đồ án tốt nghiệp tổng hợp xanh vật liệu sắt nano từ dịch chiết lá bàng ứng dụng trong xử lí chất màu hữu cơ rhodamine b

ệCông ngh nano Nanotechnology là mệ ột lĩnh vực nghiên cứu và đổi mới sáng tạo liên quan đến phát triển vật liệu , thiết bị dựa trên nguyên tử và phân tử... Bao gồm các h t nano, các bó

TRƯỜNG ĐẠ I H C BÁCH KHOA HÀ N Ọ ỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHI P Ệ

Tổng hợp xanh v t li u s t nano t d ch ậ ệ ắ ừ ị

chiết lá bàng ng d ng trong x lí ch t màu ứ ụ ử ấ

hữu cơ Rhodamine B

VŨ THỊ NGA

nga.vt174971@sis.hust.edu.vn

Ngành thu t hóa h c kĩ ậ ọ

Chuyên ngành Công ngh ệ điệ n hóa và b o v kim lo i ả ệ ạ

Giảng viên hướng d n: ẫ PGS TS Đặng Trung Dũng

Bộ môn: Công nghệ điện hóa và b o v kim lo i ả ệ ạ

HÀ N I, 8/2022 Ộ

Ch ký c a GVHD ữ ủ

ii

LỜI CẢM ƠN

Đồ án này được thực hiện tại phòng thí nghiệm C4-303, Bộ môn Công ngh ệĐiện hóa và Bảo v Kim lo i, vi n Kỹ thu t Hóa hệ ạ ệ ậ ọc, trường Đạ ọi h c Bách khoa Hà Nội Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS Đặng Trung Dũng đã tận tình ch bỉ ảo, hướng dẫn, góp ý và động viên em trong su t th i gian h c t p và ố ờ ọ ậthực hi n ệ đồ án Đồng th i, em ờ cũng xin cảm ơn đến các th y cô và các b n sinh viên ầ ạchuyên ngành Công nghệ Điện hóa và B o v kim loả ệ ại đã giúp đỡ và tạo điều ki n ệtốt nhất để hoàn thi n án t t nghi p M t l n n a em xin chân thành cệ đồ ố ệ ộ ầ ữ ảm ơn!

iii

MỤC L C Ụ

LỜI CẢM ƠN ii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Công nghệ nano là gì ? 2

1.2 Vật liệu nano là gì? 2

1.3 Phân loại 3

1.4 Tính chất 3

1.5 Các phương pháp chế tạo 5

1.5.1 Phương pháp từ trên xuống 5

1.5.2 Phương pháp từ dưới lên 5

1.6 Ứng dụng c a công ngh v t liủ ệ ậ ệu nano 7

1.6.1 Ứng dụng năng lượng 7

1.6.2 Điện tử – cơ khí 8

1.6.3 May m c và thặ ực phẩm 8

1.6.4 Ứng dụng công ngh nano trong xây dệ ựng 9

1.6.5 Y tế và chăm sóc sức khỏe 10

1.6.6 Năng lượng xanh, môi trường sạch 11

1.7 Vật li u sệ ắt nano 12

1.7.1 Cấu trúc 12

1.7.2 Ứng dụng c a v t li u s t nano hóa trủ ậ ệ ắ ị không 14

1.8 Phương pháp “xanh” tổng hợp các hạt nano kim loại 15

1.8.1 Các thành ph n sinh hầ ọc để ổ t ng hợp "xanh" 16

1.8.2 Cơ chế dựa tổng hợp vật liệu trên chiết xuất lá cây 17

1.8.3 Sử d ng dụ ịch chi t lá bàng trong t ng h p v t li u s t nano hóa tr ế ổ ợ ậ ệ ắ ị không 19 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Hóa ch t và dấ ụng cụ 21

2.1.1 Thiết bị, d ng c thí nghiụ ụ ệm 22

2.1.2 Pha ch hóa chế ất 22

2.2 Quy trình t ng h p s t nano hóa trổ ợ ắ ị không 22

2.3 Phương pháp phân tích và đánh giá kết quả 24

iv

2.3.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét ( Scanning Electron

Microscope, SEM) 24

2.3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) 24

2.3.3 Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 25

2.3.4 Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến 25

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ TH O LUẢ ẬN 27

3.1 Quá trình t ng h p xanh v t li u s t nano b ng d ch chi t t lá bàngổ ợ ậ ệ ắ ằ ị ế ừ 27 3.1.1 Khảo sát tỉ l ph n ệ ả ứng giữa FeCl / dung d ch bàng loãng 273 ị 3.1.2 Kết qu hình thái, c u trúc c a s t nano t ng h p xanh 30ả ấ ủ ắ ổ ợ 3.2 Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như thời gian xử lý, pH, nồng độ dung dịch đến quá tr nh x lý ch t màu Rhodamine B 34i ử ấ 3.2.1 Đánh giá ảnh hưởng của th i gian xờ ử lý đến quá trinh xử lý rhodamineB 36 3.2.2 Đánh giá ảnh hưởng của pH đến quá tr nh x lý Rhodamine B 38i ử 3.2.3 Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ chất màu RhB đến quá trinh x ử lý Rhodamine B 41

3.2.4 Đánh giá ảnh hưởng của lượng sắt nano đến quá trinh x lý ch t ử ấ màu Rhodamine B 43

