2.1.1. Hoá chất
2.1.1.1. Hóa chất sử dụng trong quá trình tổng hợp nano bạc
Precusor : Nitrat bạc
Dạng bột, độ tinh khiết 99,8%
Hãng sản xuất : Trung Quốc
Công thức phân tử : AgNO3
Công thức cấu tạo :
o
Trọng lƣợng phân tử : M= 169.87g/mol
Tỷ trọng : D= 4.35 g/cm3
Điểm nóng chảy : 212 ° C
Điểm sôi : 444 ° C
Chất khử : Natri bohiđrua (Sodium borohydride)
Dạng bột, độ tinh khiết 99%
Hãng sản xuất : Sigma, Mỹ
Công thức phân tử : NaBH4
Công thức cấu tạo :
Trọng lƣợng phân tử : M= 37,83 g /mol
Tỷ trọng : D= 1,0740 g/cm3
Điểm nóng chảy : 400 °C
Điểm sôi : 500 °C
Chất hoạt động bề mặt: AOT (Dioctyl sodium sulfosuccinate)
Chất rắn giống nhƣ sáp, độ tinh khiết 99%
Hãng sản xuất : Sigma, Mỹ
Công thức phân tử : C20H37NaO7S
Công thức cấu tạo :
Tỷ trọng : D= 1.1 g/cm³
Điểm nóng chảy : 153–157 °C
Dung môi : Cyclohexane
Dạng dung dịch, độ tinh khiết 99.5%
Hãng sản xuất : Trung Quốc
Công thức phân tử : C6H12
Trọng lƣợng phân tử : M= 84.16 g/mol
Tỷ trọng : D= 0.779 g/ml
Điểm nóng chảy : 6.47 °C
Điểm sôi : 80.74 °C
Dung môi : Isooctane
Dạng dung dịch, độ tinh khiết 98%
Hãng sản xuất : Trung Quốc
Công thức phân tử : C8H18
Trọng lƣợng phân tử : M= 114.23 g/mol
Tỷ trọng : D= 692 mg/ml
Điểm nóng chảy : -107 °C
Điểm sôi : 99 °C
Dung môi : Dodecane
Hãng sản xuất : Merck, Đức Công thức phân tử : C12H26 Trọng lƣợng phân tử : M= 170.33 g/mol Tỷ trọng : D= 750 mg/ml Điểm nóng chảy : -10 đến -9 °C Điểm sôi : 214-218 °C Nƣớc cất 2 lần
2.1.1.2. Hóa chất sử dụng trong quá trình tổng hợp hợp chất TiO2
Precusor : TIP (Titanium isopropoxide)
Dạng dung dịch, độ tinh khiết 98%
Hãng sản xuất : Merck, Đức
Công thức phân tử : C12H28O4Ti
Trọng lƣợng phân tử : M= 284.215 g/mol Tỷ trọng : D= 0.96 g/cm3 Điểm nóng chảy : 17 °C Điểm sôi : 232 °C Chất xúc tác : Axit acetic
Dạng dung dịch, độ tinh khiết 99.5%
Hãng sản xuất : Trung Quốc
Công thức phân tử : C2H4O2
Công thức cấu tạo :
Trọng lƣợng phân tử : M= 60.05 g/mol
Tỷ trọng : D= 1,049 g/cm3
Điểm nóng chảy : 16,5 °C
Điểm sôi : 118,1 °C
Chất phụ gia : 2-propanol (Isopropanol)
Dạng dung dịch, độ tinh khiết 99.8%
Hãng sản xuất : Merck, Đức Công thức phân tử : C3H8O Trọng lƣợng phân tử : M= 60.1 g/mol Tỷ trọng : D= 0.786 g/cm3 Điểm nóng chảy : −89 °C Điểm sôi : 82.5 °C
Dung môi : Methanol
Dạng dung dịch, độ tinh khiết 99.8%
Hãng sản xuất : Trung Quốc
Công thức phân tử : CH4O
Công thức cấu tạo :
Trọng lƣợng phân tử : M= 32.04 g/mol
Tỷ trọng : D= 0.7918 g/cm3
Điểm nóng chảy : −98 đến -97 °C
Điểm sôi : 65 °C
Chất phụ gia : Axit ascorbic
Hãng sản xuất : Trung Quốc
Công thức phân tử : C6H8O6
Công thức cấu tạo :
Trọng lƣợng phân tử : M= 176,12 g/mol
Tỷ trọng : D= 1.65 g/cm3
Điểm nóng chảy : 190-192 °C
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị đƣợc sử dụng để tiến hành thí nghiệm
Lần đầu tiên sử dụng pipet, lọ trung tính, ống nhỏ giọt và các ống tiêm thủy tinh phải đƣợc đánh siêu âm trong nƣớc sạch khoảng 10 phút. Sau đó, lấy ra rửa lại với xà phòng, rồi tiếp tục đánh siêu âm trong aceton công nghiệp và tráng sơ lại bằng cồn 96o. Cuối cùng, dụng cụ sẽ đƣợc sấy khô ở nhiệt độ 100-1200C.
