Sự tương tác với ánh sáng của vật liệu nano và vật liệu khối là khác nhau. Khi vật liệu ở kích thước nano thì đường kích hạt sẽ bằng hoặc nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Khi vật liệu nano có đường kính hạt gần với bước sóng ánh sáng và được bao bọc trong chất nền với các chỉ số khúc xạ khác nhau, khi đó ánh sáng với bước sóng thích hợp sẽ bị phân tán (scatter).
Vật liệu nano platin đã được khảo sát các tính chất quang học dựa trên các màng mỏng, các dây hay các hạt nano... bằng các phương pháp nghiên cứu khác nhau như kỹ thuật hấp thụ, kỹ thuật quang phổ phát xạ hay phổ Raman.
Hình dạng, độ lớn cũng như mật độ của hạt nano platin thay đổi làm cho bước sóng phản xạ thay đổi dẫn đến màu sắc thay đổi nên có thể nói những yếu tố này ảnh hưởng đến tính chất quang học.
1.3.3. Tính chất từ
Zhang và cộng sự [4] đã nghiên cứu từ tính của platin có cấu trúc nano với các hình thái khác nhau, hình thái học của hạt nano platinum được điều khiển thông qua nhiệt độ và thời gian của phản ứng tổng hợp. Một thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn đã được sử dụng để mô tả từ tính của hạt nano platin. Các hạt nano platin dạng nhánh thể hiện từ tính cao hơn nhiều so với hạt nano platin hình cầu.
Hạt nano platin hình cầu thuận từ trong khi các nhánh hạt nano bị nhiễm sắt từ tại nhiệt độ phòng. Các chất hoạt động bề mặt cũng ảnh hưởng đến từ tính của nano platin .
1.3.4. Tính chất nhiệt
Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các
nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn. Như vậy, nếu kích thước của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm.
1.4. Các phƣơng pháp tổng hợp hạt nano platin
1.4.1. Phƣơng pháp polyol hỗ trợ bởi nhiệt vi sóng
Đây là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật lí. Nguyên lý là dùng chất khử hoá học có chứa các nhóm (-OH) kết hợp với sóng điện từ để tạo ra hạt nano.
Trong phương pháp này axit chloroplatinic H2PtCl6 được khử tạo thành nguyên tử platin nhờ các chất khử như: glycerol- C3H5(OH)3, eltylen glycol- C2H4(OH)2, ethanol… với sự hiện diện của các chất ổn định như PVP, PVA có tác dụng bảo vệ hạt nano tạo thành.
Dưới tác dụng của lò vi sóng, axit H2PtCl6 và các chất khử sẽ nóng lên nhanh hơn, nhiệt cung cấp cho dung dịch đồng đều và ổn định. Do đó quá trình tạo ra hạt nano platin sẽ diễn ra một cách nhanh chóng. Phương pháp gia nhiệt trong lò vi sóng có ưu điểm hơn các phương pháp khác là do nhiệt độ trong dung dịch được phân tán đều giúp cho các hạt nano platin tạo ra có kích thước đồng đều.
Ngoài ra, kích thước hạt và hình dạng của nano có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi nồng độ của tiền chất, thành phần của dung môi và thời gian của lò vi sóng. Mặt khác đây là một phương pháp đơn giản, dễ thực hiện và không mất nhiều thời gian.
1.4.2. Phƣơng pháp sinh học
Sự phát triển trong lĩnh vực tổng hợp hạt nano theo hướng sinh học là một khía cạnh quan trọng trong khoa học và công nghệ nano. Sinh tổng hợp các hạt nano Platin đã được thực hiện bằng cách sử dụng các tác nhân như vi khuẩn, tảo, mật ong, nấm (Fusarium oxysporum), các loại dịch chiết từ thân, lá, quả của thực vật để khử ion Pt4+ thành nguyên tử Pt0.
Phương pháp này thân thiện với môi trường, không sử dụng hoá chất đắt tiền nhưng thường mất khá nhiều thời gian cho phản ứng.
Hình 1.12: Sử dụng vi khuẩn, nấm, các loại dịch chiết từ thân, lá, quả của thực vật
để tổng hợp hạt kích thước nano
1.4.3. Phƣơng pháp vật lý
Là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phóng xạ, phóng điện hồ quang).
