Nghiên cứu phản ứng giữa cu2+ và chấm lượng tử carbon (2018)

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CA: Citric acid CB: Conduction band/ vùng dẫn CQDs: Carbon quantum dots/ Chấm lượng tử carbon Cu/CQDs: Copper with Carbon quantum dots/ hợp chất chấm lượng tử

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CA: Citric acid

CB: Conduction band/ vùng dẫn

CQDs: Carbon quantum dots/ Chấm lượng tử carbon

Cu/CQDs: Copper with Carbon quantum dots/ hợp chất chấm lượng

tử carbon với ion kim loại copper

N-CQDs: Nitrogen doped Carbon quantum dot/ Chấm lượng tử carbon

QY: Quantum Yield / hiệu suất lượng tử

QC: Quantum Computing/ Máy tính lượng tử

QD-LED: Quantum dot Light-emitting diodes/ đi- ốt huỳnh quang

lượng tử

VB: Valance band/ vùng hóa trị

UV-vis: ultraviolet - visible absorption spectroscopy / Phổ hấp thụ tử

ngoại – khả kiến

XRD: Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu này được tài trợ từ nguồn kinh phí khoa học công nghệ của

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 cho mã đề tài số: C.2018-18-05 do TS

Mai Xuân Dũng làm chủ nhiệm đề tài

Để hoàn thành Khóa luận tốt nghiệp này và để có thể trở thành một

người có khả năng nghiên cứu khoa học, em xin chân thành cảm ơn sự giúp

đỡ củaTS Mai Xuân Dũng,người thầy đã tận tình hướng dẫn và tạo điều

kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện

Em xin chân thành cảm ơn các cán bộViện Khoa học Vật liệu và Phòng

hỗ trợ nghiên cứu khoa học trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, Khoa Hóa học

trường ĐH KHTN đã nhiệt tình giúp đỡ hỗ trợ em thực hiện phép đo phổ hấp

thụ UV-VIS, phổ hồng ngoại FT-IR…

Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thành viên trong nhóm

N4O ( Nanomaterials For Optoelectronics) đã giúp đỡ em rất nhiều trong suốt

quá trình thực hiện khóa luận này

Trong quá trình thực hiện khoá luận mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng

chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót.Vì vậy em rất mong nhận

được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn để nội dung khóa

luận được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 4 năm 2018

SINH VIÊN

Nguyễn Thị Quỳnh

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan Khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu

của riêng em dưới sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn TS.Mai Xuân Dũng Các

số liệu và kết quả trong khóa luận là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác Đề tài không có sự sao chép tài liệu nào, công trình nghiên cứu nào của người khác mà không chỉ rõ trong mục tài liệu tham khảo

Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này!

Hà Nội, tháng 4 năm 2018

SINH VIÊN

Nguyễn Thị Quỳnh

MỤC LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1

1.Lý do chọn đề tài 1

2.Mục đích nghiên cứu 1

3.Nội dung nghiên cứu 1

4.Phương pháp thực hiện 2

5.Điểm mới của đề tài 2

PHẦN 2: NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1.Giới thiệu về chấm lượng tử 3

1.1.1 Khái niệm và cấu trúc của chấm lượng tử 3

1.1.2 Các tính chất của chấm lượng tử 3

1.1.3 Ứng dụng của chấm lượng tử 7

1.2.C hấm lượng tử carbon 11

1.2.1 Khái niệm và cấu trúc 11

1.2.2 Ưu điểm của chấm lượng tử Carbon 12

1.2.3 Các phương pháp tổng hợp 13

1.2.4 Ứng dụng của chấm lượng tử carbon 13

1.2.5 Cơ chế tương tác giữa chấm lượng tử và các ion kim loại chuyển tiếp 17

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 19

2.1 Tổng hợp chấm lượng tử carbon (CQDs) 19

2.1.1 Hóa chất và dụng cụ 19

2.1.2 Quy trình tổng hợp dung dịch chấm lượng tử carbon 19

2.2 Phản ứng giữa ion copper (II) và chấm lượng tử carbon 21

2.2.1 Hóa chất và dụng cụ 21

2.2.2 Chuẩn độ dung dịch copper (II) bằng dung dịch EDTA 21

2.2.3 Dung dịch copper tương tác với dung dịch chấm lượng tử 22

2.3 Các phương pháp nghiên cứu phản ứng giữa Cu2+ và chấm lượng tử carbon 23

2.3.1 Phổ hồng ngoại FT-IR 23

2.3.2 Phương pháp phổ hấp thụ UV- vis 25

2.2.3 Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 27

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 Xây dựng đường chuẩn độ của Cu2+ 29

