Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của vật liệu nano cacbon từ vỏ cua vào xử lý môi trường - Pdf 63

Nghiên cứu khoa học
Tàu

Đại học Bà Rịa – Vũng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA – VŨNG TÀU
VIỆN KỸ THUẬT – KINH TẾ BIỂN

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG VÀ ỨNG
DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO CACBON TỪ VỎ CUA
VÀO XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG
Chủ nhiệm: Nguyễn Ngô Phương Duy
Hướng dẫn khoa học: ThS. Lê Thị Anh Phương

BÀ RỊA – VŨNG TÀU NĂM 2019

1

Nghiên cứu khoa học

Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu
MỤC LỤC

MỤC LỤC ........................................................................................................ 2
DANH MỤC BẢNG .........................................................................................

5

1.6.4. Tổng quan về phương pháp thủy nhiệt .................................................... 25
1.7. Ứng dụng của công nghệ nano................................................................... 27
1.8. Lý thuyết về hấp phụ ................................................................................. 28
1.8.1. Khái niệm hấp phụ.................................................................................. 28
1.8.2. Hấp phụ trong môi trường nước.............................................................. 30
2

Nghiên cứu khoa học
Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu
1.8.3. Phương trình Freundlich ......................................................................... 31
1.8.4. Phương trình Langmuir .......................................................................... 32
1.9. Tổng quan về chì và ô nhiễm chì ............................................................... 33
1.9.1. Tổng quan về chì .................................................................................... 33
1.9.2. Thực trạng ô nhiễm chì ........................................................................... 33
CHƯƠNG II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................................... 35
2.1. Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ thiết bị .................................................. 35
2.1.1. Nguyên liệu ............................................................................................ 35
2.1.2. Hóa chất ................................................................................................. 35
2.1.3. Dụng cụ, thiết bị ..................................................................................... 35
2.2. Quy trình điều chế vật liệu nano cacbon .................................................... 36
2.2.1. Giải thích quy trình điều chế ................................................................... 37
2.3. Đặc trưng của vật liệu cacbon .................................................................... 40
2.4. Các phương pháp phân tích khả năng hấp phụ ion kim loại Pb2+ ............... 40
2.4.1. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic absorption
pectroscopy - AAS) .......................................................................................... 40
2.4.2. Thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại Pb2+ của vật liệu .... 41
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................... 43
3.1. Nghiên cứu điều kiện thủy nhiệt chitosan để tạo cacbon ............................ 43
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt chitosan thành nano cacbon

Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu
DANH MỤC BẢNG

Bảng 1. 1. Kích thước phân tử Chitosan trong dung dịch axit ........................... 15
Bảng 1. 2. Tính chất của chitosan ảnh hưởng bởi độ deacetyl .......................... 15
Bảng 3. 1. Ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt vật liệu đến hiệu suất hấp phụ . 44
Bảng 3. 2. Kết quả hấp phụ của các mẫu cacbon ở các nhiệt độ khác nhau ....... 44
Bảng 3. 3. Kết quả của khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ hấp phụ ..................... 49
Bảng 3. 4. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến khả năng hấp phụ ................. 50
Bảng 3. 5. Ảnh hưởng của nồng độ Pb2+ đến khả năng hấp phụ ...................... 51
Bảng 3. 6. Bảng số liệu xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ ........................... 52
Bảng 3. 7. Các thông số của phương trình đẳng nhiệt ....................................... 53
Bảng 3. 8. Kết quả khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng ......................................................... 53

5

Nghiên cứu khoa học

Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1. 1. Sắp xếp các mạch trong phân tử chitin ............................................. 12
Hình 1. 2. Công thức hóa học của chitin ........................................................... 13
Hình 1. 3. Công thức cấu tạo chitosan .............................................................. 14
Hình 1. 4. Phức Ni(II) chitosan ........................................................................ 17
Hình 1. 5. Chitosan sử dụng trong băng cầm máu ............................................ 19
Hình 1. 6. Nguyên liệu sản xuất chitin .............................................................. 19
Hình 1. 7. Các loại Cacbon Flurence ................................................................ 22

