Các hóa chất sử dụng trong phân hủy màu...50 Bảng 1.4 Các dụng cụ sử dung trong quá trình thí nghiệm...50 Bảng 1.5 Thiết bị cần dùng trong quá trình thí nghiệm...51 Bảng 2.1 Các tham số
TỔNG QUAN
Tổng quan về nano kẽm oxit (ZnO)
1.1 Đặc điểm, cấu trúc của ZnO
Kẽm Oxit (ZnO) là một chất bán dẫn loại n với năng lượng dải cấm trong khoảng 3,2-3,4 eV, có khả năng điều chỉnh thông qua việc thay thế các ion hóa trị hai tại vị trí cation Mặc dù độ linh động của điện tử trong ZnO thấp hơn so với GaN, nhưng ZnO lại có tốc độ bão hòa cao hơn ZnO nổi bật với nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng tồn tại dưới dạng đơn tinh thể, khả năng sản xuất hàng loạt và năng lượng liên kết exciton cao hơn (60 meV so với 25 meV của GaN) Những đặc điểm này khiến ZnO trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng công nghệ, như thiết bị phát ánh sáng UV, thiết bị điện tử công suất cao và các ứng dụng trong công nghệ thông tin, cũng như trong các thiết bị quang tử tử ngoại và điện tử trong suốt.
ZnO có cấu trúc tinh thể lục giác (wurtzite) với đặc tính quang học mạnh mẽ nhờ vào sự xuất hiện của trạng thái exciton, trong đó một electron bị kích thích lên dải dẫn, tạo ra một "lỗ trống" trong dải hóa trị Exciton, giống như một cặp electron-lỗ trống liên kết, có năng lượng liên kết cao khoảng 60 meV, cho phép chúng tồn tại ở nhiệt độ phòng mà không dễ bị phân tách Tính chất này làm cho ZnO trở thành vật liệu lý tưởng cho ứng dụng quang điện tử, đặc biệt trong các thiết bị phát tia cực tím (UV) và quang học tử ngoại, giúp cải thiện hiệu suất tái hợp quang học và tạo ra ánh sáng hiệu quả hơn.
Cấu trúc tinh thể của ZnO có ba dạng chính: cấu trúc lục giác Wurtzite, cấu trúc lập phương giả Kẽm ở nhiệt độ cao và cấu trúc lập phương dạng tâm mặt NaCl ở áp suất cao Trong đó, cấu trúc lục giác Wurtzite là dạng ổn định và bền vững nhất tại nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển.
Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể của ZnO trong một ô tinh thể [1].
Hình 1.2 Hình dạng thực tế của ZnO dưới kính hiển vi:hoa (a); thanh (b); dây (c, d).[5]
Do tính phân cực của liên kết Zn-O, các mặt phẳng kẽm và oxy thường mang điện tích Để duy trì tính trung hòa điện, các mặt phẳng này thường tái cấu trúc ở cấp độ nguyên tử trong hầu hết các vật liệu, nhưng điều này không xảy ra ở kẽm oxit (ZnO) Bề mặt của ZnO phẳng, ổn định ở mức nguyên tử và không có sự tái cấu trúc, một hiện tượng bất thường vẫn chưa được xác định hoàn toàn.
Phân cực tứ diện trong cấu trúc ZnO tạo ra các tính chất đặc biệt như tính áp điện và phân cực tự phát, ảnh hưởng đến sự phát triển tinh thể, ăn mòn và khuyết tật Các mặt kết thúc phổ biến của ZnO bao gồm (0001) cho các mặt cực và (1120), (1010) cho các mặt không phân cực Mỗi loại mặt kết thúc có các tính chất vật lý và hóa học khác nhau, trong đó các mặt cực thường ổn định hơn mặt (1120).
Người ta sản xuất nano oxide ZnO bằng phương pháp kết tủa ướt, với điều kiện dễ dàng kiểm soát và mức tiêu thụ năng lượng thấp, tạo điều kiện kinh tế cho việc sản xuất các hạt nano ZnO Các tiền chất mang kẽm như hydroxide, carbonate, acetate và kẽm hydroxy-carbonate thường được điều chế ở nhiệt độ phòng và sau đó thiêu kết ở nhiệt độ cao.
Surfactants such as cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS), poly(vinylpyrrolidone) (PVP), and sodium dodecyl sulfate (SDS) are commonly used to regulate the size and dispersion of zinc oxide (ZnO).
Bảng 1.1 Các thông số của ZnO ở 300k [1].
Cơ tính của vật liệu này có độ cứng từ 4-5 Mohs, độ dẻo tốt và sức chịu nén cao Với khả năng uốn cong mà không gãy, nhờ vào cấu trúc tinh thể và liên kết giữa các nguyên tử, vật liệu này có độ bền kéo tương đối cao, cho phép chịu lực kéo tốt trước khi bị biến dạng hoặc gãy Ngoài ra, nó cũng có khả năng chịu lực nén tốt, có thể chịu đựng áp lực trước khi bị biến dạng hoặc vỡ.
Tính chất điện quang của ZnO được thể hiện qua năng lượng liên kết exciton cao (~60 meV), giúp ngăn chặn sự tái hợp nhanh chóng của electron và lỗ trống, từ đó duy trì các tính chất quang ở nhiệt độ phòng Cấu trúc vùng năng lượng và động lực học mạng của ZnO cũng đóng vai trò quan trọng trong khả năng chống phân hủy quang học, đảm bảo tính ổn định và hiệu suất trong các ứng dụng quang điện.
Hệ số liên kết điện hoá và độ ổn định hoá học cao của ZnO nano được thể hiện qua liên kết ion giữa Zn² và O², tạo ra cấu trúc bền vững Cấu trúc tinh thể wurtzite hoặc zincblende góp phần tăng cường độ ổn định hóa học Với khả năng dẫn ion tốt, ZnO nano hỗ trợ truyền dẫn điện tử và ion trong các ứng dụng điện hóa Diện tích bề mặt lớn của hạt nano không chỉ gia tăng tương tác mà còn duy trì độ ổn định Ngoài ra, nano ZnO còn có khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt tốt nhờ vào năng lượng liên kết exciton cao.
Tính kháng khuẩn của hạt nano kẽm oxit (ZnO) rất hiệu quả trong việc ức chế vi khuẩn như E.coli và Salmonella Cơ chế kháng khuẩn chủ yếu liên quan đến việc phát sinh hydrogen peroxide (H₂O₂) và giải phóng ion Zn²⁺ Khi tiếp xúc với vi khuẩn, hạt nano ZnO tạo ra H₂O₂, một chất oxy hóa mạnh có khả năng phá hủy màng tế bào vi khuẩn, gây tổn thương cấu trúc bên trong và dẫn đến sự tiêu diệt vi khuẩn Ngoài ra, các ion kẽm có thể làm tăng tính thấm của màng tế bào vi khuẩn, gây bất ổn định và tổn hại cấu trúc màng, từ đó hỗ trợ quá trình tiêu diệt vi khuẩn ZnO cũng có khả năng gây tổn thương màng tế bào vi khuẩn thông qua tương tác trực tiếp hoặc tương tác tĩnh điện, giúp nó thâm nhập vào tế bào và phá hủy cấu trúc bên trong.