Lƣu ý: Sau khi tiến hành thí nghiệm, dụng cụ bằng thủy tinh phải đƣợc ngâm trong dung dịch HNO3 pha loãng khoảng 15 phút, sau đó mới tiến hành các thao tác làm sạch khác.
Hình 2.1: Máy đánh siêu âm
Trong quá trình làm thí nghiệm, chúng tôi tiến hành xác định khối lƣợng hóa chất bằng cân điện tử đặt tại PTN. Vật liệu Từ và Y, Sinh thuộc Khoa Khoa học Vật liệu, Trƣờng ĐH. Khoa học Tự nhiên, TP.HCM
Bên cạnh đó, chúng tôi sử dụng máy khuấy từ có thể điều chỉnh tốc độ khuấy cũng nhƣ nhiệt độ trong suốt toàn bộ quá trình thực nghiệm.
Dung dịch nano bạc sau khi tạo thành sẽ đƣợc quay ly tâm tại PTN. Tế Bào Gốc trƣờng ĐH. Khoa học Tự nhiên, TP.HCM.
Trong quá trình tạo màng TiO2:Ag, chúng tôi cũng sử dụng máy nhúng (dip- coating) và lò nung tại PTN. Kỹ thuật cao, trƣờng ĐH. Khoa học tự nhiên, TP.HCM.
Hình 2.2: Cân điện tử và máy khuấy từ
Hình 2.3: Máy quay ly tâm
2.1.3. Các thiết bị đƣợc sử dụng trong việc phân tích mẫu
Máy đo phổ hấp thu UV-Vis tại PTN. Quang – Quang Phổ của BM. Vật lý Ứng dụng, Khoa Vật lý – Vật lý kỹ thuật, Trƣờng ĐH. Khoa học Tự nhiên TP.HCM.
Máy đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD) tại Viện Dầu khí Việt Nam.
Máy TEM (JEM – 1400), Phòng TNTĐ Quốc gia Vật liệu Polymer và composite, ĐH. Bách Khoa TP.HCM.
Máy đo hàm lƣợng bạc thực tế trong mẫu, tại Công ty cổ phần dịch vụ Khoa học công nghệ Sắc ký Hải Đăng.
2.2. Quy trình thí nghiệm
2.2.1. Quy trình tổng hợp dung dịch nano bạc
Hệ vi nhũ tƣơng đƣợc sử dụng trong quá trình chế tạo hạt nano bạc là hệ vi nhũ nƣớc trong dầu (w/o). Dựa trên các tài liệu tham khảo[50], [51], chúng tôi chọn AOT làm chất hoạt động bề mặt. Tỷ lệ mol giữa H2O và AOT là =5, =7.5 và =10. Chất hoạt động bề mặt AOT đƣợc đƣa vào trong hệ vi nhũ tƣơng nhằm mục đích hạn chế sự phát triển kích thƣớc của hạt nano bạc. Mối quan hệ giữa tỷ lệ nƣớc và chất hoạt động bề mặt đóng vai trò hết sức quan trọng trong sự hình thành và phát triển của hạt nano bạc.
