Kích thước của hạt nano bạc có thể bị thay đổi theo nhiều yếu tố như cường độ dòng điện, nồng độ dung dịch TSC, nhiệt độ của chất điện phân, cường độ sóng siêu âm, diện tích và khoảng cách giữa hai bản cực. Trong nghiên cứu này, chúng tơi đã cố định diện tích bề mặt bản cực là 1 cm2, khoảng cách giữa hai bản cực là 5 mm, thời gian điện phân là 2h, nhiệt độ là nhiệt độ phòng và thay đổi nồng độ (g/l) của TSC trong dung dịch, cường độ dòng điện để thu được các hạt nano bạc có kích thước khác nhau.
Để khảo sát sự thay đổi kích thước hạt theo nồng độ TSC trong dung dịch, chúng tôi tiếp tục cố định mật độ dòng điện phân (J = 15 mA/cm2) và chỉ thay đổi nồng độ TSC (c = 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4).
Khi tan trong dung dịch chất điện phân TSC đóng vai trị là chất khử, chất dẫn điện. Khi nồng độ TSC trong dung dịch tăng lên sẽ làm tăng quá trình vận chuyển các ion Ag+ từ cực dương sang cực âm, đồng nghĩa với việc tạo ra các hạt nano bạc có kích thước lớn hơn. Thực tế, kết quả thực nghiệm lại chỉ ra đường kính hạt nano bạc tỷ lệ nghịch với nồng độ TSC trong dung dịch. Có được kết quả thực nghiệm này là do TSC không chỉ là tác nhân khử mà cịn là chất hoạt hóa bề mặt giúp các hạt nano phân tán trong dung dịch. Khả năng khử Ag+ Ag° chỉ cao ở 90 °C nhưng lại thấp ở nhiệt độ phịng [29, 46]. Vì vậy khi chế tạo hạt nano bạc bằng phương pháp điện hóa siêu âm ở nhiệt độ phịng thì TSC đóng vai trị như một chất hoạt hóa bề mặt quan trọng hơn là tác nhân khử nên các hạt bạc không thể kết đám lại với nhau, hay khi nồng độ dung dịch TSC tăng thì kích thước hạt nano bạc giảm.
Hình 3.7. a, Phổ UV- Vis của hạt nano bạc chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm với điều kiện J = 15 mA/cm2, c = 0.5 và 4 g/l.
b, Sự phụ thuộc của đỉnh phổ hấp thụ λmax vào nồng độ TSC.
Hình 3.7.a chỉ ra sự dịch đỉnh phổ hấp thụ của hạt nano bạc được chế tạo khi
thuộc của đỉnh phổ hấp thụ vào nồng độ TSC trong dung dịch là một hàm tuyến tính, nó được thể hiện trong hình 3.7.b và trong bảng 7.
Bảng 7: Sự phụ thuộc của vị trí đỉnh hấp thụ của hạt nano bạc vào nồng độ TSC trong dung dịch. Nồng độ TSC (g/l) 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Vị trí đỉnh hấp thụ (nm) 415 414 413 412 409.5 407.5 407 406
Khi nồng độ TSC tăng thì đỉnh phổ dịch về phía bước sóng ngắn, có nghĩa kích thước hạt nano bạc giảm và ngược lại khi nồng độ giảm thì đỉnh phổ dịch về phía bước sóng dài, có nghĩa kích thước hạt tăng [7, 30-32]. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả ảnh TEM ở hình 3.8 và hình 3.9.
Hình 3.8. Ảnh TEM của hạt nano bạc
khi c = 0.5 g/l, J = 15 mA/cm2 Hình 3.9. Ảnh TEM của hạt nano bạc khi c= 3.5 g/l, J = 15 mA/cm2
Khi nồng độ TSC tăng thì độ bán rộng của hàm phân bố kích thước fit theo hàm Gauss cũng tăng từ 1.2 – 4.8 nm. Điều này có nghĩa: đối với dung dịch TSC có nồng độ càng lớn thì sẽ tạo ra hạt nano bạc với càng nhiều kích thước khác nhau, hay độ đồng đều về kích thước giảm đi (bảng 6).