1.4 Ứng dụng của Nano kẽm oxit Ứng dụng trong môi trường: Nano ZnO có khả năng diệt khuẩn và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ, nên được sử dụng trong các công nghệ xử lý nước và bảo vệ môi trường.
Nano ZnO có khả năng diệt khuẩn mạnh mẽ, đặc biệt hiệu quả trong việc chống lại các vi khuẩn gây bệnh như E.coli Nhờ vào đặc tính này, ZnO trở thành giải pháp lý tưởng cho việc xử lý nước ô nhiễm vi khuẩn, góp phần làm sạch nước sinh hoạt và nước thải.
ZnO có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước thông qua quá trình quang xúc tác, khi được chiếu sáng bằng ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng băng tần của ZnO Quá trình này kích thích electron từ dải hóa trị lên dải dẫn, tạo ra electron và lỗ trống có khả năng phản ứng với các chất nhận electron như O₂ và các chất cho electron như OH hoặc các hợp chất hữu cơ trên bề mặt ZnO Kết quả là quá trình oxy hóa các phân tử thuốc nhuộm hữu cơ, dẫn đến sự phân hủy và phá vỡ các phân tử ô nhiễm Ngoài ra, hạt nano ZnO còn được ứng dụng trong công nghệ năng lượng nhờ tính bán dẫn và khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh.
Pin mặt trời sử dụng ZnO thông qua cơ chế chuyển đổi photon với các hạt nano ZnO pha tạp đất hiếm, cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng Các ion đất hiếm như Er, Yb và Ho trong ZnO thực hiện quá trình chuyển đổi lên và xuống, hấp thụ photon có năng lượng thấp hoặc cao, phát ra ánh sáng trong vùng quang phổ hữu ích cho pin mặt trời, tối đa hóa lượng ánh sáng chuyển hóa thành điện năng Điều này mở rộng dải đáp ứng quang học của tế bào quang điện, nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng Ngoài ra, ZnO cũng có khả năng hấp thụ và chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành nhiệt năng, tối ưu hóa quá trình thu nhiệt từ ánh sáng mặt trời, góp phần tăng hiệu suất hệ thống nhiệt mặt trời Trong y tế, nano ZnO với tính kháng khuẩn mang lại nhiều ứng dụng quan trọng.
Tổng quan về PVA
Polyvinyl Alcohol (PVA) là một polymer tổng hợp độc đáo, được tạo ra từ quá trình thủy phân polyvinyl acetate (PVAc), trong đó nhóm acetate được thay thế bằng nhóm hydroxyl (-OH) PVA nổi bật với khả năng hòa tan trong nước và phân hủy sinh học, làm cho nó trở thành một lựa chọn thân thiện với môi trường Hơn nữa, PVA không gây hại cho sức khỏe con người, điều này càng trở nên quan trọng trong bối cảnh toàn cầu đang tìm kiếm các giải pháp bền vững và an toàn sinh học Những đặc điểm này đã giúp PVA ngày càng phổ biến và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và công nghệ hiện đại.
PVA là một trong những vật liệu nổi bật trong ngành sản xuất màng và bao bì phân hủy sinh học, nhờ vào khả năng tạo ra các màng mỏng có độ bền cơ học cao, đặc biệt khi tiếp xúc với nước Màng PVA lý tưởng cho đóng gói thực phẩm, dược phẩm và nhiều sản phẩm tiêu dùng khác, đảm bảo tính bền vững và thân thiện với môi trường Việc sử dụng bao bì PVA giúp giảm thiểu rác thải nhựa khó phân hủy, góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường toàn cầu Sự linh hoạt và khả năng phân hủy sinh học của màng PVA tạo ra những giải pháp đóng gói an toàn, hướng tới một tương lai xanh hơn.
PVA nổi bật với khả năng tạo liên kết chéo, giúp tăng cường độ bền cơ học, hóa học và khả năng chịu nhiệt của vật liệu Đặc điểm này rất quan trọng trong các ứng dụng như công nghệ màng lọc nước, vật liệu hấp thụ, và trong y tế, nơi yêu cầu tính ổn định và bền bỉ Cụ thể, PVA được sử dụng trong sản xuất gel trị liệu, băng gạc và thiết bị cấy ghép y tế nhờ vào tính tương thích sinh học cao, hỗ trợ quá trình phục hồi của cơ thể mà không gây ra phản ứng phụ Do đó, PVA trở thành vật liệu lý tưởng trong y học, vừa đảm bảo chức năng vừa an toàn cho bệnh nhân và môi trường.
Trong ngành keo dán, PVA là thành phần chính trong keo dán gỗ, giấy và dệt may, nhờ vào khả năng kết dính mạnh mẽ và dễ hòa tan trong nước Keo PVA tạo ra sản phẩm dán bền, đáng tin cậy và thân thiện với môi trường, đáp ứng nhu cầu của ngành sản xuất tiêu dùng Việc sử dụng keo PVA không chỉ mang lại hiệu quả kỹ thuật mà còn giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái, điều này ngày càng được coi trọng trong các ngành công nghiệp hiện đại.
Sợi PVA không chỉ ứng dụng trong sản xuất bao bì và keo dán mà còn được sử dụng rộng rãi trong ngành dệt và xây dựng Với tính bền bỉ, linh hoạt và khả năng phân hủy sinh học, sợi PVA đang dần thay thế các loại sợi tổng hợp truyền thống, tạo ra sản phẩm dệt may và vật liệu xây dựng bền vững hơn Các loại vải và vật liệu dệt từ sợi PVA có độ bền cơ học cao, thân thiện với người sử dụng và môi trường, góp phần vào phát triển bền vững cho cả hai ngành Sự kết hợp giữa tính bền vững và khả năng tái chế đã khiến PVA trở thành lựa chọn hàng đầu trong việc giảm thiểu tác động tiêu cực của ngành công nghiệp dệt may và xây dựng đến môi trường toàn cầu.
Polyvinyl Alcohol (PVA) là một polymer đa dụng với tiềm năng lớn trong việc thay thế nhựa truyền thống, giúp giải quyết các vấn đề môi trường và sức khỏe Với khả năng phân hủy sinh học, tính thân thiện với môi trường và độ an toàn cao, PVA đáp ứng nhu cầu vật liệu bền vững của thế kỷ 21.
PVA đã khẳng định vị trí quan trọng trong cuộc cách mạng phát triển bền vững toàn cầu nhờ vào tính ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế, dệt may và xây dựng, cùng với khả năng bảo vệ môi trường.
Polyvinyl Alcohol (PVA) là một polymer bán tinh thể với chuỗi cacbon chính liên kết với các nhóm hydroxyl (-OH), tạo ra liên kết hydro giữa các phân tử PVA Những liên kết này không chỉ mang lại sự ổn định cho vật liệu mà còn tăng cường khả năng liên kết mạng lưới (crosslinking), từ đó cải thiện tính chất cơ học và độ bền của PVA trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Tùy thuộc vào mức độ thủy phân của polyvinyl acetate (PVAc) trong quá trình sản xuất, PVA có thể tồn tại dưới hai dạng chính:
PVA thủy phân hoàn toàn: Ở dạng này, tất cả các nhóm acetate (CH3COO-) trong cấu trúc
PVA thủy phân hoàn toàn, với các nhóm hydroxyl (-OH) thay thế hoàn toàn PVAc, sở hữu tính chất hút ẩm cao và khả năng hòa tan trong nước tuyệt vời Nhờ vào đặc tính này, PVA thường được ứng dụng trong các lĩnh vực yêu cầu độ hòa tan cao, như trong sản xuất keo dán, màng phân hủy sinh học, và các sản phẩm có thể hòa tan trong nước.
