Các tia nhiễu xạ đi ra khỏi tinh thể và chúng giao thoa với nhau qua khe là khoảng cách giữa các nút mạng, ta sẽ thu đƣợc cực đại nhiễu xạ khi thỏa mãn phƣơng trình Vulf- Bragg: n = 2d.sin
Trong đó: n là số nguyên (thƣờng lấy bằng 1) là bƣớc sóng của tia X
d là khoảng cách giữa hai mặt phản xạ là góc nhiễu xạ
Từ định luật này ngƣời ta có thể xác định đƣợc các khoảng cách dhkl cũng có nghĩa là xác định đƣợc cấu trúc tinh thể của chất rắn.
+ Nhận biết pha tinh thể của các vật liệu: khoáng, đá, các hợp chất hoá học,…
+ Xác định cấu trúc tinh thể của các vật liệu đã đƣợc nhận biết.
+ Phát hiện sự có mặt của vật liệu vơ định hình trong hỗn hợp tinh thể. + Đây là phƣơng pháp nhận biết và phân tích cấu trúc của khống sét và zeolit rất phổ biến và tiện lợi.
Thực nghiệm
Đƣợc đo trên máy D8 ADVANCE (Bruker, Đức) với bức xạ Cu Kα (bƣớc sóng 0,15406 nm), điện thế 40 kV, 40mA, góc đo 5 65o, bƣớc quét 0,015o
/0,2 giây, tại Viện Địa chất, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.3.2. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
Ảnh hiển vi điện tử quét là đƣợc sử dụng để quan sát hình thái bề mặt và ƣớc lƣợng tƣơng đối kích thƣớc hạt tinh thể.
Phƣơng pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét SEM dựa vào các tín hiệu phát ra từ bề mặt mẫu khi quét một chùm tia điện tử hẹp có bƣớc sóng khoảng vài angstrom (Å) lên bề mặt mẫu nghiên cứu và chuyển thành tín hiệu điện hiển thị trên màn hình. Khi chiếu chùm tia điện tử vào mẫu xuất hiện các tín hiệu nhƣ điện tử tán xạ ngƣợc, điện tử thứ cấp, điện tử Auger, tia X và huỳnh quang catot nhƣ đƣợc mô tả trong hình.
Mẫu nghiên cứu
I0 I0 TEM SEM
Các tín hiệu có thể thu đƣợc một cách nhanh chóng và chuyển thành tín hiệu điện để tạo ảnh tƣơng ứng. Thơng thƣờng ta thu các điện tử phát xạ từ bề mặt mẫu để thu hình ảnh bề mặt mẫu. Phƣơng pháp SEM thƣởng đƣợc sử dụng để nghiên
cứu bề mặt, kích thƣớc, hình dạng tinh thể của vật liệu. Đƣợc ghi trên máy SEM HITACHI S-4800-NHE tại Viện Vệ sinh dịch tễ trung ƣơng.
2.3.3. Ảnh Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Đƣợc sử dụng để xác định chính xác kích thƣớc và hình thái của vật liệu. Các mẫu vật liệu đƣợc ghi trên máy JEM1010 (JEOL – Nhật Bản) có hệ số phóng đại M = x 50- x600.000, độ phân giải δ = 3 A0, điện áp gia tốc U 40-100kV, tại Viện vệ sinh dịch tễ Trung ƣơng.
2.3.4. Quang phổ Hồng ngoại biến đổi chuỗi (FT- IR) Nguyên tắc Nguyên tắc
Phƣơng pháp này dựa trên nguyên tắc: Khi chiếu một chùm tia bức xạ có bƣớc sóng nằm trong vùng hồng ngoại (50-10.000cm-1) qua chất phân tích, một phần bức xạ bị chất hấp thụ làm giảm cƣờng độ của tia tới. Sự hấp thụ này tuân theo định luật Lambert-Beer.
D=lgIo/I = kdC
Trong đó: - D: Mật độ quang.
- Io, I: Cƣờng độ ánh sáng trƣớc và sau khi ra khỏi chất phân tích. - C: Nồng độ chất phân tích.