Hình 3.8. Đường đẳng nhiệt hấp phụ – khử hấp phụ nitơ (a) và đường hấp phân
bố đường kính mao quản (b) của mẫu Nano cacbon từ từ vỏ cua.............................. 48
Hình 3.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ...........................49
Hình 3.10. Đồ thị hấp phụ Pb2+ trên vật liệu nano cacbon theo thời gian............50
Hình 3.11. Đồ thị hấp phụ Pb2+ trên vật liệu nano cacbon............................................ 51
Hình 3.12. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich của kim loại Pb
52
Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của tỉ lệ rắn/lỏng đến hiệu suất và tải
trọng hấp phụ.......................................................................................................................................... 54

7

Nghiên cứu khoa học
Tàu

Đại học Bà Rịa – Vũng
DANH MỤC VIẾT TẮT

AAS: Phổ hấp phụ nguyên tử
XRD: Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen
FT-IR: Phương pháp phổ hồng ngoại
BET: Brunauner – Emmett – Teller (Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng)
SEM: Scanning Electron Microscopy (Phương pháp kinh hiển vi điện tử quét)
TEM: Transmission Electron Microscopy (Phương pháp kính hiển vi điện tử
truyền qua)
w/v: Phần trăm khối lượng - thể tích, (% w/v) biểu thị khối lượng chất trong một
hỗn hợp theo phần trăm thể tích của toàn bộ hỗn hợp
KLN: Kim loại nặng

có diện tích bề mặt lớn (khoảng 2 – 50 nm) do đó được ứng dụng rộng rãi trong các
ngành công nghiêp, y học, điện tử, xử lý môi trường ... [2]
Ngày nay, vấn đề ô nhiễm nước bởi các kim loại nặng, đặc biệt là Pb(II) tăng
lên nhanh chóng do các quá trình tự nhiên và sự gia tăng các hoạt động của con
người bao gồm khai thác mỏ, nông nghiệp và các ngành công nghiệp sản xuất,…
kết hợp với việc xử lý chúng không đúng cách. Sau khi thải ra môi trường, các kim
loại nặng này có xu hướng tích lũy sinh học ở mức dịnh dưỡng cao hơn của chuỗi
thức ăn. Hầu như tất cả các kim loại nặng đều độc với sinh vật sống và với mức độ
quá mức, sẽ gây ra độc tính cấp tính và mãn tính. Chúng không thể phân hủy và
phân giải sinh học; hơn nữa, qua trình khoáng hóa kim loại tự nhiên rất chậm. Do
đó, loại bỏ các kim loại nặng từ nước và nước thải được thực hiện tốt nhất bằng
cách cố định và tập trung vào chất hấp thụ thích hợp.
Cadmium (Cd), chì (Pb), đồng (Cu), niken (Ni) và kẽm (Zn) là những kim loại
được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nặng và đây là tiềm năng gây
ra ô nhiễm nướ, có thể dẫn đến ngộ độc đối với cơ thể sinh vật qua chuỗi thức ăn.
Việc tiếp xúc với Cadmium có thể gây ra buồn nôn, chảy nước bọt, chuột rút và
thiếu máu. Tiếp xúc lâu dài với Cadmium cũng gây ra ung thư. Ngộ độc Chì có liên
quan đến rối loạn dạ dày, táo bón, đau bụng và hệ thần kinh trung ương. Tiếp xúc
với Niken có thể gây ra ung thư phổi, mũi và xương. Hơn nữa, nó có thể gây ra
viêm da, nhức đầu, chóng mặt và suy hô hấp. Độc tính do Kẽm ít phổ biến hơn, tuy
nhiên nó có thể gây hại cho các hệ thống khác nhau trong cơ thể người.
9

Nghiên cứu khoa học
Tàu

Đại học Bà Rịa – Vũng

Một trong các cách giải quyết vấn đề ô nhiễm kim loại nặng trong nước là

Northeastern (Thẩm Dương – Trung Quốc) đã nghiên cứu hạt nano Cacbon
Mesoporous với Polyacrylic Acid đóng vai trò nhà cung cấp thuốc cho thuốc
kích hoạt liên tục.
- Nhóm tác giả Chao Liu và các cộng sự đã nghiên cứu điều chế hạt nano
cacbon có kích thước lớn và nghiên cứu điều chính kích thước hạt.
3. Mục tiêu đề tài:
Mục tiêu: Tận dụng tối đa các phế phẩm thủy hải sản như vỏ cua, ghẹ để điều
chế ra vật liệu nano cacbon có khả năng hấp phụ kim loại; ở đây, kim loại Pb
10

