Sử dụng vật liệu hạt cacbon nano chế tạo từ lá lốt để phát hiện ion kim loại nặng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ VŨ TRỊNH HUYỀN ANH SỬ DỤNG VẬT LIỆU HẠT CACBON NANO CHẾ TẠO TỪ LÁ LỐT ĐỂ PHÁT HIỆN ION KIM LOẠI NẶNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đà Nẵng, 2023 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 16990018053371000000 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ VŨ TRỊNH HUYỀN ANH SỬ DỤNG VẬT LIỆU HẠT CACBON NANO CHẾ TẠO TỪ LÁ LỐT ĐỂ PHÁT HIỆN ION KIM LOẠI NẶNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Sư phạm Vật lý Khóa học: 2019 – 2023 Người hướng dẫn: Th.S Lê Vũ Trường Sơn Đà Nẵng, 2023 LỜI CẢM ƠN Được chấp thuận thầy giáo hướng dẫn Th.S Lê Vũ Trường Sơn với đồng ý ban chủ nhiệm khoa Vật Lí cho em tìm hiểu thực đề tài “Sử dụng vật liệu hạt Cacbon nano chế tạo từ lốt để phát ion kim loại nặng” Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo Lê Vũ Trường Sơn, thầy Lê Văn Thanh Sơn đóng góp, phản biện Thầy 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 Mặc dù cố gắng chắn đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận góp ý q thầy cơ! I MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I MỤC LỤC II DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT IV DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU V MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HẠT CACBON NANO VÀ SỰ PHÁT HIỆN ION KIM LOẠI CỦA HẠT CACBON NANO 1.1 Giới thiệu 1.2 Các đặc trưng CNPs 1.2.1 Hình thái CNPs ……5 1.2.2 Cấu trúc CNPs 1.3 Các tính chất CNPs 1.3.1 Tính chất quang học 1.3.2 Tính hịa tan nước 1.3.3 Tính chất sinh học, độ độc 1.4 Sự phát ion kim loại CNPs 1.5 Các phương pháp chế tạo CNPs 13 1.5.1 Phương pháp đốt cháy 13 1.5.2 Phương pháp phóng điện hồ quang 14 1.5.3 Phương pháp vi sóng 14 1.5.4 Phương pháp thủy nhiệt 15 KẾT LUẬN CHƯƠNG 17 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 18 2.1 Quy trình thực 18 2.1.1 Vật liệu hóa chất 18 2.1.2 Quy trình chế tạo CNPs 18 2.1.3 Quy trình chuẩn bị muối 18 2.1.4 Quy trình sử dụng CNPs để phát ion kim loại 19 2.2 Thiết bị 20 2.2.1 Tủ sấy MEMMERT UNB 500 20 2.2.2 Máy li tâm lạnh MIKRO 200R – Hettich – Đức 21 2.2.3 Máy đo phổ huỳnh quang 21 2.2.4 Máy nhiễu xạ tia X 23 KẾT LUẬN CHƯƠNG 24 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 II 3.1 Hình thái, cấu trúc CNPs 25 3.1.1 Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (TEM) giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) 25 3.1.2 Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fouriere (FTIR) 25 3.2 Tính chất quang CNPs 26 3.3 Phát ion kim loại Fe3+ 27 3.4 Giới hạn phát ion kim loại Fe3+ 29 KẾT LUẬN CHƯƠNG 32 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 SẢN PHẨM KHOA HỌC 37 III DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh CNPs Hạt cacbon nano Carbon nanoparticles CNT Ống nano carbon Carbon nanotube FTIR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier Fourier-transform infrared spectroscopy PL Phổ quang huỳnh quang Photoluminescence PLE Phổ kích thích huỳnh quang Photoluminescence Excitation SEM Kính hiển vi điện tử quét Scanning electron microscopy SWCNTs Ống nano cacbon đơn vách Single Wall Carbon Nanotubes XRD Nhiễu xạ tia X X-ray diffraction IV DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1 A) Dung dịch CQDs a) kích thích bước sóng 400nm, b) kích thích bước sóng định; B) Phổ hấp thụ phát quang dung dịch CQDs nước kích thích bước sóng khác [27] Hình 1.2 CNPs chế tạo từ trứng gà [27] Hình 1.3 (a) Giản đồ CNPs phủ màng kim loại (b) cấu hình electron thứ cấp tương ứng Hình 1.4 Giản đồ nhiễu xạ XRD CNPs chế tạo từ trứng gà [27] Hình 1.5 Phổ huỳnh quang CNPs chế tạo từ nút chai rượu vàng Đà Lạt [28] Hình 1.6 Phổ phát quang CNPs chế tạo từ acid nitric ure [9] Hình 1.7 