độ hấp thụ diện tích Hình 3.9 đường cong phổ phát quang dung dịch cacbon nano thuỷ nhiệt 34 220˚C h Bảng biểu Bảng mã hoá mẫu CNPs theo nhiệt độ thuỷ nhiệt khối lượng Bảng 2.1 tiền chất khác Phần trăm chênh lệch cường độ phát quang CNPs thuỷ nhiệt Bảng 3.1 220˚C 20 31 Số liệu hệ số góc đường thẳng liên hệ độ hấp thụ với diện tích Bảng 3.2 đường cong phổ phát quang hiệu suất lượng tử CNPs thuỷ nhiệt từ lốt VI 35 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài 1.1 Tính cấp thiết Vật liệu phát quang nói chung vật liệu phát quang kích thước nano nói riêng quan tâm chế tạo, sâu nghiên cứu ứng dụng nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật Ở kích thước nano, vật liệu phát quang biểu tính chất quang học khác biệt Một số kết nghiên cứu cho thấy tiềm sử dụng vật liệu để chế tạo cảm biến sinh học, chế tạo thiết bị quang điện tử hay chụp ảnh quang học Trong ứng dụng quan sát đối tượng sinh học (bioimaging), vật liệu phát quang - chấm lượng tử bán dẫn (semiconductor quantum dots) thường sử dụng để làm đầu dò quang học (optical probe) Tuy nhiên, tồn số kim loại nặng Cd, Se có thành phần vật liệu nói dẫn đến lo ngại vấn đề an tồn như: gây độc tính người tác động không tốt đến môi trường Một số kim loại quý Au Ag lựa chọn làm đầu dò quang học nhiên hiệu suất lượng tử tính ổn định quang học thấp trình chế tạo tốn dẫn đến hạn chế định Kể từ lần phát vào năm 2004 [36], vật liệu phát quang hạt cacbon nano (CNPs) cho thấy ưu điểm trội tính ổn định quang học tốt, thân thiện với môi trường dễ chế tạo Có kích thước cỡ nano mét, cấu trúc vật liệu CNPs gồm lõi khối cầu cacbon lai hóa sp2 /sp3 dạng vơ định hình tinh thể, bao bọc bên ngồi nhóm chức cacboxyl, hydroxyl, carbonxylic acid, carbonyl Với xuất đa dạng nhóm chức bao quanh, vật liệu CNPs có khả tan tốt nước dễ dàng kết hợp với chất để ứng dụng cho mục đích cụ thể Bên cạnh đó, hiệu suất lượng tử cao, tính tương thích sinh học tốt độc tính thấp cho thấy CNPs vật liệu đầy tiềm thay vật liệu phát quang truyền thống ứng dụng chụp ảnh sinh học Để chế tạo vật liệu CNPs, có nhiều kỹ thuật/phương pháp như: kỹ thuật siêu âm, kỹ thuật lò vi sóng, phương pháp hóa ướt hay thủy nhiệt Gần đây, số nhóm nghiên cứu áp dụng thành cơng phương pháp thủy nhiệt để chế tạo vật liệu CNPs từ nguồn nguyên liệu như: nước ép cam, nước ép chuối, sữa đậu nành, glucose, sucrose, tinh bột, axit citric hay chitosan [33] Dựa đánh giá đó, phương pháp thủy nhiệt em lựa chọn sử dụng quy trình thực đơn giản, tốn phù hợp với tiền chất sử dụng Nghiên cứu xây dựng tảng để đánh giá tính chất quang học vật liệu CNPs chế tạo 1.2 Tổng quan nghiên cứu nước Việc tìm hiểu tính chất ứng dụng vật liệu tập trung nghiên cứu năm gần Kể từ lần phát vào năm 2004 vật liệu phát quang CNPs cho thấy ưu điểm trội tính ổn định quang học, thân thiện với môi trường dễ chế tạo [36] Các phương pháp tổng hợp CNPs phân loại thành nhóm phương pháp Phương pháp tổng hợp vật lí: cắt đốt laser, phóng điện hồ quang, plasma cảm ứng Phương pháp tổng hợp hóa học: tổng hợp điện hóa, thủy nhiệt, nhiệt phân, … Tổng hợp CNPs phương pháp thủy nhiệt nhận nhiều quan tâm, giúp giảm bớt máy móc, chi phí thời gian, thân thiện với môi trường, hiệu suất lượng tử cao Gần đây, số báo cáo cho thấy tổng hợp