Đây là phương pháp sử dụng các tác nhân vật lý như sóng điện từ (tia UV, tia laser) để khử ion platin tạo thành hạt nano platin. Dưới tác dụng của nhiều nhân tố vật lý, có nhiều quá trình biến đổi của dung môi và các phụ gia của dung môi để
sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion kim loại.Trong đó các chất phản ứng không có sự thay đổi hoá học nào. Hạt nano platin được tổng hợp bằng phương pháp vật lý để thường rất da dạng gồm màng mỏng kích thước nano, hạt nano, dây nano và thanh nano.
1.4.4. Phƣơng pháp khử hoá học
Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion platin tạo thành nguyên tử platin ở dạng đơn chất, sau đó các nguyên tử này kết hợp với nhau tạo thành các hạt platin có kích thước nano. Thông thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên còn gọi là phương pháp hóa ướt. Đây là phương pháp từ dưới lên. Dung dịch ban đầu thường là: H2PtCl6, K2PtCl4.
Các tác nhân hóa học có thể sử dụng là: NaBH4, sodium citrate, acid focmic, ethanol, hydrogen, hydrogen peroxid, hydroxylammine, hydrazine, formaldehyde và các dẫn xuất của nó ...
Hình 1.13: Sơ đồ tổng quát hình thành hạt nano kim loại
Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết thành đám, người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và
đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc bằng các chất hoạt động bề mặt hoặc các hợp chất polymer. Phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị giới hạn bởi một số chất khử. Phương pháp sử dụng các chất bảo vệ được sử dụng khá thông dụng nhưng trong một số trường hợp chất bảo vệ làm ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu.
1.4.5. Phƣơng pháp ăn mòn laser (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đây là phương pháp từ trên xuống. Vật liệu ban đầu là một platin được đặt trong một dung dịch có chứa chất hoạt hóa bề mặt là sodium dodecyl sulfate (SDS). Một chùm Laser xung có bước sóng 532 nm, tần số 10 Hz, đường kính của tấm kim loại bị các chùm tia laser tác dụng từ 1,5-2 mm. Dưới tác dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước từ 2-7 nm được hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt SDS với nồng độ từ 0,01 M.
Hình 1.14: Ảnh TEM và sự phân bố kích thước hạt nano platin được hình thành
bằng phương pháp ăn mòn laser với (a) dung dịch SDS 0.01M - (b) nước tinh khiết
1.5. Ứng dụng của hạt nano Platin 1.5.1. Trong các phản ứng hoá học 1.5.1. Trong các phản ứng hoá học
Quá trình khử hóa glucozo bằng H2 là một quá rất quan trọng hiện nay vì nó cho ra sản phẩm là sorbitol được ứng dụng rộng rãi trong dược phẩm để sản xuất vitamin C, thuốc ho xiro, là loại đường ít calo dành cho bệnh nhân tiểu đường... quá trình khử hóa này cần phải sử dụng một hệ chất xúc tác trong đó có platin. Trước đây vấn đề này rất hạn chế vì việc đưa những xúc tác này vào trong phản ứng rất đắt đỏ, nhưng hiện nay với việc chế tạo thành công hạt nano kim loại nói chung và hạt nano platin nói riêng đã làm quá trình này phát triển nhanh chóng, và trên thế giới đã có những hệ xúc tác dị thể cho quá trình này như xúc tác 5%Pd-5%Bi/C (tên thương mại MPB5 cung cấp bởi hãng Sud-Chemie-MT), xúc tác 5%Pt/C (ESCAT10 của Engelhard) và 1% Pt-4% Pd-5%Bi/C (CEF 196 XRA/W của Desgussa).
1.5.2. Trong pin nhiên liệu
Các hạt nano platin được sử dụng làm chất xúc tác đột phá trong pin nhiên liệu do những tinh thể này làm tăng xúc tác cho sự oxy hóa nhiên liệu và sản xuất hydrogen. Xúc tác trên nền hạt nano platin có chi phí thấp, các pin nhiên liệu có tính ổn định, nâng cao hiệu quả và độ bền của pin nhiên liệu hydro.
Hình 1.15: Cấu tạo pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu hoạt động bằng cách phân hủy nhiên liệu và chuyển đổi năng lượng trực tiếp thành điện. Trong pin nhiên liệu anode và cathode được ngăn cách bởi lớp màng trao đổi proton (PEM).
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Cornell Trung tâm Vật liệu Năng lượng đã thực hiện một khám phá mang tính đột phá là thay vì sử dụng platin làm chất xúc tác trong các tế bào nhiên liệu thì họ sử dụng các hạt nano platin được phân tán vào vật liệu nền là TiO2 sau đó thêm vào vonfram để tăng tính dẫn điện của chất xúc tác. Quá trình này cũng làm cho vật liệu rẻ hơn nhiều so với một chất xúc tác sử dụng platin tinh khiết.
