Chế tạo nghiên cứu chấm carbon và định hướng ứng dụng trong môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Minh Hoàng CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CHẤM CARBON VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2025 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Minh Hoàng CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CHẤM CARBON VÀ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Vật lý nhiệt Mã số: 9440130.07 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. LÊ TUẤN TÚ PGS. ĐÀO VĂN DƯƠNG Hà Nội - 2025 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan: Đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Tuấn Tú và PGS.TS Đào Văn Dương. Các số liệu trình bày trong luận án là trung thực, một phần đã được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của các đồng tác giả.

Phần còn lại chưa được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Minh Hoàng I Lời cảm ơn Để hoàn thành luận án tiến sĩ này thì ngoài sự nỗ lực không ngừng của bản thân, tôi còn nhận được sự trợ giúp, tạo điều kiện của các tổ chức, cá nhân. Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS Lê Tuấn Tú đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn thầy đã dành nhiều thời gian, tâm huyết, và luôn sát sao trong quá trình tôi học tập và nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận án.

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS Đào Văn Dương đã dành thời gian chỉ bảo, hướng dẫn và cung cấp những kiến thức mới cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Tác giả xin cảm ơn chân thành tới PGS.TS Đào Quang Duy và ThS Nguyễn Văn Huy đã tận tình giúp đỡ trong suốt quá trình nghiên cứu. Tác giả xin chân thành cảm ơn các bạn sinh viên trong nhóm nghiên cứu của PGS.TS Lê Tuấn Tú đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy cô bộ môn Vật lý nhiệt độ thấp, khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học tự nhiên đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và nghiên cứu tại bộ môn.

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô của khoa Công nghệ sinh học, hóa học và kỹ thuật môi trường, Trường Đại học Phenikaa và các đồng nghiệp trong khoa Vật lý – Lý sinh, Học viện Quân y đã ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập. Tác giả cũng xin cảm ơn hỗ trợ từ đề tài “Nghiên cứu chế tạo chấm nano Carbon (CDs) và vật liệu đa chức năng Sắt từ (FM)-SiO 2-CDs ứng dụng trong môi trường” mã số CA.3A, đề tài “Nghiên cứu cơ bản về sản xuất hơi nước dùng năng lượng mặt trời dựa trên chất hấp thụ plasmonic dải rộng, hiệu quả cao” từ Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia, mã số 103.106 và đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhóm chức lên sự hấp phụ H 2 trong vật liệu không kim loại hữu cơ Mg-MOF-71 ứng dụng làm pin năng lượng dựa trên tính toàn từ các nguyên lý ban đầu” mã số QG. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới những người thân trong gia đình luôn ủng hộ tôi trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh. II MỤC LỤC Lời cam đoan I Lời cảm ơn II MỤC LỤC III DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC KÝ HIỆU VIII DANH MỤC CÁC HÌNH IX DANH MỤC BẢNG XIV MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ CHẤM CARBON VÀ ỨNG DỤNG 6 1. GIỚI THIỆU VỀ CHẤM CARBON 6 1.1 Đặc điểm chung của CDs 6 1. Tính chất quang học của CDs 7 1. Phân loại CDs 14 1.

Tổng quan về phương pháp chế tạo CDs 17 1. ỨNG DỤNG CỦA CHẤM CARBON 25 1. Ứng dụng của CDs trong phát hiện ion kim loại trong nước 25 1. Ứng dụng của CDs trong cảm biến pH 30 1.

Ứng dụng của CDs trong chế tạo màng bay hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời 33 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 36 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 36 1. Tình hình nghiên cứu trong nước 38 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 39 CHƯƠNG 2.

CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 41 2. CHẾ TẠO MẪU 41 2. Các phương pháp tổng hợp vật liệu 41 III 2. Quy trình tổng hợp vật liệu 42 2.

