Luận văn công nghệ hóa thực phẩm tổng hợp và khảo sát tính chất hạt nano đồng trong môi trường glycerin sử dụng phương pháp khử hydrazin hydarat và nhiệt vi sóng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ & THỰC PHẨM …  … BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA NANO ĐỒNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỬ HÓA HỌC CÓ SỰ HỖ TRỢ CỦA NHIỆT VI SÓNG CAO VĂN DƯ NGUYỄN XUÂN CHƯƠNG Biên Hoà, Tháng 6 năm 2012 1 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Thang kích thước Error! Bookmark not defined. Hình 1.2: Sự mở rộng khe dải và mức năng lượng của các Error! Bookmark not defined. Hình 1.3: Sự phân bố của các nguyên tử trên bề mặt so với Error! Bookmark not defined. Hình 1.4: Phổ hấp thụ của CdSe từ ảnh TEM với kích thước từ trái qua: 2.1, 2.5, 2.7, 3.1, 3.8, và 4.2nm Error! Bookmark not defined. Hình 1.5: Sự sao động plasmon của các hạt hình cầu dưới tác động của điện trường ánh sáng Error! Bookmark not defined. Hình 1.6: Sự thay đổi phổ bước sóng hấp thu UV – vis Error! Bookmark not defined. Hình 1.7: Phổ UV – vis của hạt que nano Error! Bookmark not defined. Hình 1.8: Hai nguyên lý để chế tạo hạt nano kim loại Error! Bookmark not defined. Hình 1.9: Tổng quan quá trình hình thành dung dịch nano kim loại . Error! Bookmark not defined. Hình 1.10: Cấu trúc tinh thể của đồng Error! Bookmark not defined. Hình 1.11: Cấu hình electron của đồng Error! Bookmark not defined. Hình 1.12: Giản đồ Latime Error! Bookmark not defined. Hình 1.13: Tượng Nữ Thần Tự Do và dây điện bằng đồng Error! Bookmark not defined. Hình 1.14: Đồng tiền xu và bảng mạch điện tử bằng đồng Error! Bookmark not defined. Hình 1.15: Trống đồng Đông Sơn và kèn bằng đồng Error! Bookmark not defined. Hình 1.16: Quy trình tổng hợp nano Cu Error! Bookmark not defined. Hình 1.17: Quy trình tổng hợp nano Cu với nhiều hình dạng khác nhau với việc điều chỉnh thông số nồng độ N 2 H 4 và pH Error! Bookmark not defined. Hình 1.18: Tổng hợp nano Cu bằng phương pháp khử qua hai bước khử Error! Bookmark not defined. Hình 1.19: Tổng hợp nano Cu theo phương pháp phân hủy nhiệt với tác chất là phức [Cu(O 4 C 2 )] – oleylamine Error! Bookmark not defined. 2 Hình 1.20: Tổng hợp nano Cu với phức đồng Salicylidiminate trong oleylamine Error! Bookmark not defined. Hình 1.21: Sản phẩm chăm sóc da MesoCopper Error! Bookmark not defined. Hình 1.22: Những phản ứng có sự xúc tác nano đồng Error! Bookmark not defined. Hình 1.23: Mực in nano Cu và máy in phun sử dụng mực in nano Cu phát triển bởi Samsung Electro-Mechanics Error! Bookmark not defined. Hình 1.24: Lưới lọc nano đồng trong máy điều hòa của Toshiba Error! Bookmark not defined. Hình 1.25: Ứng dụng nano đồng trong tủ lạnh Error! Bookmark not defined. Hình 2.1: Lò vi sóng Sanyo EM - S2088W Error! Bookmark not defined. Hình 2.3: Máy UV – vis – Phòng thí nghiệm – Khoa Công Nghệ Hóa – Thực Phẩm – Trường Đại Học Lạc Hồng Error! Bookmark not defined. Hình 2.4: Hệ thống kính hiển vi điện tử truyền qua JEM – 1400 Error! Bookmark not defined. Hình 2.5: Nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined. Hình 2.6: Nguyên tắc hoạt động của máy chụp nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined. Hình 3.1. Sự hình thành phức hợp giữa PVP và hạt nano đồng Error! Bookmark not defined. Hình 3.2. Phổ XRD của mẫu nano Cu Error! Bookmark not defined. Hình 3.3. Phổ UV-Vis của dung dịch nano Cu được tổng hợp theo nồng độ chất khử hydrazine hydrat M1 (0,1M), M2 (0,2M), M3 (0,3M), M4 (0,5M) Error! Bookmark not defined. Hình 3.5. Ảnh TEM và biểu đồ sự phân bố kích thước hạt nano Cu được tổng hợp với nồng độ chất khử hydrazine hydrat 0.2M (M2) Error! Bookmark not defined. Hình 3.6. Ảnh TEM và biểu đồ sự phân bố kích thước hạt nano Cu được tổng hợp với nồng độ chất khử hydrazine hydrat 0.5M (M4) Error! Bookmark not defined. Hình 3.7: Phổ UV-Vis của dung dịch nano Cu được tổng hợp theo nhiệt độ Error! Bookmark not defined. Hình 3.8. Ảnh TEM và biểu đồ sự phân bố kích thước hạt nano Cu . Error! Bookmark not defined. 3 Hình 3.9. Ảnh TEM và biểu đồ sự phân bố kích thước hạt nano Cu . Error! Bookmark not defined. Hình 3.10. Ảnh TEM và biểu đồ sự phân bố kích thước hạt nano Cu Error! Bookmark not defined. Hình 3.11. Phổ UV-vis của dung dich nano Cu Error! Bookmark not defined. Hình 3.12. Ảnh TEM và biểu đồ sự phân bố kích thước hạt nano Cu Error! Bookmark not defined. Hình 3.13. Ảnh TEM và biểu đồ sự phân bố kích thước hạt nano Cu Error! Bookmark not defined. Hình 3.14. Ảnh TEM và biểu đồ sự phân bố kích thước hạt nano Cu Error! Bookmark not defined. Hình 3.15. Phổ UV-vis của dung dịch nano Cu được tổng hợp với sự có mặt của trinatri citrat (a) trong PVP, (b) trong PVA. Error! Bookmark not defined. Hình 3.16. Ảnh TEM và biểu đồ sự phân bố kích thước hạt nano Cu Error! Bookmark not defined. Hình 3.17. Ảnh TEM và biểu đồ sự phân bố kích thước hạt nano Cu Error! Bookmark not defined. 4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu Error! Bookmark not defined. Bảng 1.2: Độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu Error! Bookmark not defined. Bảng 3.1: Số liệu tổng hợp dung dịch keo nano Cu theo nồng độ chất khử Error! Bookmark not defined. Bảng 3.3: Số liệu tổng hợp dung dịch keo nano Cu theo tỉ lệ Cu(NO 3 ) 2 /PVP Error! Bookmark not defined. Bảng 3.2: Số liệu tổng hợp dung dịch keo nano Cu theo nhiệt độ Error! Bookmark not defined. 5 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TEM Transmission Electron Microscopy UV –Vis Ultraviolet – Visible XRD X – ray diffracton PVP Polyvinylpyrrolidone RDA Recommended Dietary Allowance TGA Thermogravimetric Analysis DTA Differential Thermal Analysis EG Etylenene glycol 6 FCC Face Centered Cubic AFM Atomic Force Microscopy SEM Scanning Electron Microscopy - 1 - PHẦN MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, các hạt nano kim loại đã thu hút được nhiều sự quan tâm bởi những tính chất đặc biệt về quang học, điện, từ, hóa học từ hiệu ứng bề mặt và kích thước nhỏ của chúng. Trong các hạt nano kim loại, nano đồng (Cu) được chú ý bởi khả năng dẫn điện – nhiệt, tính chất từ, quang học, hoạt tính xúc tác hay khả năng kháng nấm,…Với những tính chất trên nên nano Cu được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp điện, điện tử, xúc tác, quang học, sử dụng chất gia cường trong công nghiệp polymer, hay trong lĩnh vực sinh học – y học do hoạt tính diệt khuẩn mạnh… Nhiều phương pháp tổng hợp nano Cu đã được công bố như: phương pháp khử muối kim loại có sự hỗ trợ của lò vi sóng, phương pháp hóa ướt, phương pháp siêu tới hạn, khử bằng sóng siêu âm, phương pháp khử nhiệt, khử điện hóa. Ngoài ra nano Cu còn được tổng hợp bằng các phương pháp: khử hóa học, phương pháp polyol, phương pháp bốc bay. Nghiên cứu chế tạo thành công dung dịch nano Cu, làm rõ các tính chất hóa lý đặc thù sẽ tạo nền tảng cho các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo từ nano Cu và các hạt nano kim loại khác. II. Cơ sở khoa học của đề tài Đề tài được tiến hành dựa trên các kết quả nghiên cứu tổng hợp nano đồng bởi các công trình đã công bố. Hiện nay, nano đồng được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó tổng hợp nano đồng có sự hỗ trợ lò vi sóng có ưu điểm là: khi gia nhiệt cho phản ứng, nhiệt sẽ được cung cấp trên toàn thiết bị gia nhiệt và nhiệt độ của cả dung dịch hầu như điều nhau. Điều này đóng vai trò quan trọng để tạo ra các hạt nano đồng có kích thước đồng điều và nhỏ hơn nhiều so với phương pháp gia nhiệt thông thường. Hơn nữa, vì tốc độ đun nóng và xuyên thấu nhanh nên phương pháp sử dụng lò vi sóng có ưu điểm rất lớn là: thời gian chế tạo ngắn, đồng thời thiết bị đơn giản, dễ sử dụng. - 2 - III. Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu chế tạo dung dịch keo nano Cu, có sự ổn định, đồng đều bằng phương pháp khử hóa học có sự hỗ trợ của nhiệt vi sóng. - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt nano đồng như: nồng độ chất khử, nhiệt độ, tỉ lệ giữa tác chất/chất bảo vệ, ảnh hưởng của chất trợ phân bố. - Nghiên cứu các tính chất hóa lý đặc thù của dung dịch keo nano Cu bằng các phương pháp phân tích hiện đại. IV. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng dung dịch keo nano đồng bằng phương pháp khử hóa học với sự hỗ trợ của nhiệt vi sóng trong môi trường glycerin, chất khử hydrazine hydrat, chất bảo vệ PVP. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới kích thước hạt nano Cu như: Nồng độ chất khử, nhiệt độ, tỉ lệ giữa tác chất/chất bảo vệ, chất trợ phân bố trinatri citrate. - So sánh khả năng bảo vệ của PVA, PVP đến kích thước hạt nano Cu với các thông số tốt nhất. - Khảo sát các tính chất hóa lý của vật liệu nano Cu qua các phương pháp phân tích hiện đại như: Phổ UV-vis, giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) và ảnh TEM. V. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu quy trình tổng hợp nano Cu bằng phương pháp khử hóa học có sự hỗ trợ của nhiệt vi sóng trong dung môi glycerin, chất khử hydrazine hydrat, chất bảo vệ PVP. - Nghiên cứu các tính chất hóa lý của vật liệu nano Cu bằng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại như: UV-vis, XRD, TEM. VI. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Kết quả của đề tài sẽ là cơ sở khoa học cho những nghiên cứu tiếp theo của việc chế tạo hạt nano kim loại bằng phương pháp khử hóa học cũng như các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo. - 3 - CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về công nghệ nano 1.1.1 Một số định nghĩa Để hiểu rõ khái niệm vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano (nanoscience) và công nghệ nano (nanotechnology). Theo Viện hàn lâm hoàng gia Anh quốc: Kích thƣớc nano: Nano (viết tắt n) là một tiền tố được viết liền trước một đơn vị đo lường quốc tế để chỉ đơn vị nhỏ gấp 10 9 hay 1.000.000.000 lần 1 nanomét = 1 mét / 1.000.000.000 = 10 -9 mét Độ lớn này được công nhận năm 1960. Thuật ngữ nano (có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp nanos) chú lùn dùng để chỉ một phần tỉ lệ của vật nào đó. Nanomét là một phần tỉ của mét tức là có kích cỡ khoảng 10 nguyên tử hydrogen. Hình dưới đây cho biết một số mẫu vật và kích thước của chúng theo thang nm. Hình 1.1: Thang kích thƣớc Khoa học nano: là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp (manipulation) vào các vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. [...]... và từ pha khí (nhiệt phân,…) Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano, … - Phương pháp kết hợp: là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí, Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano, … - 18 - Hình 1.8: Hai nguyên lý để chế tạo hạt nano kim loại - Đối với hạt. .. tới hạn, dùng laze, phương pháp polyol, phương pháp sol - gel, phóng điện hồ quang, phương pháp nhiệt và khử bằng sóng siêu âm 1.6.1 Trong nƣớc Đặng Thị Mỹ Dung và cộng sự đã tổng hợp thành công dung dịch keo nano đồng theo phương pháp khử hóa học trong nước và etylen glycol (EG) với chất khử là NaBH4 Đỉnh hấp thu cực đại 579 và 551 nm của dung dịch keo nano Cu tương ứng trong nước và EG Kích thước trung... Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết thành đám, người ta sử dụng phương tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc chất hoạt hóa bề mặt Phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị giới hạn bởi một số chất khử Phương pháp bao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơn nữa phương pháp này có thể làm cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần... là 22 nm và 10 nm trong nước và EG Dung dịch keo nano Cu trong EG ỗn định hơn 2 tháng, và trong nước là hơn 22 ngày Nhóm tác giả của TS Nguyễn Thị Phương Phong đề cập tới vi c tổng hợp nano Cu bằng phương pháp phân hủy nhiệt có sự hỗ trợ của lò vi sóng được thể hiện qua 3 bài báo đăng trên tập chí hóa học và hội nghị khoa học vật liệu và công nghệ nano năm 2010 Kết quả cũng cho thấy dung dịch nano Cu... vì đồng là một kim loại quan trọng trong ngành kỹ thuật điện hiện đại Nano đồng có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như: xúc tác, quang học, các thiết bị điện,… Ưu điểm nỗi bậc của hạt nano đồng là giá thành sản xuất rẻ, hiệu suất cao - 28 - Nano đồng được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như: phân hủy nhiệt, khử muối kim loại có sự hỗ trợ nhiệt vi sóng, phương pháp bức xạ, kỹ thuật vi nhũ,... Sự kết hợp hạt nano kim loại vào các chất nền quang học cho phép xây dựng các thiết bị để sử dụng các tính chất thuận lợi của chúng Vật liệu nền không chỉ giúp hình thành cấu trúc của sản phẩm mà còn có vai trò bảo vệ và ngăn ngừa sự kết tụ lại của các hạt 1.3 Phƣơng pháp chế tạo hạt nano kim loại Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ... Phƣơng pháp từ dƣới lên Nguyên lý của phương pháp là hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion Phương pháp từ dưới lên đước phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay - 17 - được chế tạo từ phương pháp này Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp hóa- lý - Phương. .. nhanh) Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano - Phương pháp hóa học: là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp. .. từ dưới lên (bottom-up) Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử 1.3.1 Phƣơng pháp từ trên xuống Nguyên lý của phương pháp dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cở hạt kích thước nano Đây là phương pháp đơn giản rẻ tiền nhưng... nano Ag cỡ 3nm sẽ biểu hiện tính chất của một kim loại Tuy nhiên, nếu kích cỡ của hạt nano được giảm đi, hay nhiệt độ thấp hơn thì hạt nano sẽ thể hiện tính chất phi kim loại Sử dụng học thuyết này, và mức năng lượng Fermi của kim loại Ag là 5,5 eV, khi đó hạt nano Ag sẽ mất tính chất kim loại khi có dưới 280 nguyên tử tại nhiệt độ phòng Vì khe Kubo trong hạt nano, những tính chất như dẫn điện, nhạy từ . TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ & THỰC PHẨM …  … BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA NANO ĐỒNG BẰNG PHƯƠNG. pháp khử hóa học có sự hỗ trợ của nhiệt vi sóng trong dung môi glycerin, chất khử hydrazine hydrat, chất bảo vệ PVP. - Nghiên cứu các tính chất hóa lý của vật liệu nano Cu bằng các phương pháp. phương pháp khử nhiệt, khử điện hóa. Ngoài ra nano Cu còn được tổng hợp bằng các phương pháp: khử hóa học, phương pháp polyol, phương pháp bốc bay. Nghiên cứu chế tạo thành công dung dịch nano Cu,