Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nano fe3o4 tio2 GO (graphene oxit) và khảo sát hoạt tính kháng khuẩn e coli và xử lý phẩm màu rhodamine blue

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THỊ MỸ HẠNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU TỔ HỢP NANO Fe3O4 – TiO2 – GO (GRAPHENE OXIT) VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH KHÁNG KHUẨN E COLI VÀ XỬ LÝ PHẨM MÀU RHODAMINE BLUE (SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF GRAPHENE OXIT-Fe3O4-TiO2 NANOCOMPOSITES AND ANTI E COLI AND DETRUCTION RHODAMINE BLUE) Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số chuyên ngành: 60520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HCM, tháng năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS VÕ NGUYỄN ĐĂNG KHOA (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 04 tháng năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN THỊ MỸ HẠNH MSHV: 1670188 Ngày, tháng, năm sinh: 29/6/1991 Nơi sinh: Lâm Đồng Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 60520301 I TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nano Fe3O4-TiO2-GO (Graphene oxit) khảo sát hoạt tính kháng E coli xử lý phẩm màu Rhodamine Blue” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 2.1 Tổng quan về: graphene, graphene oxit, nano sắt từ, nano titan, tính chất, phương pháp tổng hợp vật liệu composite graphene oxit-sắt từ- Titan, ứng dụng, chế quang xúc tác kháng khuẩn 2.2 Thực nghiệm 2.2.1 Tổng hợp graphene oxit từ graphite, tổng hợp nano sắt từ từ Fe(II) Fe(III), tổng hợp hạt nano Fe3O4-TiO2 tổ hợp graphene oxit-Fe3O4-TiO2 2.2.2 Phân tích hình thái, cấu trúc, đặc tính vật liệu (graphene oxit, Fe3O4-TiO2 tổ hợp graphene oxit-Fe3O4-TiO2) tổng hợp 2.2.3 Khảo sát khả quang xúc tác vật liệu chất màu hữu Rhodamine Blue Escherichia Coli III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07/2017 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS VÕ NGUYỄN ĐĂNG KHOA Tp HCM, ngày … tháng… năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PTN TTTB & PT Sinh hóa lý Viện Khoa (Họ tên chữ ký) học Vật liệu Ứng dụng (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên chữ ký) iii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả xin cảm ơn đến gia đình ln tạo điều kiện tốt giúp tác giả thực luận văn thuận lợi Tiếp đến, tác giả xin cảm ơn thầy Phịng thí nghiệm Trung tâm Thiết bị & Phân Tích sinh hóa lý Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng TP HCM nhiệt tình giúp đỡ tác giả tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình học tập hồn thành luận văn tốt nghiệp Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Võ Nguyễn Đăng Khoa tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin cảm ơn Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam hỗ trợ tài thơng qua chương trình đề tài Độc lập Cán trẻ để tác giả thực đề tài Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn tập thể anh, chị, em Phòng thí nghiệm Trung tâm Thiết bị & Phân Tích sinh hóa lý Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn Tác giả Trần Thị Mỹ Hạnh iv LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn nghiên cứu cá nhân tác giả thực hướng dẫn thầy TS Võ Nguyễn Đăng Khoa, Trung tâm Thiết bị & Phân Tích sinh hóa lý Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng TP.HCM Số liệu, kết nghiên cứu kết luận luận văn hoàn toàn trung thực, chưa