Phân tử hấp thụ năng lƣợng sẽ thực hiện dao động làm thay đổi độ dài liên kết giữa các nguyên tử hay góc hóa trị giữa các nhóm nguyên tử, chỉ có những dao động làm biến đổi moment lƣỡng cực điện của liên kết mới xuất hiện tín hiệu hồng ngoại. Đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của độ truyền qua vào bƣớc sóng là phổ hấp thụ hồng ngoại. Mỗi nhóm chức hoặc mỗi liên kết hấp thụ ở một tần số (bƣớc sóng) đặc trƣng trên phổ hồng ngoại tƣơng ứng với 1 pic. Nhƣ vậy, căn cứ vào các tần số đặc trƣng này có thể xác định đƣợc các liên kết giữa các nguyên tử hay nhóm nguyên tử, từ đó xác định đƣợc cấu trúc của chất phân tích.
Phƣơng pháp phân tích theo phổ hồng ngoại là một trong những kỹ thuật phân tích rất hiệu quả. Một trong những ƣu điểm quan trọng nhất của phƣơng pháp
phổ hồng ngoại so với những phƣơng pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X, cộng hƣởng từ điện tử…) là phƣơng pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, khơng địi hỏi các phƣơng pháp tính tốn phức tạp.
Kỹ thuật này dựa trên hiệu ứng đơn giản là: các hợp chấp hoá học có khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại. Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các phân tử của các hơp chất hoá học dao động với nhiều vận tốc dao động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại.
Các đám phổ khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoại tƣơng ứng với các nhóm chức đặc trƣng và các liên kết có trong phân tử hợp chất hoá học. Bởi vậy phổ hồng ngoại của một hợp chất hoá học coi nhƣ "dấu vân tay", có thể căn cứ vào đó để nhận dạng chúng.
Phân tử bị kích thích lên mức năng lƣợng cao hơn khi chúng hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Sự hấp thụ này đƣợc lƣợng tử hóa: phân tử hấp thụ chỉ các tần số (năng lƣợng) đƣợc lựa chọn của bức xạ hồng ngoại. Bức xạ hồng ngại là một vùng phổ bức xạ điện từ rộng nằm giữa vùng trông thấy và vùng vi ba, đƣợc chia thành 3 vùng:
- Vùng hồng ngoại xa, cịn gọi là vùng quay, từ 25 ÷ 200μm. - Vùng hồng ngoại thƣờng, từ 2,5 ÷ 25 μm.
- Vùng hồng ngoại gần, từ 0,8 ÷ 2,5 μm.
Phƣơng pháp phân tích phổ hồng ngoại nói ở đây là vùng phổ nằm trong khoảng 2,5 ÷ 25 μm (có số sóng 4000 ÷ 400 cm-1). Vùng này cung cấp cho ta những thông tin quan trọng về các dao động của các phân tử do đó là các thơng tin về cấu trúc của các phân tử.
Các ứng dụng:
- Xác định thành phần hóa học của vật liệu - Xác định vật liệu lai tạp
- Định lƣợng tạp chất
Mẫu xúc tác đƣợc ghi trên máy FTIR 8101M SHIMADZU ở nhiệt độ phịng trong vùng dao động 4000 ÷ 400 cm-1
, Khoa Hóa học, Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
2.3.5. Phổ tử ngoại khả kiến UV-Vis
Xác định sự có mặt của ZnO ở dạng nano đƣợc đo tại Khoa Vật lý, Đại học Sƣ phạm Hà Nội.
2.3.6. Quang phổ tán xạ năng lƣợng (EDX)
Phổ phân tán năng lƣợng tia X (Energy dispersive X-ray Spectrocopy, EDX hay EDS) là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của chất rắn dựa vào tia X mẫu phát ra do tƣơng tác của vật liệu với các bức xạ (chủ yếu là bức xạ điện tử năng lƣợng cao trong kính hiển vi điện tử SEM, TEM)
Các thơng tin phân tích: Phân tích định tính, định lƣợng và mặt cắt, xây dựng bản đồ nguyên tố.
