Chương 2 : THỰC NGHIỆM
2.3 Phân tích mẫu:
2.3.1 Sơ đồ thực nghiệm và phân tích mẫu
MMT Ag+_MMT Ag+_PEG_MMT Ag_PEG_MMT XRD : khảo sát độ rộng khoang sét XRD : khảo sát độ rộng khoang sét AAS : khảo sát hàm lượng bạc hấp thụ XRD : khẳng định sự tồn tại của bạc kim loại UV-VIS : khảo sát sự hình thành của nano bạc TEM : khảo sát kích thước, vị trí, hình dáng của các hạt nano bạc AAS : khảo sát hàm lượng bạc hấp phụ trong mẫu
Kiểm tra khả năng diệt khuẩn E.coli của mẫu
Nhận xét
XRD : khảo sát độ rộng khoang sét
Phổ tử ngoại và khả kiến của các hợp chất hữu cơ gắn liền với bước chuyển electron giữa các mức năng lượng electron trong phân tử khi các electron chuyển từ các obitan liên kết hoặc không liên kết lên các obitan phản liên kết có mức năng lượng cao hơn, địi hỏi phải hấp thụ năng lượng từ ngoài.
Các electron nằm ở obitan liên kết σ nhảy lên obitan phản liên kết σ*có mức năng lượng cao nhất, ứng với bước sóng 120 – 150 nm nằm ở vùng tử ngoại xa. Các electron π và các electron ρ (cặp electron tự do) nhảy lên obitan phản liên kết π* có mức năng lượng lớn hơn, ứng với bước sóng nằm trong vùng tử ngoại (200 – 400 nm) hay vùng khả kiến (400 – 800 nm) tùy theo mạch liên hợp của phân tử.
ước chuyển dời năng lượng : ở điều kiện bình thường, các electron trong phân tử nằm ở trạng thái cơ bản, khi có ánh sáng kích thích với tần số ν thích hợp thì các electron sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển lên các trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn. Theo cơ học lượng tử, ở trạng thái cơ bản các electron được sắp đầy vào các obitan liên kết σ, π hay n có mức năng lượng thấp, khi bị kích thích sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn:
Hình 15. Máy Quang phổ UV-VIS-NIR- V670
Việc đo phổ UV-VIS được thực hiện với điều kiện nhiệt độ phòng 250C, dùng cuvettes thạch anh với khoảng đo từ 300nm – 600nm. Các mẫu đo được pha loãng với nước cất hai lần cho tới nồng độ khoảng 1mM (dùng micro pipet) rồi mới tiến hành đo để đảm bảo sự tương quan về nồng độ chất cần đo trong mẫu.
2.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction)
Phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng để phân tích các vật liệu có cấu trúc, nó cho phép xác định hằng số mạng và các đỉnh đặc trưng cho các cấu trúc đó. Đối với
kim loại, phương pháp XRD cho phép xác định chính xác sự tồn tại của kim loại trong mẫu dựa trên các đỉnh thu được so sánh với các đỉnh chuẩn của nguyên tố đó.
Nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X : được mơ tả như hình dưới đây
Hình 16. Nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X
Chùm tia X có bước sóng λ chiếu vào hai bề mặt cách nhau một khoảng cách d với góc tới θ. Khi chạm vào hai bề mặt trên, chùm tia tới sẽ bị chặn lại và sẽ xuất hiện chùm tia nhiễu xạ. Đây chính là hiện tượng nhiễu xạ. Góc giữa chùm tia tới và chùm tia nhiễu xạ là 2θ. Khi xảy ra cộng hưởng thì khoảng cách (A+ ) phải bằng một số nguyên lần bước sóng nλ.
Mặt khác, xét khoảng cách (A+ ), với hai pháp tuyến vng góc với chùm tia tới và chùm nhiễu xạ, ta có :
Từ đó ta có phương trình : n λ = 2*d* sinθ
Đây chính là định luật nhiễu xạ ragg và số nguyên n có liên quan tới cấp độ nhiễu xạ
ví dụ : nếu d001 =10Å thì d002 =5Å, d003 =3.33Å …
Dựa trên giản đồ XRD, áp dụng công thức Scherrer, có thể tính được kích thước một cách tương đối của các hạt nano bạc tạo thành (chỉ dùng để so sánh các trường hợp vì tính chính xác khơng cao).
Cơng thức Scherrer : D
Với : D: kích thước tinh thể hạt
Hình 17. Máy chụp nhiễu xạ tia X D8-Advance
Trong đề tài sử dụng máy D8 – Advance, điện áp gia tốc 40Kv, cường độ dòng 40mA, bức xạ Cu-Kanfa (dùng tấm lọc Ni), tốc độ quét 0.0102 /0.2s, mẫu đo được thực hiện dưới nhiệt độ phòng 250C.