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 47

TAI LIỆU THAM KHẢO 48

v

DANH M C HÌNH V Ụ Ẽ

Hình 1-1: Các d ng c a v t liạ ủ ậ ệu nano 2Hình 1-2: Hai phương pháp chính chế ạ t o hạt nano 5Hình 1-3: Công nghệ nano được áp d ng khụ ở ắp các lĩnh vực 7Hình 1-4: T ng h p ch t li u v i không thổ ợ ấ ệ ả ấm nước nh công ngh nano 9ờ ệHình 1-5: ng d ng công nghỨ ụ ệ nano được xây d ng t i thành ph Sydney ự ạ ố(Australia) 10Hình 1-6: Công ngh nano ng d ng trong y hệ ứ ụ ọc 11Hình 1-7:Công ngh nano trong xệ ử lý nước th i và s n xu t máy lả ả ấ ọc nước 12Hình 1-8: Mô hình lõi -v c a s t nano hóa trỏ ủ ắ ị không[12] 13Hình 1-9: Hình ảnh TEM c a các h t nano s t hóa tr không t ng h p b ng cách ủ ạ ắ ị ổ ợ ằkhử FeCl3 b ng NaBHằ 4[12] 13Hình 1-10: Phân bố kích thước c a các h t s t nano hóa tr không[12] 14ủ ạ ắ ịHình 1-11: Công ngh nano xanh b n vệ ề ững 16Hình 1-12 : Lá bàng trong tự nhiên 20Hình 2-1: Quy trình t ng h p xanh dung d ch s t nano t d ch chi t lá bàng 23ổ ợ ị ắ ừ ị ếHình 2-2: Sơ đồ kính hiển vi điệ ử quét 24n tHình 3-1:K t qu sau khi x lý RhB theo các t l ph n ế ả ử ỷ ệ ả ứng 27Hình 3-2: K t quế ả đo UV-Vis c a chủ ất màu RhB được x lý b ng s t nano v i ử ằ ắ ớcác t lỉ ệ khác nhau 28Hình 3-3: Biểu đồ ảnh hưởng c a t l s t: dung d ch bàng tủ ỷ ệ ắ ị ới lượng ch t màu ấ

đã bị xử lý 30Hình 3-4: Dung dịch trước và sau t ng hổ ợp 30Hình 3-5:Dung d ch sau t ng hị ổ ợp đã để ắ l ng 1 ti ng và s y chân không 15 ti ngế ấ ế 31Hình 3-6 : nh ch p SEM m u s t nano t o ra tẢ ụ ẫ ắ ạ ừ phương pháp tổng h p xanhợ 32Hình 3-7: Ph FTIR c a d ch chi t lá bàng và s t nano t ng h p xanh 33ổ ủ ị ế ắ ổ ợHình 3-8:Giản đồ XRD c a nZVI t o ra tủ ạ ừ phương pháp tổng hợp xanh 34Hình 3-9 : Bô t Rhodamine B (RhB) và công th c hóa hứ ọc 35Hình 3-10: Đồ ị đườ th ng chu n c a dung dẩ ủ ịch RhB 35Hình 3-11: K t qu sau khi x lý 10ml RhB10 ppm theo các th i gian khác nhauế ả ử ờ 36Hình 3-12: K t quế ả đo UV-Vis của RhB 10ppm sau khi x lý trong các th i ử ờgian 36Hình 3-13: Đồ ị ảnh hưở th ng c a th i gian t i s mg chủ ờ ớ ố ất màu được x lý/1mg ửsắt nano tạo thành đố ới Rhodamine B 38i v

vi

Hình 3-14: K t qu ch t màu RhB 10 mg/L v i các pH dung d ch khác nhau.ế ả ấ ớ ị 39Hình 3-15: K t quế ả đo UV-Vis c a dung d ch RhB 10 mg/L sau khi x lý b ng ủ ị ử ằsắt nano v i các pH dung dớ ịch khác nhau 39Hình 3-16: Ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu quả xử lý RhB 10 mg/L 41Hình 3-17: Dung d ch RhB v i các nị ớ ồng độ khác nhau 42Hình 3-18: Đồ ị ảnh hưởng c a n th ủ ồng đô  RhB t i s mg ch t màu b x lý/1mg ớ ố ấ ị ửsắt nano tạo thành 43Hình 3-19: Dung d ch ch t màu RhB 1 mg/L sau khi x lý b i s t nano khác ị ấ ử ở ắnhau 44Hình 3-20:K t quế ả đo UV-Vis của dung d ch RhB 1mg/L sau khi x lý b ng ị ử ằcác lượng sắt nano khác nhau 45Hình 3-21: Ảnh hưởng của lượng sắt nano đến hi u qu x lý RhB 1 mg/L và ệ ả ửkhối lượng RhB được xử lý bởi 1 mg sắt nano 46

DANH M C B NG BI U Ụ Ả Ể

Bảng 3-1:Lượng chất màu RhB đã được x lý ng v i các t l s t: dung dử ứ ớ ỷ ệ ắ ịch bàng loãng 29Bảng 3-2:: K t quế ả tính toán quá trinh kh o sát th i gian ph n ng v i ch t màu ả ờ ả ứ ớ ấRhb 37Bảng 3-3: : K t qu tính toán quá tr nh kh o sát pH v i ch t màu RhB 41ế ả i ả ớ ấBảng 3-4: K t qu tính toán quá trế ả inh kh o sát ả ảnh hưởng c a nủ ồng đô  ch t màuấ 43Bảng 3-5: K t qu tính toán quá tr nh kh o sát ế ả i ả ảnh hưởng của lượng s t nano ắkhác nhau đến hiệu quả xử lí chất màu 45