thành cơng CNPs có khả hịa tan tuyệt vời nước dung mơi hữu Bên cạnh đó, vật liệu cịn thể đặc tính phát quang mạnh cách xử lí thủy nhiệt từ nhiều sản phẩm tự nhiên sẵn có, chẳng hạn củ cải hồng, vỏ cảm quýt, hoa cúc, măng cụt, … [27, 19, 43, 20] Năm 2007, Sun cộng báo cáo kết nghiên cứu khả ứng dụng sinh học vật liệu CNPs Các tế bào ung thư vú MCF-7 nuôi nhiệt độ 370C thực quan sát kính hiển vi phát quang kích thích laser có bước sóng 800 nm Nhóm nghiên cứu chứng minh rằng, CNPs sau gắn chất tạo ảnh phát quang rõ ràng tế bào ung thư vú người Hai năm sau, vật liệu CNPs ứng dụng để chụp ảnh tế bào ung thư cổ tử cung Ray cộng công bố tạp chí chuyên ngành Cũng vào năm 2009, cách tạo CNPs có kích thước từ 1,5 nm đến nm, Liu nhóm nghiên cứu chứng minh khả xâm nhập nhuộm tế bào khuẩn E coli quan sát ảnh chụp kính hiển vi sử dụng bước sóng kích thích có dải rộng từ 458 nm đến 514 nm [28] S., T., & D., R S (2016) Green synthesis of highly fluorescent carbon quantum dots from sugarcane bagasse pulp Applied Surface Science, 390, 435–443 doi: 10.1016/j.apsusc.2016.08.106 [29] Saafie, Nabilah, Nonni Soraya Sambudi, Mohd Dzul Hakim Wirzal, and Suriati Sufian (2023) "Effect of Hydrothermal Conditions on Kenaf-Based Carbon Quantum Dots Properties and Photocatalytic Degradation" Separations 10, no 2: 137 https://doi.org/10.3390/separations10020137 [30] Sk, M P., Jaiswal, A., Paul, A., Ghosh, S S., & Chattopadhyay, A (2012) Presence of Amorphous Carbon Nanoparticles in Food Caramels Scientific Reports, 2(1).doi:10.1038/srep00383 [31] Sōmiya, Shigeyuki (1990) Advanced Ceramics III, Hydrothermal Synthesis in Acid Solutions—A Review.,10.1007/978-94-009-0763-8(Chapter 9), 163–179 doi:10.1007/97894-009-0763-8_9 [32] T Pal, S Mohiyuddin, and G Packirisamy, “Facile and Green Synthesis of Multicolor Fluorescence Carbon Dots from Curcumin: In Vitro and in Vivo Bioimaging and Other Applications,” ACS Omega, vol 3, pp 831–843, Jan 2018, doi: 10.1021/acsomega.7b01323 [33] T W Clarkson, L Magos, and G J Myers, “The toxicology of mercury current exposures and clinical manifestations,” N Engl J Med, vol 349, no 18, pp 1731– 1737, Oct 2003, doi: 10.1056/NEJMra022471 [34] X Dong, W Liang, M J Meziani, Y.-P Sun, and L Yang, “Carbon Dots as Potent Antimicrobial Agents,” Theranostics, vol 10, no 2, pp 671–686, 2020, doi: 10.7150/thno.39863 [35] X Qin, W Lu, A M Asiri, A O Al-Youbi, and X Sun (2013) Green, low-cost synthesis of photoluminescent carbon dots by hydrothermal treatment of willow bark and their application as an effective photocatalyst for fabricating Au nanoparticles–reduced graphene oxide nanocomposites for glucose detection, Catal Sci Technol., Vol 3, pp 1027– 1035 41 [36] X Xu et al (Oct 2004), “Electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube fragments,” J Am Chem Soc, vol 126, no 40, pp 12736– 12737, doi: 10.1021/ja040082h [37] X.