BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
------------------------
NGUYỄN MINH THÙY
NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HÒA TAN ĐIỆN HÓA
TẠI DƯƠNG CỰC (ANOT) TẠO DUNG DỊCH NANO BẠC
BẰNG ĐIỆN ÁP CAO
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI – 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
------------------------
NGUYỄN MINH THÙY
NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HÒA TAN ĐIỆN HÓA
TẠI DƯƠNG CỰC (ANOT) TẠO DUNG DỊCH NANO BẠC
BẰNG ĐIỆN ÁP CAO
Chuyên ngành
: Kỹ thuật hóa học
Mã số
: 62 52 03 01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS.TSKH Nguyễn Đức Hùng
2. PGS.TS Nguyễn Nhị Trự
HÀ NỘI – 2015
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của
riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án này là
hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất
kỳ công trình nghiên cứu khoa học nào khác.
Hà nội, ngày tháng
năm 2015
Tác giả luận án
Nguyễn Minh Thùy
ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS. TSKH. Nguyễn Đức Hùng và
PGS. TS. Nguyễn Nhị Trự, những người thầy đáng kính của tôi. Các thầy đã
luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt
thời gian thực hiện luận án.
Tôi xin cám ơn cơ sở đào tạo, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, đã tạo
điều kiện cho tôi hoàn thành và bảo vệ luận án.
Tôi xin cám ơn lãnh đạo Viện Hóa học-Vật liệu/ Viện Khoa học và Công
nghệ quân sự, cám ơn Tiến sỹ Nguyễn Duy Kết và các đồng nghiệp tại Phòng
Hóa lý – Viện Hóa học Vật liệu đã luôn động viên, khích lệ, cổ vũ và giúp đỡ
tôi trong quá trình tôi thực hiện luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới những người bạn của tôi. Sự động
viên và giúp đỡ của các bạn luôn là nguồn động lực to lớn và không thể thiếu,
giúp tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án.
Nhân dịp này, tôi muốn dành những tình cảm sâu sắc nhất đến những người
thân yêu trong gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, động viên, giúp đỡ,
chia sẻ những khó khăn và gánh vác công việc đỡ tôi. Những người cho tôi
nghị lực và tinh thần để hoàn thành luận án.
iii
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT…..………………vi
DANH MỤC CÁC BẢNG………………………………………………..viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ………………………………………………x
MỞ ĐẦU
................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 7
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu nano ..................................................... 7
1.2. Cơ sở khoa học của công nghệ nano ................................................. 7
1.2.1. Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử .............. 7
1.2.2. Hiệu ứng bề mặt ......................................................................... 8
1.2.3. Kích thước tới hạn ...................................................................... 8
1.3. Phân loại vật liệu nano ...................................................................... 8
1.4. Dung dịch nano bạc ........................................................................... 9
1.4.1. Giới thiệu về bạc......................................................................... 9
1.4.2. Ứng dụng của dung dịch nano bạc ............................................ 14
1.5. Các phương pháp chế tạo nano ...................................................... 15
1.5.1. Phương pháp từ trên xuống ....................................................... 16
1.5.2. Phương pháp từ dưới lên........................................................... 16
1.5.3. Phương pháp vật lý ................................................................... 17
1.5.4. Phương pháp hóa học ............................................................... 19
1.5.5. Phương pháp kết hợp ................................................................ 22
1.5.6. Phương pháp sinh học ............................................................... 23
1.6. Phương pháp điện hóa điều chế nano ............................................. 23
1.6.1. Điện hóa tạo cấu trúc nano........................................................ 23
1.6.2. Công nghệ điện hóa tạo dung dịch nano kim loại bạc ............... 25
1.6.3. Cơ chế tạo dung dịch nano bằng phương pháp điện hóa ........... 26
1.6.4. Công nghệ nano điện hóa điện áp cao ....................................... 27
iv
1.7. Ổn định hạt nano ............................................................................. 29
1.7.1. Ổn định tĩnh điện ...................................................................... 29
1.7.2. Ổn định bằng hợp chất cao phân tử ........................................... 30
1.7.3. Một số chất ổn định thường dùng ............................................. 30
1.8. Hiện tượng plasma .......................................................................... 31
1.8.1. Plasma ở áp suất thấp................................................................ 31
1.8.2. Plasma ở áp suất khí quyển ....................................................... 33