Các ứng dụng chính:
- Phân tích thành phần vật liệu, vật liệu lai tạp, thành phần lớp phủ, phân tích nhanh vật liệu hợp kim, phân tích pha và sự phân bố pha.
- Đánh giá ăn mòn
Các yêu cầu với mẫu đo: có thể thực hiện với các chất rắn dạng tấm, màng, hay bột. Kích thƣớc mẫu tùy theo buồng, giá đặt mẫu của thiết bị. Các yêu cầu về chuẩn bị mẫu hoàn toàn giống nhƣ yêu cầu đối với phân tích SEM, TEM. Đƣợc đo trên Hệ EDX: EMAX-HORIBA (tích hợp trên máy SEM S4800 – HITACHI) tại Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ƣơng.
2.4. Đánh giá đặc trƣng diệt khuẩn của vật liệu
Đối tƣợng: Chủng nấm Phytophthora sp. đƣợc cung cấp từ viện bảo vệ thực vật.
Sử dụng chủng nấm bệnh Phytophthora sp. làm đối tƣợng thử nghiệm trong phịng thí nghiệm in vitro. Kiểm tra hình thái của số lƣợng bằng kính hiển vi quang học và điện tử. Sử dụng môi trƣờng đặc trƣng cho mỗi loại nấm nghiên cứu có bổ sung các loại hạt nano kim loại ở các nồng độ khác nhau, trên đĩa petry Ø 9 cm. Đánh giá khả năng ức chế sinh trƣởng và phát triển của nấm bệnh của nồng độ hợp kim đƣợc phân thành 4 cấp. Đo đƣờng kính tản nấm của nấm gây bệnh sau 12 ngày (cm) nuôi cấy để tính % ức chế và đánh giá hiệu quả. Tính hiệu quả ức chế theo công thức Abort nhƣ sau:
HQ (%) = 1 -
T
x100% C
HQ: Hiệu quả PTN invitro
T: Đƣờng kính tản nấm ở cơng thức thí nghiệm C: Đƣờng kính tán nấm ở cơng thức đối chứng Hoạt lực cao (+++): ức chế ≥60%. Hoạt lực trung bình (++): ức chế ≥40-59. Hoạt lực yếu (+): ức chế nấm ≤40-20. Khơng có hoạt lực (-): ức chế ≤19.
Vật liệu sử dụng: ZnO với các nồng độ khác nhau từ 100 đến 3000ppm. Thí nghiệm đƣợc tiến hành theo các bƣớc sau:
Các dụng cụ thí nghiệm (bình tam giác, đĩa petri, ống nghiệm...) đƣợc sấy khử trùng ở 170oC trong 3 giờ. Môi trƣờng pha theo hƣớng dẫn của nhà sản xuất, hấp khử trùng 121oC trong 20 phút.
Bƣớc 1: Chuẩn bị môi trƣờng PDA, khử trùng ở nhiệt độ 1210C trong 20 phút. Đổ ra đĩa petri đƣợc khử trùng.
Bƣớc 2: Cấy Phytophthora sp. từ các đĩa gốc lên môi trƣờng thạch đã chuẩn bị. Ủ ở nhiệt độ 270C. Sau 5 – 7 ngày sẽ đƣợc sử dụng trong thí nghiệm
Bƣớc 3: Chuẩn bị các bình tam giác chứa mơi trƣờng PDA + Vật liệu môi trƣờng PDA thƣờng (đối chứng) theo tỉ lệ để đạt đƣợc nồng độ vật liệu từ 100 – 3000 ppm.
Bƣớc 4: Đổi môi trƣờng PDA (đối chứng) và môi trƣờng PDA chứa vật liệu vào các đĩa petri đã đƣợc khử trùng.
Bƣớc 5: Dùng dụng cụ cắt các miếng nấm nuôi trên môi trƣờng thạch PDA. Mỗi miếng có đƣờng kính 5mm. Cấy nấm lên trung tâm các đĩa thạch đã chuẩn bị.