-J Mao et al (Feb 2010), “Study on the fluorescence characteristics of carbon dots,” Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc, vol 75, no 2, pp 553–557, doi: 10.1016/j.saa.2009.11.015 [38] Xu, Qian-Ting; Li, Jia-Chuang; Xue, Huai-Guo; Guo, Sheng-Ping (2018) Binary iron sulfides as anode materials for rechargeable batteries: Crystal structures, syntheses, and electrochemical performance Journal of Power Sources, 379(), 41–52 doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.01.022 [39] Y Liu et al (Jan 2017), “Green synthesis of fluorescent carbon dots from carrot juice for in vitro cellular imaging Original Articles Article Info,” Carbon Letters, vol 21, pp 61– 67, doi: 10.5714/CL.2017.21.061 [40] Y Su, Y He, H Lu, L Sai, Q Li, W Li, L Wang, P Shen, Q Huang, C Fan (2009), “The cytotoxicity of cadmium based, aqueous phase–synthesized, quantum dots and its modulation by surface coating” Biomaterials, 30, pp 19-25, doi: 10.1016/j.biomaterials.2008.09.029 [41] Y Xu et al (Sep 2014), “Green Synthesis of Fluorescent Carbon Quantum Dots for Detection of Hg2+,” Chinese Journal of Analytical Chemistry, vol 42, no 9, pp 1252– 1258, doi: 10.1016/S1872-2040(14)60765-9 [42] Y Yang, J Cui, M Zheng, C Hu, S Tan, Y Xiao, Q Yanga, and Y Liu (2012), “One-step synthesis of amino-functionalized fluorescent carbon nanoparticles by hydrothermal carbonization of chitosan”, Chem Commun., 48(3), pp 380-382, doi:10.1039/C1CC15678K [43] Z L Wu et al (Jun 2013), “One-pot hydrothermal synthesis of highly luminescent nitrogen-doped amphoteric carbon dots for bioimaging from Bombyx mori silk - natural proteins,” J Mater Chem B, vol 1, no 22, pp 2868–2873, doi: 10.1039/c3tb20418a [44] Zheng, J Wang, Y.; Yang, Liu, X Xu, B Facile (2018), Rapid Synthesis of YellowEmission Carbon Dots for White Light-Emitting Diodes J Electron Mater, 47, 7497– 7504 42 * Trang web [45] https://www.hust.com.vn/tim-hieu-ve-may-quang-pho-nhieu-xa-tia-x-xrd.html 43 SẢN PHẨM KHOA HỌC Có 01 cơng trình khoa học cơng bố Tạp chí Đại học Khoa học Huế - Đại học Huế Tên báo: “Ảnh hưởng nhiệt độ thuỷ nhiệt đến hiệu suất lượng tử dung dịch cacbon nano chế tạo từ lốt” Nội dung toàn văn báo: ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ THỦY NHIỆT ĐẾN HIỆU SUẤT LƯỢNG TỬ CỦA DUNG DỊCH CACBON NANO CHẾ TẠO TỪ LÁ LỐT Lê Vũ Trường Sơn1*, Trần Thị Nguyên Thảo1, Vũ Trịnh Huyền Anh1, Đoàn Văn Dương1, Cao Nữ Thùy Linh2, Ngô Khoa Quang3* Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng Viện Nghiên cứu Đào tạo Việt Anh – Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế *Email: lvtson_kl@ued.udn.vn nkquang@hueuni.edu.vn TĨM TẮT Trong báo này, chúng tơi nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ thủy nhiệt đến hiệu suất lượng tử hạt cacbon nano (CNPs) chế tạo từ lốt phương pháp thủy nhiệt Hình thái, cấu trúc hiệu suất lượng tử CNPs đánh giá thông qua phép đo chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua, nhiễu xạ tia X quang phổ huỳnh quang Áp dụng phương pháp so sánh với dung dịch chuẩn quinine sulfate có hiệu suất lượng tử 54% Kết tính tốn hiệu suất lượng tử CNPs có giá trị 3,02%, 5,06% 6,71% tương ứng với nhiệt độ thủy nhiệt 180°C, 200°C 220°C Từ khóa: Vật liệu phát quang, hạt cacbon nano, phương pháp thủy nhiệt, nhiệt độ thủy nhiệt, hiệu suất lượng tử MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, vật liệu huỳnh quang kích thước nano thu hút nhiều quan tâm nhiều nhóm nghiên cứu giới xem ứng viên tiềm thay đầu dò nhuộm huỳnh quang truyền thống [1] Đặc biệt, vật liệu nano huỳnh quang năm gần tập trung nghiên cứu phát triển nhanh