1.8.3. Plasma điện cực trong điện phân điện áp cao ............................ 35
1.9. Vấn đề còn tồn tại ............................................................................ 36
1.10. Phương pháp giải quyết ................................................................ 37
Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................... 38
2.1. Điều chế dung dịch nano ................................................................. 38
2.1.1. Thiết bị ..................................................................................... 38
2.1.2. Vật liệu và hóa chất .................................................................. 40
2.1.3. Phương pháp điều chế ............................................................... 40
2.2. Các phương pháp khảo sát.............................................................. 42
2.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình hình
thành hạt nano trong dung dịch ................................................. 42
2.2.2. Khảo sát các hiện tượng trong quá trình điện phân ................... 45
2.3. Các phương pháp đánh giá ............................................................. 46
2.3.1. Đo khí ....................................................................................... 46
2.3.2. Hình dạng và kích thước hạt nano bạc ...................................... 46
2.3.3. Phân tích cấu trúc, thành phần hạt nano bạc .............................. 48
2.3.4. Xác định nồng độ của dung dịch ............................................... 49
2.3.5. Tính chất của dung dịch ............................................................ 51
2.3.6. Thử nghiệm diệt khuẩn. ............................................................ 55
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 56
3.1. Đặc tính của dung dịch nano bạc đã điều chế ................................ 56
3.1.1. Phổ UV-Vis của dung dịch nano bạc ........................................ 56
3.1.2. Hình dạng và kích thước hạt kim loại bạc trong dung dịch ....... 57
v
3.1.3. Độ dẫn điện của dung dịch........................................................ 63
3.1.4. Độ ổn định của hạt nano kim loại trong dung dịch .................... 63
3.1.5. Phổ Rơnghen và EDX............................................................... 66
3.1.6. Đặc điểm nồng độ của dung dịch .............................................. 68
3.1.7. Khả năng diệt khuẩn ................................................................. 69
3.1.8. Nhận xét ................................................................................... 72
3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo dung dịch nano
bạc ................................................................................................... 73
3.2.1. Ảnh hưởng của khoảng cách các điện cực ................................ 73
3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian điện phân .......................................... 79
3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng ban đầu ............................... 85
3.2.4. Ảnh hưởng của mật độ dòng ..................................................... 89
3.2.5. Nhận xét ................................................................................... 92
3.3. Cơ chế điện hóa tạo dung dịch nano kim loại bạc ......................... 93
3.3.1. Chế độ điện phân điện áp cao ................................................... 93
3.3.2. Sự hình thành nano Ag trong quá trình điện phân ..................... 96
3.3.3. Hiện tượng đặc biệt khi điện phân điện áp cao .......................... 96
3.3.4. Các phản ứng tạo thành hạt nano kim loại bạc phân tán trong
dung dịch ................................................................................. 105
3.3.5. Ảnh hưởng của vị trí tương đối anôt-catôt .............................. 111
3.3.6. Nhận xét ................................................................................. 115
KẾT LUẬN ............................................................................................... 116
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ......... 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................ 120
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AAS: Phổ hấp thụ nguyên tử.
Ec: Năng lượng làm nóng nước làm
Anot: Dương cực.
mát.
C: Nhiệt dung riêng của nước.
Ev: Năng lượng làm bay hơi nước
Catot: Âm cực.
trong bình phản ứng.
CE : Điện cực đối.
Em: Năng lượng nhiệt tổn thất ra
CV: Quyét thế vòng.
môi trường.
∆
: Nồng độ bạc theo hao hụt
khối lượng.
: Nồng độ bạc theo AAS.
: Nồng độ bạc theo Faraday.
: Hiệu suất dòng hòa tan.
: Hiệu suất lượng bạc hòa tan
thành nano.
I: Cường độ dòng điện.
Danot-catot: Khoảng cách điện cực
i: Mật độ dòng điện.
anot và catot.
itb: Mật độ dòng trung bình.
DC: Dòng điện một chiều.
LSV: quét thế tuyến tính.
DNA: Deoxyribonucleic acid.
: Khối lượng nano bạc trong
EDX: Phổ tán sắc năng lượng tia X.
dung dịch đo được theo phương
Ei: Năng lượng cung cấp bởi nguồn
pháp AAS.