PVA thủy phân không hoàn toàn chứa một phần các nhóm acetate, khiến nó ít thấm nước hơn so với PVA thủy phân hoàn toàn Nhờ đó, loại PVA này có độ bền cơ học cao hơn, khả năng chống ẩm tốt hơn và ít hòa tan trong nước PVA thủy phân không hoàn toàn thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ bền cao và khả năng chống ẩm, như trong sản xuất sợi dệt, vật liệu đóng gói, và các ứng dụng mà màng PVA phải chịu tác động của môi trường ẩm ướt.
PVA có khả năng điều chỉnh tính chất nhờ sự đa dạng trong các mức độ thủy phân, cho phép ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm màng bao bì, vật liệu keo dán, vật liệu y tế và công nghệ lọc nước.
Cấu trúc phân tử của PVA (Polyvinyl Alcohol) được phân loại thành hai loại: (a) PVA thủy phân hoàn toàn và (b) PVA thủy phân không hoàn toàn, trong đó các chỉ số n và m thể hiện mức độ trùng hợp tương ứng.
Polyvinyl Alcohol (PVA) là một polymer có tính phân cực cao nhờ nhóm hydroxyl (-OH), giúp nó dễ hòa tan trong nước Tuy nhiên, đặc tính này cũng làm giảm độ bền cơ học và khả năng chịu nhiệt của PVA khi tiếp xúc với môi trường ẩm ướt, hạn chế ứng dụng trong các lĩnh vực yêu cầu độ bền cao Để cải thiện những nhược điểm này, quá trình liên kết mạng lưới (crosslinking) là giải pháp hiệu quả, giúp tăng cường độ bền cơ học, ổn định nhiệt và kháng nước Qua quá trình này, các phân tử PVA được "khóa chặt" lại với nhau, tạo ra mạng lưới bền vững hơn, từ đó nâng cao tính chất vật lý của PVA Nhờ vậy, PVA có thể được ứng dụng trong sản xuất màng lọc nước, vật liệu y tế và bao bì chịu ẩm.
PVA không chỉ có khả năng tạo liên kết chéo mà còn có mức độ kết tinh ảnh hưởng lớn đến tính chất vật lý của polymer Độ kết tinh cao làm cho PVA cứng hơn và ít hòa tan trong nước, trong khi độ kết tinh thấp mang lại tính dẻo và khả năng hòa tan cao hơn Mức độ kết tinh của PVA có thể được điều chỉnh qua nhiều yếu tố, bao gồm mức độ thủy phân của polyvinyl acetate (PVAc) ban đầu và điều kiện tổng hợp polymer như nhiệt độ và thời gian phản ứng, giúp các nhà sản xuất tối ưu hóa tính chất của PVA cho từng ứng dụng cụ thể.
Tính hòa tan của Polyvinyl Alcohol (PVA) phụ thuộc vào mức độ thủy phân và trọng lượng phân tử, với PVA thủy phân hoàn toàn hòa tan tốt trong nước nóng, tạo ra dung dịch nhớt, trong khi PVA thủy phân một phần chỉ hòa tan trong một số dung môi hữu cơ như ethanol Khả năng hút ẩm của PVA đến từ các nhóm hydroxyl (-OH), cho phép tạo liên kết hydro với nước, giúp PVA dễ hút ẩm nhưng cũng có thể gây bất lợi trong các ứng dụng cần chống nước Để kiểm soát tính hút ẩm, các chất tạo liên kết chéo như glutaraldehyde được sử dụng, làm giảm khả năng hút nước và tăng độ ổn định của vật liệu trong môi trường ẩm.
Liên kết hydrogen và tính chất tương tác hóa học: Sự hiện diện của nhóm hydroxyl trong
Tổng quan về composite PVA/ZnO
Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction - XRD) là kỹ thuật quan trọng trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, nhờ vào bước sóng tia X từ 0,2 đến 10 nm, tương ứng với khoảng cách giữa các nguyên tử trong chất rắn kết tinh Kỹ thuật này cho phép đo khoảng cách trung bình giữa các lớp nguyên tử, xác định hướng của đơn tinh thể hoặc hạt, và đánh giá kích thước cũng như hình dạng của các vùng tinh thể nhỏ.
Hình 3.1 Phổ XRD a PVA tinh khiết, b ZnO tinh khiết, c-f nanocomposite PVA-ZnO.[17]
Hình 3.1a và 3.1b thể hiện phổ XRD tinh khiết của ZnO và PVA, trong khi hình 3.1c-f trình bày phổ XRD của nanocomposite PVA-ZnO (5-20%mol), cho thấy nhiều đỉnh bổ sung so với phổ PVA, tương ứng với các mặt phẳng phản xạ của cấu trúc tinh thể wurtzite lục giác ZnO Sự hình thành PVA-ZnO được chứng minh qua độ kết tinh cao của các hạt nano ZnO trong mạng polymer PVA Các đỉnh nằm trong khoảng 32° < 2θ < 38° cho thấy sự thay đổi đáng kể về góc, với các đỉnh của vật liệu tổng hợp có góc cao hơn và được mở rộng hơn so với bột nano ZnO Sự thay đổi này có thể được quy cho biến dạng cấu trúc do ba yếu tố: kích thước tinh thể và vi biến dạng trong cấu trúc tinh thể do ảnh hưởng của ma trận PVA, sự thay đổi trong các thông số mạng tinh thể và khoảng cách giữa các mặt phẳng (d), cùng với nồng độ khuyết tật Kích thước tinh thể của ZnO trong bột ZnO tinh khiết và màng nanocomposite dao động từ 27-32 nm, với kích thước trung bình khoảng 30 mm.
Ngoài ra, kích thước tinh thể của ZnO còn được tính toán bằng cách ước tính bằng phương trình W-H (Williamson–Hall) và phương trình Scherer.
Bảng 3.1 Kích thước tinh thể ZnO trong màng nanocomposite [17]
Kích thước của các hạt nano ZnO được tính toán bằng phương pháp W-H cho thấy sự khác biệt rõ rệt do ảnh hưởng của kích thước biến dạng và tinh thể Khi nồng độ ZnO tăng lên 20 mol%, cường độ các đỉnh nhiễu xạ giảm, chỉ ra mức độ kết tinh giảm và kích thước tinh thể nhỏ hơn Sự giãn nở đỉnh do vi biến dạng không đồng đều và giảm kích thước tinh thể ở nồng độ này có thể liên quan đến sự giảm phức tạp giữa chuỗi polymer và các hạt nano ZnO Đỉnh ở 2θ khoảng 20° liên quan đến mạng PVA cũng giảm chiều cao khi nồng độ ZnO tăng, cho thấy sự giảm mức độ kết tinh của PVA, có thể do sự gia tăng tương tác giữa các chuỗi PVA.