Nghiên cứu khoa học
Tàu

Đại học Bà Rịa – Vũng

được sử dụng như một một đối tượng để nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật
liệu kim loại mới tạo ra.
Để đạt được mục tiêu trên cần:
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế vật liệu nano cacbon.
- Đặc trưng các đặc tính của vật liệu thu được như đặc điểm cấu trúc, hình
thái học, diện tích bề mặt,…
- Đánh giá khả năng hấp phụ kim loại nặng trong môi trường nước.
4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, cách tiếp cận và phương pháp nghiên
cứu: a. Đối tượng nghiên cứu: Điều chế vật liệu nano cacbon từ vỏ cua để hấp
phụ kim loại Pb (II).
b. Phạm vi nghiên cứu: Phế phẩm thủy sản như vỏ cua, ghẹ trên địa bàn tỉnh
Bà Rịa – Vũng Tàu.
c. Phương pháp nghiên cứu:
PP nghiên cứu lý thuyết:

1.1. Tổng quan về Chitin [3]
1.1.1. Thành phần hóa học của Chitin
Chitin: tồn tại dưới dạng liên kết bởi những liên kết đồng hóa trị với các
protein dưới dạng phức hợp chitin – protein, liên kết với các hợp chất khoáng và
các hợp chất hữu cơ khác gây khó khăn cho việc tách và chiết chúng.
Canxi: trong vỏ, đầu tôm, vỏ cua ghẹ…có chứa một lượng lớn muối vô cơ,
chủ yếu là muối CaCO3, hàm lượng Ca3(PO4)2 mặc dù không nhiều nhưng trong
quá trình khử khoáng dễ hình thành hợp chất CaHPO 4 không tan trong HCl gây
khó khăn cho quá trình khử khoáng.
Protein: thành phần protein trong phế liệu cua thường tồn tại ở 2 dạng:
dạng tự do và dạng liên kết
- Dạng tự do: dạng này là tồn tại ở phần thịt cua từ một số cua bị biến đổi
và vứt đi lẫn vào phế liệu hoặc phần mai và thịt còn sót lại trong cua. Nếu công
nhân vặt mai cua không đúng kĩ thuật thì phần protein bị tổn thất vào phế liệu
nhiều làm tăng tiêu hao nguyên vật liệu, mặt khác phế liệu này khó xử lý hơn.
- Dạng phức tạp: ở dạng này protein không hòa tan và thường liên kết với
chitin, canxicacbonat, với lipit tạo thành lipoprotein, với sắc tố tạo
proteincarotenoit…như một phần thống nhất quyết định tính bền vững của vỏ cua.
1.1.2. Cấu trúc hóa học và tính chất hóa lý của
Chitin a. Cấu trúc hóa học
Chitin có cấu trúc tinh thể rất chặt chẽ và đều đặn. Bằng phương pháp
nhiễu xạ tia X, người ta đã chứng minh được chitin tồn tại ở 3 dạng cấu hình: α,
β, γ – chitin.

Hình 1.1. Sắp xếp các mạch trong phân tử chitin
α – chitin có cấu trúc các mạch được sắp xếp ngược chiều nhau đều đặn, nên
ngoài liên kết hydro trong một lớp và hệ chuỗi, nó còn có liên kết hydro giữa các
lớp do các chuỗi thuộc lớp kề nhau nên rất bền vững. Do các mắt xích sắp xếp
đảo chiều, xen kẽ thuận lợi về mặt không gian và năng lượng.
Β, γ – chitin do mắt xích ghép với nhau theo kiểu song song (β – chitin) và

Chitin tồn tại với các chất oxy hóa mạnh như thuốc tím (KMnO 4), oxy già
(H2O2), nước javen (NaOCl – NaCl)…, lợi dụng tính chất này mà người ta sử
dụng các chất oxy hóa trên để khử màu cho chitin.
Khi đun nóng trong dung dịch NaOH đậm đặc (40 – 50%), ở nhiệt độ cao
thì chitin sẽ bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan:
-CH2OH

-CH2OH
0→Chitosan -OH

Chitin -OH

NaOH40-50%
T cao

-NHCOCH3

-NH2

Chitin có tính kỵ nước cao (đặc biệt đối với α – chitin) và không tan trong
nước, trong kiềm, trong axit loãng và các dung môi hữu cơ như ete, rượu,…Tính
không tan của chitin là do chitin có cấu trúc chặc chẽ, có liên kết trong và liên phân
tử mạnh thông qua các nhóm hydroxyde và acetamide. Tuy nhiên, β – chitin
13

Nghiên cứu khoa học
Tàu

Đại học Bà Rịa – Vũng

số các polysaccharide tự nhiên đều tạo thành keo âm. Chitosan tích điện dương sẽ
có khả năng bám dính bề mặt các ion tích điện âm và có khả năng tạo phức với các
ion kim loại và tương tác tốt với các polymer tích điện âm.