cơng bố cơng trình khác trước Tác giả xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Tp.Hồ Chí Minh, tháng năm 2018 Tác giả Trần Thị Mỹ Hạnh v TÓM TẮT Trong luận văn thực tổng hợp graphene oxit kết hợp với hạt nano Fe3O4-TiO2 Sự kết hợp hạt nano Fe3O4-TiO2 graphene oxit nghiên cứu ảnh hưởng điều kiền ban đầu lên đặc tính hình thái vật liệu tổng hợp Kết hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ Raman, phép phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phổ UV-Vis cho thấy thành công việc gắn kết hạt nano Fe3O4-TiO2 lên graphene oxit Hơn nữa, luận văn cho thấy việc áp dụng tổ hợp graphene oxit-Fe3O4-TiO2 cho hoạt tính kháng khuẩn E coli xử lý phẩm màu Rhodamine B Từ khóa : hạt nano TiO2, graphene oxit, Fe3O4, nanocomposite vi ABSTRACT In this study, the Fe3O4-TiO2 nanoparticles-assembled graphene oxide sheets were synthesized The combination of Fe3O4-TiO2 and graphene oxide nanoparticles was investigated for the effect of initial conditions on morphological characterization of synthetic materials The results of scanning electron microscopic (SEM) and transmission electron microscopic (TEM) images, Fourier-transformed infrared (FTIR), Raman spectroscopy, thermal gravimetric analysis (TGA), UV-Vis spectroscopy indicated that the Fe3O4-TiO2 nanoparticles were successfully assembled on the graphene oxide sheets Futhermore, we also reported the application of the synthesized Fe3O4-TiO2–graphene oxdie nanocomposite for the antibacterial activity and photocatalytic properties of Rhodamine B Keywords: TiO2 nanoparticles, graphene oxide, Fe3O4, nanocomposite vii MỞ ĐẦU Hiện nay, ô nhiễm môi trường, đặc biệt môi trường nước, vấn đề nhức nhối nan giải mà lồi người phải đối mặt Khơng làm cạn kiệt nguồn tài nguyên nước vốn khan hiếm, ô nhiễm gây cho người nhiều loại bệnh nguy hiểm (ung thư, tả,…), đe dọa trực tiếp đến sức khỏe tính mạng Khơng loại hóa chất, nguồn nước tự nhiên chứa nhiều loại vi khuẩn (Escherichia coli [63], Cryptosporidium [62],…) tác nhân gây bệnh nguy hiểm khơng Vì vậy, việc xử lý nguồn nước tự nhiên trở thành việc làm cấp thiết hết, nhằm biến nguồn nước tự nhiên trở thành tài ngun vơ giá sử dụng trực tiếp cho người Hiện tại, có nhiều nghiên cứu lĩnh vực xử lý nguồn nước nói riêng xử lý mơi trường nói chung Một nghiên cứu ý nhiều sử dụng vật liệu nano khả kháng khuẩn Nano TiO2 vật liệu chứng minh có khả kháng khuẩn tốt, phù hợp cho yêu cầu Tuy nhiên, nhược điểm lớn vật liệu khó thu hồi sau sử dụng, độ bền theo thời gian chưa cao Đã có nhiều nghiên cứu kết hợp TiO2 với chất mang khác (thủy tinh, carbon hoạt tính, cellulose hay zeolite,…) song chất mang chưa thật hiệu xảy tượng làm giảm hoạt tính quang xúc tác TiO2 giảm bề mặt phản ứng giới hạn bất động hóa [64-65] Lúc này, GO tỏ vật liệu làm chất mang cho TiO2 chứa nhóm chức phân cực mang oxygen, dễ dàng tạo liên kết hóa học với Titan, giúp TiO2 vừa bộc lộ ưu điểm, lại vừa giữ lại chất mang để thu hồi sau sử dụng Bên cạnh đó, từ tính tính chất đặc trưng vật liệu khiến cho việc thu hồi sau sử dụng trở nên dễ dàng hết Nano Fe3O4 vật liệu có tính chất này, cịn có nhiều hoạt tính q giá khác, lại hồn tồn liên kết với TiO2 GO thông qua nguyên tử oxy Một số nghiên cứu cơng bố tích hợp ưu điểm thành phần tương ứng tập trung vào hai mục đích gồm: (1) tổng hợp đánh giá tính chất vật liệu gồm ba thành phần (graphene-TiO2-magnetite hay GO-TiO2-Ag, ) tạo