Luận án tiến sĩ chế tạo và nghiên cứu hạt nano bạc vàng và thử nghiệm ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Quốc Tuấn CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU HẠT NANO BẠC, VÀNG VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Quốc Tuấn CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU HẠT NANO BẠC, VÀNG VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG Chuyên ngành : Vật lý chất rắn Mã số : 62 44 01 04 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Hoàng Hải 2. Nguyễn Hoàng Lương HÀ NỘI - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của các thầy PGS. Nguyễn Hoàng Hải và GS.

Nguyễn Hoàng Lương. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TÁC GIẢ LUẬN ÁN Trần Quốc Tuấn LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. Nguyễn Hoàng Hải và GS.

Nguyễn Hoàng Lương - những thầy giáo đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, truyền cho tôi ngọn lửa đam mê và tình yêu khoa học, giúp tôi ngày càng hoàn thiện về kiến thức và phương pháp tư duy, cho tôi niềm tin và quyết tâm để hoàn thành luận án “Chế tạo và nghiên cứu hạt nano bạc, vàng và thử nghiệm ứng dụng”. Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS. Lê Văn Vũ cùng toàn thể các cán bộ, chuyên viên của Trung tâm Khoa học Vật liệu đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi về cơ sở vật chất cũng như các ý kiến góp ý chuyên môn cho tôi trong quá trình tôi học tập và làm thực nghiệm tại trung tâm. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.

Phan Tuấn Nghĩa, Giám đốc phòng Thí nghiệm trọng điểm của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp tôi tiến hành các thử nghiệm phục vụ cho các nghiên cứu của luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô trong Bộ môn Vật lý chất rắn cũng như các thầy cô trong Khoa Vật lý đã trực tiếp giảng dạy, hướng dẫn, truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng bổ ích, quý báu, đã và đang là những tấm gương sáng để tôi học tập noi theo. Trong quá trình thực hiện luận án này, tôi cũng đã được Ban Giám hiệu, Phòng Sau Đại học, các phòng, ban chức năng của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội tạo mọi điều kiện thuận lợi cho quá trình học tập và nghiên cứu của tôi. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó.

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Ban lãnh đạo Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải và các đồng nghiệp của tôi đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi để tôi có thời gian học tập và nghiên cứu nâng cao trình độ. Sau cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã động viên, khích lệ, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này. TÁC GIẢ LUẬN ÁN Trần Quốc Tuấn Mục lục DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xii DANH MỤC CÁC BẢNG xiv Mở đầu 1 Chương 1 TỔNG QUAN 7 1.1 Các phương pháp chế tạo hạt nano kim loại quý .2 Phương pháp điện hóa siêu âm .1 Cấu tạo hệ thống điện hóa siêu âm .2 Đặc trưng chung của quá trình điện hoá [3] .3 Quá trình phát triển của tinh thể trên bề mặt điện cực .4 Vai trò của sóng siêu âm .5 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình điện hóa siêu âm .6 Ưu, nhược điểm của phương pháp điện hóa siêu âm .7 Cơ chế hình thành và phát triển của các hạt nano .3 Tính chất quang của các hạt nano kim loại .4 Cơ chế diệt khuẩn và diệt nấm mốc của các hạt nano bạc .5 Ứng dụng của các hạt nano kim loại quý .6 Vật liệu mang .1 Than hoạt tính .2 Bông, gạc y tế. 44 Chương 2 THỰC NGHIỆM 47 2.1 Chế tạo hạt nano bạc, nano vàng bằng phương pháp điện hóa siêu âm 47 i 2.1 Chế tạo hạt nano bạc bằng phương pháp điện hóa siêu âm .1 Cấu tạo hệ điện hóa siêu âm .2 Quy trình chế tạo .2 Chế tạo hạt nano vàng bằng phương pháp điện hóa siêu âm .3 Thử nghiệm ứng dụng của hạt nano bạc chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm .1 Thử nghiệm khả năng diệt khuẩn của hạt nano bạc chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm .2 Thử nghiệm khả năng phòng trừ bệnh mốc sương trên cây nho của hạt nano bạc chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm .3 Chế tạo và nghiên cứu trên than hoạt tính .4 Tẩm nano bạc lên vật liệu mang là bông, gạc y tế .2 Xử lí và phân tích mẫu .1 Cấu trúc của vật liệu .2 Tính chất quang của vật liệu .3 Hình thái học của vật liệu .4 Thành phần hóa học của vật liệu .5 Diện tích bề mặt và phân bố kích thước lỗ của vật liệu .6 Nồng độ nguyên tố trong mẫu.