Vật liệu nano platin với hoạt tính điện xúc tác cao đối với quá trình oxi hóa ethanol là một hứa hẹn cho các ứng dụng tương lai.
1.5.3. Trong trị liệu da thẩm mỹ
Nhờ có kích thước nhỏ hơn rất nhiều lần so với lỗ nang lông nên hạt nano platin có thể mang theo các loại hoá mỹ phẩm đi vào các lớp da từ nông đến sâu một cách dễ dàng giúp cho làn da trắng hồng, liền sẹo do mụn. Hạt nano platin có chức năng làm tăng sức sống của tế bào nhờ đó chống lão hóa tốt.
Khi platin ở kích thước nano thì diện tích bề mặt tăng lên, tăng khả năng chống oxi hoá giúp da trắng sáng. Mặt khác, nano platin còn chống vi trùng mạnh nhờ giải phóng điện tử, các electron này dễ chuyển động, phá vỡ các mối liên kết, tạo ra các phản ứng oxy hoá khử… ngăn chặn quá trình sinh trưởng của vi khuẩn làm tổn hại da.
Ngoài ra nano platin và một số chất khác còn được sử dụng trong việc điều chế viên nang, mặt nạ chăm sóc da giúp giảm thiểu sự xuất hiện của nếp nhăn trên da, phục hồi những vùng da khô sạm, giúp trẻ hoá làn da…
1.5.4. Trong công nghiệp
Hiện nay, tính năng khử khuẩn bằng nano platin đã được ứng dụng vào nhiều loại thiết bị gia dụng như điều hòa nhiệt độ, tủ lạnh, ... và một số dụng cụ khác như thiết bị xông hơi nóng dùng ion nano platin có tác dụng chống lão hoá làn da.
Hãng Mitshubishi đã sản xuất ra máy điều hoà với màng lọc nano platin giúp kháng khuẩn và khử mùi hiệu quả.
Sanyo đã sử dụng công nghệ khử mùi nano platin cho tủ lạnh, lớp màng lọc nano platin bên trong tủ tạo hiệu quả kháng khuẩn và khử mùi toàn diện, ngăn chặn sự sinh sôi của vi khuẩn, giữ rau quả tươi ngon hơn.
Hình 1.17: Hệ thống khử mùi trong tủ lạnh bằng màng lọc nano platin 1.5.5. Trong y học
Theo nhóm tác giả Erika Porcel, Samuel Liehn cùng các đồng nghiệp [6]: các hạt nano platin là một nguyên liệu đầy hứa hẹn để điều trị ung thư, dựa trên sự kết hợp của chúng với bức xạ ion, các hạt nano platin tăng cường mạnh mẽ hiệu quả sinh học của phóng xạ. Đặc tính nhạy với ánh sáng của các hạt nano platin được tăng cường do điện tử tự khuếch đại bên trong các hạt nano...
Hình 1.18: Hạt nano platin liên kết với DNA và được kích thích bởi bức xạ ion hoá
Ngoài ra hạt nano platin còn có thể ngăn chặn bệnh tiểu đường: Nhóm nghiên cứu tại Đại học Arkansas, Mỹ phát hiện ra rằng các ống nano được phủ hạt nano platin sẽ nhạy hơn trong việc phát hiện bệnh tiểu đường và hơn thế nữa thiết bị này không sử dụng kim nên không gây đau đớn cho người bệnh.
Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất và thiết bị - dụng cụ
2.1.1. Các hóa chất sử dụng
Bảng 2.1: Các hóa chất sử dụng
Tên hóa chất Công thức Hãng sản xuất Thành phần
Hexachloroplatinic acid H2PtCl6.6H2O Prolabo 99%
Polyvinyl pyrrolidone (C6H9NO)n Merk (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mw=1.000.000 g/mol Mw=55.000 g/mol Polyvinyl pyrrolidone (C6H9NO)n India Mw=40.000 g/mol
Trisodium citrate
dihydrate TSC Prolabo 99%
Sodium hydroxide NaOH Guangdong 99%
Ethylene glycol C2H6O2 Chemsol 99.5%
Nước tinh khiết H2O Merk 100%
Cacbon Vulcan XC72 C Cabot 99%
Acetone C3H6O China 99%
2.1.2. Các thiết bị và dụng cụ
Hình 2.1: Lò vi sóng Sanyo EM - S2088W
- Cân điện tử 5 số, sai số ±0,0001g
- Máy khuấy từ IKA RET control-visc, Đức.