điện áp cao.
mbh: Khối lượng bay hơi.
Eeh: Năng lượng dành cho phản ứng
mdd: Khối lượng dung dịch.
điện hóa và hóa học.
mlm: Khối lượng nước làm mát.
Enh: Năng lượng nhiệt sinh ra trong
quá trình điện phân.
Ed: Năng lượng làm nóng nước cất
hai lần.
: Khối lượng anot hòa tan tính
theo Faraday.
: Khối lượng anot hòa tan tính
theo hao hụt khối lượng.
vii
ppm: Một phần triệu.
Ua: Hiệu điện thế anot.
q: Điện lượng qua bình điện phân.
Uc: Hiệu điện thế catot.
Ra: Tổng trở quá trình anot.
Udd: Hiệu điện thế dung dịch.
Rc: Tổng trở quá trình catot.
UV-Vis: Phổ tử ngoại-khả kiến.
Rdd: Tổng trở dung dịch điện ly.
VF: Thể tích khí tính theo định luật
RE: Điện cực so sánh.
Fa-ra-đây.
RO– : Ancoxit.
Vr: Thể tích khí thực tế.
Đ
: Diện tích mặt cắt điện cực.
WE: Điện cực làm việc.
t: Thời gian điện phân.
XRD: Nhiễu xạ tia X.
TEM: Hiển vi điện tử truyền qua.
∅Đ : Đường kính điện cực.
Tdd1: Nhiệt độ ban đầu của dung
æ: Độ dẫn điện.
dịch.
: Nhiệt hóa hơi của nước.
Tdd2: Nhiệt độ sau phản ứng của
ζ: Thế zêta của hạt keo trong dung
dung dịch.
dịch.
U: Hiệu điện thế tổng.
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Một số tính chất của bạc . .............................................................. 9
Bảng 1.2. Một số nhà cung cấp dung dịch nano bạc trên thế giới ................. 13
Bảng 3.1. Trung vị phân bố Gauss của các mẫu thử ..................................... 60
Bảng 3.2. Vùng cỡ hạt của mẫu
,
................................................... 61
Bảng 3.3. Phân bố đếm số hạt của các mẫu .................................................. 62
Bảng 3.4. Độ dẫn điện æi ( µS/cm) của dung dịch nano điện hóa được điều
chế bằng dòng một chiều điện áp cao với các khoảng cách giữa anôt và catôt
khác nhau ..................................................................................................... 63
Bảng 3.5. Thành phần % nguyên tử của hệ Ag-Ag2O xác định theo EDX của
mẫu bột được làm khô từ dung dịch nano bạc điều chế bằng hòa tan anôt điện áp
cao ................................................................................................................ 68
Bảng 3.6. Nồng độ dung dịch đo được theo phương pháp AAS ................... 69
Bảng 3.7 Nồng độ hiệu quả để diệt các loại khuẩn của dung dịch nano bạcGelatin ......................................................................................................... 71
Bảng 3.8. Nồng độ hiệu quả để diệt các loại khuẩn của dung dịch nano bạc..
