đồ án nhập môn hóa học tìm hiểu về vật liệu nano các phương pháp điều chế và ứng dụng

➔ Phương pháp cơ khí nano thường được dùng để chế tạo vật liệu không phải hữu cơ như là kim loại... Chế tạ vật liệu nano bằng phương pháp cơ khí nanoo 3.3.3.PPPPPhhhhhưưưưươơơơơnnnnngg

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trường Hóa và Khoa Học Sự Sống -

ĐỒ ÁN NHẬP MÔN HÓA HỌC

Tìm hiể u v ề vật liệu nano:

Các phương pháp điều chế và ứng dụng

Họ và tên:Phạm Phương Liên

MSSV:20231328

Lớp :CH2-01-K68

ảng viên hướng dẫn:TS.Nguyễn Ngọc ThịGi nh

Hà Nội-2024

MỤC L C Ụ

A MỞ ĐẦU 2

B NỘI DUNG 2

I.Khái niệm 2

II.Các phương pháp chế tạo vật liệu nano 4

1.Phương pháp hóa ướt (Wet chemical methods): 4

2.Phương pháp cơ khí nano (Nano-Mechanical Method): 5

3.Phương pháp bay hơi nhiệt (Thermal evaporation method): 6

4.Phương pháp bay khí (Gas-phased method): 6

5.Phương pháp hóa học: 7

III.Ứng dụng của vật liệu nano 7

1 Ứng dụng trong y sinh 8

2 Ứng dụng trong năng lượng 9

3 Ứng dụng trong điện tử-cơ khí 9

4 Ứng dụng trong may mặc và thực phẩm 10

5 Ứng dụng trong môi trường 10

IV Vật liệu nano TiO2 11

1 Vật liệu TiO2 11

2 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO2 11

3 Ứng dụng của vật liệu nano TiO2 12

C KẾT THÚC 12

Tài liệu tham khảo 12

A M M MỞ Ở Ở Đ ĐẦẦ Đ Ầ ẦẦU U U

Đời sống con người càng được cải thiện một phần là do khoa học kĩ thuật ngày càng tiến bộ Trong những năm trở lại đây khoa học đã cho ra đời rất nhiều công nghệ có ích cho xã hội, trong đó phải kể đến công nghệ Nano Vật liệu Nano cũng đã được sử dụng trong rất nhiều các lĩnh vực

Công nghệ Nano chỉ mới thực sự phát triển và phổ biến rộng rãi từ khi cuộc cách mạng 4.0 bắt đầu Tính đến hiện tại, nó đã góp một phần không nhỏ đến việc phục vụ con người Điển hình là khâu sản xuất các mặt hàng thủy tinh, gốm, sứ,… đều có sự góp mặt của công nghệ này Công nghệ Nano hiện được coi là ngành công nghệ hàng đầu về khoa học – kĩ thuật trên thế giới và hứa hẹn sẽ ngày một phát triển trong tương lai

Trong đó, nano TiO2 là loại vật liệu có nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng Sự quan tâm thích đáng đến việc phát triển loại vật liệu này để cho ra những sản phẩm ứng dụng có giá trị kinh tế – xã hội cao đang là vấn đề cần thiết đặt ra cho các nhà quản lý, các nhà khoa họ ở c nước ta

BBBBB N N NỘ Ộ ỘIIIII D D DU U UN N NG G G

I.I.I.I.I.KKKKKhhhhháááááiiiii nnnnniiiiiệệệệệm m m

Công nghệ nano (Nanotechnology) là khoa học liên quan đến thiết

kế, tổng hợp và ứng dụng vật liệu nano, là một trong những công nghệ được ứng dụng rỗng rãi nhất trong nghiên cứu phát triển Vật liệu nano (Nanomaterial) là loại vật liệu có cấu trúc các hạt, các sợi , các ống, các tấm mỏng Kích thước của vật liệu nano từ vài nanomet đến vài trăm nanomet (1nanomet =10-9 met) phụ thuộc vào bản chất vật liệu và tính chất cần nghiên cứu