2.3.4 Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
Trong phân tích hóa học, phổ hấp thụ nguyên tử là một kỹ thuật để xác định nồng độ của một nguyên tố kim loại nào đó trong mẫu. Kỹ thuật này có thể được sử dụng để phân tích 62 kim loại khác nhau trong cùng 1 dung dịch.
Nguyên lý : Kỹ thuật này sử dụng phổ hấp thụ để đánh giá nồng độ của chất cần phân tích trong mẫu. Nó chủ yếu dựa trên định luật Beer-Lambert. Về cơ bản, các electron của nguyên tử trong một thiết bị nguyên tử hóa có thể được kích thích nhảy lên những orbitan cao hơn bằng cách hấp phụ một năng lượng nào đó. Lượng năng lượng này là đặc trưng cho sự chuyển mức năng lượng của electron cụ thể trong một nguyên tố cụ thể, và mỗi bước sóng tương ứng với duy nhất một nguyên tố.
Với lượng năng lượng đưa vào ngọn lửa được biết trước và lượng năng lượng cịn lại ở đầu bên kia (đầu dị) có thể đo được, theo định luật Beer-Lambert, ta có thể tính được số lượng chuyển mức năng lượng đã xảy ra, và từ đó ta biết được nồng độ của nguyên tố tương ứng cần đo.
Thiết bị: để phân tích thành phần nguyên tử của một mẫu, mẫu cần phải được nguyên tử hóa. Sau đó, mẫu sẽ được chiếu sáng. Ánh sáng truyền qua được đo bởi một đầu dò.
Để giảm sự ảnh hưởng của sự bức xạ từ máy phun hoặc từ môi trường, người ta thường sử dụng một quang phổ kế ở giữa máy phun và đầu đò. Các nguồn năng lượng có thể được sử dụng để tạo thành hơi nguyên tử : hồ quang điện, ngọn lửa và plasma.
Hình 19. Nguyên tắc hoạt động của máy hấp thụ nguyên tử
Qui trình thực hiện phân tích mẫu trong đề tài (được cung cấp bởi phịng thí nghiệm Hóa phân tích, trường Đại học Khoa học Tự nhiên):
Cân 0.1-1 gam mẫu ±0.1 mg vào ống HACH ( 10 mL), thêm từng giọt 7mL HNO3 1:1 (v/v).
Tách riêng phần dung dịch. Rửa phần rắn 2 lần mỗi lần 10mL nước cất 2 lần, ly tâm.
Gộp chung phần dung dịch và thêm nước đến chính xác khoảng 100g.
Dung dịch này được đem đi xác định Ag và Na bằng phương pháp phổ hấp thu nguyên tử ngọn lửa ( F-AAS).
Đường chuẩn Na: nồng độ 0.1 – 10 ppm trong HNO3 0.5% pha loãng từ dung dịch Na 1000 ppm (Merck).
Đường chuẩn Ag: nồng độ 0.1 – 10 ppm trong HNO3 0.5% pha loãng từ dung dịch trữ Ag 1000 ppm. Dung dịch trữ này đuợc pha từ muối AgNO3 dùng trong thí nghiệm tạo nano bạc.
2.3.5 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên phim quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số. Một công cụ rất mạnh trong việc nghiên cứu cấu trúc ở cấp độ Nano. Nó cho phép quan sát chính xác cấu trúc Nano với độ phân giải lên đến 0,2 nm. Do đó, phương pháp này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu vật liệu Nano.
Hình 20. Máy chụp ảnh TEM JEM 1400
Nguyên tắc của phương pháp hiển vi điện tử truyền qua: về mặt nguyên lý, TEM cũng có cấu trúc tương tự như kính hiển vi quang học với nguồn sáng (lúc này là nguồn điện tử), các hệ thấu kính (hội tụ, tạo ảnh…), các khẩu độ… Tuy nhiên, TEM đã vượt xa khả năng của một kính hiển vi truyền thống ngồi việc quan sát vật nhỏ, đến các khả năng phân tích đặc biệt mà kính hiển vi quang học cũng như nhiều loại kính hiển vi khác khơng thể có nhờ tương tác giữa chùm điện tử với mẫu.
Cơ chế tạo ảnh TEM : ảnh của TEM vẫn được tạo theo các cơ chế quang học, nhưng tính chất ảnh tùy thuộc vào từng chế độ ghi ảnh. Điểm khác cơ bản của ảnh TEM so với ảnh quang học là độ tương phản khác so với ảnh trong kính hiển vi quang học và các loại kính hiển vi khác. Nếu như ảnh trong kính hiển vi quang học có độ tương phản chủ yếu đem lại do hiệu ứng hấp phụ ánh sáng thì độ tương phản của ảnh TEM lại chủ yếu xuất phát từ khả năng tán xạ điện tử.