3.2 Cấu trúc của CQDs và Cu/CQDs 31

3.3 Phản ứng giữa Cu2+ và CQDs 32

3.3.1 Sự dập tắt huỳnh quang 32

3.3.2 Sự thay đổi về độ hấp thụ quang học 34

3.4 Cấu trúc của mẫu rắn Cu/CQDs 37

PHẦN 3: KẾT LUẬN 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thể tích EDTA dùng để chuẩn độ Cu2+ 29 Bảng 3.2 Độ hấp thụ của các dung dịch Cu2+ có nồng độ khác nhau tại

816nm 30 Hình 1.1 Mô hình cấu trúc chấm lượng tử 3 Hình 1.2 Ảnh hưởng của sự giam hãm lượng tử đến cấu trúc và năng

lượngcủa QDs 4 Hình 1.3 Ảnh hưởng của kích thước đến QDs đến năng lượng Eg 5 Hình 1.4 Màu sắc phát xạ (trái) và phổ hấp thụ UV-vis (phải) của chấm

lượng tử CdSe có kích thước thay đổi từ 2 đến 8 nm 6 Hình 1.5 Sự chuyển dịch điện tử của quá trình hấp thụ và phát xạquang học

của QDs 7 Hình 1.6 Chuột được tiêm QDs được soi dưới đèn UV 8Hình 1.7 a) Pin mặt trời scatt của đại học Toronto thiết kế [13] 9Hình 1.8 Hình ảnh sử dụng công nghệ QD-LED (trái) cho độ phân giải

vàchất lượng màu tốt hơn phosphor LED (phải) của TV Samsung 10 Hình 1.9 Máy tính điện tử D-Wave (trái) và chíp điện tử (phải) 11 Hình 1.10 Mô phỏng cấu trúc 3D (trái) và 2D ( phải)của chấm lượng tử

Carbon 12 Hình 1.11 Ảnh huỳnh quang in vivo chuột được tiêm CQDs ởcác bước sóng

kích thích khác nhau[23] 15 Hình 1.12 Cơ chế quá trình dập tắt tín hiệu huỳnh quang 17 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp chấm lượng tử carbon chưa qua làm sạch

20

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình làm sạch CQD bằng phương phápsolvent- anti

solvent 21 Hình 2.3 Hệ thống máy bơm tuần hoàn có đèn UV 22 Hình 2.4 Sơ đồ quá trình cho ion Cu2+

tác dụng với CQD 23 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy quang phổ biến đổi Fourier 25 Hình 2.6 Sơ đồ hoạt động của máy đo phổ UV- vis 26 Hình 2.7 Tia X chiếu vào mẫu vật 28 Hình 3.1 a) Độ hấp thụ của các dung dịch Cu2+

,b) Đường chuẩn của dung dịch Cu2+ 30 Hình 3.2 Phổ hồng ngoại của CQDs và Cu/CQDs 31 Hình 3.3 Sự thay đổi cường độ huỳnh quang khi cho CQDs (trái)và khi cho

CQDs tác dụng với Cu2+ ( phải) 33 Hình 3.4 Mô tả cơ chế dập tắt huỳnh quang của CQDs với Cu2+ 34 Hình 3.5 a) Phổ hấp thụ khi cho Cu2+ phản ứng với CQDs ở điều kiện

thường ở các thời gian khác nhau 35 b) Phổ hấp thụ khi cho Cu2+ phản ứng với CQDs chiếu UV ở các thời gian khác nhau 35 Hình 3.6 Phổ hấp thụ của các dung dịch các dung dịch CQDs,(Cu/CQDs +

NH3), [Cu(NH3)4]2+, Cu2+ và (Cu2+ + CQDs) 36 Hình 3.7 Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu chất rắn Cu/CQDs 37

sở hữu độ ổn định cao trong dung dịch nước, thể hiện tính huỳnh quang mạnh,tính độc thấp, khả năng tương thích sinh học tốt[1-4] Chínhvì các tính chất này, CQDs trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn thay thế các vật liệu chấm lượng tử bán dẫn chứa các kim loại nặng Do đó, chấm lượng tử carbon đang được nghiên cứu rộng rãi ở nhiều khía cạnh khác nhau từ tổng hợp, nghiên cứu cấu trúc, đến thay đổi tính chất quang và triển khai ứng dụng