CÁC PHÉP ĐO 47 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 52 CHƯƠNG 3. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA CHẤM CARBON 53 3. SỰ HÌNH THÀNH ĐỒNG THỜI CDs VÀ CSs TRONG QUÁ TRÌNH THỦY NHIỆT 53 3. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ THỦY NHIỆT LÊN CẤU TRÚC VÀ HÌNH THÁI CỦA CDs 54 3.

CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CDs 58 3. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ THỦY NHIỆT TỚI TÍNH CHẤT QUANG CỦA CDs VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH PHÁT XẠ KÉP CỦA CDs 61 3. Phổ hấp thụ UV-Vis của các mẫu CDs 61 3. Phổ phát xạ huỳnh quang của các mẫu CDs 63 3.

Nguồn gốc sự phát xạ kép trên CDs 65 3. Hiệu suất lượng tử 67 3. Độ bền quang của CDs 68 3. Ảnh hưởng của pH và ion trong môi trường lên phổ phát xạ huỳnh quang của CDs 69 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 71 CHƯƠNG 4.

ỨNG DỤNG CỦA CDs TRONG TRONG MÔI TRƯỜNG 72 4. ỨNG DỤNG CỦA CDs TRONG CẢM BIẾN pH 72 4. ỨNG DỤNG CỦA CDs TRONG PHÁT HIỆN ION KIM LOẠI NẶNG 79 4. Ứng dụng của CDs phát xạ đơn trong phát hiện ion Fe3+ 79 4.

Ứng dụng của CDs phát xạ kép trong phát hiện ion Fe3+ và Pb2+ trong nước 82 IV 4. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU NANO TỔ HỢP Fe3O4@CDs TRONG HỆ BAY HƠI NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 91 4. Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano tổ hợp Fe3O4@CDs 91 4. Ứng dụng của Fe3O4@CDs và CDs trong hệ bay hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời 94 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 101 KẾT LUẬN CHUNG 103 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN 104 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 V DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Aggregation-caused quenching Hiệu ứng dập tắt phát xạ do tụ ACQ đám Aggregation-induced enhanced Hiệu ứng tăng cường phát xạ AIEE emission do tụ đám CB Conduction band Vùng dẫn CDs Carbon dots Chấm carbon CQDs Carbon quantum dots Chấm lượng tử carbon CNDs Carbon nano dots Chấm nano carbon CPDs Carbon polymer dots Chấm polymer carbon CSs Carbon spheres Hạt cầu carbon DE-CDs Dual-emission carbon dots Chấm carbon phát xạ kép FFT Fast Fourier transform Ảnh biến đổi nhanh Fourier FT-IR Fourier-transform infrared Phổ hồng ngoại GQDs Graphene quantum dots Chấm lượng tử graphene Highest occupied molecular Mức năng lượng cao nhất chứa HOMO orbital electron High-resolution transmission Hiển vi điện tử truyền qua HR-TEM điện tử microscopy phân giải cao IFE Inner filter effect Hiệu ứng tái hấp thụ LEDs Light emitting diode Diot phát quang Lowest unoccupied molecular Mức năng lượng thấp nhất LUMO orbital không chứa electron Multiple-emission carbon dots Chấm carbon phát xạ nhiều ME-CDs đỉnh PL Photoluminescence Phổ phát xạ huỳnh quang QDs Quantum dots Chấm lượng tử QY Quantum yield Hiệu suất lượng tử VI Selected area electron SAED Nhiễu xạ vùng chọn lọc diffraction SEM Scanning điện tử microscopy Hiển vi điện tử quyét SE-CDs Single-emission carbon dots Chấm carbon phát xạ đơn Uv-vis Ultraviolet-visible Phổ khả kiến VB Valence band Vùng hóa trị XRD X-ray diffraction Giản đồ nhiễu xạ tia X VII DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Tên đại lượng Đơn vị Abs Độ hấp thụ - α Hệ số hấp thụ m-1 Eg Năng lượng vùng cấm eV Eu Năng lượng Urbach eV Φ Hiệu suất lượng tử % h Hằng số Plank J.s ν Tần số Hz VIII DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.