1

LỜI M Ở ĐẦ U

Cuô c cách m ng công nghi p l n thạ ệ ầ ứ tư đang di n ra m nh mễ ạ ẽ trên toàn th ếgiới Sự phát tri n ể như vũ bão c a khoa hủ ọc và công ngh trong 2 th p kệ ậ ỷ đầu tiên của th k 21 chính là nh ng n n t ng then ch t t o nên nh ng cú huých c a sế ỷ ữ ề ả ố ạ ữ ủ ự tăngtrưởng và phát tri n ể Năng su t lao ấ đô ng và c a c i v t ch t c a toàn xã hủ ả ậ ấ ủ ô i đã được tăng lên theo cấp số nhân Nh ng biữ ến đổi mang tính đột phá của cách m ng công ạnghiệp 4.0 đã và sẽ có tác động l n ớ đến sự phát tri n kinh t , xã hể ế ội , nông nghi p, ệcông nghi p, giao thông v n t i, xây d ng, ệ ậ ả ự năng lượng, môi trường và môi trường lên các qu c gia trên th gi i trong có Vi t Nam ố ế ớ đó ệ

Từ khi ti n hành s nghi p i m i, m c a n nay, hàng v n nhà máy, xí ế ự ệ đổ ớ ở ử đế ạnghiệp đã ra đời thúc đẩy phát tri n kinh t - xã h i Vi t Nam Tuy nhiên, s phát ể ế ộ ệ ựtriển công nghi p vệ ẫn chưa thự ự ối ưu khi c s t công ngh l c h u, thi u quy ho ch ệ ạ ậ ế ạ đãlàm cho môi trường Vi t Nam nh ng ệ ữ năm qua b ô nhi m tr m tr ng, làm nh ị ễ ầ ọ ả hưởng

đến s c khỏe và i sống của con ứ đờ người cũng như sinh vật X lý môi tr ng hiện ử ườnay đang là m t v n vô cùng c p bách và c n thi t ộ ấ đề ấ ầ ế

Người ta nghiên c u và ng dđã ứ ứ ụng nhi u ề phương pháp khác nhau trong x lý ửmôi trường Trong ó x lý môi đ ử trường b ng v t li u nano nằ ậ ệ oi chung, v t li u s t ậ ệ ắnano noi riêng đang là mô t điểm sáng m i trong lớ inh vực này Vật liệu sắt nano h a otrị không co nhi u tính ch t ề ấ đô c đáo, khi n cho nế o tr thành ở lĩnh ự đượ ấ v c c r t nhi u ềnhà khoa h c vô cùng quan tâm hi n nay ọ ệ

2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Công ngh nano là gì ? ệ

Công ngh nano (Nanotechnology) là mệ ột lĩnh vực nghiên cứu và đổi mới sáng tạo liên quan đến phát triển vật liệu , thiết bị dựa trên nguyên tử và phân tử Hay có thể hi u ể đơn gi n là sả ự phân tích và ch t o các v t ch t b ng cách ế ạ ậ ấ ằ đưa nó v hình ềdạng và kích thước từ 1 đến 100 nanomet Như ta đã bi t mế ột nanomet b ng mằ ột ph n ầ

tỷ mét, gấp mười l n ầ đường kính c a mủ ột nguyên t hydro ử Trong khi đó đường kính của m t s i tóc trung bình là 80.000 nanomet ộ ợ

Công ngh nano ch m i th c s phát tri n và ph bi n r ng rãi t khi cu c cách ệ ỉ ớ ự ự ể ổ ế ộ ừ ộmạng 4.0 b t u Tính n hi n t i, nó góp mắ đầ đế ệ ạ đã ột phần không nh n vi c ph c v ỏ đế ệ ụ ụcon ngườ Điểi n hình là khâu s n xu t các m t hàng th y tinh, g m, sả ấ ặ ủ ố ứ,… đều có s ựgóp mặt của công ngh này Công ngh nano hi n ệ ệ ệ được coi là ngành công ngh hàng ệđầu v khoa h c ề ọ – kĩ thuật trên th gi i và h a h n s ngày mế ớ ứ ẹ ẽ ột phát tri n trong ể tương lai

3

1.3 Phân lo i ạ

Có r t nhi u cách phân lo i v t li u nano, m i cách phân lo i ấ ề ạ ậ ệ ỗ ạ thường cho ra r t ấnhiều lo i nh nên ạ ỏ thường d gây l n l n các khái niễ ẫ ộ ệm Dưới đây là m t vài cách ộphân lo i ạ điển hình

Phân lo i theo hình dáng c a v t liạ ủ ậ ệu:

