Tiến Sĩ 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
NĂM 2015
MỤC LỤC
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 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 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
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 (TiO
), 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 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 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 tâ m 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 ư 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.