Tổng quan về các ứng dụng của CDs [114]. Mô tả các vùng năng lượng trong chất bán dẫn [57]. Miêu tả sự chuyển mức năng lượng [56]. Phổ PL miêu tả tính chất (a) huỳnh quang phụ thuộc vào bước sóng kích thích và (b) không phụ thuộc vào bước sóng kích thích [126].

Phân loại CDs: chấm lượng tử graphene (GQDs), chấm lượng tử carbon (CQDs), chấm carbon (CNDs), và chấm polymer carbon (CPDs)[130]. Phổ phát xạ huỳnh quang của (a) SE-CDs [38], (b) DE-CDs [48] và (c) ME-CDs [35]. Phương pháp chế tạo CDs theo hướng top-down và bottom-up [120]. Chế tạo CDs theo hướng top-down [155].

Phổ PL của CDs dưới sự có mặt của ion Fe ở các nồng độ khác nhau từ 0 – 800 µM (a). Đồ thị tuyến tính giữa tỷ lệ cường độ đỉnh (F-F0)/F0 và nồng độ ion Fe3+ (b) [12]. Mô tả các quá trình (a) PET, (b) ET, (c) FRET, và (d) IFE [97]. Ảnh chụp thiết bị thủy nhiệt.

Quy trình chế tạo SE-CDs và CSs. Quy trình chế tạo mẫu DE-CDs. Quy trình chế tạo vật liệu nano Fe3O4@CDs. Sự hình thành ảnh SAED khi điện tử chiếu vào vật liệu [58].

Ảnh SEM của (a) CSs, (b) ảnh TEM của CDs và phân bố kích thước hạt tương ứng. (c) Phổ FT-IR của CSs và CDs. (d) Giản đồ XRD của CSs và CDs. Ảnh TEM của (a) C100, (b) C120 (bên trái) và phân bố kích thước hạt tương ứng (bên phải).

Ảnh HR-TEM của (a) C140, (b) C160 (bên trái) và phân bố kích thước hạt tương ứng (bên phải). Phổ FT-IR của các mẫu CDs. (a) Cơ chế hình thành CDs. (b) Màng polymer sinh ra trong quá trình chế tạo CDs, (c) chuỗi liên kết giữa các hạt nano, (d) sự tụ đám của các hạt nano, và (e) sự hình thành của các hạt cầu carbon.

Miêu tả cơ chế hình thành CDs bằng theo hướng bottom-up [47]. Ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo tời sự hình thành CDs [149]. (a) Phổ UV-Vis, (b) năng lượng vùng cấm và (c) năng lượng Urbach của các mẫu DE-CDs. Phổ PL của C100 (a), C120 (b), C140 (c), và C160 (d) khi kích thích bởi các bước sóng khác nhau.

Sự thay đổi màu sắc của các mẫu CDs dưới (a) ánh sáng thường (a) và (b) đèn UV bước sóng 365 nm. (a) Sơ đồ miêu tả quá trình phát xạ của CDs. (b) Tỷ lệ của cường độ đỉnh phụ (IS) và đỉnh chính (IM) thay đổi theo nhiệt độ thủy nhiệt. Hiệu suất lượng tử của quinie sulfate và các mẫu CDs.

Phổ PL của C100 (a), C120 (b), C140 (c) và C160 (d) sau 1 tháng. Ảnh hưởng của pH đến phổ PL của C100 (a), C120 (b), C140 (c) và C160 (d). Cường độ PL tại đỉnh phát xạ 430 nm của các mẫu DE-CDs trong các dung dịch chứa các ion khác nhau với nồng độ 100 ppm. (a) Ảnh TEM, (b) phân bố kích thước hạt và (c) phổ FT-IR của C80.