Nguyên t c c a cách phân lo i này là ắ ủ ạ đặt tên theo s chiố ều vượt ngoài kích thước nano

o Vật li u nano không chiệ ề là vật liệu có kích u thướ ấ ảc t t c các chi u (x, ề

y, z) đều ở kích thước nano, tức là không có kích thước nào lớn hơn 100

nm Bao g m các h t nano và ồ ạ các đám nano

o Vật li u nano m t chiệ ộ ề là lo i v t li u có hai chi u b t kì u ạ ậ ệ ề ấ ở kích thước nano và chi u còn l i nề ạ ằm ngoài kích thước nano Bao g m s i nano, ồ ợống nano, thanh nano và dây nano

o Vật li u nano hai chi u ệ ề là v t li u có kậ ệ ích thước một chiều bất kì ở kích thước nano và các chi u còn l i nề ạ ằm ngoài kích thước nano Nó bao gồm màng nano, l p nano và l p ph nano ớ ớ ủ

o Vật li u nano ba chiệ ều là v t li u ậ ệ trong đó tấ ảt c các chi u n m ngoài ề ằkích thước nano ( lớn hơn 100nm) V t li u nano ba chi u là t h p s p ậ ệ ề ổ ợ ắxếp của nhi u tinh thề ể kích thước nano theo các hướng khác nhau Bao gồm các h t nano, các bó dây nano và ạ ống nano cũng như các lớp đa lớp (đa tinh thể) liên kết chặt chẽ với nhau tạo thành

Phân lo i theo tính ch t v t li u th hi n s khác bi t kích ạ ấ ậ ệ ể ệ ự ệ ở thước nano:

Vật liệu nano kim lo i ạ

từ tính sinh h c" trong cọ đó ả "t tính" và "sinh h c" u là khái ni m có ừ ọ đề ệ được khi phân lo i theo tính ch t ạ ấ

1.4 Tính ch t ấ

Do c đặ điểm các h t nano có tính kim lo i, t c là có m t ạ ạ ứ ậ độ điệ ử ựn t t do l n ớthì các tính ch t c a nó th hi n có nh ng c ấ ủ ể ệ ữ đặ trưng riêng khác v i các h t không có ớ ạmật độ điệ ửn t t do cao ự Dưới đây là một vài tính ch t ph i k ấ ả ể đến của vật liệu nano

1 Tính ch t quang h c ấ ọ

Tính ch t quang h c c a h t nano ấ ọ ủ ạ như vàng, b c tr n trong th y tinh làm cho ạ ộ ủcác s n ph m t th y tinh có các màu s c khác nhau ả ẩ ừ ủ ắ đã đượ ngườc i La Mã s dụng ử

4

từ hàng ngàn năm trước.Các hi n ệ tượng đó ắ b t ngu n t hi n ồ ừ ệ tượng c ng ộ hưởng Plasmon b m t (surface plasmon resonance) do ề ặ điệ ử ựn t t do trong h t nano h p th ạ ấ ụánh sáng chi u vào ế

Kim lo i có nhi u ạ ề điệ ử ựn t t do, các điệ ử ự do này s dao n t t ẽ động dưới tác d ng ụcủa điệ ừ trường bên ngoài n t như ánh sáng Thông thường các dao ng b d p t t độ ị ậ ắnhanh chóng b i các sai h ng m ng hay b i chính các nút m ng tinh th trong kim ở ỏ ạ ở ạ ểloại khi quãng đường t do trung bình c a ự ủ điệ ửn t nhỏ hơn kích thướ Nhưngc khi kích thước c a kim lo i nh ủ ạ ỏ hơn quãng đường t do trung bình thì hi n ự ệ tượng d p t t ậ ắkhông còn n a mà ữ điệ ử ẽn t s dao ng c ng độ ộ hưởng v i ánh sáng kích thích Do v y, ớ ậtính ch t quang c a h t nano có ấ ủ ạ được do s dao ng t p th c a các ự độ ậ ể ủ điệ ử ẫ đến t d n n

từ quá trình tương tác v i b c x sóng ớ ứ ạ điệ ừn t Khi dao ng độ như ậ v y, các điệ ử ẽn t s phân b l i trong h t nano làm cho h t nano b phân c c ố ạ ạ ạ ị ự điệ ạn t o thành m t ộ lưỡng cực điện Do v y xu t hi n mậ ấ ệ ột tần s cố ộng hưởng ph thu c vào nhi u y u t ụ ộ ề ế ố nhưngcác y u t vế ố ề hình dáng, lđộ ớn c a h t nano và môi ủ ạ trường xung quanh là các y u t ế ốảnh hưởng nhiều nhất [2]

2 Tính ch t ấ điện

Tính d n ẫ điện c a kim lo i r t t t hay ủ ạ ấ ố điện trở ủ c a kim lo i nhạ ờ vào m t ậ độ điện

tử t do cao trong ự đó Đố ới vật liệi v u khối, dđộ ẫn điện d a trên cự ấu trúc vùng nănglượng c a ch t r n ủ ấ ắ Điện trở c a kim lo i ủ ạ đế ừn t s tán x c a ự ạ ủ điệ ửn t lên các sai h ng ỏtrong mạng tinh th và tán x vể ạ ới dao ng nhi t c a nút m ng (phonon) Các độ ệ ủ ạ điệ ửn t chuyển động trong kim lo i (dòng ạ điện I) dưới tác d ng c a ụ ủ điệ trườn ng (U) có liên

hệ v i nhau thông qua nh lu t Ohm: U = IR, trong R là ớ đị ậ đó điện tr c a kim lo i ở ủ ạ

Định luật Ohm cho thấy đường I-U là một đường tuy n tính Khi kích ế thước c a v t ủ ậliệu gi m d n, hi u ng ả ầ ệ ứ lượng t làm r i r c hóa c u trúc vùng ử ờ ạ ấ năng lượng H qu ệ ảcủa quá trình lượng t hóa này i v i h t nano là I-U không còn tuy n tính n a mà ử đố ớ ạ ế ữxuất hi n m t hi u ệ ộ ệ ứng g i là hi u ọ ệ ứng ch n Coulomb (Coulomb blockade) làm cho ắđường I-U b nh y b c vị ả ậ ới giá tr m i b c sai khác nhau m t ị ỗ ậ ộ lượng e/2C với e là điện tích c a ủ điệ ửn t , C và R là điện dung và điện tr kho ng n i h t nano v i ở ả ố ạ ớ điện c c ự[2]