..................................................................................................................... 71
Bảng 3.9. Hiệu suất hòa tan anôt với khoảng cách điện cực khác nhau ........ 76
Bảng 3.10. Hiệu suất tạo nano theo khoảng cách điện cực khác nhau .......... 78
Bảng 3.11. Hiệu suất anôt hòa tan anôt theo các thời gian phản ứng khác nhau 81
Bảng 3.12. Nồng độ các dung dịch nano bạc mg/l (ppm) xác định bằng
phương pháp hao hụt khối lượng anôt và tính theo định luật Faraday với các
thời gian phản ứng khác nhau. ...................................................................... 83
Bảng 3.13. Khối lượng bạc hòa tan xác định bằng phương pháp hao hụt khối
lượng anôt và thực tế đo được theo phương pháp AAS với các thời gian phản
ứng khác nhau. ............................................................................................. 84
Bảng 3.14. Hiệu suất hòa tan anôt theo các nhiệt độ phản ứng khác nhau. ... 86
Bảng 3.15. Hệ số hấp thụ UV-Vis của dung dịch thu được với các nhiệt độ
ban đầu khác nhau. ....................................................................................... 88
Bảng 3.16. Hiệu suất hòa tan anôt và hiệu suất tạo nano theo mật độ dòng
điện điện phân trung bình. ............................................................................ 90
ix
Bảng 3.17. Các giá trị năng lượng ở khoảng cách điện cực khác nhau. ........ 99
Bảng 3.18. Thể tích khí của quá trình điện hóa điện áp cao so với tính toán
theo định luật Faraday ................................................................................ 102
Bảng 3.19. Tỷ lệ %H2 đo được khi điện phân điện áp cao, điện cực bạc = 4
mm, khoảng cách H = 850 mm. .................................................................. 111
Bảng 3.20. Chế độ điện phân khảo sát vị trí tương đối anôt-catôt .............. 112
x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1. 1. Thiết bị điện phân điện áp cao 1 chiều hồ quang. ........................ 18
Hình 1.2. Sơ đồ thí nghiệm của phương pháp điện hóa tạo dung dịch nano
kim loại ....................................................................................... 26
Hình 1.3. Thiết bị điều chế keo bạc (US Patent 6,214,229) .......................... 28
Hình 1.4. Sự ổn định tĩnh điện của hạt keo kim loại..................................... 29
Hình 1.5. Ổn định hạt bằng hợp chất cao phân tử ........................................ 30
Hình 1.6. Các chế độ phóng điện tạo plasma ............................................... 31
Hình 1.7. Plasma corona trên bánh xe Wartenberg (a) và mô hình
phóng điện plasma corona (b) ..................................................... 35
Hình 2.1. Thiết bị nguồn điện áp cao một chiều. .......................................... 38
Hình 2.2. Kích thước bình phản ứng ............................................................ 39
Hình 2.3. Sơ đồ tổng quát của quá trình thực nghiệm. ................................. 41
Hình 2.4. Sơ đồ hệ điện hóa điện áp cao để điều chế dung dịch nano
kim loại. ..................................................................................... 42
Hình 2. 5. Đồ thị mật độ dòng điện và điện thế theo thời gian của hệ
điện phân cao áp của điện cực đường kính 4 mm và khoảng
cách giữa các điện cực là H = 650 mm ....................................... 44
Hình 2.7. Mô hình đo thế Zeta bằng phương pháp điện di ........................... 54
Hình 3.1. Phổ UV-Vis và màu của dung dịch nano bạc ở các đường
kính điện cực khác nhau ............................................................. 57
Hình 3.2. Ảnh TEM của dung dịch nano bạc ............................................... 58
và (b) mẫu
Hình 3. 3. Phân bố Gauss của (a) mẫu
Hình 3.4. Phân bố Gauss của (a) mẫu
,
Hình 3.5. Các dạng phân bố cỡ hạt của mẫu
và (b) mẫu
,
..................... 59
,
.............. 59
................................ 61
Hình 3.6. Phân bố hạt keo và thế Zeta của các dung dịch nano bạc kim loại ...... 65
Hình 3.7. Thế Zeta và ảnh TEM của hạt keo bạc ......................................... 66
xi
Hình 3.8. Phổ Rơn-ghen của dung dịch nano bạc được điều chế bằng
quá trình hòa tan anôt dòng cao áp và làm khô trong chân
không ......................................................................................... 67
Hình 3.9. Phổ EDX của mẫu bột được làm khô từ dung dịch nano bạc
điều chế bằng hòa tan anôt điện áp cao ....................................... 68
Hình 3.10. Thử nghiệm sinh học khả năng diệt khuẩn của dung dịch
nano bạc được điều chế bằng phương pháp hòa tan anôt