14

Nghiên cứu khoa học
Tàu

Đại học Bà Rịa – Vũng

Chitosan trong dung dịch axit acetic có thể tạo một thể thống nhất với các
dung môi phân cực mà không gây ra sự tạo tủa chitosan. Dung dịch axit aceticchitosan có tính tương hợp tốt với rượu như metanol, propanol, butanol, ethylen
glycol, diethylene glycol, aceton, glycol formamide. Những dung dịch axit của
chitosan đều hòa lẫn được với các loại nhựa tan trong nước không ion, hồ,
dextrin, glucose, saccharose, các glycol, sorbitol và các loại dầu mỡ, các parafin,
hydrocloric, nitric, formic, citric, và axit lactic nhưng không hòa tan trong axit
sulfuric và các sulphate.
Bảng 1.1. Kích thước phân tử Chitosan trong dung dịch axit
Độ dài (Ao)

Dung dịch axit
CH3COOH 0,33M – NaCl 0,3M

30 – 230

CH3COOH 0,167M – NaCl 0,46M

73

103,4

107,3

Tính thấm nước (%)

659

472

486

Độ tan (%)

99,4

99,6

99,5

Phân tử khối của chitosan là một thông số cấu trúc quan trọng, nó quyết định
tính chất của chitosan như khả năng kết dính, tạo màng, tạo gel, khả năng hấp phụ
15

Nghiên cứu khoa học
Tàu

Đại học Bà Rịa – Vũng

c. Phản ứng với alhydride axit tạo dẫn xuất N-acyl chitosan
Chit–NH2 + R–CO–O–CO–R → Chit–NH–COR + RCOOH
d. Phản ứng tạo bazơ Schiff với nhóm cacbonyl
Nhóm amino tự do còn có thể tham gia phản ứng tạo bazơ Schiff với nhóm
cacbonyl, chẳng hạn với axit glyconide
Chit–NH2 + OHC–COOH → Chit–N=CH–COOH + H2O
Chit–N=CH–COOH + Na+ → Chit–N=CH–COONa +
H+ Chit–N=CH–COONa → Chit–NH–CH3 (tan)
e. Tạo phức giữa chitosan và ion kim loại
16

Nghiên cứu khoa học
Tàu

Đại học Bà Rịa – Vũng

Trong phân tử chitosan có chứa các nhóm chức mà trong đó các nguyên tử
oxi và nitơ của nhóm chức còn cặp electron chưa sử dụng, do đó chúng có khả
năng tạo phức, phối trí với hầu hết các kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp
như: Hg2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+,Ni2+,Co2+,... Tuỳ nhóm chức trên mạch polime mà
thành phần và cấu trúc của phức khác nhau.

Hình 1.4. Phức Ni(II) chitosan
Sự tạo phức giữa chitosan và ion kim loại xảy ra chủ yếu nhờ những nhóm
amin đóng vai trò ligant. Do đó mức độ deacetyl hóa chitosan và nồng độ của
những nhóm amin linh động có ảnh hưởng lớn đến mức độ tạo phức. Dung dịch
chitosan có mức độ deacetyl hóa cao thì mức độ hấp phụ các ion kim loại sẽ cao
và mức độ này tùy thuộc vào từng loại kim loại.
Chitosan kết hợp với andehit trong điều kiện thích hợp để hình thành gel,

