Chế tạo và nghiên cứu các tính chất của vật liệu nano phức hợp cofe2o4 phmb go ag

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chế tạo nghiên cứu tính chất vật liệu nano phức hợp CoFe2O4 – PHMB – GO – Ag MAI MAI Mai.MCA180170@sis.hust.edu.vn Ngành Vật lý kỹ thuật TS Lê Thị Tâm Giảng viên hướng dẫn: GS TS Lê Anh Tuấn Chữ ký GVHD Viện: Tiên tiến Khoa học Công nghệ Hà Nội, tháng 6/ 2020 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Mai Mai Đề tài luận văn: Chế tạo nghiên cứu tính chất vật liệu nano phức hợp CoFe2O4 – PHMB – GO – Ag Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số SV: CA180170 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 25/05/2020 với nội dung sau: - Luận văn chỉnh sửa lỗi tả, in ấn, thay đổi dấu (.) thành (,) số liệu số thập phân Khơng gạch đầu dịng mục Thêm tài liệu trích dẫn mục 1.7, lược bỏ bớt số tài liệu không cần thiết Thay đổi tên hình vẽ tính chất từ: Thay đường cong từ trễ thành đường cong từ hoá Phân bố nội dung phần tổng quan phù hợp với phần lại (tổng quan chiếm 1/3 luận văn) Chỉnh sửa công thức 1.11 Ngày Giáo viên hướng dẫn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG tháng năm 2020 Tác giả luận văn ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Chế tạo nghiên cứu tính chất vật liệu nano phức hợp CoFe2O4 – PHMB – GO – Ag Giáo viên hướng dẫn TS Lê Thị Tâm GS.TS Lê Anh Tuấn LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Lê Thị Tâm GS.TS Lê Anh Tuấn, người trực tiếp bảo, định hướng khoa học cho tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu Cảm ơn thầy cô dành nhiều thời gian, tâm huyết quan tâm, động viên, hỗ trợ mặt để tơi hồn thành luận văn Tơi trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy cô, ban giám đốc viện Tiến tiến Khoa học Công nghệ (AIST) dạy cho nhiều kiến thức, kinh nghiệm q trình học tập Thầy ln nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện tài liệu trang thiết bị để tiến hành thực nghiệm, nghiên cứu tốt Cuối xin gửi lời cảm ơn đến bạn học viên, sinh viên anh chị nghiên cứu sinh động viên, giúp đỡ chia sẻ kinh nghiệm để tơi hồn thành tốt công việc học tập nghiên cứu Xin cảm ơn gia đình bạn bè ln ủng hộ tơi mặt để tơi hồn thành tốt khố học thạc sỹ viện AIST TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Trong khuôn khổ luận văn, chế tạo vật liệu nano CoFe2O4 thông qua phương pháp đồng kết tủa sau ủ nhiệt, vật liệu nano tổ hợp CoFe2O4 – PHMB – GO – Ag với quy trình nhiều bước Khảo sát số điều kiện nhiệt độ thời gian phản ứng ảnh hưởng đến tính chất từ vật liệu CoFe2O4 Thay đổi nồng độ tiền chất AgNO3 để tạo hệ vật liệu tổ hợp với tỉ lệ thành phần hạt nano bạc khác Vật liệu tổ hợp chứa đầy đủ thành phần vật liệu đơn lẻ Vật liệu tổ hợp nghiên cứu thử nghiệm hấp phụ chất màu hữu xanh methylene, kết cho thấy vật liệu tổ hợp có khả hấp phụ tốt chất