Hình 3.2 Ảnh SEM PVA (a-b), nano ZnO (c-d), PVA-ZnO 10% (e), PVA-ZnO 15% (f), PVA-
Hình 3.2a-b minh họa mạng PVA mịn với một số điểm kết tinh phù hợp với kết quả XRD Hình 3.2 e-d chỉ ra rằng các hạt hình thành từ sự kết tụ của nhiều tinh thể sơ cấp có kích thước và hình dạng không đồng nhất, do nhiệt lượng lớn tạo ra trong quá trình đốt cháy Hơn nữa, các hình ảnh cho thấy sự hiện diện của lỗ rỗng và lỗ chân lông trên bề mặt mẫu ZnO, được cho là kết quả của lượng khí lớn giải phóng trong quá trình này Hình 3.2 e-g xác nhận sự thay đổi hình thái của PVA tinh khiết khi phân tán ZnO vào ma trận polymer SEM cho thấy nano ZnO phân tán đều, với độ nén cao hơn khi nồng độ pha tạp tăng, dẫn đến bề mặt gồ ghề hơn so với PVA tinh khiết.
3.2 Tính chất vật lý Độ trong suốt: Màng PVA (Polyvinyl Alcohol) vốn đã có tính trong suốt tự nhiên, nhờ cấu trúc polymer không có màu và đồng đều Khi kết hợp với các hạt nano ZnO (kẽm oxit), màng vẫn giữ được tính trong suốt này, thậm chí còn được cải thiện thêm nhờ tính chất quang học của ZnO. Màng PVA-ZnO thường có độ trong suốt cao khi ở nồng độ ZnO thấp Độ trong suốt sẽ giảm dần khi tăng nồng độ ZnO do sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt nano ZnO Tuy nhiên, sự phân bố đồng đều của các hạt nano ZnO có thể giảm thiểu hóa sự tán xạ ánh sáng, giữ cho màng có độ trong suốt cao Độ trong suốt của màng PVA-ZnO là một yếu tố quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng cần đến tính quang học và thẩm mỹ cao.[54] Độ bền cơ học: Độ bền cơ học của màng PVA-ZnO được cải thiện đáng kể so với màng PVA tinh khiết do sự hiện diện của các hạt nano ZnO Các hạt nano ZnO giúp tăng cường độ bền kéo, độ bền uốn và độ cứng của màng Tuy nhiên, độ bền cơ học cũng phụ thuộc vào việc liên kết chéo giữa các chuỗi PVA.[54]
Màng PVA-ZnO có tính ưa nước do PVA là một polyme ưa nước, nhưng tính chất này có thể giảm khi nồng độ ZnO tăng, vì bề mặt của các hạt nano ZnO ít ưa nước hơn.
Màng PVA-ZnO có khả năng kháng khuẩn hiệu quả nhờ vào tính chất của ZnO, với cơ chế hoạt động liên quan đến việc tạo ra các gốc tự do oxy, gây tổn thương màng tế bào vi khuẩn Bên cạnh đó, PVA và ZnO đều có độ bền hóa học tốt, mặc dù PVA có thể bị phân hủy trong môi trường axit hoặc kiềm mạnh, trong khi ZnO có thể phản ứng với một số axit mạnh Độ bền hóa học của màng PVA-ZnO phụ thuộc vào nồng độ ZnO và điều kiện môi trường xung quanh.
PVA là một polyme có khả năng phân hủy sinh học, vì vậy màng PVA-ZnO cũng sở hữu tính chất này Tuy nhiên, tốc độ phân hủy sinh học của màng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nồng độ ZnO và các điều kiện môi trường.
Hình 3.3 Phổ hấp thụ ánh sáng của (a) PVA tinh khiết; (b) nano ZnO; (c–f) Màng nanocomposite PVA–ZnO [17]
Máy quang phổ nhiễu xạ tia X, đặc biệt là máy nhiễu xạ bột (PXRD), có nhiều loại như máy để bàn, máy để sàn và máy di động Mặc dù có sự khác biệt về hình thức, tất cả các loại máy này đều bao gồm các bộ phận chính giống nhau.
Khả năng hấp thụ ánh sáng:
Việc pha tạp nano ZnO vào mạng PVA đã làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của PVA trong vùng UV-Visible, với sự dịch chuyển cạnh hấp thụ sang bước sóng cao hơn khi nồng độ nano ZnO tăng Sự dịch chuyển này có thể liên quan đến sự phát triển vi biến dạng trong ma trận PVA-ZnO, gây ra bởi sự kết hợp của ZnO, dẫn đến thay đổi cấu trúc dải năng lượng của ZnO pha tạp và thể hiện qua sự dịch chuyển cạnh hấp thụ.
Sự dịch chuyển băng tần quang:
Khi tăng mức độ pha tạp, khoảng cách băng tần gián tiếp giảm từ 4,76 eV xuống 2,38 eV, cho thấy sự nhường năng lượng ở dải dẫn do biến dạng kéo trong màng composite và sự hình thành khuyết tật trong ma trận polymer Những khuyết tật này tạo ra các trạng thái cục bộ trong khoảng cách băng tần quang, làm giảm khoảng cách dải năng lượng khi nồng độ pha tạp tăng Hiệu ứng dịch chuyển màu đỏ của năng lượng khe hở dải quang liên quan đến cấu trúc, kích thước hạt và cấu trúc vi mô bề mặt của chất độn, đã làm thay đổi cấu trúc polymer chủ Sự gia tăng hệ số hấp thụ và giảm khoảng cách dải quang của màng nanocomposite với nồng độ pha tạp cao hứa hẹn ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử.
Hình 3.4.Khoảng cách băng tần gián tiếp của màng nanocomposite PVA, nano ZnO tinh khiết và PVA-ZnO [17]
Khả năng quang phát quang:
Phổ phát xạ phát quang của nano ZnO và nanocomposite PVA cho thấy đỉnh kích thích rõ rệt ở vùng UV tại 350nm, điều này cho thấy sự hiện diện của các khuyết tật trong cấu trúc.
Trong ZnO, có bốn loại khuyết tật mạng tinh thể: Vzn (vị trí trống kẽm), Zin (kẽm trên các vị trí kẽ), Oi (oxy trên các vị trí kẽ) và ba loại vị trí trống oxy Khi exciton bị hủy diệt, hiện tượng phát quang đặc trưng xảy ra do sự tái tổ hợp bức xạ giữa electron và lỗ trống.
Hình 3.6 Phổ phát xạ nano ZnO và nanocomposite ZnO [17]
Phổ phát xạ của ZnO thể hiện sự phát quang ở vùng màu xanh lam, với cường độ phát xạ thay đổi theo nồng độ ZnO Hai đỉnh phát xạ quan trọng xuất hiện ở 389 nm và 470 nm, do sự phát quang kích thích từ ZnO Đặc biệt, phát xạ tia cực tím gần 389 nm thường được quan sát trong vật liệu ZnO Sự mở rộng của đỉnh phát xạ ở 470 nm khi nồng độ pha tạp tăng có thể do quá trình chuyển đổi hỗ trợ bởi phonon Quang phổ cho thấy cường độ phát quang tối ưu đạt được ở nồng độ 10 mol% ZnO, trong khi cường độ phát xạ giảm ở nồng độ 15 mol% và 20 mol% do hiện tượng tự hấp thụ ánh sáng.