1.3.2. Trong nông nghiệp và thủy sản
Trong nông nghiệp, chitin – chitosan được sử dụng để tăng cường hoạt
động của các vi sinh vật có lợi trong đất, bọc các hạt giống để kháng lại nấm
bệnh trong đất đồng thời cố định phân bón nhằm tăng khả năng nảy mầm của
hạt, kích thích tăng trưởng và tăng năng suất.
Trong lĩnh vực thủy sản, chitin – chitosan đã có nhiều nghiên cứu và ứng
dụng trong nuôi trồng thủy sản. Chitin – chitosan được bổ sung vào thức ăn cho
tôm, cá để kích thích sinh trưởng, tăng miễn dịch và cải thiện môi trường ao
nuôi. Ngoài ra, chitosan cũng được ứng dụng làm màng bao, làm chất kết dính
để làm tăng độ ổn định của thức ăn cho tôm. Với chitosan làm màng bao thức ăn
thủy sản được sử dụng ở nồng độ thấp (khoảng 0,1%) nếu không thức ăn sẽ có
vỏ cứng gây khó khăn cho động vật thủy sản khi ăn. Ngoài ra, chọn chitosan có
độ deacetyl cao để màng bao được ổ định hơn trong môi trường nước.
1.3.3. Trong xử lý môi trường
Từ thế kỷ trước chitin đã được nghiên cứu trong việc làm chất hấp phụ và tạo
phức với kim loại nặng. Chitin có thể tạo phức với nhiều kim loại nặng như đồng,
chì, crôm,… Tương tự, chitosan nhờ các nhóm amin có trong nó với ái lực mạnh có
thể hình thành phức với các ion kim loại nặng. Tính chất của chitin – chitosan ảnh
hưởng lớn đến khả năng tạo phức với kim loại đặc biệt là độ deacetyl. Khi độ
deacetyl càng tăng thì khả năng tạo phức sẽ tăng. Do đó, chitin – chitosan được sử
dụng như là một trong các nhóm tác nhân chính để xử lý nước thải.
Chitosan còn được sử dụng làm tác nhân thu hồi protein trong ngành công
nghiệp thực phẩm. Phân tử chitosan có khả năng hấp phụ, tạo cầu nối liên kết
với các hạt keo protein thành các phân tử có kích thước lớn hơn và lắng xuống.
Độ deacetyl trong chitosan càng cao thì trong dung dịch chứa nhiều gốc amin
tích điện dương sẽ trung hòa điện tích của các phân tử protein tích điện âm trong
nước rửa giảm khả năng hydrat hóa. Protein được thu hồi bằng chitosan có thể
được tận dụng làm thức ăn gia súc vì chitosan an toàn và protein thu được có
chất lượng tốt, chứa đủ các axit amin cần thiết.
1.3.4. Trong y học và công nghệ sinh học

sản xuất chitin – chitosan là phế liệu thủy sản, đặc biệt là vỏ tôm, ghẹ, mực. Tùy
theo từng loại nguyên liệu mà hàm lượng chitin biến đổi khác nhau.
Vì thành phần của mỗi nguyên liệu khác nhau nên quy trình chiết xuất
chitin cũng khác nhau. Trong khóa luận này sử dụng nguyên liệu là vỏ cua nên
sẽ tìm hiểu sơ lược về chúng.

Hình 1.6. Nguyên liệu sản xuất chitin

19

Nghiên cứu khoa học
Tàu

Đại học Bà Rịa – Vũng

Thành phần của phế liệu cua
Quá trình phơi khô để loại nước có trong vỏ cua để bảo quản được thời
gian dài để chuẩn bị cho quá trình làm thí nghiệm.
Vỏ cua chia làm 4 lớp chính:
+ Lớp biểu bì (epicucle)
+ Lớp màu
+ Lớp canxi hóa
+ Lớp không bị canxi hóa
Lớp biểu bì, lớp màu, lớp canxi hóa cứng do sự lắng đọng của canxi. Lớp
màu, lớp canxi hóa, lớp không bị canxi hóa chứa nhiều chitin nhưng lớp biểu bì
thì không. Ta gọi các lớp có chứa chitin là endocuicle.
Lớp màu: tính chất của lớp này do sự có mặt của những thể hình hạt của vật
chất mang màu giống dạng melanin. Một vài vùng xuất hiện những hệ thống
rãnh thẳng đứng có phân nhánh, là con đường cho canxi thẩm thấu vào.