nhu cầu ứng dụng cảm biến hóa học, sinh học lĩnh vực liên quan khác [1,2] So với thuốc nhuộm huỳnh quang truyền thống, vật liệu nano huỳnh quang có hiệu ứng kích thước lượng tử 44 hiệu ứng độc đáo khác nano, khắc phục nhiều khuyết điểm loại thuốc nhuộm truyền thống (độ ổn định thấp, cường độ huỳnh quang yếu, hiệu suất lượng tử thấp bị tẩy trắng) [1] Vì vậy, vật liệu nano huỳnh quang ứng dụng rộng rãi vật lý, sinh học hóa học [3] Nằm nhóm vật liệu nano huỳnh quang, hạt cacbon nano (CNPs) trở thành tâm điểm ý đặc tính phát quang độc đáo [4] Kể từ phát vào năm 2004, loạt kỹ thuật tổng hợp phát triển để chế tạo CNPs Các phương pháp tổng hợp thường phân loại thành từ xuống từ lên [5] Đối với phương pháp từ xuống, hạt CNPs hình thành thơng qua quy trình cắt hóa học vật lý từ vật liệu nano có kích thước lớn CNPs, bao gồm phóng điện hồ quang, sử dụng laser cơng suất lớn, phương pháp điện hóa, phương pháp oxy hóa sử dụng axit [6-9] Các nguồn tiền chất phổ biến cho phương pháp ống nano cacbon than chì Một số hạn chế phương pháp tiếp cận từ xuống để tổng hợp CNPs yêu cầu vật liệu thiết bị đắt tiền, điều kiện phản ứng cần đảm bảo thời gian tổng hợp thường kéo dài [10] Trong phương pháp tiếp cận từ lên, CNPs tổng hợp từ tiền chất phân tử thích hợp điều kiện định, ví dụ nhiệt phân, vi sóng, siêu âm, mốt số phương pháp khác [11,12] Nằm nhóm kỹ thuật chế tạo hạt nano từ lên, phương pháp thủy nhiệt thường ưu tiên lựa chọn kỹ thuật đơn giản, thân thiện với môi trường đặc biệt phù hợp với tiền chất có nguồn gốc từ sinh khối Các kỹ thuật từ lên chủ yếu sử dụng phương pháp thủy nhiệt với dung môi nước coi thuận lợi khơng biến chứng, tái tạo chi phí thấp [13,14] Trong số phương pháp này, chọn phương pháp thủy nhiệt để chế tạo CNPs, xem phương pháp đơn giản hiệu số phương pháp nêu Đây kỹ thuật chế tạo sử dụng nước áp suất nhiệt độ cao nhằm tạo phân hủy nhiệt hóa (thermochemical degradation) vật liệu có nguồn gốc từ sinh khối (biomass) Một số cơng bố trước cho thấy, tính chất quang nói chung, giá hiệu suất lượng tử kích thước hạt CNPs nói riêng thay đổi cách đáng kể chế tạo phương pháp thủy nhiệt [15-19] Flavonoids hợp chất tự nhiên thường tìm thấy trái cây, rau loại thực phẩm có nguồn gốc thực vật khác Chúng biết đến với đặc tính chống oxy hóa có nhiều lợi ích cho sức khỏe khả chống ung thư, kháng khuẩn kháng vi-rút [20] Nghiên cứu tác giả Azizah Ugusman cho thấy hàm lượng flavonoids có lốt có giá trị ~ 57,5 mg CAE/g DW [21] Dù loài thực vật phổ biến Việt Nam hàm lượng flavonoids có lốt cao so sánh với số loại thực vật khác muồng khế (cassia occidentalis, ~ 35,3 CAE/g DW), màn vàng (cleome viscosa, ~ 36,2 CAE/g DW), hay mimosa (mimosa hamata, ~ 40,3 mg CAE/g DW) [20] Gần đây, nghiên cứu Jing Xu rằng, chiết xuất flavonoids từ bạch (ginkgo biloba) dùng để chế tạo CNPs ứng dụng phát ion Pb2+ với giới hạn đến 55 pM [22] Vì vậy, việc tổng hợp CNPs từ nguồn nguyên liệu tự nhiên (lá lốt) đánh giá hiệu suất lượng tử sản phẩm chế tạo cần làm rõ, tạo sở cho nghiên cứu nhằm chức hóa vật liệu cho ứng dụng liên quan đến sinh học hóa học Trong báo này, chúng tơi trình bày kết nghiên cứu hình thái học cấu trúc vật liệu CNPs Sử dụng lốt làm nguyên liệu ban đầu, quan sát thấy thay đổi rõ ràng hiệu suất lượng