Đầu tiên, cần chuẩn bị hai hệ gồm AOT/dung môi (khảo sát với các dung môi khác nhau: cyclohexane, isooctane và dodecane) có cùng thể tích. Khuấy từ trong khoảng 30 phút cho AOT tan hoàn toàn trong dung môi.
Cân khối lƣợng AgNO3 và NaBH4 theo đúng tỷ lệ đã tính toán, sau đó hòa tan vào nƣớc cất để tạo dung dịch AgNO3 (0.1-0.2M) và dung dịch NaBH4 0.2M.
Sau đó nhỏ giọt từ từ dung dịch AgNO3 và NaBH4 vào mỗi hệ AOT/dung môi nói trên để tạo hai hệ vi nhũ tƣơng, một chứa tiền chất (AgNO3), một chứa chất khử (NaBH4). Tỷ lệ mol giữa AgNO3 và NaBH4 đƣợc chọn là 1:1. Ta nhận thấy có sự thay đổi màu sắc rõ rệt ở hệ vi nhũ tƣơng chứa AgNO3. Từ không màu, chuyển dần sang màu vàng nhạt. Tiếp tục khuấy từ trong vòng 30 phút.
Sử dụng tác nhân khử để khử Ag+
thành Ag0 bằng cách cho hệ vi nhũ tƣơng chứa AgNO3 vào hệ vi nhũ tƣơng NaBH4 với tốc độ nhỏ là 1 giọt/giây để tránh tình trạng phản ứng xảy ra quá nhanh làm các hạt bạc co cụm lại với nhau gây ra hiện tƣợng sa lắng dƣới đáy lọ. Trong quá trình nhỏ giọt, vẫn tiếp tục khuấy từ trong vòng 2 giờ ở mức độ 5, tƣơng đƣơng 500 vòng/phút. Đồng thời quan sát thấy dung dịch dần chuyển màu từ vàng nhạt đến vàng đậm, có khi chuyển sang màu nâu đậm (tùy vào từng loại dung môi và tốc độ cũng nhƣ thời gian khuấy).
Cơ chế hình thành nano bạc đƣợc diễn tả trong phƣơng trình (2.1)
AgNO3 + NaBH4 Ag + ½ H2 + ½ B2H6 + NaNO3 (2.1)
Sản phẩm sau khi đƣợc tạo thành sẽ đƣợc chiết ra các lọ bi nhỏ đậy kín, đánh dấu và bảo quản ở nhiệt độ phòng.
Hình 2.5: Sơ đồ tổng hợp dung dịch nano bạc
2.2.2. Quy trình tổng hợp sol TiO2:Ag
Một trong những khó khăn của chất TIP là rất nhạy với không khí và nƣớc vì vậy nếu ban đầu cho phản ứng với nƣớc thì dung dịch sẽ nhanh chóng kết tủa và nhƣ thế quá trình sol-gel sẽ không xảy ra. Để khắc phục những nhƣợc điểm trên, đầu tiên chúng tôi pha trộn chất TIP với axit acetic. Axit acetic sẽ đóng vai trò làm giảm tính kích họat của TIP trong không khí, vì vậy chất TIP sẽ không bị kết tủa.
Vai trò thứ hai của axit acetic là có thể tham gia vào phản ứng ester. Vì vậy tạo thành nƣớc, giúp cho quá trình thủy phân của quá trình sol-gel. Quá trình ngƣng tụ giúp cho quá trình hình thành mạng lƣới Ti-O-Ti.[3]
Dựa vào tài liệu tham khảo[48],chúngtôi đã tiến hành pha hệ sol TiO2 theo tỷ lệ mol:
Ti(OC3H7)4: CH3COOH: (CH3)2CHOH: CH3OH=1:6,06:1,34:7,17
Quy trình tạo sol TiO2 đƣợc thể hiện trong hình 2.6. Tốc độ khuấy từ tƣơng đƣơng 500 vòng/ phút, tốc độ nhỏ giọt là 3 giọt/giây.
