Nghiên cứu hoạt tính quang hóa và kháng khuẩn của vật liệu nano ZnO

Đặc tính vật liệu ZnO .1 Cấu trúc của ZnO

Phản ứng giữa lỗ trống ở vùng hóa trị (h+VB) và nguyên tử nước có thể tạo thành gốc tự do hydroxyl (˙OH) trên bề mặt của ZnO. Gốc tự do hydroxide là một tác nhân ôxy hóa mạnh, không chọn lọc và có khả năng phân hủy một phần hoặc hoàn toàn các chất hữu cơ thành CO2, H2O, và các axít vô cơ [10]. Phản ứng chi tiết cho cơ chế quang xúc tác của ZnO được mô tả như sau [10]:. 1) Ánh sáng có năng lượng hv chiếu vào bề mặt ZnO sẽ kích thích các điện tử ở vùng hóa trị di chuyển lên vùng dẫn sinh ra các cặp electron nằm trên vùng dẫn (e-CB) và lỗ trống nằm trên vùng hóa trị (h+VB). 2) e-CB và h+VB sẽ tiếp tục thực hiện các phản ứng ôxy hóa khử để sinh ra các gốc tự do ôxy hóa (ROS). Tuy nhiên, vì năng lượng vùng cấm tăng lên nên để có thể kích thích các điện tử ở vùng hóa trị cần dùng bước sóng ngắn hơn (vùng tử ngoại) [14]. Nhờ những ưu điểm trên vật liệu ZnO có kích thước nano ngày càng được nghiên cứu rộng rãi để phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải [15]. John Becker và cộng sự [16] đã chứng minh vai trò của kích thước hạt đến hiệu quả xúc tác quang phân hủy Rhodamine B. Ở nghiên cứu này, nhờ những phương pháp phân tích như BET, UV-Vis DRS, XRD tác giả nhận thấy rằng khi kích thước các hạt. Khả năng phân hủy Rhodamine B của vật liệu này cũng giảm dần khi kích thước hạt tăng. Dodoo-Arhin và cộng sự [17] cũng đã điều chế thành công vật liệu hạt nano ZnO và chứng minh rằng kích thước hạt ảnh hưởng đến khả năng quang xúc tác phân hủy Rhodamine B. Ở một nghiên cứu khác, Algarni và cộng sự [18] đã điều chế thành công hai loại vật liệu nano ZnO ở hai điều kiện nhiệt độ phản ứng khác nhau. Mẫu được điều chế ở nhiệt độ 80 oC cho kích thước hạt trung bình vào khoảng 38 nm và mẫu được điều chế ở nhiệt độ 180 oC cho kích thước trung bình lớn hơn vào khoảng 71 nm. Từ những nghiên cứu trên, có thể thấy tầm quan trọng của kích thước đối với hoạt tính quang xúc tác. Vật liệu có kích thước càng nhỏ thì diện tích bề mặt riêng cũng như các tâm hoạt tính càng nhiều sẽ giúp thúc đẩy khả năng quang xúc tác. a) Hiệu suất phân hủy MB và b) đường động học phản ứng bậc 1 của vật liệu ZnO được chiếu dưới ánh sáng UV trong vòng 80 phút.

Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano ZnO dạng tấm

Nhóm tác giả của nghiên cứu [63] đã điều chế vật liệu nano ZnO dạng tấm bằng phương pháp thủy nhiệt với các tiền chất là Kẽm acetate, NaOH và chất hoạt động bề mặt sodium citrate. Nhóm tác giả ở nghiên cứu [64] điều chế vật liệu nano ZnO dạng tấm bằng phương pháp hóa ướt từ các tiền chất là kẽm acetate, NaOH và ethanol. Vật liệu nano ZnO dạng tấm trong nghiên cứu [65] được điều chế bằng phương pháp hóa cơ kết hợp với nung ở 300 oC từ một tiền chất duy nhất là kẽm acetate.

Qua các khảo sát ở bảng 1.5 cho thấy vật liệu nano ZnO dạng tấm được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau, được sử dụng đa dạng để phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại ứng dụng cho việc xử lý nước thải. Ứng với từng phương pháp tổng hợp vật liệu ZnO sẽ cho ra hình dạng và kích thước tinh thể không giống nhau nhưng đều cho khả năng phân hủy nhiều loại chất hữu cơ trong nước thải khác nhau vùng với hiệu suất vượt trội.

Ứng dụng tính chất kháng khuẩn của vật liệu nano ZnO dạng tấm

Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu đầu tiên được đánh giá thông phương pháp khuếch tán đĩa thạch đối với 2 loại vi khuẩn là M.luteus và B.manliponensis (106 CFU.mL-1) và nồng độ vật liệu là 10 mg.mL-1. Kết quả cho thấy khi tăng nhiệt độ thủy nhiệt thì đường kính vòng tròn ức chế cũng tăng theo và đạt đường kính tối đa là 24,6 mm đối với vi khuẩn M.luteus và 14,0 mm đối với vi khuẩn B.manliponensis khi sử dụng mẫu vật liệu được điều chế ở 200 oC. Trong bối cảnh ngày nay, ô nhiễm môi trường và vấn đề về sức khỏe cộng đồng đang trở thành mối quan tâm hàng đầu trên toàn cầu, đặc biệt là ô nhiễm chất màu trong nước và sự gia tăng nguy cơ về các loại vi khuẩn gây bệnh.

Trong việc xử lí ô nhiễm chất màu trong nước, vật liệu nano ZnO có khả năng hấp phụ và phân hủy các chất màu hữu cơ tồn tại trong nước, giúp nước trở nên trong sạch hơn và an toàn hơn cho sức khỏe con người. Với mục đích nhằm tăng hoạt tính quang xúc tác và kháng khuẩn, luận văn này nghiên cứu phương pháp điều chế vật liệu nano ZnO dạng tấm sử dụng chất hoạt động bề mặt Sodium dodecyl sulfate bằng phương pháp dung nhiệt.