Các dạng tồn tại của vật liệu nano:

• Rắn

• Lỏng

• Khí

Có 3 ại hình dáng vật liệu chính: lo

• Vật liệu nano không chiều: đám nano, hạt nano

• Vật liệu nano một chiều: dây nano, ống nano

• Vật liệu nano hai chiều: màng mỏng

• Ngoài ra còn có vật liệu mang cấu trúc nano hay nanocomposite

Các loại vật liệu nano

IIIIIIIIII CCCCCáááááccccc ppppphhhhhưư ư ưươơơơơnnnnnggggg ppppphhhhháááááppppp ccccchhhhhếếếếế tttttạạạạạooooo vvvvvậậậậậttttt llllliiiiiệệệệệuuuuu nnnnnaaaaannnnnooooo

Có 5 phương pháp phổ biến nhất:

1.1.1.PPPPPhhhhhưưưưươơơơơnnnnnggggg ppppphhhhháááááppppp hhhhhóóóóóaaaaa ưưưưướớớớớttttt (((((WWWetetet ccccchhhhheeeeemmmiiiiicccccaaaaalllll mmeeeeettttthhhhhooooodddddsssss))))): m

hiện phương pháp này, sử dụng các dung dịch chứa ion khác nhau trộn theo tỉ lệ dưới tác động của nhiệt độ, áp suất, nồng độ pH, thu được vật liệu nano dưới dạng kết tủa Qua quá trình lọc kết tủa, sấy khô thu được vật liệu kích thước nano

Ưu điể Các vật liệu có thể m: được chế tạo rất đa dạng từ vô cơ đến hữu cơ, rẻ tiền và có thể chế tạo được khối lượng lớn vật liệu

Nhược điểm: Hợp chất có liên kết với phân tử nước là một khó khăn Phương pháp sol-gel: Dựa trên phản ứng đa trùng ngưng từ các chất

vô cơ Bao gồm 4 giai đoạn: thủy phân, đa trùng ngưng, sấy và phân hủy nhiệt ền chất kim loại hoặc alcoxide được thủy phân bởi nước hoặTi c cồn Tiếp theo là phản ứng đa trùng ngưng đồng thời giải phóng bởi nước và cồn Polyme vô cơ đượ tạo ra và lắng xuống dưới dạng kết tủc a với độ phân tán trong dung dịch kiểm soát được bởi độ pH và nhiệt độ Sản phẩm được đem sấy khô và loại bỏ các tiền chất hữu cơ Nhược điểm của phương pháp sol-gel là không có hiệu suất cao, sản phẩm không đồng nhất.Phương pháp này chủ yếu dùng để điều chế các nano oxit kim loại

Kĩ thuật sol-gel để sản xuất các loại vật liệu nano

2.2.2.PPPPPhhhhhưưưưươơơơơnnnnnggggg ppppphhhhháááááppppp cccccơơơơơ kkkkkhhhhhííííí nnnnnaaaaannnnnooooo (((((NNNaaaaannnnnooooo -MMMeeeeeccccchhhhhaaaaannnnniiiiicccccaaaaalllll MMMeeeeettttthhhhhoooooddddd))))):::::

Bao gồm các phương pháp tán, nghiền,hợp kim cơ họ Ở phương pháp c

nay, các máy nghiền thường dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay

lượng lớn vật liệu

Nhược điểm: Các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt không

kích thước nhỏ

➔ Phương pháp cơ khí nano thường được dùng để chế tạo vật liệu không phải hữu cơ như là kim loại

Chế tạ vật liệu nano bằng phương pháp cơ khí nano o

3.3.3.PPPPPhhhhhưưưưươơơơơnnnnnggggg ppppphhhhháááááppppp bbbbbaaaaayyyyy hhhhhơơơơơiiiii nhinhinhiệệệệệt t (((((TTTTThhhhheeeeerrrrrmmmaaaaalllll eeeeevvvvvaaaaapppppooooorrrrraaaaatititititiooooonnnnn mmeeeeettttthhhhhoooooddddd))))): : m : :