3 Tính ch t t ấ ừ

Các kim lo i quý ạ như vàng, bạc,… có tính ngh ch tị ừ ở ạ tr ng thái kh i do s bù ố ựtrừ c p ặ điện tử Khi vật li u thu nhỏ kích thướệ c thì s bù tr trên s không toàn di n ự ừ ẽ ệnữa và v t li u có t tính ậ ệ ừ tương đối mạnh Các kim lo i có tính s t tạ ắ ừ trang thái kh i ở ốnhư các kim loại chuyển tiếp sắt, cô ban, niken thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật

tự s t t làm cho chúng chuy n sang tr ng thái siêu thu n t V t li u tr ng thái ắ ừ ể ạ ậ ừ ậ ệ ở ạsiêu thu n t có t tính m nh khi có tậ ừ ừ ạ ừ trường và không có t tính khi từ ừ trường b ịngắt đi, tức là lực từ dư và lực kháng từ hoàn toàn b ng không ằ

4 Tính ch t nhi t ấ ệ

Nhiệt nóng ch y T c a v t li u ph thu c vào mđộ ả m ủ ậ ệ ụ ộ ứ độc liên kết gi a các ữnguyên t trong m ng tinh th Trong tinh th , m i m t nguyên t có m t s các ử ạ ể ể ỗ ộ ử ộ ốnguyên t lân c n có liên k t m nh g i là s ph i v Các nguyên t trên b m t v t ử ậ ế ạ ọ ố ố ị ử ề ặ ậ

5

liệu s có sẽ ố phối vị nhỏ hơn số ph i vố ị c a các nguyên tủ ử ở bên trong nên chúng có thể d dàng tái s p x p ễ ắ ế để có thể ở tr ng thái khác ạ hơn Như ậ v y, n u kích ế thước c a ủhạt nano gi m, nhi t nóng ch y s gi m Ví d , h t vàng 2 nm có T = 500°C, ả ệ độ ả ẽ ả ụ ạ m

kích thước 6 nm có T = 950°C [2] m

1.5 Các phương pháp chế tạo

V t li u nano có thậ ệ ể được ch t o b ng nhiế ạ ằ ều phương pháp khác nhau Tuy nhiên ,hi n nay vệ ề căn bản có hai cách ti p cế ận chính đó là phương pháp ti p c n t ế ậ ừdưới lên( bottom -up) và phương pháp tiếp cận t trên xuống (top-down) ừ

Hình 1-2: Hai phương pháp chính ch t o h t nano ế ạ ạ

1.5.1 Phương pháp từ trên xuống

Nguyên lý: Dùng k thu t nghi n và bi n d ng bi n vỹ ậ ề ế ạ để ế ật liệu th khối với kết ểcấu h t thô thành c hạ ỡ ạt kích thước nano

Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được tr n l n vộ ẫ ới nh ng viên bi ữđược làm t các v t li u r t cừ ậ ệ ấ ứng và đặt trong m t cái c i Máy nghi n có th là nghi n ộ ố ề ể ềlắc, nghi n rung ho c nghi n quay (còn g i là nghi n ki u thành tinh) Các viên bi ề ặ ề ọ ề ểcứng va ch m vào nhau và phá v bạ ỡ ột đến kích thước nano K t quế ả thu được là v t ậliệu nano không chi u (các h t nanoề ạ ) Phương pháp biến d ng này ạ được s dử ụng với các k thuỹ ật đặc biệt nh m t o ra s bi n d ng c c l n(có th >10) mà không làm phá ằ ạ ự ế ạ ự ớ ểhuỷ v t li u Ngoài ra, hiậ ệ ện nay người ta thường dùng các phương pháp quang kh c ắ đểtạo ra các c u trúc nano [3] ấ

Phương pháp tiếp cận từ trên xu ng vố ốn dĩ đơn giản hơn , rẻ tiền nhưng rất hiệu quả và có th ti n hành cho nhi u lo i v t li u vể ế ề ạ ậ ệ ới kích thước khá l n ng d ng làm ớ ứ ụvật li u k t c u ệ ế ấ

Vấn đề lớn nh t vấ ới phương pháp từ trên xu ng là s không hoàn h o c a c u ố ự ả ủ ấtrúc b mề ặt Ví d , các dây nano ụ được làm bằng phương pháp in thạch b n không m n ả ị

và có th ch a nhi u t p ch t và các khuy t t t c u trúc trên b m t c a nó ể ứ ề ạ ấ ế ậ ấ ề ặ ủ

1.5.2 Phương pháp từ dưới lên

Nguyên lý: Hình thành v t li u nano t các nguyên t hoậ ệ ừ ử ặc ion Phương pháp

từ dưới lên được phát tri n r t mể ấ ạnh m vì tính linh động và chẽ ất lượng c a s n ph m ủ ả ẩcuối cùng Ph n l n các v t li u nano mà chúng ta dùng hiầ ớ ậ ệ ện nay được ch t o t ế ạ ừ

độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh) Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano,

từ pha khí ví dụ như nhiệt phân, 4]

Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên t c v t lý và hóa hắ ậ ọc như: điện phân, ngưng t t pha khí, ụ ừPhương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, b t nano, [4] ộ

Ưu điểm chính là sự dễ dàng mà phương pháp này có thể được nhân rộng, sản xuất mang tính kinh t v i s ế ớ ố lượng l n h t nanoớ ạ Tuy nhiên, nhược điểm là s n ph m ả ẩ

có xu hướng rất đa dạng về kích thước và hình dạng không đều [5]

7

1.6 Ứng dụng c a công ngh v t li u nano ủ ệ ậ ệ

Hình 1-3: Công ngh nano ệ được áp d ng kh p các ụ ở ắ lĩnh ự v c Công ngh nano có ệ ứng d ng r t l n trong cu c s ng và là m t ngành công ngh ụ ấ ớ ộ ố ộ ệtriển vọng ngay t i th i ạ ờ điểm hi n t i và c trong ệ ạ ả tương lai.Công ngh nano cho phép ệ

sử d ng v t li u t m phân t và làm ụ ậ ệ ở ầ ử tăng tính ch t c bi t c a v t li u ấ đặ ệ ủ ậ ệ nhưng l i ạgiảm kích thướ ủc c a thi t b , h th ng ế ị ệ ố đến kích thước c c nh ự ỏ Đây được xem là cu c ộcách m ng công nghi p, thúc ạ ệ đây sự phát tri n trong m i ể ọ lĩnh ự đặ v c c bi t là y sinh ệhọc, năng lượng, môi trường, công ngh thông tin, quân sệ ự… Vì th có th coi công ế ểnghệ này đã và đang tác động đến toàn xã h i hi n nay và hộ ệ ứa h n trong ẹ tương lai

1.6.1 Ứng dụng năng lượng

Ngành năng lượng sẽ đượ hưởc ng l i lớn khi s dợ ử ụng loại công ngh này áp ệdụng cho các ngu n ồ năng lượng khác nhau Nền công nghệ nano góp ph n nâng cao ầchất lượng c a pin ủ năng lượng m t tr i, ặ ờ tăng tính hi u qu và d tr c a pin và siêu ệ ả ự ữ ủ

tụ điện, t o ra ch t siêu d n làm dây d n ạ ấ ẫ ẫ điệ để ận v n chuy n ể điệ đườn ng dài…Đây chỉ là một số ứng d ng nh c a công ngh nano trong ụ ỏ ủ ệ lĩnh ự năng lượng v c

vì không có gi i h n trong ớ ạ lĩnh ự v c này Vi c s d ng các v t li u sáng t o, nh và ệ ử ụ ậ ệ ạ ẹphong phú và chi phí h p lý là nh ng c ợ ữ đặ điểm chung trong t t c các s n ph m và ấ ả ả ẩ

hệ th ng s d ng công ngh nano [6] ố ử ụ ệ

8

1.6.2 Điện tử – cơ khí

Công ngh nano giúp ch t o các linh ki n ệ ế ạ ệ điệ ửn t nano v i t c x lý c c ớ ố độ ử ựnhanh Trong nghành điệ ửn t , công ngh nano ệ làm tăng khả năng của các thi t b ế ịđiệ ửn t , nâng cao mật độ chip nhớ và giảm tiêu thụ điện năng cũng như kích thước của bóng bán dẫn đượ ử ục s d ng trong các m ch tích hạ ợp Các nhà xưởng cũng dùng vật li u nano ệ để làm các thi t bế ị ghi thông tin cực nh , chỏ ế t o màn hình máy tính, ạđiện thoại và các linh ki n cho xe ệ hơi, máy bay, tàu trvũ ụ…

Trong tương lai, máy tính và các thiết bị điện tử có th s d ng v t li u nano ể ử ụ ậ ệ đểtăng khả năng lưu trữ d liữ ệu cũng như kéo dài thời gian s d ng c a pin Các ử ụ ủ phương pháp lưu trữ mới d a trên n n t ng công ngh nano s ự ề ả ệ ẽ cho phép lưu được nhi u thông ềtin gấp hơn 200 lần mật độ lưu trữ ủa đĩa DVD thông thườ c ng[7]

1.6.3 May mặc và thực phẩm

Ngành may m c ặ đã bước sang một trang mới kể t khi áp d ng công ngh nano ừ ụ ệvào.Tại đây nó được sử dụng để phát triển các đặc tính dệt mong muốn như độ bền kéo cao, c u trúc b mấ ề ặt độc đáo và mềm mại, độ ề b n, khả năng chống nước, chống cháy, đặc tính kháng khuẩn, v.v Điển hình khi áp dụng các hạt nano bạc vào ngành thời trang, lo i nano này có khạ ả năng thu hút và tiêu di t vi khu n gây mùi hôi khó ệ ẩchịu trong qu n áo ng d ng hầ Ứ ụ ữu ích này đã được áp d ng trên m t sụ ộ ố m u qu n áo ẫ ầthể thao