Kết luận 5: Khi thay đổi nồng độ TSC trong dung dịch, kích thước hạt nano bạc được tạo ra cũng thay đổi. Nồng độ TSC tăng thì kích thước hạt nano bạc giảm và ngược lại, điều này cũng thể hiện tính chất hoạt hóa bề mặt nổi bật của TSC, chống sự kết đám của các hạt nano bạc trong dung dịch.
III.1.5. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện phân lên kích thước AgNP
Để khảo sát sự thay đổi kích thước hạt theo mật độ dịng điện phân, chúng tơi cố định các yếu tố có thể dẫn tới sự thay đổi kích thước hạt nano bạc đã được kể ở trên và cố định thêm nồng độ TSC trong dung dịch.
Trong thí nghiệm này chúng tơi giữ nguyên nồng độ TSC là c=1.5 g/l và thay đổi mật độ dòng điện phân J từ 15 mA/cm2 tới 50 mA/cm2. Kích thước của hạt nano bạc tăng tương ứng từ 6.0 nm đến 22.9 nm.
Bảng 8: Sự phụ thuộc của kích thước hạt và đồ thị phân bố kích thước theo mật độ dịng điện phân J và nồng độ TSC c. J(mA/cm2) c (g/l) d (nm) σ (nm) 15 0.5 4.0 1.2 15 1.5 6.0 2.6 15 3.5 12.8 4.8 30 1.5 18.9 7.5 50 1.5 22.9 9.8
Bảng 8 cho thấy sự thay đổi kích thước hạt nano bạc khi thay đổi mật độ dòng
điện phân và nồng độ TSC trong dung dịch. Ta thấy khi mật độ dịng điện tăng thì kích thước hạt nano bạc tăng và ngược lại. Sự phụ thuộc này có thể được giải thích do mật độ dòng điện tỉ lệ với lượng ion Ag+ di chuyển từ cực dương tới cực âm. Trong cùng một thời gian điện phân, mật độ dòng điện phân lớn hơn thì tạo ra các hạt nano có kích thước lớn hơn và tốc độ hình thành hạt nhanh hơn
Tốc độ hình thành của hạt nano bạc tại J = 50 mA/cm2 là nhanh hơn tại J = 15 mA/cm2, để thu được cùng một lượng các hạt bạc, thông thường khoảng 400 µg/mL, thì phải điện phân trong khoảng thời gian 40 phút đối với trường hợp đầu và 120 phút với trường hợp sau. Bởi vậy chúng tôi áp dụng J = 50 mA/cm2 và c = 1.5 g/l cho các nghiên cứu sau này, gồm có kết quả phổ X-ray được trình bày trong hình
3.1. Từ kết quả này ta có thể tính được tốc độ tạo thành hạt nano bạc với trường hợp
c = 1.5 g/l và J = 50 mA/cm2 là 2 mg/min.
Nhìn vào bảng 8 chúng ta cũng thấy độ bán rộng phổ (σ) trong sự phân bố kích thước hạt nano bạc tăng lên khi mật độ dòng điện phân tăng. Điều này có nghĩa là khi mật độ dịng điện phân tăng lên thì hạt nano bạc càng có thêm nhiều kích thước khác nhau hay độ đồng đều về kích thước của mẫu giảm đi.
Kết luận 6: Khi mật độ dịng điện phân thay đổi thì kích thước hạt nano bạc được tạo thành cũng thay đổi theo. Mật độ dịng điện phân J tăng thì kích thước hạt d tăng, độ đồng đều về kích thước giảm và ngược lại. Tốc độ tạo thành hạt nano bạc
ứng với trường hợp hợp c = 1.5 g/l và J = 50 mA/cm2 là 2 mg/min.