dòng điện áp cao ......................................................................... 70
Hình 3.11. Vòng kháng khuẩn của dung dịch nano bạc điện hóa điện áp
cao .............................................................................................. 71
Hình 3.12. Ảnh TEM của dung dịch nano bạc điều chế bằng quá trình
hòa tan anôt chế độ ổn dòng với các khoảng cách giữa điện
cực anôt-catôt khác nhau ............................................................. 73
Hình 3.13. Đường phân bố cỡ hạt của dung dịch nano bạc điều chế bằng
quá trình hòa tan anôt với các khoảng cách điện cực, nhiệt độ
và thời gian khác nhau .................................................................. 74
Hình 3.14. Hiệu suất dòng điện dành cho quá trình hòa tan anôt .................. 77
Hình 3.15. Hiệu suất tạo thành nano bạc của kim loại anôt hòa tan.............. 79
Hình 3.16. Ảnh TEM của dung dịch nano bạc điều chế bằng quá trình
hòa tan anôt tại các thời gian phản ứng khác nhau với hai
kích thước phóng đại x100.000 và x80.000 ................................ 80
Hình 3.17. Hiệu suất dòng điện dành cho quá trình hòa tan anôt .................. 82
Hình 3.18. Nồng độ dung dịch nano bạc theo thời gian bằng phương
pháp hao hụt khối lượng. ............................................................ 83
Hình 3.19. Hiệu suất tạo nano bạc theo thời gian điện phân ......................... 84
Hình 3.20. Ảnh TEM của dung dịch nano bạc điều chế bằng quá
trình hòa tan anôt tại các nhiệt độ phản ứng khác nhau với
hai kích thước phóng đại ........................................................ 85
Hình 3.21. Hiệu suất của dòng hòa tan anôt theo nhiệt độ ban đầu .............. 86
Hình 3.22. Phổ UV-Vis của dung dịch nano bạc với các nhiệt độ ban
đầu khác nhau. ............................................................................ 87
Hình 3.23. Hệ số hấp thụ UV-Vis của dung dịch nano bạc với các nhiệt
độ ban đầu khác nhau. ................................................................ 88
xii
Hình 3.24. Ảnh TEM của dung dịch nano bạc điều chế bằng quá trình
hòa tan anôt tại các đường kính điện cực .................................... 89
Hình 3.25. Hiệu suất dòng hòa tan anôt theo mật độ dòng trung bình .......... 90
Hình 3.26. Hiệu suất tạo nano theo mật độ dòng trung bình. ........................ 91
Hình 3.27. Sơ đồ đo và các thành phần mạch trong hệ điện hóa .................. 93
Hình 3.28. Sự phân bố điện thế trong hệ điện phân ...................................... 94
Hình 3.29. Đường cong phân cực anôt khi điện phân kim loại quá thụ
động ........................................................................................... 95
Hình 3.30. Ảnh hưởng của khoảng cách điện cực đến năng lượng tại phản
ứng ........................................................................................... 100
Hình 3.31. Ảnh hiện tượng plasma sau 5 và 35 phút..................................... 103
Hình 3.32. Plasma điện cực catôt trong thí nghiệm của Mizuno với anôt
vonfram, catôt lưới Pt trong dung dịch K2CO3 2M với điện
thế DC ...................................................................................... 104
Hình 3.33. Anôt bạc sau thí nghiệm điện phân điện áp cao ........................ 105
Hình 3.34. Kim loại Ag lắng đọng trên bề mặt catôt và thành ống điện
hóa sau khi kết thúc thí nghiệm ................................................ 106
Hình 3.35. Diễn biến của quá trình hình thành dung dịch nano bạc bằng
dòngmột chiều điện áp cao. ...................................................... 108
Hình 3.36. Mô hình mô tả các phản ứng trong dung dịch để tạo thanh
hạt nano bạc kim loại. ............................................................... 110
Hình 3. 37. Sơ đồ mô tả vị trí tương đối của anôt-catôt trong các thí
nghiệm điện phân điện áp cao tạo dung dịch nano bạc. ............. 112
Hình 3.38. Thí nghiệm điện hóa cao áp ..................................................... 113
Hình 3.39. Dung dịch thu được sau các chế độ điện phân .......................... 114
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ nano đang phát triển với tốc độ nhanh chóng và làm thay đổi
diện mạo các ngành khoa học [82]. Trong những năm gần đây, công nghệ
nano ra đời không những tạo nên bước đột phá trong nhiều ngành khoa học
công nghệ như điện tử, tin học, y học, sinh học mà còn được ứng dụng rộng
rãi trong đời sống hàng ngày và trở thành một mũi nhọn nghiên cứu phát triển
trên thế giới. Vì lý do trên, thế kỷ 21 được xem là kỷ nguyên vật liệu nano
[28], [74].
