Thạc Sĩ Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang của màng Ag/TiO2 nhằm ứng dụng trong diệt khuẩn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành:QUANG HỌC
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Năm - 2012



MỤC LỤC ( Luận văn dài 73 trang )

MỤC LỤC . 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 5
DANH MỤC HÌNH ẢNH 6
DANH MỤC CÁC BẢNG 8
LỜI MỞ ĐẦU . 9
PHẦN TỔNG QUAN . 10


CHƯƠNG 1 . TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL 10
1.1. Các quá trình chính xảy ra trong Sol-Gel 10
1.1.1. Phản ứng thủy phân . 10
1.1.2. Phản ứng ngưng tụ 10
1.2. Các giai đoạn chính trong sol gel 11
1.3. Ưu điểm và nhược điểm của quá trình Sol-Gel . 11
1.3.1. Ưu điểm . 11
1.3.2. Nhược điểm . 12
1.4. Chế tạo vật liệu màng 12
1.4.1. Phương pháp tạo màng nhúng kéo 12
1.4.2. Quá trình xử lý nhiệt . 13

CHƯƠNG 2 . TỔNG QUAN vỀ HẠT NANO BẠC . 14
2.1. Các nghiên cứu về hạt nano bạc trong và ngoài nước . 14
2.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước . 14
2.1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước . 15
2.2. Đặc tính hạt nano bạc 16
2.2.1. Hiệu ứng bề mặt 16
2.2.2. Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt . 17
2.3. Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc 18
2.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng diệt khuẩn của keo nano bạc 19
2.5. Các phương pháp chế tạo hạt nano bạc . 20
2.5.1. Phương pháp từ dưới lên (bottom – up) 20
2.5.2. Tổng hợp keo nano bạc bằng phương pháp polyol . 20
2.5.2.1. Cơ chế phản ứng . 21
2.5.2.2. Cơ chế ổn định hạt bạc của PVP 21
2.5.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng hạt nano bạc 22


CHƯƠNG 3 . TỔNG QUAN VỀ TIO2 . . 24
3.1. Các dạng thù hình của TiO
3.2. Cấu trúc tinh thể của TiO2 . 24
3.3. Tính chất quang xúc tác của TiO2 . 25
3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của TiO2 27
3.4.1. Hiệu ứng tái hợp electron – lỗ trống . 27
3.4.2. Hiệu ứng bề mặt 27
3.4.3. Ảnh hưởng của yếu tố kích thước hạt . 27
3.4.4. Độ kết tinh của tinh thể. 27
3.5. Một số phương pháp làm tăng hoạt tính xúc tác quang hóa của TiO2 28
3.5.1. Tổng quát 28
3.5.2. Vật liệu TiO2 pha tạp các nguyên tố kim loại . 28
3.6. Ứng dụng của vật liệu TiO2 trong diệt khuẩn và khử trùng 29


CHƯƠNG 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẪU VÀ CÁC CHỦNG VI KHUẨN . 30
4.1. Các phương pháp phân tích mẫu . 30
4.1.1. Đo phổ hấp thụ Uv-Vis . 30
4.1.2. Phép đo nhiễu xạ tia X 31
4.1.3. Phân tích hạt bằng FE - SEM 32
4.1.4. Phép đo truyền qua TEM 33
4.1.5. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) 33
4.2. Khái quát về vi khuẩn 34
4.2.1. Khái niệm chung về vi khuẩn . 34
4.2.2. Vi khuẩn E.coli . 34
PHẦN THỰC NGHIỆM . 36