màu xanh methylene với dung lượng hấp phụ cực đại đạt 76,43 mg/g, trình hấp phụ hấp phụ vật lý, tuân theo phương trình động học bậc mơ hình hấp phụ Langmuir Vật liệu sau hấp phụ có khả thu hồi từ trường ngồi thơng qua tính chất từ vật liệu Đồng thời, vật liệu tổ hợp kiểm tra khả kháng khuẩn thông qua việc khảo sát khả ức chế vi khuẩn E.coli phương pháp đục lỗ thạch Từ cho thấy hệ vật liệu tổ hợp có tiềm hệ vật liệu đa chức năng, tăng cường tính tăng khả ức chế vi khuẩn so với vật liệu thành phần thành phần Hà Nội, ngày .tháng .năm 2020 HVCH Mai Mai MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Đóng góp đề tài Cấu trúc luận văn: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hạt nano CoFe2O4 (CFO) 1.1.1 Cấu trúc hạt nano CoFe2O4 1.1.2.Tính chất hạt nano CoFe2O4 1.1.3.Các phương pháp chế tạo nano CoFe2O4 1.1.4.Các ứng dụng hạt nano CoFe2O4 1.2 Vật liệu Graphen oxit (GO) 1.3 Hạt nano bạc (Ag - NPs) 10 1.4 Vật liệu tổ hợp từ CFO, GO nano bạc 12 1.5 Polyhexamethylene biguanide hydrochloride (PHMB) 13 1.6 Nhu cầu xử lý xanh methylen (MB) 14 1.7 Tổng quan hấp phụ 15 1.7.1 Khái niệm, phân loại 15 1.7.2 Cân hấp phụ 16 1.7.3 Hiệu suất hấp phụ 17 1.7.4 Dung lượng hấp phụ cân 17 1.7.5 Động học hấp phụ 18 1.7.6 Các mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ 18 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 21 2.1 Thiết bị, hóa chất 21 2.1.1 Thiết bị dụng cụ 21 2.1.2 Hóa chất 21 2.2 Tổng hợp vật liệu 21 2.2.1 Tổng hợp hạt nano CoFe2O4 21 2.2.2 Tổng hợp vật liệu nano phức hợp CFO – PHMB – GO – Ag 22 2.3 Phương pháp nghiên cứu hấp phụ MB 23 2.3.1 Dựng đường chuẩn MB 23 2.3.2 Khảo sát hấp phụ MB lên hệ vật liệu 24 2.4 Thử nghiệm khả kháng khuẩn vật liệu CFO – PHMB – GO – Ag.24 2.5 Các phương pháp phân tích tính chất vật liệu 25 2.5.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét phát xạ trường 25 2.5.2 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua 25 2.5.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X 25 2.5.4 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 26 2.5.5 Phương pháp đo từ kế mẫu rung VSM 26 2.5.6 Phương pháp đo quang phổ hấp thụ UV-vis 26 3.1 Khảo sát điều kiện chế tạo hạt nano CoFe2O4 27 3.2 Hình thái, cấu trúc tính chất hệ nano phức hợp CFO–PHMB–GO–Ag 31 3.3 Kết nghiên cứu khả hấp phụ Xanh methylen (MB) vật liệu CFO – PHMB – GO – Ag 37 3.3.1 Thời gian cân hấp phụ 37 3.3.2 Các mơ hình động học hấp phụ 39 3.3.3 Xây dựng mơ hình đẳng nhiệt Langmuir Freundlich 40 3.3.4 Cơ chế hấp phụ MB 43 3.4 Kết nghiên cứu khả kháng khuẩn vật liệu CFO – PHMB – GO – Ag 44 KẾT LUẬN 46 MỘT SỐ KIẾN NGHỊ 46 CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đến kích thước tính chất từ vật liệu CoFe2O4 Bảng 1.2 Các phương pháp, điều kiện chế tạo kích thước hạt nano CoFe2O4 Bảng 1.3 So sánh hấp phụ vật lý hấp phụ hoá học 16 Bảng 1.4 Mối