Sự thay đổi cường độ huỳnh quang CDs chế tạo từ trứng gà cho tác dụng với ion kim loại [28] 10 Hình 1.8 Sự thay đổi cường độ huỳnh quang CNPs có mặt ion kim loại khác với nồng độ 100pm [1] 11 Hình 1.9 Sự thay đổi cường độ huỳnh quang CNPs chế tạo từ acid nitric urea tác dụng với ion kim loại [9] 11 Hình 1.10 Cường độ huỳnh của CNPs khơng có mặt ion Mo6+ có mặt ion Mo6+[1] 12 Hình 1.11 Giản đồ phát huỳnh quang CNPs bị dập tắt ion Cu2+[32] 13 Hình 1.12 Lõi Teflon, vỏ thép khơng gỉ 16 Hình 2.1 Quy trình chế tạo dung dịch CNPs từ lốt 19 Hình 2.2 Quy trình đo cường độ phát quang CNPs có mặt ion kim loại 19 Hình 2.3 Quy trình kiểm chứng tác động ion Fe3+ lên dung dịch CNPs muối 20 Hình 2.4 Quy trình kiểm tra phụ thuộc dung dịch CNPs vào nồng độ Fe3+ 20 Hình 2.5 Tủ sấy MEMMERT UNB 500 21 Hình 2.6 Máy li tâm lạnh MIKRO 200R-Hettich-Đức 21 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý làm việc máy đo quang phổ FL3-22 22 Hình 2.8.Máy đo quang phổ FL3-22 23 Hình 2.9 Mơ hình minh họa định luật nhiễu xạ Bragg 23 Hình 2.10 Máy nhiễu xạ tia X cấu hình D8-Advance eco Bruker 24 Hình 3.1 (a) Ảnh TEM dung dịch CNPs với định cỡ 100 nm (b) Giản đồ nhiễu xạ tia X CNPs 25 Hình 3.2 Phổ hấp thụ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) CNPs 26 V Hình 3.3 Phổ phát quang CNPs kích thích bước sóng khác 26 Hình 3.4 Phổ huỳnh quang dung dịch CNPs có khơng có ion kim loại (𝜆𝑒𝑥 = 350 nm) 27 Hình 3.5 (a) Phổ phát quang CNPs (đối chứng); CNPs hỗn hợp ion kim loại trường hợp khơng có ion Fe3+ có ion Fe3+,(b) Biểu đồ cột thể cường độ phát quang CNPs; CNPs hỗn hợp ion kim loại trường hợp khơng có ion Fe3+ có ion Fe3+ 29 Hình 3.6 Phổ phát quang CNPs (ở vị trị 426 nm) cho dung dịch CNPs tác dụng với ion Fe3+ 11 phút 29 Hình 3.7 Phổ huỳnh quang dung dịch CNPs chứa ion Fe3+ ứng với giá trị nồng độ khác (𝜆𝑒𝑥 = 350 nm) 30 Hình 3.8 Các giá trị nồng độ ion Fe3+ khoảng 30 -300 𝜇M biểu diễn theo phương trình Stern-Volmer dựa vào tỷ số F0/F (𝜆𝑒𝑥 = 350 nm) 31 VI MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Trong thời gian gần đây, việc tổng hợp, xác định đưa vật liệu phát quang kích thước nano vào ứng dụng đời sống nhận quan tâm nhà khoa học toàn giới [1] [2] Ở kích thước nano, vật liệu phát quang biểu tính chất quang học khác biệt, số kết nghiên cứu cho thấy tiềm sử dụng vật liệu để chế tạo cảm biến sinh học, thiết bị quang điện tử,… [3] [5] Trong lĩnh vực chụp ảnh 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) [5] Tuy nhiên, tồn số kim loại nặng Cd, Se có thành phần vật liệu nói dẫn đến lo ngại vấn đề an tồn, 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 q trình chế tạo tốn dẫn đến hạn chế định [5] Kể từ lần phát vào năm 2004, hạt Cacbon nano (CNPs) so với chấm lượng tử truyền thống cho thấy nhiều ưu điểm như: độ bền quang cao, phân tán tốt, hiệu suất lượng tử cao, đặc tính sinh học độ độc thấp, [5] [14] Những đặc điểm cho thấy CNPs có tiềm ứng dụng chế tạo pin mặt trời, chụp ảnh sinh học, cảm biến quang phát ion kim loại, chế tạo thiết bị quang điện tử [5] Để chế tạo vật liệu CNPs, có nhiều kỹ thuật/phương pháp như: kỹ thuật siêu âm, kỹ thuật lị vi sóng, phương pháp hóa ướt hay thủy nhiệt [6] Gần đây, số nhóm nghiên cứu áp dụng thành công 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 [4] [11] Dựa đánh giá đó, phương pháp thủy nhiệt lựa chọn sử dụng quy trình thực đơn giản, tốn phù hợp với tiền chất sử dụng [3] Công nghiệp hóa với xuất khơng ngừng nhà máy dẫn đến tác động xấu đến với môi trường tự nhiên sức khỏe người Trong đó, quy định xả nước thải cơng nghiệp chưa nghiêm ngặt tạo điều kiện cho doanh nghiệp xả thải trực tiếp vào hệ thống thoát nước làm cho nguồn nước bị ô nhiễm trầm trọng Sự xuất kim loại nặng với hàm lượng lớn trở thành vấn đề đáng lo ngại báo động tác động mơi trường sức khỏe người [2] Kim