Ngoài ra ph i kả ể đến trong ngành công nghi p th c ph m, công ngh nano ệ ự ẩ ệ đã được áp dụng để tăng hương vị, ức ch s phát tri n c a vi khu n, b o qu n s n ph m ế ự ể ủ ẩ ả ả ả ẩlâu hơn và c i thi n an toàn th c ph m Ch ng hả ệ ự ẩ ẳ ạn như việc áp d ng công ngh nano ụ ệtrong bao bì th c ph m cho phép b o v th c ph m tự ẩ ả ệ ự ẩ ốt hơn thông qua các khả năng

cơ học và nhiệt mạnh hơn và tăng tính kháng khuẩn Bao bì thực phẩm được chế tạo bằng công ngh nano cung c p kh ệ ấ ả năng phân hủy sinh học bảo vệ ch ng l i s rò r , ố ạ ự ỉ

sự xâm nh p c a khí và s xâm nh p c a m m b nh vào th c ph m Ví dậ ủ ự ậ ủ ầ ệ ự ẩ ụ, bạc, m t ộchất chống vi khu n n i tiẩ ổ ếng, đã đượ ử ục s d ng cho những đặc tính này trong bao bì thực phẩm được chế tạo b ng công ngh nano M t nghiên cằ ệ ộ ứu điển hình đã kiểm tra tác động của các hạt nano bạc đối với sự phát triển của vi khuẩn và phát hiện ra sự giảm 98% tốc độ tăng trưởng sau th i gian 24 gi ờ ủ ờ

Không d ng ừ ở đó, công ngh nano có thệ ể khi n các lo i thế ạ ực ph m này thay ẩ đổi hương ị v cũng như giàu dinh dưỡng hơn Điều này ng đồ nghĩa ớ v i vi c chúng ta s ệ ẽđược thưởng th c nh ng món v i ứ ữ ăn ớ hương ị v vô cùng l mà giá tr dinh ạ ị dưỡng v n ẫcao nh công ngh nano th c ph m ờ ệ ự ẩ

9

Hình 1-4: T ng h p ch t li u v i không thổ ợ ấ ệ ả ấm nước nh công ngh nano ờ ệ

1.6.4 Ứng dụng công nghệ nano trong xây dựng

Bên c nh nh ng công d ng tuy t v i trong nh ng ạ ữ ụ ệ ờ ữ lĩnh ự v c k trên, trên th ể ịtrường hi n nay xu t hi n s n ph m ng d ng công ngh nano trong xây d ng ệ đã ấ ệ ả ẩ ứ ụ ệ ựCông ngh nano ệ đã và đang làm biến đổi các thuộc tính của vật liệu xây dựng, cải thiện ch t ấ lượng và c u trúc c a các lo i v t li u ấ ủ ạ ậ ệ

Để chế tạo bê tông siêu b n và có tu i th cao, các h t nano siêu nh , siêu phân ề ổ ọ ạ ỏtán đượ ức ng d ng Các nghiên c u, s n xu t trong ụ ứ ả ấ lĩnh ự v c này hi n nay u mang ệ đềtính c p thi t Các nhà s n xu t l n nh t th gi i có th k t i là Maiti (Nh t B n), ấ ế ả ấ ớ ấ ế ớ ể ể ớ ậ ảBASF (Đức), Zika (Th y ụ Sĩ), Elkem (Na Uy).Các nhà khoa h c nghiên c u ch ọ đã ứ ếtạo thép nano ây là mĐ ột bước tiến quan tr ng b i t i nay ọ ở ớ chưa có v t li u nào sánh ậ ệđược với nó về ch số cường Thép siêu bền là vật li u lý ỉ độ ệ tưởng xây d ng các để ựcông trình th y và công trình c u ủ ầ đường Các l p ph nano composite và polymer s ớ ủ ẽgia tăng ổ tu i th c a các k t c u nhọ ủ ế ấ ờ tăng khả năng ch ng mòn cho k t c u trong ố ăn ế ấcác môi trường xâm th c[8] ự

10

Hình 1-5: ng d ng công ngh nano Ứ ụ ệ được xây d ng t i thành ph Sydney ự ạ ố

(Australia) Ngôi nhà u tiên ng d ng công ngh nano đầ ứ ụ ệ được xây d ng t i thành ph ự ạ ốSydney (Australia) thu hút đã đượ ực s quan tâm c a nhi u t ch c ủ ề ổ ứ thương mại và phi thương mại trên thế giới Ngôi nhà có khả năng ự t bảo dưỡng, môi trường ho t ng ạ độ

có năng su t cao và chi phí b o trì th p Mái nhà b ng kim lo i ấ ả ấ ằ ạ đượ sơnc ph thêm ủlớp v t li u nano có khậ ệ ả năng tự điều ch nh nhi t c a nó cân b ng môi ỉ ệ độ ủ để ằ trường khí h u trong nhà ậ

Tương ự như t vậy, các b c tường u ứ đề được gắn cảm biến nano do vậy nhiệt độphòng có khả năng ự điề t u ch nh ỉ tăng ả gi m tùy theo th i ti t B m t b b p ờ ế ề ặ ệ ế được làm b ng oxit titan khi b b n s t làm s ch ngoài ra còn có thằ ị ẩ ẽ ự ạ ể ngăn chặn vi khuẩn nấm m c G ch men phòng t m ố ạ ắ được ph l p v t li u nano ch ng sủ ớ ậ ệ ố ự đóng váng c a ủbọt xà phòng Các b ph n k t c u ộ ậ ế ấ đượ ắc l p linh ki n c m ng giám sát khệ ả ứ để ả năngchịu lực, sự bi n d ng, lún, nế ạ ứt r n, ạ ăn mòn… giúp xử lý chúng kịp thời