Một trong những ứng dụng của CQDs đó là sử dụng làm cảm biến hóa học Khi có mặt các ion kim loại, độ mạnh của các tín hiệu huỳnh quang giảm

đi rõ rệt Vai trò của CQDs như một đầu dò để phát hiện các kim loại như

Ag+, Hg2+, Fe3+, Co2+…Tuy nhiên các cơ chế về phản ứng giữa Mn+

(với M là các ion kim loại) Nhằm tìm hiểu rõ hơn về phản ứng giữa các ion kim loại chuyển tiếp với CQDs tôi lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu phản ứng giữa Cu 2+

và chấm lượng tử carbon”

2 Mục đích nghiên cứu

 Nghiên cứu tương tác giữa châm lượng tử carbon với ion kim loại

nặng điển hình ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích UV

 Đánh giá khả năng xử lí ion kim loại Cu2+

4 Phương pháp thực hiện

 Thực nghiệm kết hợp lí thuyết mô phỏng

 Các phương pháp đặc trưng như phổ hồng ngoại IR, phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-Vis, phổ nhiễu xạ tia X

5 Điểm mới của đề tài

 CQDs được tổng hợp từ CA và EDA ( theo tỉ lệ 1:2) có thể sử dụng

để phát hiện và xử lí ion kim loại copper

 Sản phẩm của Cu2+ tác dụng với CQDs cho một chất rắn có cấu trúc

tinh thể, cấu trúc này hoàn toàn mới lạ và chưa được biết đến trước đó

3

PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về chấm lượng tử

1.1.1 Khái niệm và cấu trúc của chấm lượng tử

Khi các hạt tải điện bị giam giữ trong cả không gian ba chiều thì được gọi là “chấm lượng tử” Chấm lượng tử (quantum dots) là khái niệm chỉ các

họ vật liệu có kích thước rất nhỏ (2-10 nm), có từ vài trăm đến vài nghìn nguyên tử, nằm trong khoảng giữa phân tử và bán dẫn rắn[5-8]

Hình 1.1 Mô hình cấu trúc chấm lượng tử

1.1.2 Các tính chất của chấm lượng tử

a Hiệu ứng giam hãm lượng tử

Khi kích thước của QDs xấp xỉ với bán kính Borh thì trong hệ sẽ xuất hiện hiệu ứng giam hãm lượng tử Khi đó,các hạt tải điện bị giam trong khối này sẽ thể hiện tính chất giống như một hạt chuyểnđộng trong một hộp thế một chiều Trong trường hợp này, khi điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB) thì năng lượng vùng cấm Egsẽ là nghiệm của phương trình Schrodinger, kết quả là những chuyển dời của hạt tải điện giữa hai mức năng lượng gián đoạn nói trên sẽ gây ra quang phổ vạch

Trong (1), , ,  m e, m hlần lượt là hằng số Plank rút gọn, hằng số điện

môi của bán dẫn rắn đang xem xét, khối lượng electron và khối lượng lỗ trống Từ công thức (1) có thể thấy rằng tùy thuộc vào bản chất vật liệu mà kích thước của QDs sẽ khác nhau Bằng tính toán người ta đã chỉ ra mối liên

hệ của năng lượng Eg với bán kính của chấm lượng tử qua phương trình (2)

Kích thước QDs lớn dần

6

Hình 1.4 Màu sắc phát xạ (trái) và phổ hấp thụ UV-vis (phải) của chấmlượng tử

CdSe có kích thước thay đổi từ 2 đến 8 nm

Tính chất hấp thụ và phát xạ là những thuộc tính quang điện tử quan trọng nhất của QDs.Nếu QDs được kích thích bởi một photon ánh sáng có tần

số sóng thỏa mãn ≥ Eg ( với h là hằng số Plank, c là vận tốc ánh sáng) thì sẽ

xảy quá trình hấp thụ ánh sáng Trong quá trình hấp thụ, electron () sẽ chuyển từ VB lên CB, để lại trên VB một lỗ trống () Tuy nhiên, các electron ở trạng thái có mức năng lượng cao không bền và nhanh chóng chuyển về các trạng thái có mức năng lượng thấp hơn Vì vật liệu luôn có xu hướng quay về trạng thái bền cơ bản nên electron và lỗ trống sẽ tái kết hợp

với nhau và giải phóng ra một photon có năng lượng đúng bằng hc/λ[6].Do

các QDs thường có các trạng thái bề mặt nên trong quá trình phát xạ, năng lượng photon giải phóng thường nhỏ hơn năng lượng hấp thụ, thậm chí còn có thể nhỏ hơn Eg [5].Quá trình hấp thụ và phát xạ được mô tả trên hình 1.5