tử mẫu xử lý nhiệt nhiệt độ 180, 200 220°C Bằng cách sử dụng Quinine sulfat làm tham chiếu, nhận thấy có gia tăng đáng kể hiệu suất 45 lượng tử với thay đổi nhiệt độ thủy nhiệt Kết nghiên cứu sở để đánh giá thông số quang định hướng cho ứng dụng tương lai CNPs tổng hợp từ lốt THỰC NGHIỆM 2.1 Vật liệu hóa chất Lá lốt chúng tơi rửa trước cho vào bình thủy nhiệt Nước cất hai lần sử dụng làm dung môi nghiên cứu Các hóa chất H2SO4 (Sigma-Aldrich), Quinine Sulfate (AnalaR NORMAPUR) sử dụng để xác định hiệu suất lượng tử CNPs thu 2.2 Thiết bị phương pháp đo đạc Chúng sử dụng tủ sấy MEMMERT UNB 500 – Đức để tổng hợp mẫu phương pháp thủy nhiệt Cấu trúc vật liệu nghiên cứu phương pháp nhiễu xạ tia X máy nhiễu xạ D8-Advance Eco hãng Bruker – Đức sử dụng nguồn phát Cu-Kα (λ = 1,54056 Å) Kích thước CNPs xác định phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua JEOL Jem-1010 hãng JEOL – Nhật Bản với điện áp gia tốc 80 kV Các tính chất quang vật liệu nghiên cứu thông qua phổ phát quang phổ hấp thụ thu từ máy FL3-22 hãng Horiba – Nhật Bản 2.3 Quy trình phương pháp chế tạo Hình Quy trình chế tạo dung dịch CNPs từ lốt phương pháp thủy nhiệt Lá lốt sau chọn lọc lại rửa nước cất lần Sau đó, lốt thái nhỏ sấy khô nhiệt độ 50°C thời gian 24 tiếng Chúng tôi, tiến hành cho 5g lốt, 80ml nước cất lần vào teflon tiến hành thủy nhiệt thời gian tiếng nhiệt độ 180°C, 200°C, 220°C Bình thủy nhiệt sau để nguội đến nhiệt độ phịng Dung dịch màu nâu sẫm thu sau trình thủy nhiệt cho qua giấy lọc thô trước tiến hành lọc tinh với đầu lọc (syringe) 0,22 𝜇m ly tâm với tốc độ 14000 vòng/phút 15 phút để thu dung dịch chứa hạt CNPs KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46 3.1 Hình thái cấu trúc a) ) b) ) Hình (a) Ảnh TEM dung dịch CNPs thủy nhiệt 220°C với định cỡ 100 nm (b) Giản đồ nhiễu xạ tia X dung dịch CNPs thu thủy nhiệt nhiệt độ 180°C, 200°C, 220°C Ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) mẫu CNPs trình bày hình 2a Từ ảnh TEM, thấy kích thước CNPs đồng có giá trị khoảng vài chục nanomet Bước đầu cho thấy chế tạo thành công vật liệu có kích thước nano Để nghiên cứu cấu trúc vật liệu chế tạo được, tiến hành đo nhiễu xạ tia X (XRD) Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) mẫu CNPs thủy nhiệt nhiệt độ khác thể hình 2b Kết cho thấy tất mẫu CNPs cho đỉnh rộng có giá trị 2 lân cận 23,5° Đây đỉnh đặc trưng cho vật liệu cacbon vơ định hình [23] Kết hồn tồn phù hợp với giản đồ XRD CNPs công bố trước bã đậu nành, thuốc lá, vỏ liễu, rau mùi, vỏ dưa hấu, hạt kê, rau cải chân vịt [15-19, 23-25] 3.2 Hiệu suất lượng tử Quinine sulfate dạng bột hòa tan H2SO4 0,1 M (chiết suất 1,33) CNPs hòa tan nước cất lần (chiết suất 1,33) Trong q trình tính tốn hiệu suất lượng tử, giá trị nồng độ khác dung dịch quinine sulfate dung dịch CNPs chuẩn bị cho độ hấp thụ có giá trị nhỏ 0,1 bước sóng 350 nm thích bảng Quang phổ huỳnh quang dung dịch quinine sulfate CNPs ghi lại bước sóng kích thích 350 nm với độ rộng khe kích thích nm độ rộng khe phát xạ nm Dựa kết đo phổ phát quang thu vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ cường độ phát quang giá trị độ hấp thụ để xác định hệ số góc mx my Hiệu suất lượng tử tính theo công thức [26]: m η2 Φy = Φx(my )(ηy2 ) x x Trong đó, Φy hiệu