Bao gồm các phương pháp quang khắc (lithography), lắng đọng trong

chân không (vacuum deposition) ật lí, hóa họ Các phương pháp này , v c hiệu quả trong việc chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt, cũng

có thể dùng để chế tạ hạt nano bằng cách cạo vật liệu nano từ tấo m chắn Tuy nhiên, phương pháp này không phù hợp để chế tạo vật liệu nano với quy mô thương mại

4.4.4.PPPPPhhhhhưưưưươơơơơnnnnnggggg ppppphhhhháááááppppp bbbbbaaaaayyyyy kkkkkhhhhhííííí (((((GGG -ppppphhhhhaaaaassssseeeeeddddd mas mmeeeeettttthhhhhoooooddddd))))):::::

Gồm các phương pháp nhiệt phân (flame pyrolysis), nổ điện

(electro-explosion), đốt laser (laser ablation method), bố hơi c nhiệt độ cao, plasma Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu nano

từ pha khí Phương pháp nhiệt phân có từ rất lâu, được sử dụng để chế tạo một số vật liệu đơn giản như cacbon hay silicon Phương pháp đốt laser được sử dụng để chế tạo đa dạng vật liệu hơn nhưng chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất thấp

5.5.5.PPPPPhhhhhưưưưươơơơơnnnnnggggg ppppphhhhháááááppppp hhhhhóóóóóaaaaa hhhhhọọọọọc:c:c:

Dung dịch muối kim loại thông qua quá trình phản ứng oxi hóa khử

chuyển ion -> kim loại ở kích thước nano Do các hạt nano có năng lượng lớn nên có khuynh hướng liên kết lại với nhau để quay về kích thước bền hơn (micro), do đó sau khi phản ứng hạt nano kim loại được bọc bằng chất bảo vệ Phương pháp này dùng để điều chế nano bạc

(Colloidal Silver)

Điếu chế nano bạc bằ kỹ thuật khử hóa học với bức xạ UV kích thích ng III.

III.Ứ Ứ Ứnnnnnggggg dddddụụụụụnnnnnggggg cccccủủủủủaaaaa vvvvvậậậậậttttt llllliiiiiệệệệệuuuuu nnnnnaaaaannnnnooooo

Công nghệ nano cho phép thao tác và sử dụng vật liệu ở tầm phân tử, làm tăng và tạo ra tính chất đặc biệt của vật liệu, giảm kích thước của các thiết bị ệ ống đến kích thước cự, h th c nhỏ, giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động đến môi trường Công nghệ nano được xem là cuộc cách mạng công nghiệp, thúc

đẩy sự phát triển trong mọi lĩnh vực đặc biệt là y sinh học, năng lượng, môi trường, công nghệ thông tin, quân sự… và tác động đến toàn xã hội

1 Ứng dụng trong y sinh

Nano trong y sinh được ứng dụng khá rộng rãi với các chức năng cụ thể

Ứng dụng nano trong đưa thuốc: Công nghệ nano cung cấp khả năng phân phối thuốc đến các tế bào Lượng thuốc tiêu thụ

và các tác dụng phụ có thể được giảm xuống đáng kể do thuốc được đưa trực tiếp đến vùng bệnh Điều này cũng sẽ giúp giảm chi phí điều trị Hệ mang thuốc nano tập trung vào việc tối đa hóa sinh khả dụng tại vị trí tác dụng và thời gian tác dụng Rất nhiều hệ mang thuốc nano đã được FDA cấp phép như:

Abraxane, Doxil, Onivyde, Rapamune, Cabenuva

Ứng dụng nano trong chuẩn đoán hình ảnh: Chẩn đoán hình ảnh sử dụng chất tương phản dạng hạt nano giúp các hình ảnh như siêu âm và MRI có sự phân bố thuận lợi và độ tương phản được cải thiện