58 ii Chương 3 CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA CÁC HẠT NANO BẠC, NANO VÀNG ĐƯỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA SIÊU ÂM 59 3.1 Cấu trúc và tính chất của hạt nano bạc .1 Cấu trúc tinh thể của hạt nano bạc .2 Tính chất quang của các hạt nano bạc .3 Hình thái của các hạt nano bạc và sự phụ thuộc của kích thước hạt vào các thông số chế tạo .1 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện .2 Ảnh hưởng của nồng độ TSC .3 Ảnh hưởng của thời gian điện hóa siêu âm .4 Nồng độ TSC tối thiểu .5 Đường chuẩn nồng độ của các hạt nano bạc .4 Điện tích bề mặt của các hạt nano bạc chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm .2 Cấu trúc và tính chất của hạt nano vàng được chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm .1 Cấu trúc tinh thể của các hạt nano vàng .2 Hình thái của các hạt nano vàng được chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm .3 Tính chất quang của các hạt nano vàng chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm. 79 iii Chương 4 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HẠT NANO ĐƯỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA SIÊU ÂM 82 4.2 Khảo sát các thông số mô phỏng .1 Khảo sát ảnh hưởng của diện tích mô phỏng S .2 Khảo sát ảnh hưởng của số ion đến trong một bước mô phỏng 88 4.3 Khảo sát độ lặp lại của kết quả mô phỏng .3 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm .4 Sử dụng cơ chế đề xuất để giải thích quá trình hình thành và phát triển của các hạt nano chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm với sóng siêu âm đặt ở chế độ xung. 94 Chương 5 ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO BẠC 97 5.1 Khả năng diệt khuẩn của hạt nano bạc chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm .2 Khả năng phòng trừ bệnh mốc sương trên cây nho .3 Tẩm hạt nano bạc chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm lên vật liệu mang (than hoạt tính) .1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano bạc, than hoạt tính và than hoạt tính tẩm nano bạc .2 Ảnh SEM, ảnh TEM và phổ tán sắc năng lượng EDX của than hoạt tính và than hoạt tính tẩm nano bạc .3 Diện tích bề mặt của than hoạt tính và than hoạt tính tẩm nano bạc .4 Khả năng hấp phụ của than hoạt tính và than hoạt tính tẩm nano bạc .5 Thử nghiệm khả năng diệt khuẩn của than hoạt tính và than hoạt tính tẩm nano bạc .6 Sử dụng than hoạt tính đã tẩm nano bạc để chế tạo khẩu trang 116 5.4 Chế tạo bông gạc y tế diệt khuẩn. 118 KẾT LUẬN 124 KIẾN NGHỊ 126 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO 129 PHỤ LỤC 141 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AAS Atomic absorption spectrometry Phổ hấp thụ nguyên tử BET Brunauer - Emmett - Teller EDX Energy dispersive X-ray spectroscopy Phổ tán xạ năng lượng tia X E.coli Escherichia coli Vi khuẩn đại tràng LB Luria - Bertani Dung dịch thạch LB MB Methylene blue Xanh mê ty len MIC Minimum inhibitory concentration Nồng độ ức chế tối thiểu OD Optical density Độ đục PZT Lead zirconate titanate Gốm áp điện PZT SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét SPR Surface plasmon resonance Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt TEM Transmission electron microscope Kính hiển vi điện tử truyền qua TSC Trisodium Citrate Tri natri axetat UV - Vis Ultraviolet - visible vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 1 Sự phụ thuộc của tỉ số giữa số nguyên tử bề mặt với tổng số nguyên tử của hạt vào kích thước hạt [143].1 Cấu tạo hệ điện hóa siêu âm sử dụng còi [82].2 Năng lượng tự do của một đám nguyên tử là một hàm của kích thước N (một đám gồm N nguyên tử).

Nc là kích thước tới hạn của đám nguyên tử (mầm).3 Sự chồng lấn giữa các mầm.4 (a) Thiết bị phát siêu âm bằng vật liệu áp điện và (b) Vật liệu từ giảo .5 Ảnh hưởng của điện trường ngoài lên cấu trúc tinh thể PbZrO3 - PbTiO3 .6 Cấu tạo của bể rung siêu âm [124].7 Phân bố áp suất âm trong bể rung siêu âm Elma TI-H-5 [51].8 Mô hình các ion TSC bao bọc bề mặt hạt nano vàng [85].9 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt của các hạt nano kim loại.10 Sự phụ thuộc của phần thực và phần ảo của hàm điện môi phức của (a) vàng và (b) bạc vào bước sóng ánh sáng [87].12 Phổ UV - Vis của các thanh vàng (a) và các hạt bạc có hình dạng khác nhau (b) [106, 152].13 Cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính [121].14 Phân loại đường hấp phụ đẳng nhiệt [129].1 Sơ đồ hệ điện hóa siêu âm.2 Mô hình cấu tạo các điện cực.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano bạc được chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm (J = 50 mA/cm2 , c = 1,5 g/l).2 Đồ thị sự phụ thuộc của khoảng cách dhkl của bạc theo nghịch đảo căn bậc hai của tổng bình phương các chỉ số Miller.3 Phổ UV-Vis của hạt nano bạc chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm (J = 50 mA/cm2 , c = 1,5 g/l).4 Ảnh TEM của hạt nano bạc (c = 1,5 g/l): (a) J = 15 mA/cm2 ; (b) J = 25 mA/cm2 ; (c) J = 50 mA/cm2 và (d) Biểu đồ phân bố kích thước tương ứng của các hạt nano bạc.