III.1.6. Than hoạt tính (Activated Carbon – AC)
Để nghiên cứu cấu trúc xốp của than hoạt tính (AC) chúng tơi sử dụng phương pháp phân tích Brunaur-Elemmett-Teller (BET). Phương pháp này cung cấp thơng tin về diện tích bề mặt và thể tích và phân bố các lỗ hổng trong than hoạt tính. Phương pháp này cho biết tổng diện tích bề mặt và thể tích các lỗ hổng phụ thuộc vào thời gian hoạt hóa (hình 3.8 trái).
Diện tích bề mặt của than hoạt tính gần như tăng tuyến tính với thời gian hoạt hóa từ khoảng 200 m2 đối với thời gian ủ là 2h đến một giá trị tối đa là 890 m2/g đối với thời gian ủ là 5h, sau đó sẽ giảm nếu thời gian ủ dài hơn. Tương tự, thể tích của các lỗ hổng của than hoạt tính tăng gần như tuyến tính với thời gian hoạt hóa và đạt được giá trị tối đa 0.45 cm3/g với mẫu có thời gian là 5h. Thời gian hoạt hóa phải đủ để sọ dừa được đốt thành than hoàn toàn, nếu thời gian quá dài than dễ vỡ có thể sẽ
bịt các lỗ hổng bên trong. Do đó, thời gian tối ưu cho q trình hoạt hóa là 5h. Chúng tơi đã tẩm hạt bạc lên than hoạt tính được hoạt hóa trong 5h.
Hình 3.8. Sự phụ thuộc của tổng diện tích bề mặt và thể tích lỗ hổng theo thời gian hoạt hóa (trái) và đường hấp phụ - giải hấp phụ (phải) phân tích bằng phương pháp BET
Đường đẳng hấp phụ của than hoạt tính cho thấy đoạn dốc xảy ra hiện tượng trễ khi tỉ số áp suất là P/Po= 0.45 (hình 3.8 phải). Điểm sai khác giữa đường hấp phụ và đường giải hấp phụ lớn hơn có thể do cấu trúc gãy vụn của than hoạt tính. Điều này làm các lỗ hổng bị chặn và cuối cùng sai số tại áp suất khí nitơ cao hơn.
Hình 3.9. Ảnh SEM bề mặt than hoạt tính. Hinh 3.10. Phân bố kích thước lỗ trong than hoạt tính.
Từ ảnh SEM bề mặt than hoạt tính (hình 3.9) chúng ta có thể quan sát thấy sự xuất hiện của các lỗ nhỏ, chính những lỗ nhỏ này tạo nên độ xốp và diện tích bề mặt rất lớn của than hoạt tính.
Hình 3.10 đưa ra giản đồ phân bố kích thước lỗ trong than hoạt tính. Có một sự
tập trung rất lớn các lỗ với kích thước d từ 20 Ao tới 50 Ao, điều này chứng tỏ than hoạt tính chúng tơi chế tạo là vật liệu mao quản trung bình (Mesoporous material, 2 nm < d < 5 nm) [27].
Kết luận 7: Từ phương pháp phân tích BET chỉ ra rằng than hoạt tính chúng tơi chế tạo là vật liệu mao quản trung bình (2 nm<d<5 nm) có diện tích bề mặt lớn 890 m2/g. Khảo sát sự phụ thuộc của tổng diện tích bề mặt và thể tích lỗ hổng theo thời gian hoạt hóa chỉ ra thời gian hoạt hóa tối ưu của than sọ dừa là 5 h và quá trình hấp phụ - giải hấp phụ là một quá trình bất thuận nghịch.
III.1.7. Than hoạt tính tẩm hạt nano bạc (AgAC)
Hạt nano bạc và than hoạt tính sau khi được chế tạo thành cơng, chúng tôi tiến hành phân tán hạt nano bạc lên nền than hoạt tính với tỷ lệ 1% về khối lượng.
