Luận Văn Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các tính chất đặc trưng của vật liệu nano kim loại platin

Đề tài nghiên cứu khoa học năm 2012
Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các tính chất đặc trưng của vật liệu nano kim loại platin




MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v
DANH MỤC BẢNG BIỂU .vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH . vii
PHẦN MỞ ĐẦU . 1
Chương 1: TỔNG QUAN . 4
1.1. Vật li ệu platin . 4
1.1.1. Lị ch sử 4
1.1.2. Cấu trúc của platin 5
1.1.3. Tính chất c ủa platin 5
1.1.3.1. Tính chất chung 5
1.1.3.2. Đồng vị của platin 6
1.1.3.3. Tính chất vật lý và hoá học của platin . 6
1.1.4. Ứng dụng của platin . 8
1.2. Vật li ệu nano kim loại . 11
1.2.1. Tính chất v ật liệu nano . 11
1.2.1.1. Tính chất quang học . 12
1.2.1.2. Tính chất điện 12
1.2.1.3. Tính chất từ 13
1.2.1.4. Tính chất nhiệt . 13
1.2.2. Hiện tượng cộng hưởng bề mặt plasmon . 13
1.2.3. Hiệu ứng bề mặt . 14
1.2.4. Hiệu ứng kích thước . 15
1.2.5. Phương pháp chế tạo vật li ệu nano kim loại 17
1.2.5.1. Phương pháp từ trên xuống 17
1.2.5.2. Phương pháp từ dưới lên 18
1.3. Tính chất c ủa nano platinum . 18
1.3.1. Tính chất xúc tác 18
1.3.2. Tính chất quang 19
1.3.3. Tính chất từ . 19
1.3.4. Tính chất nhiệt 19
1.4. Các phương pháp tổng hợp hạt nano platin 20
1.4.1. Phương pháp polyol hỗ trợ bởi nhi ệt vi sóng . 20
1.4.2. Phương pháp sinh học 21
1.4.3. Phương pháp vật lý . 21
1.4.4. Phương pháp khử hoá học 22
1.4.5. Phương pháp ăn mòn laser . 23
1.5. Ứng dụng của hạt nano Platin . 23
1.5.1. Trong các phản ứng hoá học 23
1.5.2. Trong pin nhiên liệu . 24
1.5.3. Trong trị li ệu da thẩm mỹ . 25
1.5.4. Trong công nghiệp 26
1.5.5. Trong y học 26
Chương 2: THỰC NGHIỆM . 28
2.1. Hóa chất và thiết bị - dụng cụ . 28
2.1.1. Các hóa chất sử dụng 28
2.1.2. Các thiết bị và dụng cụ . 28
2.2. Chế tạo nano platin trong dung môi nước 30
2.2.1. Ở pH=7 . 30
2.2.2. Ở pH=9, 11 . 31
2.3. Chế tạo nano platin trong dung môi etylen glycol 32
2.3.1. Ở pH=7 . 32
2.3.2. Ở pH=11 . 33
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35
3.1 Chế tạo nano platin trong dung môi nước . 35
3.1.1. Ở pH=7 35
a. Kết qu ả UV-Vis . 35
b. Kết qu ả TEM . 39
3.1.2. Ở pH=9 . 40
a. Kết qu ả UV-Vis . 40
b. Kết qu ả TEM . 44
3.1.3. Ở pH=11 . 46
3.2. Chế tạo nano platin trong dung môi EG . 48
3.2.1. Ở pH=7 . 48
a. Kết qu ả UV-Vis . 48
b. Kết qu ả TEM . 53
3.2.2. Ở pH=11 . 55
b. Kết qu ả TEM . 58
3.3. Phân tích nhiễu xạ tia X 60
3.4. Sản phẩm ứng dụng 61
3.4.1. Ứng dụng trong mỹ phẩm 61
3.4.2. Nanocomposite Pt/C ứng dụng làm xúc tác trong pin nhiên liệu . 63
3.4.2.1. Sơ lược về pin nhiên liệu . 63
3.4.2.2. Điều chế nanocomposite Pt/C 64
3.4.2.3. Kết quả EDS 65
3.4.2.4. Kết quả TEM 66
3.4.2.5. K ết quả XRD 67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC 1
PHỤ LỤC 2




PHẦN MỞ ĐẦU
Ngày nay nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, làm suy giảm nguồn nhiên liệ u
hoá thạch dự trữ và vấn đề ô nhiễm môi trường đã thúc đẩy việc tìm kiếm các thiết
bị chuyển đổi năng lượng với hiệu quả cao và lượng khí thải thấp. Cùng với sự phát
triển không ngừng của khoa học công nghệ đòi hỏi con người phải không ngừng tìm
tòi, sáng tạo ra những vật li ệu mới nhằm đáp ứng những nhu cầu trong cuộc sống
ngày càng phát triển.