Sau đó ta lấy dung dịch chứa nano bạc đã pha trƣớc đó đem pha tạp vào hệ sol TiO2 theo tỷ lệ ban đầu là 5%. Ban đầu dựa vào tài liệu [17], chúng tôi sử dụng thêm chất phụ gia axit arcobic làm chất keo tụ, tuy nhiên quá trình keo tụ diễn ra rất nhanh, sản phẩm tạo thành không thể đem nhúng màng nhƣ dự tính. Vì vậy chúng tôi chỉ ứng dụng thử nghiệm trong quá trình tạo mẫu bột hoặc khối.
Khuấy từ trong vòng 30 phút
Khuấy từ trong 2 giờ Dung dịch AgNO3 Dung dịch NaBH4 AOT Dung môi AOT Dung môi Dung dịch nano bạc
Hình 2.6: Sơ đồ tổng hợp sol TiO2:Ag
2.2.3. Quy trình tạo mẫu màng và bột TiO2:Ag[23]
Quy trình tạo mẫu màng và mẫu bột TiO2:Ag đƣợc thể hiện ở hình 2.7.
Đối với mẫu bột, sau khi nghiền nhỏ, ta tiếp tục nâng nhiệt lên 400o
và 600o với tốc độ gia nhiệt là 1o/phút.
Đối với mẫu màng, việc xử lý và bảo quản đế trƣớc và sau khi nhúng rất quan trọng, ảnh hƣởng trực tiếp đến độ bám dính, độ tinh khiết và một số tính chất khác của màng.
Quy trình xử lý đế: đế đƣợc ngâm lần lƣợt trong dung dịch axit HCl loãng 0.5M, dung dịch NaOH 10% khoảng 15-20 phút để loại bỏ các tạp chất. Giữa 2 lần ngâm, xả lại với nƣớc và dùng khăn chà sạch với xà phòng. Cuối cùng, đánh siêu âm với nƣớc cất hai lần và aceton trong 2 phút. Sấy khô và cất trong lọ đựng lam chuyên dụng.
Tốc độ phủ nhúng tốt nhất trong quá trình thực nghiệm là 6cm/phút. Với vận tốc này chúng tôi thấy màng thu đƣợc có độ đồng đều cao.
Quá trình sấy và nung mẫu màng đƣợc tiến hành trong điều kiện nghiêm ngặt vì đây là bƣớc cuối cùng quyết định đến sự chuyển đổi cấu trúc của sản phẩm. Quá trình
sấy có thể chia thành hai giai đoạn chính: giai đoạn tốc độ bay hơi gần nhƣ là không đổi (CRP), giai đoạn tốc độ bay hơi giảm rất nhanh với thời gian (FRP). Điểm cuối cùng của quá trình CRP, gel co rút ít so với khối lƣợng ban đầu. [38]
Hình 2.7: Sơ đồ tạo mẫu bột và màng TiO2:Ag
2.3. Các phƣơng pháp phân tích mẫu [1], [3]
2.3.1. Phổ tử ngoại và khả kiến UV-Vis (Ultraviolet – Visible)
Chúng tôi sử dụng phổ UV – Vis để kiểm tra phổ hấp thụ của các mẫu dung dịch và mẫu màng.
Phổ UV – Vis là loại phổ electron, ứng với mỗi elctron chuyển mức năng lƣợng ta thu đƣợc một vân phổ rộng. Phƣơng pháp đo phổ UV – Vis (phƣơng pháp trắc quang) là một phƣơng pháp định lƣợng xác định nồng độ của các chất thông qua độ hấp thu của dung dịch.
Gel hóa, co thành khối Phủ nhúng
Để ở nhiệt độ phòng trong 2 giờ Ủ ở 60o, trong 2 ngày Ủ ở 120o, trong 1 ngày Mẫu bột Nung lên 250o Nung lên 350o Nung lên 500o/600o Ủ nhiệt trong 3 giờ
Mẫu màng Sol TiO2:Ag
Gia nhiệt: 3o/phút Gia nhiệt: 1o/phút
Nghiền nhỏ Gia nhiệt: 0,25o/phút
Gia nhiệt: 2o/phút
Giữ ổn định 2 ngày, ở nhiệt độ phòng Ủ 2 tuần ở nhiệt độ phòng
Cho chùm ánh sáng có độ dài sóng xác định có thể thấy đƣợc (Vis) hay không thấy đƣợc (UV - IR) đi qua vật thể hấp thu (thƣờng ở dạng dung dịch). Dựa vào lƣợng ánh sáng đã bị hấp thu bởi dung dịch mà suy ra nồng độ (hàm lƣợng) của dung dịch đó.