Hiện nay, nghiên cứu và ứng dụng vật liệu nano có bước phát triển mạnh
mẽ. Các vật liệu nano như titan oxit (TiO2), nano cacbon (C), nano bạc
(Ag)…đã và đang được các nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng trong cuộc
sống, đặc biệt là trong lĩnh vực sinh học, y học và bảo vệ sức khoẻ của con
người [14], [36], [71].
Trong số các vật liệu này, kim loại bạc kích thước nano có một vị trí hết
sức đặc biệt nên nhận được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu và ứng
dụng ở nhiều lĩnh vực [41], [52].
Thật vậy, hàng nghìn năm qua con người đã biết đến tính chất kháng
khuẩn của bạc qua việc người Hy Lạp cổ đại đã dùng nồi nấu ăn bằng bạc hay
quân La Mã, cũng như giới quý tộc châu Âu xưa dùng bạc làm vật dụng đựng
thức ăn. Dân gian ta còn dùng bạc vừa làm đồ trang sức vừa dùng để trị bệnh
cảm gió cho con người chứng tỏ bạc có khả năng tiêu độc. Nano bạc có được
khi tổ hợp các phân tử bạc tạo ra các phần tử bạc kích thước cỡ nano để dễ
dàng phủ lên các bộ phận chức năng nhằm giúp hạn chế sự phát triển, phá vỡ
sự tấn công của một số loại vi khuẩn gây bệnh [37], [43].
Với tính kháng khuẩn và hiệu quả đặc thù nhờ tác động hạn chế sự trao
đổi chất của tế bào vi khuẩn, do đó làm kiềm chế quá trình sinh sản của vi
2
khuẩn, tấn công và phá vỡ màng tế bào của 650 loại vi khuẩn đơn bào gây
hại. Bạc ở dạng ion sẽ lấy một electron từ màng tế bào vi khuẩn làm vỡ cấu
trúc các tác nhân gây bệnh và giết chết nó khi tiếp xúc. Bên cạnh đó, ion bạc
có khả năng phá vỡ cấu trúc vi rút bằng cách ion bạc có thể liên kết với các
phần tử tích điện, cấu trúc di truyền DNA không hoàn chỉnh của vi rút, ngăn
chặn vi rút nhân bản. Điều này chỉ xảy ra đối với các DNA của vi rút nhưng
không ảnh hưởng tới các DNA của tế bào bình thường. Ngoài ra, dung dịch
nano bạc điều chế bằng phương pháp điện hóa điện áp cao xoay chiều 10 kV
có khả năng tạo ra một tần số cực lớn của các phần tử nano tới 910 THz cộng
hưởng với tần số của vi rút và vi khuẩn, tương đương với tần số của đèn cực
tím được sử dụng trong phòng thí nghiệm để diệt vi khuẩn và vi rút. Với kích
thước nhỏ, hạt nano dễ xâm nhập vào các tế bào của vật chủ (vi rút) để truyền
tần số cộng hưởng mà không ảnh hưởng tới các mô xung quanh [42].
Chế tạo nano bạc sử dụng công nghệ hiện đại kết hợp với đặc tính diệt
trùng và kháng khuẩn của các hạt bạc kích cỡ nano mét giúp tiêu diệt đến
99,9% vi khuẩn [75], [111].
Bạc còn có những tính chất quang, điện và từ đặc thù phụ thuộc vào kích
thước và hình thái của hạt nano. Vì vậy nano bạc được sử dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ như xúc tác, thiết bị hiển thị, thiết bị
quang điện, điốt phát quang, thiết bị cảm biến sinh học… Các sản phẩm nano
bạc thu được bằng các công nghệ khác nhau có thể được sử dụng để cải tiến
các vật liệu truyền thống hoặc chế tạo các loại vật liệu mới, các lớp phủ, các
phương tiện khử trùng cho tẩy rửa, phụ gia cho mỹ phẩm, thực phẩm và các
sản phẩm công nghiệp khác.
Dung dịch nano bạc đòi hỏi có độ sạch cao đang là yêu cầu cấp thiết, đặc
biệt trong y-dược học. Tuy nhiên, các phương pháp điều chế trước đây cho ra
sản phẩm dung dịch luôn ở trạng thái có lẫn tạp chất. Trong một số lĩnh vực
3
đòi hỏi dung dịch có độ sạch cao chưa đáp ứng được. Do đó việc nghiên cứu
phương pháp mới có khả năng tạo dung dịch nano bạc có độ sạch cao là yêu
cầu cấp bách hiện nay.
2. Mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu
Từ sự cấp thiết ở trên, một trong các phương pháp có thể đáp ứng được
là điện hóa điện áp cao. Ở điện áp cao, quá trình hòa tan anôt trong nước cất
tạo dung dịch nano kim loại bạc đang được bước đầu quan tâm và là hướng đi
mới trong việc chế tạo dung dịch nano bạc. Một số thử nghiệm đã được tiến
hành để khảo sát quá trình điện hóa để tạo dung dịch nano kim loại có độ sạch
cao ở điện áp một chiều cao từ 8 ÷ 25 kV ở dòng điện < 250 mA. Kết quả
khảo sát đã thu được dung dịch nano của một số kim loại như Cu, Al, Fe, Ag
[6], [14] và phản ứng điện hóa xảy ra chỉ có sự hòa tan anôt, còn catôt không
thấy bị hao mòn. Đây là dấu hiệu cho thấy cơ chế hình thành hạt nano kim
loại phân tán trong nước cất hai lần có thể tuân theo cơ chế điện hóa.
Tuy nhiên theo thông tin cập nhật, việc khảo sát quá trình điện hóa và cơ
chế hình thành của hạt nano trong lòng dung dịch chưa được nghiên cứu.
Với lý do trên, luận án: “Nghiên cứu phản ứng hòa tan điện hóa tại
dương cực (anôt) tạo dung dịch nano bạc bằng điện áp cao” được đề xuất với
mục đích làm rõ cơ chế việc tạo nano bạc khi hòa tan dương cực ở điện thế
cao trong môi trường nước cất không dẫn điện nhằm thiết lập cơ sở khoa học
tiến tới làm chủ được quy trình công nghệ và triển khai được ở quy mô ứng
dụng thực tiễn sau này.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu tập trung vào diễn biến quá trình và các hiện
tượng xảy ra khi điện phân điện cực bạc ở điện áp cao một chiều; đánh giá sản
phẩm thu được với các chế độ điện phân điện áp cao khác nhau cũng như ảnh
hưởng của các thông số điện hóa tới việc hình thành hạt nano trong môi
4
trường nước cất không điện ly, để từ đó tìm ra cơ chế hòa tan anôt và sự hình
thành hạt nano trong dung dịch. Đề tài giới hạn ở việc nghiên cứu quá trình
điện hóa của hệ các điện cực bạc (Ag) trong khoảng điện áp cao 8 đến 25 kV
trong nước cất hai lần.
4. Cơ sở lý luận, thực tiễn, phương pháp nghiên cứu
Dung dịch nano kim loại bạc được sử dụng rộng rãi và có thể điều chế
bằng nhiều phương pháp: phương pháp vật lý, cơ học, hoá học, sinh học và
phương pháp điện hoá [4], [6], [18], [65]. Mỗi phương pháp có ưu, nhược
điểm khác nhau, các sản phẩm đã được thương mại hóa trên thị trường. Tuy
nhiên chúng có nhược điểm chung là phải sử dụng tác nhân ổn định hạt để
tránh hiện tượng kết tụ các hạt nano trong dung dịch làm dung dịch bị lắng
đọng.
Ưu điểm của phương pháp điện hoá là có thể thực hiện cả quá trình catôt
từ ion lên hoặc quá trình hoà tan anôt từ trạng thái vĩ mô xuống hoặc phối hợp
cả 2 quá trình để tạo các dạng vật liệu nano khác nhau như: hạt, sợi, màng,
ống, lớp, compozit. Ở nước ta nano bạc cũng đã được tập trung nghiên cứu.
Bằng kết quả lắng đọng catôt vào lỗ nhôm anôt hoá đã tạo được vật liệu nano
bạc dạng lớp phủ compozit Ag/Al2O3 hoặc dạng hạt, sợi có tác dụng diệt
khuẩn tốt [7].
Quá trình điện hóa hòa tan anôt thường được tiến hành ở điện áp thấp từ
vài Vôn cho tới vài chục Vôn để ứng dụng tạo lớp mạ điện, tạo màng oxit
xốp, bột kim loại hay kết hợp với khuấy, siêu âm để tạo dung dịch nano kim
loại [1], [3].