Ứng dụng nano trong kĩ thuật mô: Công nghệ nano có thể được sử dụng như một phần của kỹ thuật mô để giúp tái tạo hoặc sửa chữa hoặc định hình lại mô bị hư hỏng bằng cách sử dụng các giá đỡ và yếu tố tăng trưởng tải nạp lên vật liệu nano phù hợp Các hạt nano như graphene, ống nano carbon,

molypden disulfide và vonfram disulfide đang được sử dụng làm chất gia cố để ế tạo các hợp chất nano polyme phân hủch y sinh học mạnh về mặt cơ học cho các ứng dụng kỹ thuật mô xương. Những vật liệu nano này có thể được sử dụng như một vật liệu tổng hợp mới, mạnh về mặt cơ học, nhẹ về trọng lượng trong cấy ghép xương

Ứng dụng của nano trong kĩ thuật mô

2 Ứng dụng trong năng lượng

Trong lĩnh vực năng lượng, đặc biệt là năng lượng tái tạo, ứng dụng của các vật liệu cấu trúc nano ngày càng trở nên quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất của các thiết bị chuyển đổi năng lượng đó

Vật liệu nano giúp nâng cao chất lượng của pin mặt trời, tăng thêm tính hiệu quả và tính dự trữ của pin mặt trời và siêu tụ điện Từ đấy, tạo nên chất siêu dẫn thành dây dẫn điện để vận chuyển điện đường dài tốt hơn

3 Ứng dụng trong điện tử-cơ khí

Công nghệ nano giúp chế tạo các linh kiện điện tử nano với tốc độ xử lý cực nhanh Chế tạo các thế hệ máy tính nano Sử dụng vật liệu nano để làm các thiết bị ghi thông tin cực nhỏ Chế tạo màn hình máy tính, điện thoại Tạo ra các vật liệu nano siêu nhẹ, siêu bền Sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ…

Màn hình ứng dụng các lớp polyme siêu mỏng không cần đèn nền và kính lọc như màn hình LCD truyền thống, cho hình ảnh tươi sáng và rõ nét hơn Công nghệ này đượ ứng dụng để ế c ch tạo loại màn hình chất dẻo có thể uốn cong hoàn toàn Khả năng dẫn điện của vật liệu nano được sử dụng trong rất nhiều sản phẩm cần lớp phủ bề mặt dẫn điện như các loại màn hình cảm ứng và pin mặt trời Trên thị trường hiện nay đã có loại màng phủ và vật liệu phủ trong suốt được chế tạo từ dây nano có khả năng dẫn điện tốt hơn các vật liệu truyền thống Các loại màng phủ này có thể thay thế ôxít thiếc indi để ế tạo điện cực trong ch suốt của màn hình tinh thể lỏng

4 Ứng dụng trong may mặc và thực phẩm

Trong may mặc, nano bạc có khả năng thu hút và tiêu diệt vi khuẩn gây mùi hôi khó chịu trong quần áo Ứng dụng hữu ích này đã được áp dụng trên một số mẫu quần áo thể thao Và đặc biệt, còn được sử dụng trong một số ại quần lót khử mùi.lo Trong thực phẩm, công nghệ nano giúp thực phẩm thay đổi hương vị đồng thời giàu dinh dưỡng hơn Ngoài ra, một số vật liệu nano có thể dùng để bảo quản thực phẩm với khả năng diệt khu n.ẩ

5 Ứng dụng trong môi trường

Vật liệu nano có khả năng làm sạch môi trường với diện tích

bề mặt thể tích cao với đặc tính hóa lý, khả năng xử lý linh hoạt

và tính chọn lọc cao Điều này giúp tiết kiệm nguyên liệu thô, năng lượng, nước, giảm khí nhà kính, chất thải nguy hiểm trong nhiều quá trình khác nhau