Bƣớc 6: Ủ ở nhiệt độ 270C.
Bƣớc 7: Sau 48 ± 2 giờ, bắt đầu đo đƣờng kính nấm phát triển trên các đĩa thạch. Đƣờng kính nấm đƣợc đo liên tục mỗi 24 giờ đến khi nấm trên đĩa đối chứng phát triển đến đƣờng kính 90 mm.
Theo dõi thời gian hình thành hạch nấm trên đĩa petry cấy. Tính số hạch nấm tạo thành trên thí nghiệm và ở đĩa đối chứng. Thí nghiệm đƣợc bố trí với 3 lần nhắc lại. Số liệu đƣợc xử lý bằng ANOVA (Tukey test) bằng phần mềm thống kê SPSS 13.0.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu tối ƣu hóa phƣơng pháp chế tạo nano ZnO 3.1. Nghiên cứu tối ƣu hóa phƣơng pháp chế tạo nano ZnO
3.1.1. Khảo sát ảnh hƣởng của tỷ lệ mol Zn2+/ C2O42- đến đặc trƣng của các hạt nano ZnO tạo thành nano ZnO tạo thành
Để nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ lệ mol Zn2+/ C2O42- đến đặc trƣng của các hạt nano ZnO tạo thành, các tỷ lệ mol Zn2+/ C2O42- 0,5; 0,75; 1,0; 1,25 và 1,5 đã đƣợc khảo sát. Kết quả cấu trúc tinh thể thể hiện trong giản đồ dƣới đây:
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 2-theta Zn-0,5 Zn-0,75 Zn-1,0 Zn-1,5 Li n (C ps) Zn-1,25
Hình 0.1Hình 3.1. Giàn đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu ZnO với tỷ lệ tiền chất khác
nhau
Giản đồ XRD cho thấy đều xuất hiện các đỉnh pic đặc trƣng ở góc 2θ bằng 31,74o (100); 34,44o (002); 36,52o (101); 47,54o (102); 56,56o (110); 62,87o (103); 66,39o (200); 67,92o (112); 69,06 (201) là các đỉnh đặc trƣng của kẽm oxit với cấu trúc lục giác dạng wurtzite thuộc nhóm khơng gian P63mc [28]. Khi so sánh cƣờng độ pic
của các mẫu với tỷ lệ tiền chất khác nhau nhận thấy rằng khi tăng tỷ lệ Zn2+/ C2O42- từ 0,5 – 0,75 thì cƣờng độ pic tăng lên, sự tăng lên của cƣờng độ pic cho thấy khả năng tạo thành pha tinh thể của ZnO là tốt hơn. Khi tiếp tục tăng tỷ lệ Zn2+/ C2O42- tới 1,5 thì có thể nhận thấy rằng cƣờng độ pic đặc trƣng của ZnO lại giảm dần. Nhƣ vậy tỷ lệ Zn(CH3COOH) : H2C2O4 = 0,75 là tốt nhất cho việc hình thành pha tinh thể của ZnO.
Hình thái học bề mặt và kích thƣớc của các hạt nano kẽm với các tỷ lệ chất phản ứng Zn2+/ C2O42- khác nhau đƣợc thể hiện trong ảnh SEM trên hình 3.2.