1.6.5 Y và tế chăm sóc sức khỏe

Y t là m t trong nh ng ế ộ ữ ứng d ng l n nh t c a công ngh nano Ví d ụ ớ ấ ủ ệ ụ như việc điều tr bênh ung thư hi n nay có r t nhiị ệ ấ ều phương pháp được thử nghiệm để có th ểhạn ch các kh i u phát tri n và tiêu di t chúng cế ố ể ệ ở ấp độ ế t bào M t nghiên cộ ứu đã cho k t qu r t kh quan khi s d ng h t nano vàng ch ng l i nhi u loế ả ấ ả ử ụ ạ để ố ạ ề ại ung thư Các h t nano ạ đã được đưa vào bên trong các khối u sau đó b ng vi c s d ng tia lase ằ ệ ử ụhồng ngo i chi u t bên ngoài vào giúp ạ ế ừ tăng nhiệt độ để tiêu di t các kh i u ệ ố

11

Công ngh nano tệ rong tương lai không xa sẽ giúp con người ch ng lố ại các căn bệnh ung thư quái ác ngay cả những căn bệnh khó chữa nhất như ung thư não, các bác s hoàn toàn có th dĩ ể ễ dàng điều trị mà không c n m h p s c a b nh nhân hay ầ ở ộ ọ ủ ệcác phương pháp hóa trị độc hại nào khác

Các công c ch n ụ ẩ đoán và hình nh t t ả ố hơn được kích hoạt bởi công ngh nano ệđang mở đường cho việc chẩn đoán sớm hơn, các l a chọn ự điều tr cá nhân hóa ị hơn

và t lỷ ệ điều tr thành công t t ị ố hơn [9]

Hình 1-6: Công ngh nano ng d ng trong y hệ ứ ụ ọc

1.6.6 Năng lượng xanh, môi trường sạch

Bên c nh nh ng ng d ng mà công ngh nano ạ ữ ứ ụ ệ đem lại giúp c i thi n ả ệ đáng kể ởnhiều lĩnh vực thì phải kể đến đóng góp vô cùng to lớn mà công nghệ nano đem lại cho môi trường thân yêu c a chúng ta ủ

Vật li u nano ệ đã bắt đầu đượ ử ụng để làm sạch rác thải, thay thế các ngu n c s d ồnăng lượng không tái tạo bằng năng lượng tái tạo, giảm ô nhiễm, tăng hiệu su t c a ấ ủpin m t tr i S t nano hiặ ờ ắ ện đã được s d ng trong r t nhi u d án xử ụ ấ ề ự ử lý môi trường

và mang lại thành công đáng khích lệ Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm bơm cácbon trộn các h t s t nano ạ ắ vào đất ô nhi m khễ ả năng thấm hút các chất gây ô nhiễm cao hơn nhiều so với vật liệu không có hạt nano

Trong tương lai, vật liệu nano có thể giúp tạo ra các dạng năng lượng thay thế

Sử d ng các ch t xúc tác nanoụ ấ , người ta có th s n xuể ả ất hyđrô mộ ạng năng lượt d ng thay th tế ừ nước Điện cực quang s d ng v t li u nano, chuyử ụ ậ ệ ển đổi ánh sáng m t tr i ặ ờthành hyđrô với hiệu quả cao gấp 6 lần so với phương pháp dùng các vật liệu thông thường

Công ngh nano có th giúp ệ ể đáp ứng nhu c u vầ ề nước s ch, giá c ph i ạ ả ả chăngthông qua vi c phát hi n và x lý các t p ch t trong ệ ệ ử ạ ấ nước nhanh chóng, chi phí th p ấ

31

Quan sát quá trình di n ra ph n ng ta th y khi nhễ ả ứ ấ o t t d ch bàng nh ng gi t ừ ừ ị ữ ọ

đầu tiên xuống bình cầu ch a sắt, dung d ch bắt u chuyển t màu vàng nâu sang ứ ị đầ ừmàu xanh đen và có các h t vô cùng nhạ o li ti, l ng trong dung d ch v i lơ ử ị ớ độ phân tán khá t t ố Lượng h t ạ tăng ầ d n khi tăng lượng dung d ch bàng lên ị

Hình 3-5:Dung d ch sau t ng h p ị ổ ợ đã để ắ l ng 1 ti ng và s y chân không 15 ế ấ

tiếng Dung d ch sau ph n ng khi mị ả ứ để ô t th i gian thì có s k t c m các h t thành ờ ự ế ụ ạcác c m h t nano (cluster), tuy nhiên các cluster này v n ụ ạ ẫ lơ lửng và phân tán t t trong ốdung d ch ch không l ng c n xu ng ị ứ ắ ặ ố đáy Điề đo ch ng t r ng các h t t o ra là r t u ứ ỏ ằ ạ ạ ấ

bé Để có th phân tích, ể đánh giá rõ ràng hơn i h nh thái, c u trúc c a h t t o thành ta ấ ủ ạ ạ

sử d ng phép phân tích hi n i ụ ệ đạ như SEM , XRD ,FTIR

Phép SEM đo được th c hi n thu ự ệ để được hình nh tr c quan v s n ph m s t ả ự ề ả ẩ ắnano Hình thái và kích thước s n ph m s t nano ả ẩ ắ được th hi n trong hình 3-6 cho ể ệthấy các h t nano có d ng hình c u kích ạ ạ ầ thước khá đồng đều đường kính trong kho ng ả

từ 20 - 50nm Do c u trúc nano nh và h t có t tính nên các h t này có xu ấ ỏ ạ ừ ạ hướng liên k t vế ới nhau tạo thành các cụm h t nano ạ