Hình 21. Cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua
Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope – TEM) được chế tạo dựa trên cơ sở tổng hợp một số hệ thống khác nhau tạo thành một đơn vị chức năng có thể quan sát và chụp ảnh những mẫu rất mỏng. Những hệ thống đó bao gồm:
Hệ thống chiếu sáng: súng phát điện tử và các thấu kính hội tụ để làm tăng và khống chế lượng bức xạ chiếu lên mẫu
Hệ thống điều khiển mẫu: tầng buồng mẫu, các giá đỡ mẫu và các phần cứng cần thiết có liên quan nhằm định hướng mẫu ở bên trong cũng như ở bên ngoài thiết bị
Hệ thống tạo ảnh bao gồm thấu kính vật, thấu kính trung gian và các thấu kính chiếu. Hệ thống này có chức năng tạo ảnh, hội tụ ảnh và phóng đại ảnh trên màn hình quan sát
Hệ thống chân khơng để rút khơng khí ra khỏi cột kính
Hệ thống chiếu sáng Hệ thống thấu kính Hệ thống phân tích ảnh Súng phóng chùm electron Giá mẫu Khẩu độ hội tụ Màn hình hiển thị Vật kính
Khẩu độ trung gian Thấu kính trung gian Thấu kính nhiễu xạ Kính quan sát Màn huỳnh quang Các thấu kính ảnh Kính hội tụ Anod
Đề tài sử dụng máy JEM 1400 (Nhật) của Phịng thí nghiệm trọng điểm quốc gia vật liệu Polymer & Compozit , Đại học ách Khoa , ĐHQG. TP. Hồ Chí Minh
Đặc điểm kỹ thuật
JEM 1400 là thế hệ mới nhất của TEM 120KV với các đặc điểm ưu viết về hệ thống, bệ mẫu, các thấu kính quang học và vẫn duy trì các tính năng ưu việt của dịng TEM 120KV.
Giao diện đồ họa (GUI) được lập trình trên phiên bản mới nhất của windows, là cơng cụ hữu hiệu cho việc điều khiển TEM.
Độ phân giải cao: ảnh điểm: 0,38 nm, ảnh mạng: 0,2 nm. Thế gia tốc electron cực đại: 120KV. Độ phóng đại cực đại: 800 000.
Hệ thống máy ảnh CCD cho chụp ảnh và xử lý trực tiếp không cần tráng rửa. Nguồn điện sử dụng 200V/ 50Hz và 380V/ 50Hz.
Hình 22. Qui trình chuẩn bị mẫu lỏng
Lưới đồng Lưới đồng phủ palladion Lưới đồng phủ palladion và cacbon
Thấm ướt với dung dịch chứa mẫu Mẫu đo
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
3.1 Lựa chọn phương pháp :
Nano bạc đã sớm được chú ý đến và được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau từ phương pháp vật lý, hóa học đến sinh học,… Phương pháp hóa học là một phương pháp dễ làm, khơng địi hỏi nhiều về trang thiết bị, dễ áp dụng trong công nghiệp, đưa đến ứng dụng trong cuộc sống, do đó chúng tơi chọn phương pháp hóa học chứ khơng phải là vật lý hay sinh học.
Trong phương pháp Hóa học, có nhiều tác chất đã được sử dụng để khử Ag+ thành Ag0
như: Gluco, PVP, Vitamin C, Hydrazin, Sodium orohydride,… Tuy nhiên, Petr Praus [25] cùng các đồng nghiệp đã chứng minh là Na H4 luôn là một chất khử có nhiều ưu điểm so với các chất khác (về kích thước, độ phân bố, sự đồng đều của hạt,...). Tuy nhiên, vẫn cịn đó một vấn đề là sự kết tụ của các hạt Nano bạc với nhau sau quá trình khử, một số tác giả khác đã sử dụng MMT như một giá mang để có thể giữ kích thước Nano cho bạc [9, 10, 25] nhưng chủ yếu các hạt Nano bạc đều nằm trên bề mặt của MMT, chưa vào được trong khoang sét MMT. Trong cơng trình này, ngồi việc khảo sát sự hình thành của Nano bạc trên giá mang MMT với điều kiện trong nước, PEG còn được sử dụng thêm như một chất bảo vệ, đồng thời ngăn chặn việc thoát ra ngồi khoang của các hạt Nano bạc trong q trình khử, giữ các hạt Nano bạc nằm trong khoang, có nghĩa là kích thước các hạt sẽ nhỏ hơn, và cho kết quả tốt hơn trong việc sử dụng Nano bạc vào các ứng dụng thực tiễn.