tương quan RL mơ hình đẳng nhiệt 19 Bảng Danh mục hóa chất dùng luận văn 21 Bảng 2.2 Kí hiệu mẫu thơng số chế tạo 22 Bảng 2.3 Ký hiệu mẫu CFO-PHMB-GO-Ag với nồng độ Ag khác 23 Bảng Các thông số tính kích thước trung bình tinh thể CFO: 80 CFO ủ nhiệt 600 – 1,5h – 10h 30 Bảng 3.2 Bảng so sánh giá trị độ từ hố bão hồ (Ms) vật liệu với nghiên cứu công bố 36 Bảng 3 Hiệu suất thời gian hấp phụ cân hệ mẫu 38 Bảng 3.4 Các thông số dung lượng hấp phụ thời điểm cân 40 Bảng 3.5 Các thông số fit theo mơ hình động học bậc bậc hai hệ vật liệu tổ hợp 40 Bảng 3.6 Bảng số liệu thông số động học vật liệu CFO – PHMB – GO – Ag (1:0,5:0,7) hấp phụ MB 41 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể spinel thông thường Hình Một số ứng dụng hạt nano từ Hình Kích thước phù hợp vật liệu nano phù hợp với ứng dụng dẫn truyền thuốc Hình Cấu trúc cuả graphen oxit (GO) Hình Tác động nano bạc đến vi khuẩn 11 Hình Cấu trúc màu sắc dung dịch chứa xanh methylen 15 Hình Mơ hình bước q trình hấp phụ vật lý 16 Hình Đồ thị đường đẳng nhiệt Langmuir (a) phụ thuộc Ce/qe vào Ce (b) 19 Hình Đồ thị đường đẳng nhiệt Freundlich (a) phụ thuộc lg(qe) vào lg(Ce ) (b) 20 Hình 2.1 Mơ hình mơ tả quy trình tổ hợp vật liệu CFO – PHMB – GO – Ag 23 Hình 2.2 Hệ đo UV – vis 26 Hình 3.1 Đường cong từ hoá mẫu CFO nhiệt độ 70; 80 90 1,5h 27 Hình 3.2 Đường cong từ hố mẫu CFO 80 1h; 1,5h 2h 28 Hình 3 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) mẫu CFO 80 1h, 1,5h 2h 28 Hình 3.4 Ảnh FE – SEM (a) đồ thị thể sư phân bố kích thước hạt (b) mẫu CFO - 80 ; 1,5h 29 Hình 3.5 Ảnh nhiễu xạ tia X mẫu CFO (80 ; 1,5h) sau ủ nhiệt 29 Hình 3.6 Đường cong từ hoá mẫu CFO trước sau ủ nhiệt 31 Hình 3.7 Phổ FTIR CFO – PHMB – GO (a) so sánh với vật liệu đơn lẻ (b) 32 Hình 3.8 Ảnh TEM vật liệu CFO – PHMB – GO 33 Hình 3.9 Phổ XRD hệ vật liệu CFO-PHMB-GO-Ag tỉ lệ (1:0,5:0,5) (1:0,5:0,7) 34 Hình 3.10 Ảnh FE – SEM (a) EDS (b) vật liệu CFO – PHMB – GO – Ag (1:0,5:0,5) 35 Hình 3.11 Đồ thị đường chuẩn độ hấp thụ quang tương ứng với nồng độ dung dịch MB 37 Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc thời gian hiệu suất hấp phụ hệ vật liệu CFO, CFO – PHMB – GO – Ag với nồng độ Ag khác (a) khả thu hồi vật liệu sau hấp phụ từ trường ngồi (b) 38 Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào thời gian hấp phụ vật liệu CFO – PHMB – GO – Ag (1:0,5:0,7) 39 Hình 3.14 Đường đẳng nhiệt Langmuir mẫu CFO – PHMB – GO – Ag (1:0,5:0,7) hấp phụ chất màu MB 41 Hình 3.15 Đường đẳng nhiệt Freunlich mẫu CFO – PHMB – GO – Ag hấp phụ chất màu MB 42 Hình 3.16 Mơ hình chế hấp phụ MB vật liệu CFO – PHMB – GO – Ag 43 Hình 3.17 Kết khảo sát hoạt tính kháng khuẩn E.coli vật liệu (a) CFO, (b) GO, (c) CFO – PHMB – GO (d) CFO – PHMB – GO – Ag phương pháp đục lỗ thạch 44 DANH MỤC CÁC KÍ TỰ VIẾT TẮT Danh mục kí hiệu C0 Nồng độ chất hấp phụ ban đầu Cv Nồng