Việc bổ sung ZnO vào nền PVA đã nâng cao độ dẫn điện của màng, và nồng độ khác nhau của ZnO sẽ ảnh hưởng đến tính dẫn điện của chúng.
Thông qua một số khảo sát:
Hình 3.7 Hình ảnh AFM của 0.5% và 4% nanocomposite PVA/ZnO [18].
Hình 3.8 Thời gian giãn nở của PVA/ZnO ở các nồng độ ZnO khác nhau [18].
Hình 3.9 Cole–Cole Plot For Various Wt.% of PVA/ZnO nanocomposites [18].
THỰC NGHIỆM
Dụng cụ và thiết bị
Bảng 1.1 Dụng cụ sử dụng trong quá trình tổng hợp nano ZnO
STT Dụng cụ Số lượng Hình ảnh
Bảng 1.2 Thiết bị sử dụng trong quá trình tổng hợp nano ZnO
STT Thiết bị Số lượng Hình ảnh
4 Bộ máy hút chân không 1
Hóa chất
Bảng 1.3 Hóa chất sử dụng trong quá trình tổng hợp ZnO
Quy trình thí nghiệm
Hình 1.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp ZnO
STT Tên hóa chất Ký hiệu hóa học Đơn
1 Kẽm axetat Zn(CH3COO)2.2H2O Gam 10,973
Chất hoạt động bề mặt SDS
CH3(CH2)11SO4Na Gam 0,876 m SDS =m ZnAc ×8.973×8 %=0.878g
Thuyết minh quy trình
Bước 1: Cho 125ml nước vào bercher chứa 2,000g NaOH, khuấy từ hỗn hợp đến tan hoàn toàn thu dung dịch NaOH 0,4M.
Bước 2: Cho 125ml nước cất vào 10,973g Zn(CH3COO)2.2H2O đã được đựng sẵn trong bercher Khuấy hỗn hợp bằng máy khuấy từ cho đến khi tan hoàn toàn ở 70oC.
Bước 3: Thêm 0,876g SDS vào dung dịch trên và tiếp tục khuấy đến khi tan hoàn toàn.
Bước 4: Thêm từng giọt NaOH 0,4M vào dung dịch cho đến khi độ pH đạt 8 đến 9, tiếp tục khuấy 2h ở nhiệt độ 65 o C để dung dịch ổn định.
Bước 5: Lọc rửa kết tủa bằng nước cất kết hợp hút chân không cho đến khi dung dịch đạt pH=7 và thu được mẫu kết tủa trắng.
Bước 6: Sấy mẫu thu được ở nhiệt độ 70°C cho đến khi khối lượng mẫu không đổi.
Bước 7: Đem mẫu vừa sấy nung ở 500°C trong 4 giờ.
Bước 8: Để bảo quản mẫu đã nung, hãy đặt chúng trong bình hút ẩm nhằm ngăn chặn việc hút ẩm từ môi trường Sau đó, áp dụng các phương pháp phân tích để đánh giá chất lượng của mẫu.
Zn(CH3COO)2.2H2O + 2NaOH → Zn(OH)2 + 2CH3COONa + 2H2O
Hiệu suất của quá trình phản ứng m trước nung =4.19 g m ZnO sau nung =3.508g
⇒Hiệu suất nung= m ZnO sau nung m ZnO trước nung ×100=3.508
Tổng hợp màng PVA
2.1 Dụng cụ và thiết bị
Bảng 2.1 Dụng cụ sử dụng trong quá trình tổng hợp màng PVA
STT Dụng cụ Số lượng Hình ảnh
Bảng 2.2 Thiết bị sử dụng trong quá trình tổng hợp màng PVA
STT Thiết bị Số lượng Hình ảnh
Bảng 2.3 Hóa chất sử dụng cho quá trình tổng hợp màng PVA
STT Tên hóa chất Ký hiệu hóa học Đơn vị Số lượng
1 Polyvinyl alcohol PVA Gam (g) 3 60ml PVA 5%
Hình 2.1 Quy trình tổng hợp màng PVA
Bước 1: Cho 60ml nước cất vào becher, khuấy và gia nhiệt tới nhiệt độ 80°C.
Bước 2: Cân 3g bột PVA rồi cho từ từ vào becher Tiếp tục khuấy hỗn hợp cho đến khi tan hoàn toàn và tạo thành dung dịch trong suốt
Bước 3: Đổ khuôn (sử dụng đĩa petri làm khuôn)
Bước 4: Để đĩa ở môi trường chân không, nhiệt độ phòng, 48h ta thu được màng PVA.
Hiệu suất của quá trình tổng hợp:
Nhận xét: Hiệu suất không đạt 100% vì trong quá trình tổng hợp PVA còn bám lượng rất nhỏ 5% trên dụng cụ thí nghiệm.
Tổng hợp màng nano composite PVA/ZnO
3.1 Dụng cụ và thiết bị
Bảng 3.1 Dụng cụ sử dụng trong quá trình tạo màng nano composite PVA/ZnO
STT Dụng cụ Số lượng Hình ảnh
Bảng 3.2 Thiết bị sử dụng trong quá trình tạo màng nano composite PVA/ZnO
STT Thiết bị Số lượng Hình ảnh
Bảng 3.3 Hóa chất dùng trong quá trình tạo màng PVA/ZnO
STT Tên hóa chất Ký hiệu hóa học Đơn vị Số lượng Cách tính
Hình 3.1 Quy trình tổng hợp màng nanocomposite PVA/ZnO
Bước 1: Cho 80ml nước cất vào bercher và gia nhiệt đến 80 o C
Bước 2: Cho 3.8g PVA vào bercher trên
Bước 3: Khuấy hỗn hợp bằng máy khuấy từ ở nhiệt độ 80 o C đến khi dung dịch đồng nhất
Bước 4: Cho 0.2g ZnO cho vào dung dịch PVA
Bước 5: Khuấy hỗn hợp bằng máy khuấy từ ở nhiệt độ 80 o C đến khi dung dịch đồng nhất.
Bước 6: Cô cạn hỗn hợp đến 50ml
Bước 6: Đổ hỗn hợp ra đĩa petri
Bước 7: Sấy ở nhiệt độ phòng
ĐÁNH GIÁ
Các phương pháp đánh giá
1.1 Đo nhiễu xạ tia X (XRD)
Kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD) là phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu dựa trên sự tương tác giữa tia X và cấu trúc của vật liệu XRD giúp nghiên cứu cấu trúc tinh thể, xác định vị trí và sắp xếp của các nguyên tử trong ô đơn vị, cũng như khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử Phương pháp này cho phép xác định chính xác các pha tinh thể, định lượng pha tinh thể và kích thước tinh thể của mẫu bột với độ tin cậy cao Đặc biệt, XRD là kỹ thuật kiểm tra không phá hủy, có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu như khoáng chất, polyme, nhựa, kim loại, chất bán dẫn, gốm sứ và pin mặt trời.
Hình 1.1 Cơ chế nhiễu xạ tia X trong tinh thể [25]
Lý thuyết nhiễu xạ tia X được William L Bragg phát triển vào năm 1913, với điều kiện xảy ra hiện tượng nhiễu xạ được mô tả bởi phương trình Bragg: n = 2d(hkl)sin(θ), trong đó λ là bước sóng của tia X.
- dhkl là khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể.
- θ là góc Bragg - vị trí xuất hiện đỉnh nhiễu xạ.
Các số nguyên n = 1, 2, 3, được gọi là bậc nhiễu xạ Hầu hết các vật liệu rắn có thể được phân loại thành hai trạng thái pha: vô định hình và tinh thể Vô định hình là trạng thái mà các phân tử được sắp xếp ngẫu nhiên, tương tự như trong chất lỏng Ngược lại, trạng thái tinh thể có cấu trúc phân tử được sắp xếp một cách có trật tự theo một quy luật nhất định Khoảng 95% vật liệu rắn tồn tại ở trạng thái tinh thể.
Trong tinh thể, các nguyên tử, ion hay phân tử được sắp xếp theo một quy luật nhất định trong không gian ba chiều, tạo thành mạng tinh thể với các thông số độ dài a, b, c và góc α, β, γ Khi chiếu chùm tia X vào mạng tinh thể, các electron của nguyên tử sẽ tán xạ đàn hồi, tạo ra sóng cầu nhiễu xạ và các vùng giao thoa Các tia X nhiễu xạ trên các mặt phẳng tinh thể (hkl) thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ Bragg sẽ tạo ra các cực đại nhiễu xạ tại vị trí góc nhiễu xạ hkl arcsin(n/2d) = λ Thông thường, chỉ có các nhiễu xạ bậc 1 (n = 1) được quan sát.
Từ mối quan hệ giữa dhkl và các hằng số mạng trong từng loại cấu trúc tinh thể, chúng ta có thể xác định chính xác các hằng số mạng của tinh thể Đối với hệ tinh thể lục phương (hexagonal), có một biểu thức liên hệ giữa dhkl và các hằng số mạng theo công thức [25].
Các tinh thể phát triển theo các hướng nhất định, tạo ra hình thái hạt với kích thước xác định, gọi là kích thước tinh thể Kích thước tinh thể trung bình có thể được xác định thông qua số lượng và hình dạng của các cực đại nhiễu xạ Theo Scherrer, kích thước hạt tinh thể có ảnh hưởng đến sự mở rộng đỉnh nhiễu xạ; kích thước tinh thể trung bình càng nhỏ thì độ rộng của các vạch nhiễu xạ càng lớn Ngoài ra, hiệu ứng tán xạ góc bé cũng liên quan đến kích thước tinh thể trung bình Mối liên hệ giữa độ rộng vạch nhiễu xạ và kích thước trung bình của hạt tinh thể được mô tả theo công thức Scherrer.
D là kích thước trung bình của hạt tinh thể. dhkl là khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể. θ là góc Bragg - vị trí xuất hiện đỉnh nhiễu xạ.
Công thức Scherrer chỉ xem xét ảnh hưởng của kích thước tinh thể đến độ mở rộng đỉnh nhiễu xạ mà không tính đến biến dạng tinh thể do khuyết tật mạng, ranh giới hạt hay lỗi xếp chồng Để khảo sát ảnh hưởng đồng thời của kích thước hạt và sự biến dạng mạng tinh thể, phương pháp Williamson-Hall (W-H) áp dụng kỹ thuật phân tích hồi quy tuyến tính được sử dụng thay thế cho phương trình Scherrer.
Theo phương pháp Williamson-Hall, sự mở rộng đỉnh nhiễu xạ do biến dạng mạng được xác định thông qua mật độ biến dạng mạng ε và được thể hiện bằng biểu thức β strain = 4 cos().
Khi đó, độ bán rộng của vạch nhiễu xạ tại vị trí góc θ theo Williamson-Hall được xác định theo biểu thức: β hkl =β ¿+ β strain = k
Phương trình tuyến tính biểu diễn β hkl cos() theo tham số 4 sin() tạo thành đường thẳng và được gọi là phương trình biến dạng đồng nhất (UDM), phản ánh tính đẳng hướng của tinh thể Độ dốc của đồ thị cung cấp thông tin về mật độ biến dạng mạng ε, trong khi hệ số chặn (intercept) cho biết kích thước trung bình của hạt tinh thể.
Phần mềm X’Pert HighScore Plus
X'Pert HighScore Plus là công cụ phân tích dữ liệu mẫu bột từ giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), tích hợp nhiều chức năng như nhận dạng pha, phân tích tinh thể, kích thước tinh thể và tính toán Rietveld Phần mềm này giúp xác định các thành phần hóa học và cấu trúc bên trong của mẫu, từ đó đánh giá chất lượng và tính chất vật liệu Nó cũng nghiên cứu cấu trúc tinh thể, cung cấp thông tin về các thông số mạng tinh thể, khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể (d-spacing) và hướng kết tinh Với thuật toán phân tích đỉnh, phần mềm tính toán kích thước hạt tinh thể và phân bố kích thước Ngoài ra, X’Pert HighScore Plus có khả năng so sánh dữ liệu nhiễu xạ thực nghiệm với mẫu chuẩn từ cơ sở dữ liệu quốc tế, giúp nhanh chóng nhận diện và xác minh các pha hoặc thành phần vật liệu.
1.2 Kiểm tra độ bền hóa học
Các hóa chất sử dụng để thực hiện kiểm tra độ bền hóa học màng PVA và ZnO/PVA được liệt kê trong bảng.
Bảng 1.1 Các hóa chất sử dụng trong quá trình kiểm tra độ bền hóa học
Hóa chất Nguồn gốc Nồng độ
Màng PVA Nhóm thực nghiệm -
Màng ZnO/PVA Nhóm thực nghiệm 5wt%
Bảng 1.2 Các dụng cụ sử dụng trong quá trình kiểm tra độ bền hóa học
STT Dụng cụ Số lượng Hình ảnh
Quy trình tổng quát thực nghiệm
Hình 1.2 Quy trình tổng quát chuẩn bị dung dịch có pH khác nhau
Hình 1.3 Quy trình tổng quát kiểm tra độ bền hóa học Thuyết minh quy trình
Bước 1: Chuẩn bị 100ml dung môi có pH là 4, 7 và 10 Với mỗi dung dịch nồng độ khác nhau chia làm 2 becher, mỗi becher 50ml.
Để tạo dung dịch có pH = 4, cho 0,001g dung dịch axit HCl 37% vào 100ml nước cất trong một becher Khuấy đều bằng đũa thủy tinh cho đến khi dung dịch đồng nhất, sau đó kiểm tra độ pH bằng giấy quỳ và điều chỉnh để đạt pH = 4 Cuối cùng, chia dung dịch thành hai becher 50ml.
Dung dịch pH = 7, đong 100ml nước cất và chia thành 2 becher 50ml.
Để chuẩn bị dung dịch pH = 10, cho 0,0004g NaOH 96% vào 100ml nước cất trong becher, khuấy đều cho đến khi dung dịch đồng nhất Kiểm tra độ pH bằng giấy quỳ và điều chỉnh cho đạt pH = 10 Cuối cùng, chia dung dịch thành hai becher 50ml.
Bước 2: Cho 0,2 – 0,5g màng PVA và màng ZnO/PVA vào becher chứa 50ml dung dịch có nồng độ pH tương ứng trong 1 giờ.