loại nặng kim loại có khối lượng riêng từ 5g/cm3, có nguyên tử khối cao thể rõ rêt đặc tính kim loại nhiệt độ phịng [2] Các kim loại nặng biết đến như: thủy ngân, crom, chì, kẽm, sắt, uranium,… Sự có mặt ion kim loại Fe3+ Cu2+ thể người mang đến giá trị định vượt ngưỡng quy định, ion kim loại gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người [9] Cụ thể, nồng độ Cu2+ có mặt mức cho phép thể gây bệnh Alzhimer, Wilson Điều tương tự ion Fe3+, lượng sắt dư thừa tích tụ quan nội tạng, gan chí dẫn đến tử vong Chính vậy, việc phát ion kim loại nặng có mặt nguồn đất, nước quan trọng Ion kim loại phát thơng qua nhiều phương pháp khác phổ hấp thụ nguyên tử (ASS), điện hóa, [10].Tuy nhiên, quy trình chuẩn bị mẫu phức tạp chi phí thiết bị đo đạc cao vấn đề cần cân nhắc sử dụng phương pháp Do đó, việc thiết kế phương pháp nhanh chóng, đơn giản để phát ion kim loại điều tất yếu Sau nhiều thử nghiệm, việc theo dõi thay đổi cường độ huỳnh quang cho thích hợp đơn giản, quy trình xử lý khơng phức tạp Vào năm 2022, TS Ngơ Khoa Quang có báo phân tích phát ion kim loại với vật liệu CNPs chế tạo từ trứng gà Trong nghiên cứu này, phương pháp thủy nhiệt sử dụng nhằm mục đích chế tạo CNPs từ tiền chất tự nhiên với chi phí thấp Vật liệu CNPs phát quang với bước sóng kích thích khác Từ ứng dụng thực tế vật liệu, CNPs nghiên cứu sử dụng đầu dò cảm biển để phát ion Fe3+ nước Các khảo sát nồng độ ion Fe3+ ảnh hưởng đến cường độ phát quang CNPs giới hạn phát vật liệu chế tạo từ trứng gà 19,0 μM [27] Trong nghiên cứu này, lốt tiền chất sử dụng để chế tạo vật liệu CNPs tính thân thiện với mơi trường nguồn tiền chất dồi Vật liệu CNPs chế tạo ứng dụng để phát có mặt ion Fe3+ nước Mục tiêu nghiên cứu - Ứng dụng thành công vật liệu CNPs chế tạo từ lốt để phát ion kim loại Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu tính chất đặc trưng quang học vật liệu CNPs - Ứng dụng vật liệu CNPs để phát ion kim loại Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Hạt Cacbon nano, ion kim loại nặng - Phạm vi: Trong phịng thí nghiệm, khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu, phân tích tổng hợp tài liệu liên quan đến vật liệu CNPs, phát ion kim loại - Phương pháp thực nghiệm: thực phịng thí nghiệm để tạo vật liệu CNPs phát ion kim loại sắt [32] S Liu, J T (2012), Hydrothermal treatment of grass: a low-cost, green route to nitrogen-doped, carbon-rich, photoluminescent polymer nanodots as an effective fluorescent sensing platform for label-free detection of Cu (II) ions, 2037-2041 [33] S.N Baker, G B (2010), Luminescent carbon nanodots: Emergent nanolights, 49(38), 6726–6744 [34] Shi Ying Lim, W S (2014, Carbon quantum dots and their applications, 362-381 [35] Sun C, Z Y (2016), Synthesis of nitrogen and sulfur Co-doped carbon dots from garlic for selective detection of Fe3+, pp 110 [36] Sun D, B E (2013), Hair fiber as a precursor for synthesizing of sulfur-and nitrogen-co-doped carbon dots with tunable luminescence propertie, pp 424434 [37] T Boobalan, M S (2022), Mushroom-Derived Carbon Dots for Toxic Metal Ion Detection and as Antibacterial and Anticancer Agents, 5910-5919 [38] Venkateswarlu Sada, V B (2018), Fungus-derived photoluminescent carbon nanodots for ultrasensitive detection of Hg2+ ions and photoinduced bactericidal activity, 172–183 [39] Xiaoming Yang, Y S (2017), Novel and green synthesis of high-fluorescent carbon dots originated from honey for sensing and imaging, 2810-2816 [40] Y Liu, Y Z (2014), One-Step Green Synthesized Fluorescent Carbon Nanodots from Bamboo Leaves for Copper (II) Ion Detection, pp 647–652 [41] Y Sha, J L (2013), Hydrothermal Synthesis of Nitrogen-Containing Carbon Nanodots as the High-Efficient Sensor for Copper (II) Ions, pp 1728–1731 [42] Y Xu, C J (2014), Green Synthesis of Fluorescent