Đại học Bà Rịa – Vũng

tâm của nhiều nhà khoa học và được ứng dụng trong hầu hết các ngành công
nghiệp như: hóa chất, tác chất, năng lượng, xử lý môi trường,...
Các ống nanô cácbon (Tiếng Anh: Cacbon nanotube - CNT) là các dạng thù
hình của cacbon. Một ống nano cacbon đơn vách là một tấm than chì độ dày
một-nguyên-tử cuộn tròn lại thành một hình trụ liền, với đường kính cỡ
nanomet. Điều này xảy ra trong các cấu trúc nano mà ở đó tỉ lệ giữa chiều dài và
đường kính vượt trên 10.000. Các phân tử cacbon hình trụ đó có các tính chất
thú vị làm cho chúng có khả năng hữu dụng cao trong rất nhiều ứng dụng của
công nghệ nano, công nghiệp điện tử, quang học, và một số ngành khoa học vật
liệu khác. Chúng thể hiện độ bền đáng kinh ngạc và các tính chất điện độc đáo,
và độ dẫn nhiệt hiệu quả. Các ống nano vô cơ cũng đã được tổng hợp.
1.5.1. Một số tính chất của vật liệu nano cacbon
Vật liệu nano với kích thước rất nhỏ trong khoảng 1- 100nm có những tính
chất thú vị khác hẳn so với vật liệu khối thường thấy. Sự thay đổi tính chất một
cách đặc biệt ở kích thước nano được cho là do hiệu ứng bề mặt và do kích
thước tới hạn của vật liệu nano.
Hiệu ứng bề mặt: Ở kích thước nano, tỉ lệ các nguyên tử trên bề mặt thường
rất lớn so với tổng thể tích hạt. Các nguyên tử trên bề mặt đóng vai trò như các tâm
hoạt động chính vì vậy các vật liệu nano thường có hoạt tính hóa học cao.
Kích thước tới hạn: Các tính chất vật lý, hóa học như tính chất điện, từ,
quang..ở mỗi vật liệu đều có một kích thước tới hạn (là khoảng cách mà ở đó vật
liệu ở trạng thái tốt nhất). Nếu kích thước vật liệu ở dưới kích thước tới hạn thì tính
chất của nó không còn tuân theo các định luật đúng với vật liệu bình thường. Vật
liệu nano có tính chất đặc biệt vì kích thước của nó (1 - 100nm) cũng nằm trong
phạm vi kích thước tới hạn của các tính chất điện, từ, quang,… của vật liệu.
1.5.2. Một số dạng nano được nghiên cứu hiện nay
Fulleren là một hợp chất cacbon hình cầu và là một dạng thù hình của

hợp cải tiến và tinh chế hiệu quả CNT được yêu cầu hơn nữa.

Hình 1.8. Một loại cacbon nano
ống Graphene/ Graphene Oxides
Graphene – một trong các loại vật liệu cacbon- bao gồm các vòng 6 nguyên tử
C sp2, tạo thành cấu trúc hai chiều. Graphene đã được biết đến từ lâu, từ khi
graphite được hình thành bằng các tấm graphene kết hợp với nhau bằng lực Van der
Waals. Tuy nhiên, chi tiết về tính chất của chúng vẫn không được rõ ràng cho đến
các năm sau này bởi vì việc phân lập graphene từ các graphite (than chì) không
được phát triển trong một thời gian dài. Năm 2004, Geim và Novoselov và cộng sự
đã phân lập thành công các mảnh graphene bằng phương pháp đơn giản.
22

Nghiên cứu khoa học
Tàu

Đại học Bà Rịa – Vũng

Họ đã sử dụng một cuộn băng để bóc lớp graphene từ than chì nhiệt phân có định
hướng cao (HOPG) và sau đó lớp graphene được bóc được dán trên một chất nền.
Sau quan sát này, những nghiên cứu về graphene đã chứng minh được các đặc
tính đặc biệt của các tính chất điện tử, cơ học và hóa học. Geim và Novoselov đã
giành giải thưởng Nobel vật lý năm 2010 nhờ những đóng góp của họ.
Graphene oxide, trước đây gọi là graphitic oxide hoặc graphitic acid, là một hợp
chất của cacbon, ôxy và hydro theo tỷ lệ thay đổi, thu được bằng cách xử lý than
chì bằng các chất oxy hóa mạnh. Sản phẩm số lượng lớn bị oxy hóa tối đa là một
chất rắn màu vàng với tỷ lệ C: O giữa 2.1 và 2.9, giữ lại cấu trúc lớp than chì
nhưng với khoảng cách lớn hơn và không đều.