Xử lý nước thải: Vật liệu nano đóng vai trò như chất hấp thụ tốt loại bỏ ion phóng xạ ra khỏi nước Các giải pháp xử lý nước bao gồm phân hủy quang xúc quang, hấp phụ ọc qua hạt nano , l

xử lý thành phần ô nhiễm khác nhau

Làm sạch không khí: hạt nano được dùng làm chất xúc tác để phân hủy và loại bỏ các hợp chất ô nhiễm Vật liệu nano loại bỏ

SO2 ải ra môi trường bằng cách khử lưu huỳnh trong nhiên th

liệu hóa thạch ặc bằng cách loại bỏ ho trực tiếp ra khỏi nguồn phát thải bằng nhiều công nghệ khác như hấp phụ, oxi hóa

IIIIIVVV VV Vậ Vậttttt llllliiiiiệệệệệu Vậ u u nnnnnaaaaannnnnooooo TTTTTiiiiiO O22222

dụng, đặc biệt là trong môi trườ và đảm bảo an ninh năng lượng ng

TiO là một vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng, trong suốt, chiết suấ2 t cao Những ứng dụng quan trọng nhất của TiO ở kích thước nano là khả 2

năng làm sạch môi trường thông qua phản ứng quang xúc tác và khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng ở quy mô dân dụng

Có rất nhiều phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO ục vụ cho 2ph các mục đích sử dụng khác nhau

- Phương pháp vật lý: Thường dựa trên nguyên tắc giảm kích thước

- Phương pháp sol-gel: Là phương pháp chế tạo vật liệu TiO khá 2

phổ biến trong các công trình nghiên cứu Tuy nhiên, đối với việc chế tạo các màng dày sử dụng cho các ứng dụng như điện cực quang cho pin mặt trời thì phương pháp này không thuận lợi

- Phương pháp điện hóa: Là phương pháp dựa trên phản ứng oxi-hóa khử ở các điện cực để tạo màng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

3 Ứng dụng của vật liệu nano TiO 2

- Làm sạch và khử độc môi trường

- Trong lĩnh vự quang xúc tác, chế tạo pin nhiên liệu và pin mặc t trời quang điện hóa, giải quyết vấ đề an ninh năng lượng cho loài người trong tương lai gần

- Trong lĩnh vực linh kiện điện tử để lưu trữ và truyền dẫn thông tin với dung lượng lớn và thể tích nhỏ

CCCCC KKKKKẾẾẾẾẾTTTTT TTTTTH H HÚ Ú ÚCCCCC

Công nghệ Nano là một lĩnh vực khoa học kỹ thuật tiên tiến nhất hiện nay, mang theo cả ững kỳ ệu và nguy hiểm Với khả năng nh di tạo ra vật liệu và sản phẩm có tính năng đặc biệt, công nghệ Nano

đã đem lại nhiều tiện ích và tiềm năng trong các lĩnh vực như y tế, môi trường, năng lượng và điện tử

Tuy nhiên, sự ến bộ này cũng đi kèm với những rủi ro và thách ti thức Vật liệu Nano có thể có tác động đến sức khỏe con người và môi trường nếu không được sử dụng và xử lý đúng cách Việc quản lý an toàn và đánh giá rủi ro của công nghệ Nano là điều cần thiết để đảm bảo sự phát triển bền vững và an toàn

Đặc biệt, vật liệu nano TiO2 đang cần có một sự quan tâm thích đáng.Nhờ đó sẽ giúp nhanh chóng có được các sản phẩm cao cấp phục vụ cho nhu cầu cấp bách trong nước và xuất khẩu Đồng thời, thông qua các sản phẩm cụ thể này, đặt nền móng cho sự phát triển một cách thiết thực công nghệ nano tại Việt Nam và hội nhập với quốc tế trong lĩnh vực công nghệ mũi nhọn này

TTTTTàààààiiiii l l l l liiiiiệệệệệuuuuu ttttthhhhhaaaaam m m kkkkkhhhhhảảảảảooooo

1 NANO NA VIỆT NAM

https://nanonna.com/nano-la-gi-vat-lieu-nano-la-gi- ung dung-cua-vat-lieu- -va-cong-nghe-nano/

2 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano