Đang tải... (xem toàn văn)
Mục đích của nghiên cứu này là chế tạo các cluster Ag, Au có khả năng cộng hưởng plasmon bề mặt với ánh sáng trong vùng nhìn thấy bằng phương pháp bốc bay laser, từ đó, ứng dụng tính c[r]
(1)Vật lý & Khoa học vật liệu
CHẾ TẠO HẠT NANO KIM LOẠI Ag, Au TRÊN THANH NANO Si BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY LASER (PLD) NHẰM NÂNG CAO HIỆU SUẤT QUANG XÚC TÁC CỦA CHÚNG
Ngô Tuấn Cường1, Nguyễn Thị Minh Huệ1, Nguyễn Cao Khang2,* Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, chúng tơi trình bày quy trình chế tạo cluster Ag, cluster Au nano Si theo phương pháp bốc bay laser Bằng cách thay đổi số lượng xung laser bắn vào bia, cluster Ag, Au có kích thước khác được hình thành bám dính nano Si Hình thái bề mặt, cấu trúc tinh thể, tính chất quang vật liệu khảo sát thông qua phép đo kính hiển vi điện tử quét (SEM), giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ hấp thụ UV-Vis, phổ FT-IR Kết quả nghiên cứu cluster Ag, Au khơng bám dính bề mặt thanh Si, mà chúng cịn có khả hấp thụ tốt ánh sáng vùng nhìn thấy Tính chất quang xúc tác mẫu khảo sát thông qua phản ứng phân hủy xanh metylene (MB) ánh sáng đèn sợi đốt Kết cho thấy mẫu chế tạo có khả phân hủy tốt MB, dung dịch MB nồng độ 10 ppm gần bị phân hủy hoàn toàn sau chiếu sáng.
Từ khóa: Cluster Ag; Cluster Au; TiO2; Quang xúc tác
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Vật liệu nano kim loại nói chung nano Ag, nano Au nói riêng nhận quan tâm nhà khoa học tính chất quang, điện, từ đặc biệt chúng Các hạt nano Ag, Au tích hợp vào đa dạng sản phẩm từ loại pin quang điện, sản phẩm điện tử, chi tiết cần độ dẫn nhiệt cao, tới sản phẩm cảm biến sinh học hóa học Sự có mặt nano Ag, Au giúp cho sản phẩm có độ dẫn diện, dẫn nhiệt cao, ổn định có độ bền cao Bên cạnh đó, hạt Ag Au kích thước từ vài trăm nm tới vài µm trở thành vật liệu xúc tác tốt, có nhiều ứng dụng nghiên cứu công nghệ hiệu ứng plasmon bề mặt mạnh chúng [1-3] Khi chiếu chùm sáng lên hạt Ag, Au, điện trường sóng điện từ tác động lên electron tự bề mặt hạt kim loại, làm electron bị phân cực dao động theo điện trường [4-6] Sự dao động gọi “plasmon” Khi tần số dao động đám mây electron trùng với tần số xạ điện từ đó, gây dao động mạnh hàng loạt electron tự do, tạo nên tượng gọi “cộng hưởng plasmon bề mặt” (SPR) [7, 8] Hiện tượng nguyên nhân dẫn tới khả hấp thụ ánh sáng hạt nano kim loại, từ làm cho chúng có khả quang xúc tác
Mục đích nghiên cứu chế tạo cluster Ag, Au có khả cộng hưởng plasmon bề mặt với ánh sáng vùng nhìn thấy phương pháp bốc bay laser, từ đó, ứng dụng tính chất quang xúc tác chúng để xử lí MB Khơng vậy, cluster Ag, Au cịn đính bề mặt nano Si Sự định hướng chuyển động điện tử nano Si cho làm tăng cường đáng kể tính chất quang xúc tác cluster Ag, Au
2 THỰC NGHIỆM
Đầu tiên, nano Si chế tạo cách ăn mịn hóa học Si dung dịch gồm 50ml H2O, mlH2O2 0,3g AgNO3 trước rửa sấy khô 200 oC Tiếp đó, tiến hành phủ lớp màng Ag Au lên Si hệ
(2)Nghiên cứu khoa học công nghệ
thanh Si mẫu Au Si cách bắn 10000, 20000 30000 xung laser lên bia Ag, Au Tần số nguồn laser 8Hz, điện áp cao tần 29kV, áp suất buồng chân khơng 10-6 torr Sau q trình bốc bay laser, lớp màng kim loại đồng phủ lên bề mặt Si Các mẫu màng đem nung nhiệt độ 400oC để tạo cluser Ag, Au bám nano Si
Phép đo kính hiển vi điện tử quét (SEM) thực hệ S-4800 Hitachi, giản đồ nhiễu xạ tia X đo hệ D5005 Siemens, phép đo phổ hấp thụ thực hệ UV-Vis Jacco V670, phép đo FT-IR thực hệ Jacco FT-IR 4200
Thí nghiệm quang xúc tác tiến hành cách cho mẫu phân hủy MB điều kiện chiếu ánh sáng đèn sợi đốt 220V-100W 30ml dung dịch MB nồng độ 10ppm nhỏ giọt lên bề mặt mẫu có diện tích 1cm x1cm với tốc độ giọt/giây Bằng cách đo phổ hấp thụ dung dịch MB sau khoảng thời gian định, nồng độ MB tính thơng qua việc xác định cường độ đỉnh hấp thụ đặc trưng MB bước sóng 665nm
3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Hình 1a cho thấy nano Si hình thành đế Si Kích thước tương đối đồng đường kính từ 100 đến 200nm, chiều dài khoảng 30-40μm Các nano gần phát triển theo hướng Điều tạo điều kiện thuận lợi cho việc trải màng Ag, Au lên đế Si Hình 1b-c ảnh SEM mẫu cluster Ag nano Si tổng hợp cách bắn 20000 xung laser vào bia Ag Kết cho thấy cluster Ag phủ bề mặt Si không phủ toàn bề mặt đế Tuy nhiên, ảnh chụp cắt ngang mẫu cho thấy cluster Ag phủ bề mặt mà phần cluster Ag vào khe Si Tương tự, ảnh SEM mẫu Au nano Si (hình 1d) cho thấy cluster Au vừa bám dính bề mặt mẫu, vừa vào khe nano Si Như vậy, phương pháp bốc bay laser xử lí nhiệt, cluster Ag, Au phủ lên nano Si
(3)Vật lý & Khoa học vật liệu
Hình 2. Giản đồ nhiễu xạ tia X hệ mẫu (a) cluster Ag nano Si, (b) cluster Au nano Si.
Giản đồ nhiễu xạ tia X dùng để nghiên cứu cấu trúc mẫu Hình trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X tương ứng với hệ vật liệu chế tạo Ag/Si, Au/Si với số xung laser bắn 10000; 20000 30000 xung Trên giản đồ nhiễu xạ tia X hệ mẫu xuất đỉnh nhiễu xạ đặc trưng Si (tương ứng với thẻ chuẩn JCPDS số 77-2109) vị trí ứng với góc 2θ 56,3o; 76,6o Các đỉnh nhiễu xạ tương ứng với phản xạ chùm tia X họ mặt phẳng (311) (331) Hình 2a xuất đỉnh đặc trưng Ag (tương ứng với thẻ chuẩn JCPDS số 01-1167) góc 28,5o; 40,7o 50,6o tương ứng với phản xạ chùm tia X họ mặt phẳng (220), (400) (422) Hình 2b xuất đỉnh đặc trưng Au (tương ứng với thẻ chuẩn JCPDS số 01-1174) góc 28,5o; 40,8o; 44,8o 50,7o tương ứng với phản xạ chùm tia X họ mặt phẳng (220), (400), (331) (422)
Hình 3. Phổ hấp thụ hệ mẫu (a) cluster Ag nano Si, (b) cluster Au nano Si.
(4)Nghiên cứu khoa học công nghệ
các mẫu có xu hướng dịch vùng ánh sáng có bước sóng dài tăng bề dày lớp màng Au
Hình 4. Phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR (a) cluster Ag nano Si, (b) cluster Au nano Si.
Phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR dùng để nghiên cứu liên kết, tính chất dao động mẫu Hình phổ FT-IR mẫu nano Ag, Au nano Si chế tạo với số lượng xung laser khác Do Ag Au kim loại nặng, chúng dao động vùng số sóng thấp, nên khơng quan sát dao động Ag, Au phổ FT-IR dải số sóng từ 600 đến 4000cm-1 hình Tuy nhiên, dao động liên kết Si rõ ràng Sự xuất đỉnh phổ số sóng 1634cm-1 đặc trưng cho liên kết Si-H2 Ngoài ra, xuất đỉnh phổ số sóng
1076cm-1 với mẫu chứa Ag, Au đặc trưng cho liên kết Si-O-Si bề mặt nano Si, điều chứng tỏ mẫu, đế Si bị oxy hóa phần [9]
Hình 5. Kết xử lí xanh metylene mẫu (a) cluster Ag nano Si, (b) cluster Au nano Si.
(5)Vật lý & Khoa học vật liệu
màng nano Si Thời gian bán phân huỷ, thời gian để phân huỷ 50% nồng độ dung dịch, cluster Ag, Au khoảng từ đến 2,2 từ 2,9 đến 3,2 giờ, thuộc vào kích thước cluster Sau chiếu sáng, MB gần bị phân huỷ hoàn toàn với cluster Ag Si, bị phân huỷ tới 90% với cluster Au Si
4 KẾT LUẬN
Chúng chế tạo thành công nano Si có chiều dài 30-40μm, với đường kính từ 100 đến 200 nm phương pháp ăn mịn hố học Các cluster Ag, Au với kích thước khác nano Si chế tạo phương pháp bốc bay laser Kết nhiễu xạ tia X cho thấy đỉnh đặc trưng Si góc 56,3o 76,6o; Ag góc 28,5o; 40,7o 50,6o; Au 28,5o; 40,8o; 44,8o 50,7o Kết UV-Vis vị trí đỉnh hấp thụ, cường độ hấp thụ mẫu chế tạo phụ thuộc vào chất vật liệu, kích thước cluster Ag, Au nano Si, nhiên, tất mẫu chế tạo có khả hấp thụ tốt ánh sáng có bước sóng vùng từ 400 đến 600nm Các mẫu cluster Ag, Au nano Si có khả xử lí tốt MB vùng ánh sáng nhìn thấy Thời gian bán phân huỷ mẫu khoảng từ đến giờ, sau chiếu sáng, MB gần bị phân huỷ hoàn toàn mẫu cluster Ag bị phân huỷ tới 90% mẫu cluster Au
Lời cảm ơn: Nghiên cứu thực tài trợ đề tài cấp Bộ mã số B2015-17-68 TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Sharma, R A Yngard, and Y Lin, “Silver nanoparticles: Green Synthesis and their antimicrobial activities”, Adv Colloid Interfac., Vol 145, (2009), pp 83-96 [2] C Weibo, G Ting, H Hao, and S Jiangtao, "Applications of gold nanoparticles in
cancer nanotechnology", Nanotechnol Sci Appl., Vol 1, (2008), pp.17-32
[3] Z Xi-Feng, L Zhi-Guo, S Wei, and G Sangiliyandi, "Silver Nanoparticles: Synthesis, Characterization, Properties, Applications, and Therapeutic Approaches", Int J Mol Sci., Vol 17, (2016), pp 1534-1539
[4] H J Huang, C P Yu, H C Chang, K P Chiu, H M Chen, R S Liu, and D P Tsai, “Plasmonic optical properties of single gold nano-rod”, Optics Express, Vol 15, (2007), pp 7132-7139
[5] X Huang, P K Jain, I H El-Sayed, and M A El-Sayed, “Gold nanoparticles: interesting optical properties and recent applications in cancer diagnostics and therapy”, Nanomedicine, Vol 2, (2007), pp 681-693
[6] A Rastar, M E Yazdanshenas, A Rashidi, S M Bidoki, “Theoretical Review of Optical Properties of Nanoparticles”, J Eng Fibrer Fabr., Vol 8, (2013), pp 85-97
[7] S S Verma, and S S Jagmeet, “Influence of aspect ratio and surrounding medium on Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) of gold nanorod”, Opt Soc India, Vol 41, (2012), pp 89-93
[8] W Zhen, “Plasmon-resonant gold nanoparticles for cancer optical imaging”, Sci China Phys Mech., Vol 56, (2013), pp 506-513
(6)Nghiên cứu khoa học công nghệ
ABSTRACT
SYNTHESIS OF Ag, Au CLUSTERS ON SI NANOROD WITH ENHANCED PHOTOCATALYTIC EFFICIENCY BY PULSED LASER DEPOSITION
In this article, the clusters Ag, Au on the nanorod Si were prepared by pulsed laser deposition (PLD) By controlling the number of laser pulses, the clusters of Ag, Au with different sizes will be synthesis The properties of the sample are investigated by using scanning electron microscope, x-ray diffraction, FTIR spectroscopy, and UV-Vis spectroscopy The results show that the clusters Ag, Au not only attach well to the nanorod Si but also high absorb of light in the visible region The photocatalytic performance was tested by photocatalytic degradation of methylene blue (MB) under visible-light irradiation The results suggest that the clusters Ag, Au on nanorod Si catalysts exhibit high photocatalytic efficiency, all most MB molecules were degraded after hours
Keywords: Cluster Ag; Cluster Au; TiO2; Photocatalytic
Nhận ngày 28 tháng 02 năm 2018 Hoàn thiện ngày 20 tháng năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 02 tháng năm 2018
Địa chỉ: Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội;
2
Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội *Email: khangnc@hnue.edu.vn