Kích thước tới hạn: Các tính chất vật lý, hóa học như tính chất điện, từ,
quang..ở mỗi vật liệu đều có một kích thước tới hạn (là khoảng cách mà ở đó vật
liệu ở trạng thái tốt nhất). Nếu kích thước vật liệu ở dưới kích thước tới hạn thì tính
chất của nó không còn tuân theo các định luật đúng với vật liệu bình thường. Vật
liệu nano có tính chất đặc biệt vì kích thước của nó (1 - 100nm) cũng nằm trong
phạm vi kích thước tới hạn của các tính chất điện, từ, quang,… của vật liệu.
1.6. Tổng quan phương pháp tổng hợp vật liệu nano
1.6.1. Phương pháp tiếp cận
Các phương pháp chế tạo vật liệu nói chung và hạt nano nói riêng rất phong
phú và đa dạng. Mỗi các tổng hợp đều có ưu nhược điểm khác nhau. Tùy mục
đích sử dụng vật liệu nano nào mà người ta có thể chọn cách tổng hợp phù hợp
và có hiệu quả cao.
Có hai hướng tiếp cận để tổng hợp hạt nano: Hướng tiếp cận từ trên xuống
(Top-down) và hướng tiếp cận từ dưới lên (Bottom-up).
1.6.2. Phương pháp tiếp cận từ trên xuống “Top-down”
“Top-down” nghĩa là chia nhỏ một hệ thống lớn để tạo ra được đơn vị kích
thước nano như phương pháp nghiền, biến dạng…
Ưu điểm của phương pháp từ trên xuống là tổng hợp lượng lớn các hạt nano,
nhưng sự đồng đều kích thước hạt không cao và phân bố kích thước hạt rộng, từ
10 ~ 1000nm, do khó điều khiển được kích thước hạt. Hạt nano có hình dạng đa
dạng (vô định) hoặc cấu trúc hình học, dễ chứa tạp chất. Các vật liệu
nanocomposite và vật liệu rời nanogranin (nhiệt độ thiêu kết thấp hơn) thường
được chế tạo bằng cách này. Một nhóm các phương pháp sol-khí (aerosol) vật lý
được đưa ra để tổng hợp các hạt vật liệu oxit kích thước nanomet. Nhóm phương
pháp bao gồm công nghệ ngưng tụ từ pha hơi, phương pháp phún xạ, lắng đọng
hóa nhiệt của tiền chất cơ kim trong các buồng phản ứng ngọn lửa và các quá
trình aerosol khác đươc đặt tên theo các nguồn năng lượng được sử dụng để
cung cấp nhiệt độ cao trong sự biến đổi khí-hạt.
1.6.3. Phương pháp tiếp cận từ dưới lên “Bottom-up”
Phương pháp tiếp cận từ dưới lên “Bottom-up” là phương pháp lắp ghép các

pháp điện cao thế, phương pháp đốt laze hoặc phương pháp thủy nhiệt.
Trong các phương pháp trên phương pháp “Thủy nhiệt” là phương pháp kỹ
thuật tốt để tổng hợp các vật liệu cacbon có giá trị từ các nguồn cacbohydrate tự
nhiên như vỏ tôm, cua, ghẹ, rơm dạ, tro trấu,... Chính vì tính ưu việt của nó mà
hiện nay phương pháp này được nhiều nhà khoa học nghiên cứu, xuất hiện nhiều
lĩnh vực liên quan đến phương pháp này như “tổng hợp vật liệu nano bằng
phương pháp thủy nhiệt”, “tổng hợp tinh thể bằng thủy nhiệt”, “tách chiết bằng
phương pháp thủy nhiệt”.
Nhờ vào các ưu điểm của nó, phương pháp thủy nhiệt được nhiều nhà khoa
học trong nước cũng như trên thế giới sử dụng. Chẳng hạn:
+ Tác giả Yanzhu và cộng sự đã tổng hợp vật liệu HydroApatit.
+ Tác giả Dharmaiah sử dựng phương pháp thủy nhiệt để tổng hợp các
nano plate Sb2Te2 và Bi0.5SB1.5Te3.
+ Hợp chất monodisperse hydrolysis – resistant yttrium alkoxide được các
tác giả Guoweichen tổng hợp với phương pháp thủy nhiệt.

25

Nhờ tải bản gốc

Tài liệu, ebook tham khảo khác

Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng của vật liệu nano cacbon từ vỏ cua vào xử lý môi trường - Pdf 63

Tài liệu, ebook tham khảo khác

Học thêm