Bước 3: Cân khối lượng màng PVA và màng ZnO/PVA sau khi ngâm và ghi nhận kết quả. 1.3 Phân hủy màu
Các hóa chất sử dụng để thực hiện kiểm tra độ phân hủy màu màng PVA và ZnO/PVA được liệt kê trong bảng 1.3.
Bảng 1.3 Các hóa chất sử dụng trong phân hủy màu
Hóa chất Nguồn gốc Nồng độ
Màng PVA Nhóm thực nghiệm -
Màng ZnO/PVA Nhóm thực nghiệm 5wt%
Methyl blue Cô cung cấp 15mg/l
Bảng 1.4 Các dụng cụ sử dung trong quá trình thí nghiệm
STT Tên Số lượng Hình ảnh
Bảng 1.5 Thiết bị cần dùng trong quá trình thí nghiệm
STT Tên Số lượng Hình ảnh
Quy trình tổng quát thực nghiệm
Hình 1.4 Quy trình tổng quát kiểm tra độ phân hủy màu của màng PVA và ZnO/PVA trong dung dịch methyl blue Thuyết minh quy trình
Để chuẩn bị dung dịch methyl blue 7mg/l, đầu tiên cho 28ml methyl blue 15 mg/l vào becher chứa 32ml nước cất Khuấy đều bằng đũa thủy tinh cho đến khi dung dịch đồng nhất, thu được tổng thể tích 60ml Cuối cùng, chia dung dịch thành 3 lọ thủy tinh, mỗi lọ 20ml.
Bước 2: Cho 0,5g màng PVA vào lọ thủy tinh chứa 20ml methyl blue 7 mg/l Tiếp tục, cho
0,5g màng ZnO/PVA vào lọ thủy tinh chứa 20ml methyl blue 7mg/l Lọ methyl blue 7% còn lại để so sánh 3 lọ thủy tinh được chiếu tia UV trong 45 phút.
Bước 3: Cân khối lượng màng sau ngâm và so sánh sự thay đổi màu sắc của dung dịch methyl blue trong 3 lọ.
Kết quả và bàn luận
Hình 2.1 Phổ XRD của ZnO nung ở 500 o C
Phân tích XRD của mẫu ZnO nung ở 500 o C trong 2 giờ ở môi trường không khí được minh họa ở hình 4.1 Mẫu XRD (hình 1) thể hiện chín đỉnh nhiễu xạ (100), (002), (101), (102), (110), (103),
Các đỉnh nhiễu xạ được xác định bằng phần mềm X’pert highscore, với phổ chuẩn JCPDS 01-075-1526 cho cấu trúc wurtzite ZnO (Hexalgon), pha ổn định nhất về mặt nhiệt động lực học của ZnO ở điều kiện thường Nhóm không gian tương ứng của ZnO là P63mc, với cường độ các đỉnh tương đối rõ, chứng minh khả năng kết tinh tốt của mẫu ZnO Các tham số mạng a và c của mẫu ZnO được tính dựa trên mối liên hệ giữa các mặt phẳng.
Từ phương trình trên, ta có tính thông số mạng a và b bằng cách chọn mặt mạng có chỉ số Millner l=0 thì công thức sẽ trở thành như sau:
Thông số mạng c, cũng được tính bằng cách tương tự, ta sẽ chọn mặt mạng có chỉ số h=0 và k=0 thì công thức sẽ trở thành:
Trong đó d là khoảng cách giữa các mặt mạng được tính bằng định luật Bragg:
Với n=1, 2, 3, … được gọi là bậc nhiễu xạ
Các mặt phẳng phản xạ tương ứng với các chỉ số Millner h, k và l Tham số mạng trung bình được xác định từ phương trình (1) là a=3.234 Å và c=5.171 Å, cho thấy sự phù hợp với các tham số mạng của phổ chuẩn, cụ thể là a=3.220 Å và c=5.200 Å.
Kích thước tinh thể có thể được tính toán thông qua độ rộng tại chiều cao của đỉnh nhiễu xạ trong mẫu XRD, theo phương pháp Scherrer Sự mở rộng của đỉnh nhiễu xạ phản ánh kích thước tinh thể (D), được xác định bằng công thức [36].
Hệ số hình dạng hay hệ số Scherrer (D) được xác định thông qua độ rộng tại chiều cao của đỉnh nhiễu xạ (b hkl) tương ứng với góc nhiễu xạ (θ) và bước sóng (λ) Kết quả cho thấy kích thước tinh thể trung bình đạt được từ phương pháp Scherrer là 343 nm.
Sự mở rộng của đỉnh nhiễu xạ không chỉ phụ thuộc vào kích thước tinh thể mà còn bị ảnh hưởng bởi sự biến dạng mạng tinh thể (ε), do trường ứng suất từ thể tích dư thừa trên ranh giới hạt Để tính toán kích thước tinh thể và biến dạng mạng tinh thể, phương pháp Williamson-Hall (W-H) được áp dụng Trong phương pháp này, sự mở rộng đỉnh nhiễu xạ liên quan đến hai yếu tố: kích thước tinh thể có mối quan hệ với cos(θ) và sự biến dạng mạng tinh thể có mối quan hệ với tan(θ) Phương trình W-H được sử dụng để tính toán các giá trị D và ε.
Biến dạng trong phương pháp W-H được coi là đồng nhất trong tất cả các hướng tinh thể, như thể hiện qua đồ thị W-H của mẫu ZnO trong Hình 2 Hệ số góc của đường hồi quy đại diện cho độ biến dạng , trong khi tung độ gốc cung cấp thông tin bổ sung Các thông số mạng và kích thước tinh thể sẽ được trình bày chi tiết trong Bảng 2.1.
Mật độ lệch vị (δ) là yếu tố quan trọng quyết định tính chất vật liệu, với giá trị cao của nó chỉ ra mức độ cứng cao Để đánh giá mật độ lệch vị (δ), người ta sử dụng mối quan hệ Williamson-Smallmans.
Với n=1 khi đó mật độ lệch vị là tối thiểu Giá trị mật độ lệch vị trung bình thu được là 17,82.10 -4 nm
Bảng 2.1 trình bày các tham số cấu trúc của ZnO được xác định từ dữ liệu XRD, bao gồm các giá trị kích thước tinh thể (D) và biến dạng mạng tinh thể (ε) được tính toán bằng phương pháp Scherrer và W-H.
(nm) b hkl (Rad) Phương pháp Scherrer
Trong bài báo cáo này, nhóm tác giả kiểm tra độ hấp thụ của màng PVA và ZnO/PVA trong các môi trường pH khác nhau nhằm xác định ảnh hưởng của ZnO đến độ bền phân hủy của màng PVA, phục vụ cho ứng dụng trong ngành công nghiệp xử lý nước Màng ZnO/PVA với độ bền hóa học cao mở ra cơ hội ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm y tế, nơi màng này có thể được sử dụng làm vật liệu kháng khuẩn cho băng gạc và sản phẩm y tế khác Ngoài ra, trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, màng ZnO/PVA có thể ứng dụng trong hệ thống lọc nước và sản xuất bao bì bảo vệ thực phẩm Đánh giá mức độ phân hủy được thực hiện dựa trên khối lượng của màng trước và sau khi ngâm mẫu trong môi trường với pH khác trong 1 giờ, với kết quả thử độ bền phân hủy được mô tả qua bảng.