Hình 3.11 chỉ ra giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu than hoạt tính và than hoạt tính
được tẩm nano bạc.
Trên hình 3.11a xuất hiện các đỉnh chuẩn của hạt nano bạc có cấu trúc lập
phương tâm mặt. Trên hình 3.11b xuất hiện các đỉnh trải rộng ở 22o và 44o, chúng thể hiện cấu trúc vơ định hình của than hoạt tính. Trên hình 3.11 c xuất hiện cả đỉnh trải rộng của than hoạt tính và đỉnh nhọn sắc nét của hạt nano bạc. Điều này khẳng định hạt nano bạc đã được phân tán trên nền than hoạt tính. Trong phổ X- ray chúng ta cũng thấy độ bán rộng của đỉnh lớn nhất (111) của hạt nano bạc không thay đổi trước và sau khi phân tán lên nền than hoạt tính, điều này chứng tỏ kích thước của hạt nano bạc không thay đổi.
a, Phổ X-ray của hạt nano bạc (AgNP)
b, Phổ X-ray của than hoạt tính (AC)
c, Phổ X-ray của than hoạt tính tẩm hạt nano bạc (AgAC)
Hình 3.11. Phổ X-ray của mẫu nano bạc và than hoạt tính trước và sau khi trộn vào nhau
Để có được sự quan sát trực quan về sự phân tán của hạt nano bạc trên nền than hoạt tính, chúng tơi đem mẫu than hoạt tính và than hoạt tính tẩm hạt nano bạc đi đo SEM và phân tích EDS.
Hình 3.12. Ảnh FE-SEM của than hoạt tính (AC)
Hình 3.13. Ảnh FE-SEM của than hoạt tính tẩm hạt nano bạc (AgAC)
Hình ảnh SEM của AC và AgAC được trình bày ở hình 3.12 và hình 3.13. Mẫu
than hoạt tính bao gồm nhiều hạt với hình dạng và kích thước ngẫu nhiên từ hàng trăm nm đến vài µm. Cấu trúc xốp của than hoạt tính được thể hiện bởi rất nhiều lỗ có kích thước cỡ vài chục nm.
Về cơ bản, sự có mặt của hạt nano bạc khơng làm thay đổi hình thái bề mặt của than hoạt tính. Tuy nhiên, sự tồn tại của các hạt nano bạc trên mẫu than hoạt tính được nhận ra bởi các đốm sáng nhỏ trên ảnh SEM, hoặc cũng có thể khẳng định được nhờ phổ tán sắc năng lượng EDS (hình 3.14), trong đó có các tín hiệu chỉ ra sự có mặt của C và Ag.
Phổ EDS một lần nữa cũng khẳng định lại các mẫu “sạch” không lẫn tạp bằng việc không quan sát thấy phổ của bất kỳ nguyên tố nào khác ngoài C và Ag.
Để quan sát một cách chi tiết hơn nữa về sự phân tán của hạt nano bạc trên nền than hoạt tính, các mẫu được mang đi quan sát ảnh TEM.
Hình 3.14. Phổ EDS của mẫu than hoạt tính tẩm hạt nano bạc (AgAC)
Hình 3.15 và hình 3.16 là ảnh TEM của mẫu AC và AgAC. Sự xuất hiện của các
chấm đen trên nền mờ hơn của than hoạt tính chỉ ra sự có mặt của hạt nano bạc, các chấm đen này có kích thước trung bình khoảng 30 nm tới 40 nm. Từ kết quả này cho chúng ta thấy khả năng phân tán hạt nano bạc vào nền than hoạt tính là rất tốt.
Hình 3.15. Ảnh TEM của mẫu than hoạt tính (AC)
Hình 3.16. Ảnh TEM của mẫu than hoạt tính có tẩm nano bạc (AgAC)
Kết luận 8: Từ kết quả các phép đo đối với mẫu than hoạt tính và than hoạt tính tẩm nano bạc chúng ta có thể thấy các mẫu vật liệu được chế tạo có độ sạch cao, hạt nano bạc phân tán tốt trên nền than hoạt tính và khơng bị thay đổi kích thước so với ban đầu.