Nội dung nghiên cứu

- Tìm được điều kiện để điều chế được vật liệu nano ZnO dạng tấm đơn pha. - Đánh giá được hoạt tính quang xúc tác phân hủy chất màu Methylen Blue (MB) theo các điều kiện điều chế. - Đánh giá được hoạt tính kháng khuẩn E.coli của vật liệu nano ZnO dạng tấm.

Phương pháp nghiên cứu

- Sau khi chọn được điều kiện chất hoạt động bề mặt và nhiệt độ thích hợp, sẽ tiếp tục khảo sát thời gian dung nhiệt tối ưu được khảo sát ở các điều kiện thời gian (6h, 12h, 18h). Các mẫu cũng được đánh giá hoạt tính quang xúc tác rồi tự đó chọn mẫu có hoạt tính cao nhất.

Quy trình điều chế vật liệu nano ZnO

Phương pháp này thực hiện bằng cách chiếu một chùm điện tử hẹp lên bề mặt của mẫu và thu tín hiệu từ các chùm điện tử thứ cấp hoặc chùm điện tử tán xạ ngược. Kết quả thu được từ phổ UV-Vis DRS được dùng để xác định năng lượng vùng cấm và đánh giá khả năng hoạt động của mẫu xúc tác tại các bước sóng khác nhau. Từ đồ thị Tauc có trục tung là (αhν)2 và trục hoành là năng lượng của photon hν, năng lượng vùng cấm được ước tính từ giao điểm giữa đường tiếp tuyến của đường cong với trục hoành.

Trong đó α, h, ν, Α và Ebg lần lượt là hệ số hấp thụ, hằng số Planck, tần số photon, hằng số không phụ thuộc năng lượng và năng lượng vùng cấm. Đường đẳng nhiệt giải hấp phụ N2 của các mẫu xúc tác được xác định bằng thiết bị phân tích diện tích bề mặt và kích thước lỗ Quantachrome NOVA 1000E (NOVA 1000e, Quantachrome Instruments, Mỹ) với tại nhiệt độ 77 Kelvin.

Đánh giá hoạt tính quang xúc tác .1 Điều kiện thí nghiệm

Từ dữ liệu thu được, có thể xác định diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước lỗ xốp của vật liệu theo phương pháp BJH. Hoạt tính quang xúc tác của các mẫu đã chuẩn bị được đánh giá thông qua hằng số tốc độ phân hủy bậc 1 của dung dich MB. Trong đó k là hằng số tốc độ giả bậc nhất, C0 là nồng độ MB tại thời điểm bắt đầu chiếu xạ và C là nồng độ MB còn lại trong dung dịch.

Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn

Trong mỗi thí nghiệm, hai thiết bị phản ứng được chứ 200 mL dung dịch NaCl 0,8% có mật độ E.coli khoảng 5ì105 CFU.mL-1; trong đú một bỡnh phản ứng (1) được sử dụng để đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu và bình phản ứng còn lại (2) được đặt trong tối, hoàn toàn không tiếp xúc với vật liệu trong suốt thí nghiệm để làm mẫu đối chứng (control). Để xỏc định mật độ vi khuẩn trong dung dịch sau khi xử lí bằng hệ quang xúc tác, các mẫu đánh giá hoạt tính và mẫu đối chứng đều được pha loãng bậc 10 đến các nồng độ thích hợp để trải đĩa. Trong phương pháp này, cần thực hiện pha loãng mẫu thành nhiều độ pha loãng bậc 10 liên tiếp sao cho có độ pha loãng tới mật độ tế bào thích hợp để xuất hiện khuẩn lạc riêng lẻ trên bề mặt thạch.

Trong đó: Ai là số khuẩn lạc trên đĩa i; Di là độ pha loãng của dịch khuẩn trên đĩa i; Vi là thể tớch dung dịch huyền phự chứa E.coli cho vào dĩa i (àL). b) Mật độ E.coli trung bình trong mẫu ban đầu. Dựa vào kết quả tính toán từ phương trình Debye-Scherrer, có thể thấy rằng khi nhiệt độ càng tăng thì kích thước tinh thể tăng theo nhưng độ kết tinh vẫn duy trì trong khoảng từ 96 đến 97 % (Bảng 3.3).

Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu nano ZnO dạng tấm

Từ kết quả hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu ZnO nanoplates được thể hiện trong Hình 3.10 thì có thể thấy rằng vật liệu kháng khuẩn theo cả cơ chế phóng thích ion Zn2+. Việc thêm chất hoạt động bề mặt đã giúp định hướng phát triển vật liệu thành hình thái các tấm nano giúp cải thiện hoạt tính quang xúc tác và kháng khuẩn. Việc cải thiện khả năng xúc tác này là do vật liệu nano ZnO dạng tấm có bề mặt phân cực tích điện dương (0001) phát triển mạnh theo chiều ngang nên sẽ có khả năng hấp phụ nhiều ion OH- hơn từ đó sẽ giúp sinh ra nhiều gốc tự do •𝑍𝑍𝐻𝐻.

Kết quả cho thấy rằng vật liệu nano ZnO dạng tấm có khả năng diện hoàn toàn vi khuẩn E.coli chỉ sau 30 phút tiếp xúc với vật liệu tại hàm lượng xúc tác là 0,2 g.L-1. - Nghiên cứu khả năng xúc tác quang của vật liệu với nhiều chất ô nhiễm khác nhau như MB, MO, TC để tăng tính ứng dụng xử lý nhiều chất gây ô nhiễm đồng thời trong dung dịch nước thải.