vật liệu có hoạt tính xúc tác quang học, có độ ổn định, ngăn chặn kết hạt từ tính khơi phục nước; (2) xác định khám phá vật liệu có khả phản ứng quang hố vật liệu xử lý mơi trường [66-68] viii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN iv LỜI CAM ĐOAN v TÓM TẮT vi ABSTRACT vii MỞ ĐẦU viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu graphene-graphene oxit 1.1.1 Graphene 1.1.2 Graphene oxit 1.2 Vật liệu Fe3O4/TiO2 dạng lõi - vỏ 1.2.1 Oxit sắt từ (Fe3O4) 1.2.2 Titan đioxit (TiO2) 15 1.2.3 Vật liệu lõi-vỏ Fe3O4@TiO2 17 1.3 Vật liệu composite GO-Fe3O4-TiO2 20 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 Đối tượng- Mục tiêu- nội dung nghiên cứu 23 2.1.1 Đối tượng 23 2.1.2 Mục đích 23 2.1.3 Ý nghĩa thực tiễn 23 2.2 Phương pháp nghiên cứu 24 2.3 Phương tiện nghiên cứu 25 2.3.1 Thiết bị, dụng cụ 25 2.3.2 Hóa chất, chất chuẩn 25 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 26 3.1 Tổng hợp vật liệu 26 3.1.1 Tổng hợp GO 26 ix 3.1.2 Tổng hợp vật liệu Fe3O4-TiO2 27 3.1.3 Tổng hợp GO-Fe3O4-TiO2 29 3.2 Khảo sát hình thái – cấu trúc, đặc tính quang hóa 30 3.2.1 Nhiễu xạ tia X (X-ray difraction –XRD) 30 3.2.2 Phổ hồng ngoại chuyển tiếp Fourier (Fourier transform infrared spectroscopyFTIR) 31 3.2.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmisson eletron microscope-TEM) 31 3.2.4 Phương pháp đẳng nhiệt hấp thụ-khử hấp thụ N2 (Brunauer Emmett Teller- BET) 32 3.2.5 Phương pháp UV- Vis 32 3.2.6 Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetric analysis-TGA) 32 3.2.7 Đánh giá hoạt tính quang xúc tác vật liệu MT GMT 33 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ - BÀN LUẬN 37 4.1 Kết GO 37 4.2 Tổng hợp vật liệu Fe3O4-TiO2 38 4.2.1 Tổng hợp vật liệu Fe3O4-TiO2 từ tiền chất ban đầu 38 4.2.2 Khảo sát tính chất lý-hóa vật liệu Fe3O4-TiO2 tổng hợp 38 4.2.3 Thử nghiệm hoạt tính quang xúc tác vật liệu Fe3O4-TiO2 tổng hợp 45 4.2.4 Khảo sát tính chất lý-hóa vật liệu tổ hợp GO-Fe3O4-TiO2 khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ GO, Fe3O4 TiO2 50 4.2.5 Thử nghiệm hoạt tính quang xúc tác vật liệu GMT 62 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73 5.1 Kết luận 73 5.2 Kiến nghị 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC 85 x 90 Phổ FTIR GO-Fe3O4@TiO2 (GMT): 91 Phổ TGA TiO2NP 92 Phổ TGA Fe3O4 NP Phổ TGA Fe3O4@TiO2 (MT) 93 94 Phổ TGA GO-Fe3O4@TiO2 95 Phổ XRD GO 96 Phổ XRD Fe3O4 NP Phổ XRD TiO2 NP 97 Phổ XRD Fe3O4@TiO2 98 Phổ XRD GO-Fe3O4@TiO2 99 100 Phổ UV-Vis Fe3O4 NP Phổ UV-Vis GO 101 Phổ UV-Vis Fe3O4-TiO2 (1:1) Phổ UV-Vis Fe3O4-TiO2 (1:2) Phổ UV-Vis Fe3O4-TiO2 (1:3) 102 Phổ UV-Vis GO-Fe3O4-TiO2 (1:1:1) 103 Phổ UV-Vis GO-Fe3O4-TiO2 (1:1:2) Phổ UV-Vis GO-Fe3O4-TiO2 (1:1:3) 104 ... TÀI: ? ?Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nano Fe3O4- TiO2- GO (Graphene oxit) khảo sát hoạt tính kháng E coli xử lý phẩm màu Rhodamine Blue? ?? II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 2.1 Tổng quan về: graphene, graphene... tính khoa học thực tiễn cao Trên sở này, đề tài ? ?Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp nano Fe3O4- TiO2? ? ?GO (graphene oxit) và khảo sát hoạt tính kháng khuẩn E coli xử lý phẩm màu Rhodamine Blue? ??... khảo sát vật liệu Fe3O4- TiO2 trước kết hợp để tổng hợp vật liệu tổ hợp, vật liệu tiến hành nghiên cứu tổng hợp theo hướng: + Chế tạo vật liệu dạng lõi-vỏ Fe3O4@ TiO2 + Chế tạo vật liệu Fe3O4- TiO2