CHƯƠNG 5. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM VÀ BIỆN LUẬN KẾT QUẢ . 36
5.1. Tổng hợp hạt nano bạc 36
5.1.1. Hóa chất 36
5.1.2. Dụng cụ . 36
5.1.3. Quá trình thực nghiệm 37
5.1.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hạt nano bạc . 37
5.1.4.1. Tối ưu hóa lượng chất khử . 37
5.1.4.2. Thay đổi thời gian khuấy 38
5.2. Tổng hợp TiO2 . 41
5.2.1. Hóa chất 41
5.2.2. Dụng cụ thí nghiệm . 41
5.2.3. Quy trình thực nghiệm 41
5.2.4. Kết quả 42
5.3. Tổng hợp dung dịch pha tạp nano Ag vào sol TiO2 43
5.3.1. Hóa chất 43
5.3.2. Quy trình thực nghiệm 44
5.3.3. Tối ưu hóa nồng độ pha tạp Ag 44
5.3.4. Kết quả chụp XRD mẫu bột Ag/TiO2. 47
5.4. Tạo lớp màng Ag/TiO2 49
5.4.1. Xử lí bề mặt đế 49
5.4.2. Tạo màng bằng phủ nhúng 49
5.5. Tạo vải chứa Ag/TiO2 . 54
5.5.1. Hóa chất 54
5.5.2. Cách tiến hành . 54
5.6. Khảo sát diệt khuẩn . 57
5.6.1. Chuẩn bị 57
5.6.2. Khảo sát tính diệt khuẩn của dung dịch nano bạc, TiO2, Ag/TiO2 và
màng Ag/TiO2 . 57
5.6.2.1. Kết quả diệt khuẩn của dung dịch Ag và Ag/TiO2 . 58
5.6.2.2. Kết quả diệt khuẩn màng Ag/TiO2 . 60
5.6.3. Khảo sát tính diệt khuẩn của vải Ag/TiO2 61
PHẦN KẾT LUẬN . 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 68




DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Tạo màng bằng phương pháp nhúng kéo 12
Hình 2.1: Sự phụ thuộc diện tích bề mặt vào kích thước hạt 16
Hình 2.2: Dao động của đám mây electron khi bị chiếu sáng [16] . 17
Hình 2.3: Màu sắc dung dịch keo bạc (kích thước giảm từ trái sang phải) 18
Hình 2.4: Phổ UV- Vis của các hạt nano bạc có kích thước khác nhau.[3] 18
Hình 2.5: Công thức cấu tạo của PVP . 21
Hình 2.6: Cơ chế ổn định hạt nano bạc của PVP. . 22
Hình 3.1: Các dạng thù hình của TiO2 24
Hình 3.2: Cơ chế xúc tác quang của TiO2 . 25
Hình 3.3: Thế oxy hóa của lỗ trống và điện tử. 25
Hình 3.4: Sự cân bằng mức Femi tại mối nối kim loại và bán dẫn . 29
Hình 3.5: Khả năng diệt khuẩn của màng TiO2 29
Hình 4.1: Vi khuẩn E.coli . 35
Hình 5.1: Quy trình tổng hợp nano bạc . 37
Hình 5.2: Phổ hấp thụ Uv-Vis của keo nano Ag thay đổi theo thể tích EG. . 38
Hình 5.3: Phổ hấp thụ Uv-Vis của keo nano Ag thay đổi theo thời gian. 39
Hình 5.4: Màu sắc và phổ hấp thụ của dung dịch nano Ag tối ưu tổng hợp được. 40
Hình 5.5: Ảnh TEM của dung dịch nano Ag tạo được . 40
Hình 5.6: Sơ đồ thực nghiệm tổng hợp TiO2 42
Hình 5.7: Xác định độ rộng vùng cấm của TiO2 . 42
Hình 5.8: Phổ XRD của mẫu bột TiO2 nung 500oC 43
Hình 5.9: Quy trình tổng hợp dung dịch keo nano Ag/TiO2 . 44
Hình 5.10: Dịch chuyển Eg của các dung dịch Ag/TiO2 ở các nồng độ Ag khác nhau44
Hình 5.11: Phổ hấp thụ của dung dịch keo nano Ag/TiO2 tối ưu 45
Hình 5.12: Sự giảm Eg của TiO2 trong dung dịch Ag/TiO2 46
Hình 5.13: Phổ XRD của mẫu bột Ag/TiO2 nung ở các nhiệt độ khác nhau 47
Hình 5.14: Phổ XRD của TiO2 và Ag/TiO2 nung ở 500oC . 48
Hình 5.15: Phổ hấp thụ của màng Ag/TiO2 bằng phủ nhúng. 51
Hình 5.16: Kết quả chụp EDX của mẫu màng Ag/TiO2 bằng phủ nhúng 52
Hình 5.17: Sự giảm Eg của màng Ag/TiO2 so với màng TiO2 53
Hình 5.18: Mô hình hạt nano TiO2 và hạt nano Ag 54
Hình 5.19: Quy trình tạo vải Ag/TiO2 . 54
Hình 5.20: Ảnh FE-SEM bề mặt các mẫu vải . 56
Hình 5.21: Kết quả chụp EDX của mẫu vải nhúng Ag/TiO2 56
Hình 5.22: Kết quả diệt khuẩn của dung dịch nano Ag 58
Hình 5.23: Kết quả diệt khuẩn của dung dịch Ag/TiO2 59
Hình 5.24: Kết quả diệt khuẩn của màng 60
Hình 5.25: Các mẫu vải được ngâm trong dung dịch Ag, TiO2, Ag/TiO2 . 62
Hình 5.26: Kết quả diệt khuẩn của các mẫu vải ngâm ở các nồng độ và thời gian ngâm khác nhau
Hình 5.27: Cơ chế hình thành và hoạt tính diệt khuẩn của các ROS 64




DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 5.1: Thay đổi thể tích chất khử EG. . 37
Bảng 5.2: Thay đổi thời gian khuấy. . 38
Bảng 5.3: Kết quả diệt khuẩn Ecoli theo thời gian . 61
Bảng 5.3: Kết quả diệt khuẩn Bacillus subtilis theo thời gian 61



LỜI MỞ ĐẦU


Titanium dioxide, TiO2, là chất xúc tác quang hóa mạnh mẽ, với độ rộng vùng cấm 3.2 eV, là một vật liệu không độc hại và đã được sử dụng trong các phương pháp xử lý môi trường như thanh lọc nước và không khí, khử trùng. Tuy nhiên, đặc tính quang xúc tác chỉ xảy ra khi chiếu xạ ánh sáng trong vùng tử ngoại và cặp điện tử - lỗ trống hình thành sẽ nhanh chóng tái hợp trong nano giây. Bạc là một nguyên tố thích hợp cải thiện hoạt tính sinh học của TiO2 nhờ vào khả năng kháng khuẩn bẩm sinh của nó. Sự biến đổi bề mặt TiO2 với kim loại Ag được chứng minh là một kỹ thuật hiệu quả để giảm sự kết hợp điện tử - lỗ trống và tăng cường hoạt tính diệt vi khuẩn của TiO2.
Hiện nay, với tình hình dịch cúm H1N1, cũng như phòng tránh các bệnh lây qua đường hô hấp là một vấn đề cấp bách. Một trong những giải pháp để phòng tránh lây nhiễm qua đường hô hấp là sử dụng khẩu trang y tế. Trên thế giới đã sử dụng công nghệ đưa nano Ag lên nền vải sợi để làm tăng khả năng diệt khuẩn và virus. Tuy nhiên, theo nghiên cứu mới đây, các hạt nano Ag dễ dàng thoát ra ngoài
môi trường, hoặc có thể đi vào cơ thể khi tiếp xúc, gây ra những tác hại nghiêm trọng. Từ tình hình thực tiễn này, rất nhiều nhà khoa học trên thế giới và trong nước đang rất quan tâm và chú trọng phát triển loại vật liệu vừa có khả năng diệt khuẩn tốt, vừa an toàn với môi trường và con người. Nhiều kết quả nghiên cứu mới đây đã chứng tỏ nano Ag đóng vai trò quan trọng giúp tăng cường hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu TiO2. Sự ức chế phát triển của vi khuẩn ở nồng độ bạc thấp và sự phân bố tốt của nano Ag trên nền TiO2 chứng tỏ TiO2 là chất nền thích hợp đối với tác nhân chống khuẩn Ag/TiO2. Ag/TiO2 trở thành đối tượng nghiên cứu cơ bản hết sức thú vị và phức tạp, là vật liệu đầy tiềm năng ứng dụng trong y sinh học.


Mục đích của nghiên cứu này là tổng hợp vật liệu Ag/TiO2 và màng Ag/TiO2, tiến đến việc phủ Ag/TiO2 lên vải làm khẩu trang y tế bằng phương pháp sol – gel khử hóa học sử dụng tác nhân khử là Etylen glycol và đánh giá khả năng diệt khuẩn của vật liệu này trên vi khuẩn đại diện là E.coli.