Thực tiễn qua thử nghiệm cho thấy bước đầu phương pháp điện hóa điện
áp cao có khả năng điều chế được dung dịch nano kim loại. Đây chính là cơ
sở để mở ra nghiên cứu về phản ứng hòa tan điện hóa tại dương cực để tạo
dung dịch nanoa bạc dưới điện áp cao.
5
Đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu chính:
- Chế tạo thiết bị và dùng thực nghiệm điều chế dung dịch nano với các
chế độ điện phân điện áp cao.
- Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình hình thành hạt nano
trong dung dịch.
- Khảo sát các hiện tượng trong quá trình điện phân.
- Các phương pháp đánh giá:
Xác định khí thoát ra trong quá trình điện phân bằng thiết bị đo tỷ
lệ khí hidro.
Xác định hình dạng và kích thước hạt nano bạc bằng phương pháp
TEM, phân bố cỡ hạt.
Phân tích cấu trúc, thành phần hạt nano bạc: XRD, EDX.
Xác định nồng độ của dung dịch: đo hao hụt khối lượng anôt, tính
toán theo dòng Faraday, đo AAS.
Tính chất của dung dịch: phổ UV-Vis, độ dẫn điện, thế zêta.
Thử nghiệm diệt khuẩn.
5. Đóng góp mới, ý nghĩa lý luận và thực tiễn
- Thiết kế, chế tạo và hoàn thiện hệ thống thiết bị điều chế thành công
dung dịch nano bạc bằng phương pháp điện hóa điện áp cao một chiều
với dung môi nước cất hai lần, đồng thời lựa chọn được chế độ điện
phân phù hợp với hệ thiết bị để sản phẩm dung dịch nano bạc có độ sạch
cao, hiệu quả diệt khuẩn tốt, hạt nano ổn định trong thời gian dài mà
không cần chất bảo vệ.
- Đã đề xuất được mô hình tạo thành dung dịch nano bạc từ quá trình điện
phân điện áp cao với các đặc điểm nổi bật:
Chỉ có điện cực anôt bị hòa tan thành Ag+ trong dung dịch.
6
Có sự tạo thành plasma điện cực.
Bên cạnh lượng nhỏ khí thoát ra do quá trình điện hóa điện phân
nước, một lượng lớn khí hidro thoát ra do phân hủy nước bởi
plasma điện cực.
Nano bạc được hình thành ở khoảng giữa hai điện cực anôt-catôt
nhờ sự khử ion Ag+ bởi khí hidro từ plasma điện cực.
Luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn đối với lĩnh vực điện hóa bởi
việc nghiên cứu phản ứng điện hóa ở điện áp một chiều (DC) cao cỡ kV, và
chỉ ra sự khác biệt của quá trình so với điện phân ở điện áp thông thường. Sự
thành công đề tài sẽ mở ra hướng công nghệ mới để điều chế vật liệu nano
kim loại ở dạng dung dịch tinh khiết. Điều chế thành công dung dịch nano bạc
bằng phương pháp điện phân điện áp cao để khẳng định cơ chế của quá trình
hình thành hạt nano kim loại bạc trong dung dịch là do hòa tan điện hóa
dương cực; phát hiện hiện tượng plasma trong điện phân điện áp cao và đóng
góp của nó trong quá trình điện phân. Ngoài ra nghiên cứu sẽ đóng vai trò tiền
đề cho ứng dụng tiếp theo của công nghệ điện phân điện áp cao đối với ứng
dụng và sản xuất sau này.
6. Bố cục và nội dung
Luận án bao gồm phần mở đầu, 3 chương nội dung và phần kết luận, tài
liệu tham khảo, các công trình liên quan đến luận án, trong đó:
Chương 1. Tổng quan: phân tích đánh giá , đánh giá về tình hình
nghiên cứu trong và ngoài nước, các vấn đề có liên quan. Các vấn đề còn tồn
tại và nội dung cần giải quyết.
Chương 2. Phương pháp nghiên cứu: trình bày mô hình thí nghiệm,
phương pháp điều chế, phương pháp phân tích, khảo sát tính chất của của
dung dịch thu được.
Chương 3. Kết quả và thảo luận: trình bày, đánh giá bàn luận các kết quả.
- Xem thêm -