độ dung dịch đạt cân hấp phụ H Hiệu suất hấp phụ Hc Lực kháng từ K Hằng số dị hướng từ tinh thể M Khối lượng chất hấp phụ Ms Từ độ bão hòa qe Dung lượng hấp phụ cân qt Dung lượng hấp phụ thời điểm t T Thời điểm cân hấp phụ V Thể tích hạt D Đường kính vịng vơ khuẩn d Đường kính lỗ thạch dnm Kích thước tinh thể a Hằng số mạng tinh thể Danh mục chữ viết tắt CFO CoFe2O4 MB Xanh methylen GO Graphen oxide EDS Phổ tán xạ lượng tia X FTIR Phổ hấp phụ biến đổi Fourier TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy) FE-SEM Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (Field Emission Scanning Electron Microscope) VSM Từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer) XRD Nhiễu xạ tia X COD Chỉ số nhu cầu oxy hố học (chemical oxygen demand) cao mẫu M3 chọn để tiến hành thử nghiệm thay đổi nồng độ MB Thay đổi nồng độ dung dịch MB từ 10.10-6 đến 40.10-6 mol/L, thời gian cân hấp phụ 60 phút (hình 3.13) Hiệu suất hấp phụ giảm tăng nồng độ MB Điều số lượng tâm hấp phụ vật liệu không thay đổi, lượng chất hấp phụ tăng Tỷ lệ tâm hấp phụ lượng phân tử có dung dịch tăng giảm nồng độ, điều có nghĩa tăng tỷ lệ bắt cặp phân tử MB với tâm hấp phụ Hình 13 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hiệu suất hấp phụ vào thời gian hấp phụ vật liệu CFO – PHMB – GO – Ag (1:0,5:0,7) Bên cạnh đó, việc thu hồi lượng MB hấp phụ hệ vật liệu từ trường thực dễ dàng (hình 3.12b), xu hướng nhiều nhóm nghiên cứu việc xử lý mơi trường tái sử dụng vật liệu [10][17] Việc thu hồi vật liệu sau hấp phụ chất màu tiến hành giải hấp xử lí cục MB hạn chế ảnh hưởng đến hệ sinh thái mơi trường MB phân huỷ tạo chất trung gian gây ô nhiễm gây độc động thực vật [28][71] 3.3.2 Các mơ hình động học hấp phụ Dựa vào số liệu thực nghiệm nghiên cứu hiệu suất hấp phụ MB theo thời gian nồng độ dung dịch MB, dung lượng hấp phụ thời điểm cân hệ vật liệu tính trình bày theo bảng 3.4 Các thơng số mơ 39 hình động học bậc bậc mẫu xác định trình bày bảng 3.5 Bảng 3.4 Các thông số dung lượng hấp phụ thời điểm cân mvl (g) VMB (L) C0(MB) mg/L Ce(MB) mg/L qe(mg/g) 0,01 0,1 7,105 1,57 55,35 Bảng 3.5 Các thơng số fit theo mơ hình động học bậc bậc hai hệ vật liệu tổ hợp Mơ hình động học bậc Mơ hình động học bậc K1 R2 K2 R2 -0,0468 0,9534 0,0181 0,9987 Các thông số fit bao gồm số hấp phụ hệ số tương quan theo mô hình hệ vật liệu trình bày bảng 3.4 Dựa vào thông số mơ hình động học cho thấy hệ số tương quan R2 theo mơ hình động học bậc hệ mẫu lớn so với bậc Vì vậy, trình hấp phụ MB lên hệ vật liệu phù hợp với mơ hình động học bậc Điều phù hợp với nghiên cứu khả hấp phụ GO MB [9] Năng lượng hoạt hố vật liệu q trình hấp phụ tính theo cơng thức (1.6) Dựa vào giá trị lượng hoạt hố q trình hấp phụ kết luận chế q trình hấp phụ hấp phụ vật lý hay hấp phụ hoá học [68] Năng lượng hoạt hoá mẫu M3 trình hấp phụ 20,02 kJ/mol (