 Lý do chọn đề tài
Tổng hợp và ứng dụng của hạt nano là một trong những lĩnh vực thú vị đang
được các nhà nghiên cứu quan tâm. Trong đó, platin được biết đến như là kim loạ i
thân thiện với môi trường và có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật và cuộc sống.
Trong những năm gần đây, các hạt nano platin ngày càng có nhiều ứng dụng
rộng rãi trong các lĩnh vực như: xúc tác, thiết bị điện tử, quang điện tử, lưu trữ
thông tin . Do đó việc chế tạo ra các hạt nano platin kích thước nhỏ, di ện tích bề
mặt tăng nâng cao hiệu suất phản ứng đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học.
Trên cơ sở đó, đề tài “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các tính chất đặc
trưng c ủa vật liệu nano kim loại platin” nhằm tạo ra một loại v ật liệu nano góp
phần làm cơ sở cho việc nghiên cứu những ứng dụng tiếp theo trong lĩnh vực xúc
tác và k ỹ thuật điện tử.
 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
- Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Trên thế giới nano platinum được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác
nhau như: phân huỷ nhiệt, khử muối kim loại, nhiệt vi sóng, phương pháp bức xạ,
dùng lazer, phương pháp polyol, phương pháp solvothermal, phóng điện hồ quang,
phương pháp khử nhiệt và khử sinh học.
Năm 1996, T.S. Ahmadi và cộng sự là những nhà khoa học đầu tiên nghiên
cứu về việc chế tạo hạt nano Platinum hình khối [3].
2
Năm 2004, Thurston Herricks cùng với nhóm nghiên cứu đã tổng hợp hạt
nano Platinum và điều khiển hình thái hạt bằng sodium nitrate. Tác giả đã thay đổ i
nồng độ của NaNO
3
khi cho phản ứng với axit H
2
PtCl
6
để thay đổi kích thước và
hình dạng hạt nano platinum [13].
Năm 2006, Yonglan Luo và Xuping Sun đã dùng phương pháp xử lý nhi ệt đ ể
điều chế hạt nano platinum và sử dụng poly (vinyl alcohol) làm chất bảo vệ [14]
Năm 2008, R. Venu và cộng sự đã sử dụng dung dịch mật ong để tổng hợp
hạt nano platinum theo hướng sinh học [15].
Ngoài ra còn nhiều công trình nghiên cứu khác đã tổng hợp thành công hạt
nano platinum và có thể điều khiển hình dạng, kích thước của chúng bằng cách thay
đổi các tiền chất ban đầu.
- Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở nước ta, số lượng bài nghiên cứu về chế tạo và khảo sát các tính chất của vật
liệu nano platinum còn rất ít. Hiện tại có nhóm của Giáo sư Nguyễn Đức Chiến,
nhóm của PSG. TS Nguyễn Thị Phương Phong nghiên cứu về vấn đề này. Các kết
quả bước đầu cho thấy đã chế tạo và khảo sát các tính chất của vật liệu nano platin
nhằm ứng dụng vào pin nhiên liệu.
 Mục tiêu nghiên cứu
Bằng phương pháp khử hóa học và phương pháp polyol có sự hỗ trợ của vi
sóng nghiên cứu quy trình chế tạo vật liệu nano Pt từ tác chất acid chloroplatinic
H2
PtCl
6
; trong môi trường etylen glycol, nước; chất bảo vệ polyvinylpyrrolidone
(PVP), chất khử trisodium citrate dihydrate (TSC). Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng
đến hình dạng, kích thước, sự phân bố và độ ổn định hạt nano Pt. Nghiên cứu các
tính chất hóa lý đặc thù của hạt nano Pt. Đ ịnh hướng ứng dụng làm xúc tác trong
chế tạo pin nhiên liệu, trong mỹ phẩm.
3
 Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu chế tạo dung dị ch nano Pt bằ ng phương pháp khử hóa học và
phương pháp polyol từ tác chất axit chloroplatinic H2
PtCl
6
với chất khử Trisodium
citrate Na
3C6H5O7
; chất khử vừa là dung môi etylen glycol, dung môi H
2
O, chất b ảo
vệ PVP. Quá trình chế tạo được thực hiện có sự hỗ trợ của vi sóng.
Nghiên cứu ảnh hưởng của trọng lượng phân tử chất bảo vệ PVP, chất khử
Trisodium citrate Na
3C6H5O7
, chất khử vừa là dung môi etylen glycol tới kích
thước, sự phân bố, độ ổn định của hạt nano Pt thu được.
Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số kỹ thu ật trong quá trình tổng hợp đến
hình dạng, kích thước và sự phân bố của hạt nano Pt thu được như: nhiệt độ phả n
ứng, tỉ l ệ giữa tác chất và chất bảo vệ.
Nghiên cứu các tính chất hóa lý đặc thù của hạt nano Pt thu được như: tính
chất quang học, cấu trúc tinh thể, kích thước và sự phân bố, độ ổn định kích thước
hạt.