suất lượng tử CNPs, Φx hiệu suất lượng tử dung dịch quinine sulfate; my mx hệ số góc đường phụ thuộc cường độ phát quang vào độ hấp thụ bước sóng 350 nm dung dịch CNPs quinine sulfate; ηy chiết suất nước cất hai lần ηx chiết suất dung dịch H2SO4 (ηy = ηx = 1,33) 47 Bảng Số liệu độ hấp thụ diện tích đường cong phổ phát quang dung dịch CNPs Quinine sulfate Dung dịch Quinine sulfate Kí hiệu Q1 Q2 Q3 Độ hấp thụ 0.01562 0.02508 0.0394 Diện tích đường cong phổ phát quang Dung dịch cacbon nano Nhiệt độ thủy nhiệt 13408500 180°C 26437600 200°C 42616000 220°C a) ) Kí hiệu Độ hấp thụ Diện tích đường cong phổ phát quang A1 0.00789 2059340 A2 0.0114 2353900 A3 0.01662 2660820 B1 0.04934 5313480 B2 0.05597 6159000 B3 0.06752 7406250 C1 0.05557 8419340 C2 0.06774 10024900 C3 0.07368 11224600 b) ) Hình (a) Phổ phát quang dung dịch quinine sulfate giá trị nồng độ khác (b) Đường chuẩn mô tả mối liên hệ độ hấp thụ diện tích đường cong phổ phát quang dung dịch quinine sulfate 48 a) ) b) ) Hình (a) Phổ phát quang dung dịch CNPs thủy nhiệt 180°C với giá trị nồng độ khác (b) Đường chuẩn mô tả mối liên hệ độ hấp thụ diện tích đường cong phổ phát quang dung dịch CNPs thủy nhiệt 180°C a) ) b) ) Hình (a) Phổ phát quang dung dịch CNPs thủy nhiệt 200°C với giá trị nồng độ khác (b) Đường chuẩn mô tả mối liên hệ độ hấp thụ diện tích đường cong phổ phát quang dung dịch CNPs thủy nhiệt 200°C 49 b ) a ) Hình (a) Phổ phát quang dung dịch CNPs thủy nhiệt 220°C với giá trị nồng độ khác (b) Đường chuẩn mô tả mối liên hệ độ hấp thụ diện tích đường cong phổ phát quang dung dịch CNPs thủy nhiệt 220°C Thay giá trị thu từ đồ thị thể hình 3b, 4b, 5b, 6b, xác định hiệu suất lượng tử dung dịch CNPs thủy nhiệt nhiệt độ: Nhiệt độ 180°C: 68128300 1,332 114000000 1,332 152000000 1,332 Φy = 54%(1220180000)(1,332) = 3,02% Nhiệt độ 200°C: Φy = 54%(1220180000)(1,332) = 5,06% Nhiệt độ 220°C: Φy = 54%(1220180000)(1,332) = 6,71% Khi tăng nhiệt độ lên khoảng 11,12% (từ 180°C lên 200°C) hiệu suất lượng tăng 67,55% (từ 3,02% lên 5,06%) tiếp tục tăng nhiệt độ lên khoảng 22,24% (từ 180°C lên 220°C) hiệu suất lượng tăng 122,19% (từ 3,02% lên 6,71%) Kết cho thấy hiệu suất lượng tử CNPs tổng hợp từ lốt phương pháp thủy nhiệt tỷ lệ thuận với nhiệt độ thủy nhiệt Hiệu suất lượng tử dung dịch CNPs chế tạo từ lốt có giá trị cao đạt 6,71% So sánh với kết tính tốn hiệu suất lượng tử từ tiền chất khác công bố như: sữa đậu nành (QY = 2,6%), thuốc (QY = 3,2%), vỏ liễu (QY = 6,0%), rau mùi (QY = 6,48%), vỏ dưa hấu (QY = 7,1%), hay hạt kê (QY = 5,67%) ta thấy giá trị hiệu suất lượng tử dung dịch CNPs thu với tiền chất lốt có giá trị cao dù chưa thụ động hóa bề mặt [15-19,23,24] KẾT LUẬN Trong nghiên cứu tổng hợp thành công vật liệu CNPs với tiền chất lốt phương pháp thủy nhiệt Kết thực nghiệm cho thấy nhiệt độ thủy nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất lượng tử vật liệu CNPs Hiệu suất lượng tử vật liệu CNPs đạt giá trị cao 6,71% nhiệt độ 220oC Đây xem giá trị cao so sánh với CNPs tổng hợp từ tự nhiên không mà khơng qua q trình thụ động hóa bề mặt Bên cạnh đó, kết nghiên cứu cho thấy rằng, CNPs tổng hợp cách cacbon hố nguồn nguyên liệu tự nhiên sử dụng phương pháp thủy nhiệt, xem giải pháp tiếp cận thân 50 thiện với môi trường