Bảng 2.2 Khối lượng trước và sau khi ngâm mẫu màng PVA
Nồng độ pH Khối lượng trước ngâm (g)
Khối lượng sau ngâm (g) Δ Khối lượng % Khối lượng thay đổi pH = 4
Bảng 2.3 Khối lượng trước và sau khi ngâm mẫu màng ZnO/PVA
Nồng độ pH Khối lượng trước ngâm (g)
Khối lượng sau ngâm (g) Δ khối lượng % Khối lượng thay đổi pH = 4
Màng ZnO/PVA cho thấy độ trong suốt cao hơn so với màng PVA đơn thuần, cho thấy sự tương tác giữa ZnO và PVA tạo ra cấu trúc ổn định hơn Qua việc so sánh khối lượng trước và sau khi ngâm, có thể đánh giá độ hấp thụ nước và tính ổn định của cả hai loại màng trong dung dịch có độ pH khác nhau Kết quả kiểm tra cho thấy màng PVA có phần trăm khối lượng thay đổi cao nhất trong môi trường có pH = 10.
Trong môi trường có độ pH = 4, phần trăm khối lượng thay đổi thấp nhất là 161,6%, trong khi màng ZnO/PVA cho thấy phần trăm khối lượng thay đổi cao nhất trong các môi trường khác.
= 4 là 282,9% và phần trăm khối lượng thay đổi thấp nhất trong môi trường có độ pH = 10 là 258,4% trong 3 môi trường.
Trong môi trường có nồng độ pH cao, sự hiện diện của anion OH – dư thừa bao phủ bề mặt màng PVA và PVA/ZnO, dẫn đến việc hình thành lớp thụ động Điều này làm giảm hiệu quả hấp phụ của vật liệu.
Khối lượng màng tăng do sự bổ sung dung môi trong cấu trúc màng, và để đánh giá độ bền hóa học, cần sấy khô màng sau khi ngâm trong dung dịch để loại bỏ dung môi, sau đó cân khối lượng màng Mức độ bền hóa học được đánh giá qua phần trăm khối lượng thay đổi của màng trong các dung dịch có pH khác nhau Kết quả kiểm tra cho thấy pH ảnh hưởng đến sự hấp thụ của màng PVA và ZnO/PVA, đồng thời so sánh cho thấy sự hiện diện của ZnO có tác động rõ rệt qua độ hút nước của màng ZnO/PVA.
Nghiên cứu cho thấy sự hiện diện của ZnO trong màng PVA làm thay đổi tính chất quang học của polymer Cải thiện độ bền hóa học của màng ZnO/PVA có thể được giải thích qua một số cơ chế: ZnO tạo ra các liên kết hydrogen π–π* (C = C) của PVA, củng cố cấu trúc mạng lưới; giảm khả năng hấp thụ nước của màng PVA, từ đó giảm khả năng phân hủy do môi trường ẩm; và cung cấp khả năng bảo vệ UV, giảm thiệt hại do bức xạ cực tím, điều này rất quan trọng cho các ứng dụng ngoài trời.
Nghiên cứu cho thấy rằng màng ZnO/PVA có độ bền hóa học vượt trội so với màng PVA đơn thuần Việc bổ sung ZnO không chỉ cải thiện các tính chất vật lý mà còn tăng cường khả năng chống lại tác động của hóa chất Điều này mở ra hướng phát triển mới cho các vật liệu polymer trong lĩnh vực bảo vệ môi trường và y tế.
2.3 Khả năng phân hủy màu
TỔNG KẾT
Nghiên cứu cho thấy màng composite ZnO/PVA vượt trội hơn so với màng PVA thông thường, đặc biệt trong ứng dụng xử lý môi trường Sự kết hợp giữa ZnO và PVA đã cải thiện rõ rệt các đặc tính của màng ZnO/PVA.
Màng ZnO/PVA có khả năng phân hủy màu hiệu quả trong dung dịch methyl blue 7wt% khi chiếu sáng UV Nhờ vào khả năng quang xúc tác của ZnO, màng này tạo ra các gốc tự do như OH và O₂, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ và giảm thiểu ô nhiễm trong nước thải công nghiệp.
Màng ZnO/PVA cho thấy độ bền hóa học vượt trội so với màng PVA, với khả năng chịu đựng tốt trong các môi trường axit và kiềm Việc bổ sung ZnO không chỉ cải thiện độ ổn định của màng mà còn giảm thiểu sự hấp thụ nước, điều này rất quan trọng vì PVA có khả năng hấp thụ nước cao, dễ dẫn đến tình trạng trương nở hoặc phân hủy trong môi trường ẩm ZnO tạo ra các liên kết chặt chẽ hơn giữa các phân tử polymer, từ đó giảm khả năng thẩm thấu nước Hơn nữa, tính hút ẩm thấp của ZnO giúp giảm tương tác giữa PVA và nước, làm cho màng ZnO/PVA ít bị phân hủy hơn trong điều kiện ẩm ướt, mở ra tiềm năng ứng dụng cao trong môi trường ngoài trời và các điều kiện công nghiệp khắc nghiệt.
Màng ZnO/PVA có khả năng hấp thụ ánh sáng UV tốt hơn so với màng PVA truyền thống, nhờ vào sự kết hợp giữa ZnO và PVA Sự kết hợp này không chỉ tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng UV mà còn cải thiện khả năng điều chỉnh năng lượng băng tần của vật liệu, làm cho màng ZnO/PVA trở thành lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị quang điện tử Bên cạnh đó, nồng độ ZnO trong màng cũng ảnh hưởng đến hiệu ứng màu sắc, cho phép tạo ra các hiệu ứng quang học đa dạng tùy theo tỷ lệ ZnO được bổ sung.
Màng nano composite PVA/ZnO đã thể hiện những đặc tính vượt trội, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau So với màng PVA thuần, composite PVA/ZnO không chỉ có tính chất cơ học tốt hơn mà còn có độ bền hóa học cao hơn, đồng thời giảm khả năng hút nước, hạn chế sự phân hủy trong môi trường ẩm Sự hiện diện của các hạt nano ZnO góp phần tăng cường tính ổn định của cấu trúc màng thông qua các tương tác giữa chúng.
Màng PVA/ZnO không chỉ hình thành các liên kết hydro bổ sung mà còn thể hiện tính chất kháng khuẩn và khả năng hấp thụ, phân hủy hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ như methyl blue trong dung dịch Nhờ vào hoạt tính quang xúc tác của ZnO dưới ánh sáng UV, màng PVA/ZnO trở thành lựa chọn tiềm năng cho các ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp và bảo vệ môi trường.
Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh tính chất quang học của màng PVA/ZnO bằng cách thay đổi nồng độ ZnO có tiềm năng phát triển trong các thiết bị quang điện tử, nơi yêu cầu vật liệu hấp thụ và truyền ánh sáng hiệu quả Sự dịch chuyển băng tần quang và tăng cường độ hấp thụ ánh sáng của màng composite này là yếu tố quan trọng nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng năng lượng và điện tử hiện đại.
Màng PVA/ZnO, với những đặc điểm vượt trội, là vật liệu tiềm năng có thể được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như y sinh, xử lý môi trường và công nghệ quang học tiên tiến.