a) Mẫu ZnO-0,5 b) Mẫu ZnO-0,75
c) Mẫu ZnO-1,0 d) Mẫu ZnO-1,25
e) Mẫu ZnO-1,5
Qua ảnh SEM nhận thấy rằng, khi tỷ lệ chất phản ứng là 0,5 trong mẫu ZnO- 0,5 các hạt nano ZnO hình thành với kích thƣớc nhỏ nhất xong các hạt tạo ra có kích thƣớc khơng đồng đều và có xu hƣớng co cụm lại với nhau thành các khối có kích thƣớc lớn. Khi tăng tỷ lệ chất phản ứng lên 0,75 trong mẫu ZnO-0,75 có thể nhận thấy rằng các hạt hình thành khá đồng đều và ít co cụm với nhau hơn. Khi tiếp tục tăng tỷ lệ chất phản ứng lên 1,0 và 1,25 trong mẫu ZnO-1,0 và ZnO-1,25 có thể thấy rằng kích thƣớc hạt tạo ra rất đồng đều nhƣng các hạt có xu hƣớng bám dính lại với nhau thành dạng tấm mỏng, với độ đặc khít tăng lên khi tỷ lệ chất phản ứng tăng, điều này có thể nhận thấy khi so sánh hình 3.4c và hình 3.4d. Khi tăng tỷ lệ chất phản ứng lên 1,5 trong mẫu ZnO-1,5 các hạt nano co cụm với nhau một cách đặc khít thành các hình cầu lớn. Nhƣ vậy, tỷ lệ chất phản ứng không ảnh hƣởng lớn tới kích thƣớc hạt nano ZnO nhƣng ảnh hƣởng tới sự phân tán của các hạt nano ZnO, khi tỷ lệ mol chất phản ứng Zn2+/ C2O42- lớn hơn 0,75 thì các hạt nano ZnO bị co cụm với nhau nhiều hơn. Sự có cụm khi tăng tỷ lệ chất phản ứng có thể là do ảnh hƣởng của pH, vì khi tăng tỷ lệ mol Zn2+
/ C2O42- thì tƣơng ứng pH của dung dịch phản ứng tăng dần, dẫn tới sự co cụm của các hạt nano ZnO ngày một tăng. Các kết quả chỉ ra mẫu ZnO-0,75 có kích thƣớc hạt khá đồng đều và các hạt ít bị co cụm, do đó mẫu có tỷ lệ Zn2+
/ C2O42- 0,75 đƣợc lựa chọn cho các nghiên cứu tiếp theo. Để xác định kích thƣớc các hạt nano ZnO chúng tôi chụp ảnh TEM mẫu ZnO-0,75 trong hình 3.3.
Từ kết quả ảnh TEM có thể thấy rằng, các hạt nano ZnO có kích thƣớc khoảng từ 30 – 80 nm. Trong đó, chủ yếu là các hạt có kích thƣớc cỡ khoảng 50 – 60 nm.
3.1.2. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ Zn2+ đến đặc trƣng của các hạt nano ZnO tạo thành ZnO tạo thành
Phân tích XRD đƣợc thực hiện để xác định dạng cấu trúc tinh thể và kích thƣớc tinh thể của các hạt nano ZnO điều chế với các nồng độ của Zn(CH3COO)2 lần lƣợt là 0,01M; 0,02M; 0,035M; 0,05M và 0,065M tƣơng ứng với các mẫu ZnO tạo thành đƣợc ký hiệu là: ZnO-0,01M; ZnO-0,02M; ZnO-0,035M; ZnO-0,05M; ZnO-0,065M. 20 30 40 50 60 70 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 2-theta ZnO-0,065M ZnO-0,05M ZnO-0,035M ZnO-0,01M L in (C p s) ZnO-0,02M
Từ giản đồ XRD cho thấy ở tất cả các mẫu chế tạo đƣợc đều xuất hiện các pic đặc trƣng của ZnO. Khi tăng dần nồng độ Zn(CH3COO)2 từ 0,01M đến 0,05M chúng ta có thể nhận thấy rằng, cƣờng độ các pic đặc trƣng của ZnO tăng dần. So sánh các pic đặc trƣng của ZnO trong mẫu ZnO-0,035M và ZnO-0,05M có thể nhận thấy, cƣờng độ các pic đặc trƣng của ZnO ở cả 2 mẫu đều tƣơng nhau, chỉ có duy nhất 1 pic đặc trƣng tại vị trí 2θ = 56,56o trong mẫu ZnO-0,05M có cƣờng độ cao hơn trong mẫu ZnO-0,035M, điều này cho thấy khoảng nồng độ từ 0,035-0,05M của tiền chất Zn(CH3COO)2 là khoảng nồng độ thích hợp cho việc thực hiện phản ứng để điều chế ZnO trong đó nồng độ 0,05M có thể coi là nồng độ thích hợp nhất