- Máy quang phổ UV-Vis NIR-V670, JACCO, Nhật. - Micropipet (100-1000µl).
- Pipet.
- Becher 100.0ml - Nhiệt kế.
- Máy ly tâm UNIVERSAL 32R HETTICH ZENTRIFUGEN, Đức, số vòng ly tâm 18000 vòng/phút (Phòng thí nghiệm Hóa Lý ứng dụng, ĐH KHTN, Tp. HCM). - Máy đo pH IQ Scientific Instruments (Bộ môn Hóa Phân Tích, ĐH KHTN, Thành phố Hồ Chí Minh).
- Máy nhiễu xạ tia X BRUKER XRD-D8 ADVANCE, Đức (Viện khoa học vật liệu ứng dụng).
- Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM, JEM- 1400, Nhật (Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia vật liệu Polymer và Composite – Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh).
2.2. Chế tạo nano platin trong dung môi nƣớc 2.2.1. Ở pH=7
Quy trình được thực hiện như sau:
Hình 2.2: Quy trình chế tạo nano platin trong dung môi nước ở pH=7 Thuyết minh quy trình
Dung dịch keo nano platin được điều chế như sau:
Cho PVP vào nước cất, tiến hành khuấy từ và gia nhiệt trong lò vi sóng cho đến khi PVP tan hoàn toàn trong nước (dung dịch trong suốt).
Dung dịch H2PtCl6 được cho vào hệ với thể tích xác định, tiếp tục khuấy đều. Dùng micropipet cho dung dịch TSC vào hệ với các thể tích khác nhau, tiếp tục khuấy đều.
Sau khi phản ứng xảy ra, hạt nano platin đã được tạo ra, tiến hành khuấy ở nhiệt độ phòng khoảng 10 phút để giải nhiệt cho dung dịch, tránh sự kết tụ của các hạt nano platin, giúp các hạt nano platin có kích thước nhỏ và đồng đều.
Các mẫu thu được sau thí nghiệm được đưa đi phân tích UV-Vis, XRD, TEM và thử kháng khuẩn.
2.2.2. Ở pH=9, 11
Quy trình được thực hiện như sau:
Hình 2.3: Quy trình chế tạo nano platin trong dung môi nước ở pH=9, 11 Thuyết minh quy trình
Dung dịch keo nano platin được điều chế như sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cho PVP vào nước cất, tiến hành khuấy và gia nhiệt trong lò vi sóng cho đến khi PVP tan hoàn toàn trong nước (dung dịch trong suốt).
Điều chỉnh pH bằng dung dịch NaOH 1M.
Tiếp tục khuấy từ và gia nhiệt hỗn hợp trong lò vi sóng cho đến khi đạt nhiệt độ yêu cầu.
Dung dịch H2PtCl6 được cho vào hệ với thể tích xác định.
Dùng micropipet cho dung dịch TSC vào hệ với các thể tích khác nhau, tiếp tục khuấy đều.
Sau khi phản ứng xảy ra, hạt nano platin đã được tạo ra, tiến hành khuấy ở nhiệt độ phòng khoảng 10 phút để giải nhiệt cho dung dịch, tránh sự kết tụ của các hạt nano platin, giúp các hạt nano platin có kích thước nhỏ và đồng đều.
2.3. Chế tạo nano platin trong dung môi etylen glycol 2.3.1. Ở pH=7 2.3.1. Ở pH=7
Quy trình được thực hiện như sau:
Hình 2.4: Quy trình chế tạo dung dịch keo nano platin trong dung môi etylen glycol
ở pH=7
Thuyết minh quy trình
Cho PVP vào etylen glycol, tiến hành khuấy và gia nhiệt trong lò vi sóng cho đến khi PVP tan hoàn toàn trong etylen glycol (dung dịch trong suốt).
Tiếp tục khuấy từ và gia nhiệt hỗn hợp trong lò vi sóng cho đến khi đạt nhiệt độ yêu cầu khác nhau (120o
C,140oC, 160oC, 180oC). Nhiệt độ của dung dịch PVP – etylen glycol được xác định bằng nhiệt kế thủy ngân khi ngừng gia nhiêt.
Dùng micropipet cho một lượng dung dịch H2PtCl6 vào hệ với các thể tích khác nhau, tiếp tục khuấy đều.
Sau khi phản ứng xảy ra, hạt nano platin đã được tạo ra, tiến hành khuấy ở