Carbon Quantum Dots for Detection of Hg 2+, pp 1252-1258 [43] Y.J Feng, D Z (2015), Carbon dots derived from rose flowers for tetracycline sensing, 128-133 [44] Z Zhang, H L (2018), Ultratrace and Robust Visual Sensor of Cd(2+) Ions Based on the Size-Dependent Optical Properties of Au@g-CNQDs Nanoparticles in Mice Model, 87-93 [45] Zhu, C Z (2012), Bifunctional fluorescent carbon nanodots: green synthesis via soy milk and application as metal-free electrocatalysts for oxygen reduction, pp 9367-9369 36 SẢN PHẨM KHOA HỌC Một cơng trình khoa học cơng bố Tạp chí Đại học Khoa học Huế Đại học Huế Tên báo: “Ảnh hưởng nhiệt độ thủy nhiệt đến hiệu suất lượng tử dung dịch cacbon nano chế tạo từ lốt” 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 TÓM TẮT Trong báo này, 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 thơng 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 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 37 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 công 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 mơi 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 công 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 38 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, chúng tơi nhận thấy có gia tăng đáng kể hiệu suất 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 rửa trước cho vào bình thủy nhiệt Nước cất hai lần sử dụng làm dung môi nghiên cứu Các hóa chất H2SO4 (SigmaAldrich), 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 39 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 phòng 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 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 cơng 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 hoàn toàn 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 40 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 cơng thức [26]: Φy = Φx( my η2y )( ) mx η2x 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 η x chiết suất dung dịch H2SO4 (ηy = ηx = 1,33) Bảng Số liệu độ hấp thụ diện tích đường cong phổ phát quang dung dịch CNPs Quinine sulfate Dung dịch Quinine sulfate Kí hiệu Độ hấp thụ Dung dịch cacbon nano Diện tích Nhiệt độ đường cong phổ phát thủy nhiệt Kí hiệu Độ hấp thụ đường cong phổ phát quang Q1 Q2 Q3 quang 0.01562 13408500 180°C 0.02508 26437600 200°C 0.0394 Diện tích 42616000 220°C 41 A1 0.00789 2059340 A2 0.0114 2353900 A3 0.01662 2660820 B1 0.04934 5313480 B2 B3 0.05597 0.06752 6159000 7406250 C1 C2 0.05557 8419340 0.06774 10024900 C3 0.07368 11224600 a) ) 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 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 42 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: Φy = 54%( 68128300 )( 1,332 1220180000 1,332 ) = 3,02% Nhiệt độ 200°C: Φy = 54%( 114000000 )( 1,332 1220180000 1,332 ) = 5,06% Nhiệt độ 220°C: Φy = 54%( 152000000 )( 1,332 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 43 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 không qua q trình thụ động hóa bề mặt Bên cạnh đó, kết nghiên cứu cho thấy rằng, CNPs tổng hợp cách cacbon hoá nguồn nguyên liệu tự nhiên sử dụng phương pháp thủy nhiệt, xem giải pháp tiếp cận thân 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 44 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 cadmium-tellurium 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 45 [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 [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 moietyincorporated carbon dots for ultrasensitive and highly selective fluorescence detection and removal of Pb2+ 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 46 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 47 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 48 Giấy xác nhận: 49 50