III.2. Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của AgNP và AgAC
III.2.1. Nghiên cứu định tính khả năng diệt khuẩn của AgNP và AgAC
Kết quả nghiên cứu định tính khả năng diệt khuẩn của than hoạt tính được tẩm hạt bạc trên đĩa thạch LB (mục II.5.1) được trình bày trong hình 3.17.
Hình 3.17. Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của vật liệu: (A) đối chứng âm, (B) than hoạt tính, (C) than hoạt tính tẩm hạt nano bạc
Kết quả của đĩa (A- môi trường thạch) được chỉ ra trên hình 3.17 A cho thấy sự phát triển bình thường của vi khuẩn E.coli do sự có mặt của các đốm trắng trên bề mặt đĩa thạch. Hình 3.17 B là kết quả của đĩa (B- mơi trường thạch có thêm 0.15 g than hoạt tính) cũng cho thấy sự phát triển bình thường của vi khuẩn E.coli. Điều này chỉ ra rằng than hoạt tính khơng ngăn chặn được sự phát triển của E.coli hay khơng có tác dụng diệt khuẩn. Ngược lại, trên bề mặt đĩa (C- mơi trường thạch có thêm 0.15 g than hoạt tính tẩm hạt nano bạc với tỷ lệ 1%) không quan sát thấy các đám vi khuẩn E.coli (hình 3.17 C).
Việc tẩm thêm hạt nano bạc vào 0.15 g than hoạt tính với tỷ lệ 1% tương đương với việc cung cấp 1.5 mg hạt nano bạc có tính kháng khuẩn mạnh. Thể tích của đĩa
thạch LB trên Petri là 15 mL, ta có thể suy ra nồng độ hạt nano trên đĩa Petri là 1.5 mg/15 mL hay 100 µg/mL.
Kết luận 9: Từ thí nghiệm nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của than hoạt tính và than hoạt tính tẩm hạt nano bạc ở trên, chúng ta thấy than hoạt tính có khả năng hấp phụ tốt nhưng lại khơng có tác dụng diệt khuẩn, việc tẩm thêm hạt nano bạc có tác dụng diệt khuẩn mạnh vào than hoạt tính làm cho vật liệu mới này ngồi tác dụng hấp phụ tốt cịn có thêm đặc tính diệt khuẩn mạnh. Đây hứa hẹn là 1 loại vật liệu có khả năng ứng dụng cao vào rộng rãi trong thực tế.
III.2.2. Nghiên cứu định lượng khả năng kháng khuẩn của AgNP - Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC)
Hình 3.18. Biểu đồ sự phát triển theo thời gian của vi khuẩn E. Coli trong các môi trường đối chứng âm, đối chứng TSC và mơi trường dung dịch nano bạc có nồng độ thay đổi.
Biểu đồ trong hình 3.18 biểu thị mật độ vi khuẩn E. coli trong những mẫu dung
dịch khác nhau theo thời gian lần lượt là 4, 8, 24 và 30 giờ. Trong mẫu đối chứng âm (chỉ chứa dung dịch LB) và đối chứng TSC (dung dịch LB chứa thêm 120 μl dung dịch TSC nồng độ 3 g/l) E. Coli phát triển bình thường. Mật độ vi khuẩn E. Coli sau 30 giờ trong đối chứng TSC (OD595=2.5) cao hơn trong đối chứng âm (OD595=1.5). Điều này giả thiết rằng TSC khơng độc với E. Coli mà thậm chí kích
thích sự phát triển của chúng. Tình trạng sẽ khác đi với sự có mặt của hạt nano bạc, bởi tính chất diệt khuẩn của kim loại này [5,11-13,16]. Khi nồng độ hạt nano bạc là