Dựa kết đạt được, nghiên cứu thực để đánh giá đặc tính hóa lý vật liệu xem xét ứng dụng lĩnh vực phù hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D Xiao, H Qi, Y Teng, D Pierre, P Takunda Kutoka, and D Liu (2021) Advances and Challenges of Fluorescent Nanomaterials for Synthesis and Biomedical Applications Nanoscale Research Letters, 16, 167 [2] V Harish, D Tewari, M Gaur, A.B Yadav, S Swaroop, M Bechelany, A Barhoum (2022) Review on Nanoparticles and Nanostructured Materials: Bioimaging, Biosensing, Drug Delivery, Tissue Engineering, Antimicrobial, and Agro-Food Nanomaterials, 12, 457 [3] U Resch-Genger, M Grabolle, S Cavaliere-Jaricot, R Nitschke, and T Nann (2008) Quantum dots versus organic dyes as fluorescentlabels Nature Methods, 5, 9, 763–775 [4] H J Li, X Wei, Y Q Xu et al (2015) Determination of aspirin using functionalized cadmiumtellurium quantum dots as a fluorescence probe Analytical Letters, 48, 7, 1117–1127 [5] Hsu PC, Chang HT (2012) Synthesis of high-quality carbon nanodots from hydrophilic compounds: role of functional groups Chem Commun, 48, 33, 3984 [6] X Xu, R Ray, Y Gu, H.J Ploehn, L Gearheart, K Raker, W.A Scrivens (2004) Electrophoretic Analysis and Purification of Fluorescent Single-Walled Carbon Nanotube Fragments J Am Chem Soc, 126, 12736–12737 [7] Y Sun, B Zhou, Y Lin, W Wang, K.A.S Fernando, P Pathak, M.J Meziani, B.A Harruff, X Wang, H Wang, et al (2006) Quantum-Sized Carbon Dots for Bright and Colorful Photoluminescence J Am Chem Soc, 128, 7756-7757 [8] M Liu, Y Xu, F Niu, J.J Gooding, J Liu (2016) Carbon quantum dots directly generated from electrochemical oxidation of graphite electrodes in alkaline alcohols and the applications for specific ferric ion detection and cell imaging Analyst, 141, 2657–2664 [9] A Sciortino, A Cayuela, M.L Soriano, F.M Gelardi, M Cannas, M Valcarcel, F Messina (2017) Different natures of surface electronic transitions of carbon nanoparticles Phys Chem, 19, 22670–22677 [10] Sharma A, Das J (2019) Small molecules derived carbon dots: synthesis and applications in sensing, catalysis, imaging, and biomedicine J Nanobiotech, 17 [11] Lim SY, Shen W, Gao Z (2015) Carbon quantum dots and their applications Chem Soc Rev, 44, 362 [12] Sharon M, Sharon M (2015) Graphene Science and Industry Wiley Scrivener, USA [13] Sahu S, Behera B, Maiti TK, Mohapatra S (2012) Simple onestep synthesis of highly luminescent carbon dots from orange juice: application as excellent bio-imaging agents Chem Comm, 48, 8835–8837 51 [14] Titirici MM, Antonietti M, Baccile N (2008) Hydrothermal carbon from biomass: a comparison of the local structure from poly-to monosaccharides and pentoses/hexoses Green Chem, 10, 1204–1212 [15] C Zhu, J Zhai, and S Dong (2012) Bifunctional fluorescent Carbondots: green synthesis via soy milk and application as metal-free electrocatalysts for oxygen reduction Chem Commun, 48, 9367–9369 [16] Y Sha, J Lou, S Bai, D Wu, B Liu, and Y Ling (2013) Hydrothermal synthesis of nitrogen containing Carbondots as the high-efficient sensor for copper (II) ions Mater Res Bull, 48, 1728– 1731 [17] X Qin, W Lu, A M Asiri, A O Al-Youbi, and X Sun (2013) Green, low-cost synthesis of photoluminescent carbon dots by