 Phương pháp nghiên cứu
Xây dựng quy trình điều chế dung dị ch keo nano Pt bằng phương pháp khử
hóa học có hỗ trợ nhiệt vi sóng với tác chất là axit chloroplatinic, dung môi nước,
chất khử TSC, chất b ảo vệ PVP ở pH=7, 9, 11.
Xây dựng quy trình điều chế dung dị ch keo nano Pt bằng phương pháp polyol
có hỗ trợ nhiệt vi sóng với tác chất là axit chloroplatinic, chất khử vừa là dung môi
etylen glycol, chất b ảo vệ PVP ở pH=7, 11.
Sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại, độ tin cậy cao như UV-Vis,
TEM, XRD, EDS.
 Bố cục trình bày
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Thực nghiệm
Chương 3: Kết qu ả và thảo luận




TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
[1]. Nguyễn Hoàng Hải, Các hạt nano kim loại, Trung tâm khoa học vật liệuTrường Đại học khoa học tự nhiên Hà Nội.
[2]. Nguyễn Đức Nghĩa (2007), Công nghệ nền và vật liệu nguồn, Nhà xuất
bản Khoa học tự nhiên và công nghệ.
Tiếng Anh:
[3]. Ahmadi, T.S., Z. L. Wang, A. El-Sayed (1996), ““Cubic” Colloidal
Platinum Nanoparticles”, Chem. Mater, 1996, pp. 1161 -1163.
[4]. Aicheng Chen and Peter Holt -Hindle (2010), “Platinum-Based
Nanostructured Materials: Synthesis, Properties, and Application”, Chem. Rev, pp.
3767-3804.
[5]. Dongsheng Li and Sridhar Komarneni (2006), “Synthesis of Pt
Nanoparticles and Nanorods by Microwave -assisted Solvothermal Technique” ,
Naturforsch, 61b, pp. 1566-1572.
[6]. Erika Porcel, Samuel Liehn, Hynd Remita, Noriko Usami, Katsumi
Kobayashi, Yoshiya Furusawa, Claude Le Sech and Sandrine Lacombe (2010),
“Platinum nanoparticles: a promising material for future cancer therapy?”,
Nanotechnology, 085103 (7pp).
[7]. Eryza G. Castro, Rodrigo V. Salvatierra, Wido H. Schreiner, Marcela M.
Olivveria, Aldo Zarbin (2010), “Dodecanethiol-Stabilized Platinum Nanoparticles
Obtained by a Two-Phase Method: Synthesis, Characterization, Mechanism of
Formation, and Electrocatalytic Properties”, Chem. Mater, 22, pp. 360 -370.
[8]. Jingyi Chen, Byungkwon Lim, Eric P. Lee and et al. (2009), “Shapecontrolled synthesis of platinum nanocrystals for catalytic and electrocatalytic
application”, Nano today, 4, pp.81 -95.
[9]. Lifeng Dong and Qianqian and Qianqian Liu (2010), “Electron
microscopy study of platinum nanoparticle catalysts supported on different carbon
nanostructures for fuel cell applications” , Formatex, pp.1717 -1723.
[10]. Maggy F. Lengke, Michael E.Fleet, and Gordon Southam (2006),
“Synthesis of Platinum Nanoparticles by Reaction of Filamentous Cyanobacteria
with Platinum(IV)-Chloride Complex”, Langmuir, pp. 7318 -7323.
[11]. Nguyen Viet Long, Michitaka Ohtaki, Masaya Uchida, Randy Jalem,
Hirohito Hirata, Nguyen Duc Chien, Masayuki Nogami (2011), “Synthesis and
characterization of polyhedral Pt nanoparticles: Their catalytic property, surface
attachment, self-aggregtion and assembly”, Journal of Colloid and Interface Science
359, pp. 339-350.
[12]. Sridhar Komarneni, Dongshen Li, Bharat Newalkar, Hiraoki Katsuki,
and Amar S. Bhalla (2002), “Microwave-olyol Proceess for Pt and Ag
Nanoparticles”, Langmuir, 18, pp. 5959 -5962.
[13]. Thurston Herricks, Jingyi Chen, and Younan Xia (2004), “Polyol
Synthesis of Platinum Nanoparticles: Control of Morphology with Sodium Nitrate”,
Nano Letters, pp. 2367-2371.
[14]. Venu, R., T.S. Ramulu, S. Anandakumar, V.S. Rani, C.G.Kim (2011),
“Bio-directe synthesis of platinum nanoparticles using aqueous honey solutions and
their catalytic application”, Physicochem. Eng. Aspects, pp. 773 -738.
[15]. Yonglan Luo, Xuping Sun (2006), “One-step preparation of poly (vinyl
alcohol)-protected Pt nanoparticles through a heat-treatment method”, materials
letters, pp. 2015 -2012.