3.2 Tỷ lệ trao đổi cation giữa Ag+ và MMT_ Na+ :
MMT có khả năng trao đổi cation Na+, đây là một đặc tính khá quan trọng, làm MMT trở thành một thành phần hữu dụng trong quá trình chế tạo vật liệu Nano composite. MMT sử dụng trong bài luận văn này có CEC = 85 meq/100g. Thơng số này nói lên khả năng trao đổi cation của Na+
_MMT vào khoảng 85 mili đương lượng trên 100g MMT, tức là cứ 100g MMT thì sẽ có khoảng 85 milimol Na+
có thể được trao đổi.
Theo những cơng trình đã được cơng bố [10, 28] thì hàm lượng AgNO3 được cho vào trao đổi với MMT có ảnh hưởng đến kích thước hạt Nano bạc trên MMT. Lượng AgNO3 ban đầu càng lớn, lượng Ag+
hấp phụ vào MMT càng nhiều, tuy nhiên kích thước hạt sau khi tạo thành cũng tăng dần theo nồng độ AgNO3 ban đầu. Do vậy, phải lựa chọn hàm lượng AgNO3 trao đổi như thế nào để phù hợp là vấn đề đầu tiên cần phải giải quyết.
Trong đề tài này, nhiều tỷ lệ trao đổi (%wt) đã được sử dụng để khảo sát sự hấp phụ của cation Ag+ lên MMT : 2%, 5%, 10%, 20%, 50%, 100%, 200%.
Sự hấp phụ cation Ag+ lên MMT được thực hiện bằng phương pháp dung dịch: khuấy trộn dd AgNO3 cùng với MMT trong điều kiện t0 phịng, mơi trường khí N2, che sáng trong 24h. Sau đó, dung dịch sẽ được ly tâm, lọc rửa các cation Ag+
nằm ngoài MMT. Tùy theo hàm lượng AgNO3 mà dung dịch sẽ được lọc rửa ít hay nhiều lần (từ 1 – 8 lần), ly tâm với tốc độ khoảng 4000 rpm, trong 10 phút. Quá trình ly tâm dùng để tách các cation Ag+
nằm ngoài MMT (trong dung dịch) với Ag+_MMT (lắng phía dưới). Tiếp theo, Ag+_MMT được sấy ở 800C cho đến khi khối lượng khơng đổi (khử được hồn tồn nước ngoài MMT), phổ AAS (sai số 1%) được dùng để xác định lượng Ag+ được hấp phụ trên MMT.
Kết quả khảo sát nồng độ Ag và Na của những mẫu Ag+_MMT với hàm lượng ban đầu của AgNO3 khác nhau.
Bảng 2. Hàm lượng của Ag và Na trên MMT S T T %wt AgNO3 trao đổi Hàm lượng Ag (µg/g) (± 100) Hàm lượng Na (µg/g) (± 100) S T T %wt AgNO3 trao đổi %wt Ag (± 0.01) %wt Na (± 0.01) 1 0 0 20700 1 0 0 2.07 2 2 18726 20502 2 2 1.87 2.05 3 5 46270 14280 3 5 4.63 1.43 4 10 87454 7264 4 10 8.75 0.73 5 20 89250 6770 5 20 8.93 0.68 6 50 96144 2850 7 50 9.61 0.29 7 100 92502 1900 8 100 9.25 0.19 8 200 96755 1530 9 200 9.68 0.15
Kết quả AAS cho thấy, khi gia tăng hàm lượng AgNO3 ban đầu lên thì hàm lượng bạc trên MMT có tăng nhưng chỉ tới khoảng hơn 9% là khơng tăng nữa, có thể thấy ngay từ hàm lượng ban đầu là 20% thì hàm lượng bạc trên MMT sau quá trình trao đổi đã gần 9%, tăng tỷ lệ AgNO3 ban đầu lên 200% thì hàm lượng bạc trên MMT sau quá trình trao đổi cũng không tăng thêm nhiều (9.5%).
Thành phần khối lượng của Na sau quá trình trao đổi cho thấy số lượng cation Ag+ đã được trao đổi với cation Na+. Đây là một minh chứng cho việc Ag+
có chui vào khoang thay thế các cation Na+. Khi gia tăng hàm lượng AgNO3 ban đầu, ta tạo ra nhiều cation Ag+ tự do hơn, khả năng trao đổi với các cation Na+ cũng cao hơn.
Xem như cứ một cation Na+ được trao đổi bằng 1 cation Ag+. Như vậy lượng cation Ag+ trao đổi với Na+, hay lượng cation Ag+