hydrothermal treatment of willow bark and their application as an effective photocatalyst for fabricating Au nanoparticles–reduced graphene oxide nanocomposites for glucose detection Catal Sci Technol, 3, 1027–1035 [18] A Sachdev and P Gopinath (2015) Green synthesis of multifunctional carbon dots from coriander leaves and their potential application as antioxidants, sensors and bioimaging agents The Analyst, 140, 4260-4269 [19] J Zhou, Z Sheng, H Han, M Zou, and C Li (2012) Facile synthesis of fluorescent carbon dots using watermelon peel as a carbon source Mater Lett, 66, 222-224 [20] A Ullah, S Munir, S L Badshah, N Khan, L Ghani, B G Poulson, A-H Emwas, M Jaremko (2020) Important flavonoids and their role as a therapeutic agent Molecules, 25, 5243 [21] A Ugusman, Z Zakaria, C K Hui, N A M M Nordin, Z A Mahdy (2012) Flavonoids of Piper sarmentosum and its cytoprotective effects against oxidative stress EXCLI journal, 11, 705 [22] J Xu, X Jie, F Xie, H Yang, W Wei, Z Xia (2018) Flavonoid moiety-incorporated carbon dots for ultrasensitive and highly selective fluorescence detection and removal of Pb 2+ Nano Research, 11, 3648-3657 [23] M Hara, T Yoshida, A Takagaki, T Takata, J N Kondo, S Hayashi, K Domen (2004) A Carbon Material as a Strong Protonic Acid Angew.Chem, 43, 2955-2958 [24] Nguyễn Tấn Hoàng Vũ, Lê Thị Diệu Hiền, Lê Xuân Diễm Ngọc, Hồ Thị Thu Hương, Ngô Khoa Quang (2018) Xác định hiệu suất lượng tử dung dịch carbon nano chế tạo từ hạt kê Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế, 13, 1, 87-94 [25] Trần Thị Thanh Nhàn, Phan Thị Kim Uyên, Nguyễn Q Tuấn, Ngơ Khoa Quang, Đặng Ngọc Tồn, Đồn Văn Dương, Trịnh Ngọc Đạt, Phan Liễn, Đinh Thanh Khẩn, Lê Văn Thanh Sơn, Lê Vũ Trường Sơn (2021) Chế tạo hạt cacbon nanô theo hướng tiếp cận xanh phương pháp thủy nhiệt Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng, 19, 9, 64-68 [26] Williams ATR, Winfield SA, Miller JN (1983) Relative fluorescence quantum yields using a computer-controlled luminescence spectrometer Analyst, 108, 1290, 1067–71 52 EFFECT OF REACTION TEMPERATURE ON QUANTUM YIELD OF CARBON NANOPARTICLES DERIVED FROM PIPER LOLOT Le Vu Truong Son1*, Tran Thi Nguyen Thao1, Vu Trinh Huyen Anh1, Doan Van Duong1, Cao Nu Thuy Linh2, Ngo Khoa Quang3* The University of Danang – University of Education Institute for Research & Executive Education – The University of Danang University of Sciences, Hue University *Email: lvtson_kl@ued.udn.vn nkquang@hueuni.edu.vn ABSTRACT In this study, we investigate the impact of hydrothermal temperature on the quantum yield of carbon nanoparticles (CNPs) prepared from piper lolot using the hydrothermal method The morphology, structure, and quantum yield of the CNPs were investigated using various measurements, such as transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and photoluminescence We used the comparison method with a standard quinine sulfate solution that has a quantum yield of 54% The calculated quantum yield values of 3.02%, 5.06%, and 6.71% correspond to the hydrothermal temperatures of 180°C, 200°C, and 220°C, respectively Keywords: Photoluminescent materials; Carbon nanoparticles; Hydrothermal method; Hydrothermal time; Quantum Yield 53 Giấy xác nhận 54