I0 = IA + Ir + I (2.2) Trong đó:
+ Io : Cƣờng độ ban đầu của nguồn sáng.
+ I : Cƣờng độ ánh sáng sau khi đi qua dung dịch. + IA: Cƣờng độ ánh sáng bị hấp thu bởi dung dịch.
+ Ir : Cƣờng độ ánh sáng phản xạ bởi thành cuvet và dung dịch, giá trị này đƣợc loại bỏ bằng cách lặp lại 2 lần đo.
+ C : Nồng độ mol chất ban đầu.
+ l : Chiều dày lớp dung dịch mà ánh sáng đi qua.
Hình 2.8: Cường độ tia sáng trong phương pháp đo UV-VIS
Hình 2.9 : Máy đo phổ hấp thu UV-Vis tại PTN. Quang – Quang Phổ, BM. Vật lý Ứng dụng, Khoa Vật lý-Vật lý kỹ thuật, Trường ĐH. Khoa học Tự nhiên TP.HCM.
2.3.2. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
Có thể xem nhiễu xạ là sự thay đổi tính chất ánh sáng hoặc sóng do sự xuyên sâu vào vật thể, xem xét sự nhiễu xạ tia X để xác định cấu trúc tinh thể.
Io I
C
Nếu chiếu một chùm tia X tới nguyên tử, thì các electron trong nguyên tử sẽ dao động quanh vị trí cân bằng của nó. Ta nhận thấy một photon tia X bị hấp thụ bởi nguyên tử thì có một photon khác phát ra với cùng mức năng lƣợng. Khi không có sự thay đổi năng lƣợng giữa photon tới và photon phát ra, ta nói bức xạ là tán xạ đàn hồi. Nếu photon bị mất năng lƣợng thì tán xạ không đàn hồi.
Hình 2.10: Sơ đồ nhiễu xạ tia X bởi tinh thể.
Hiệu quang lộ xuất phát từ hai mặt liên tiếp trong họ mặt biểu diễn đƣợc tính theo công thức 2.3:
2d.sin( )=n (2.3) + n= 1, 2, 3, ... ( Định luật Bragg ) là bậc cực đại cƣờng độ của phản xạ.
+ d: khoảng cách giữa các mặt mạng. + : là góc nhiễu xạ tƣơng ứng.
2.3.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy – TEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy – TEM) là 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, phƣơng pháp này ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu vật liệu nano.
Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM hoạt động dựa trên nguyên lý tƣơng tự nhƣ kính hiển vi quang học. Nguồn chiếu sáng trong TEM là chùm các electron có năng lƣợng cao đƣợc phát ra từ súng điện tử.
Bƣớc sóng của chùm tia electron là , nó là một hàm của điện thế đƣợc biểu diễn nhƣ phƣơng trình: 2 1 0 6 0(1 0,9788 10 U ) U 1,226 λ (2.4) Với U0 là điện thế của chùm tia electron
Các chùm electron này sẽ di chuyển xuyên qua thân máy đƣợc hút chân không và tập trung chùm tia rất hẹp nhờ vào các thấu kính điện từ và chiếu xuyên qua mẫu cần đo. Ở đây chúng đƣợc hội tụ lại nhờ các vật kính là thấu kính điện từ, sau đó ảnh đƣợc phóng đại qua một số thấu kính từ trung gian với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số.
Hình 2.12: Máy đo TEM, JEM – 1400
2.3.4. Phƣơng pháp khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch nano bạc bạc
Quá trình khảo sát hoạt tính kháng khuẩn đƣợc tiến hành tại Công ty cổ phần dịch vụ Khoa học công nghệ Sắc ký Hải Đăng.
Hình 2.13: Vi khuẩn Escherichia coli
Phƣơng pháp này dựa trên nguyên tắc đếm khuẩn lạc để xác định số lƣợng tế