Phổ hấp thụ UV-vis Dung dịch CdSe dưới đèn UV

λ (nm)

7

Hình 1.5.Sự chuyển dịch điện tử của quá trình hấp thụ và phát xạ

quang học của QDs

So với các thuốc nhuộm huỳnh quang hữu cơ phổ biến chấm lượng tử

có nhiều đặc tính quang học độc đáo chẳng hạn QY cao, cường độ tín hiệu mạnh, khả năng phát quang ổn định… Nhờ những tính chất quang điện tử lí thú này, chấm lượng tử trở thành vật liệu tiềm năng có khả năng ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực của đời sống

1.1.3 Ứng dụng của chấm lượng tử

 Trong lĩnh vực y sinh

QDs có bề mặt phân tử có khả năng liên kết với một vài phân tử sinh học, cùng với đó là những đặc tính huỳnh quang nên QDs đã được sử dụng trong một số lĩnh vực y sinh ví dụ như chuẩn đoán ung thư, ghi nhãn tế bào, cảm biến sinh học, dược phẩm, làm chất đánh dấu hiện ảnh phân tử và tế bào

cả intro và in vivo [7,8,11]

QDs có thể được sử dụng để phát hiện các mục tiêu sinh học, nó đã được dùng để ghi lại hình ảnh, tiến độ phát triển của các tế bào ung thư nhờ vào khả năng phân tán tốt trong nước, chống thấm quang và chụp quang cao,gắn kết được với các đối tượng sinh học như ADN, protein, mô cơ Gần

8

đây chitosan được nhúng QDs đã được sử dụng để làm giảm độc tính và theo dõi sự phát triển của tế bào ung thư trong cơ thể chuột[8,11,12]

Hình 1.6 Chuột được tiêm QDs được soi dưới đèn UV

Nhờ vào bề mặt có cấu trúc dễ dàng thay đổi, có khả năng liên kết với các tế bào, kích thước siêu nhỏ dễ đưa vào các thiết bị điện tử QDs được sử dụng làm một cảm biến sinh học để phát hiện ra những thay đổi trong các phân tử sinh học thông qua việc truyền phát tín hiệu quang hay tín hiệu điện Chính vì thế, QDs đã được dùng để phát hiện ra dư lượng thuốc trừ sâu, phát hiện vi rút H5N1 hay một vài loại bệnh khác [12]

 Trong pin mặt trời

Pin mặt trời chấm lượng tử là một tế bào tế bào mặt trời sử dụng chấm lượng tử là vật liệu quang điện hấp thụ Pin scatt năng lượng mặt trời lần đầu tiên được chế tạo bởi tập đoàn Sergant đại học Toronto (Canada)[13]

9

Hình 1.7 a) Pin mặt trời scatt của đại học Toronto thiết kế [13]

b) Sự chuyển đổi quang học trong pin mặt trời chấm lượng tử [14] Trong các thế hệ pin mặt trời, pin mặt trời sử dụng chấm lượng tử carbon được coi là một bước đột phá trong quá trình chuyển đổi năng lượng Hiệu quả pin mặt trời được cải thiện đáng kể thông qua sự kết hợp của cấu trúc nano và các tính chất lượng tử của nó Pin mặt trời sử dụng một dải các trạng thái electron bên trong vùng bandgap để tạo ra sự chuyển đổi quang học Khoảng cách bandgap có thể thay đổi khi điều chỉnh kích thước QDs [14] Khi được chiếu ánh sáng kích thích có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng bandgap, các elctron trong VB của QDs sẽ bị kích thích lên CB,

để lại trên VB một lỗ trống, hệ electron – lỗ trống tạo ra một exciton Nếu mà các electron này không tái tổ hợp với các lỗ trống mà chuyển dần về các phía của các điện cực ta sẽ thu được dòng điện Hệ pin mặt trời sử dụng chấm lượng tử Một trong những dòng pin mặt trời chấm lượng tử được sử dụng nhiều đó là InAs/GeAs[15]

 Trong LED ( Light-emitting diodes)

QDs có khả năng hấp thụ ánh sáng năng lượng cao và có thể phát xạ ra các ánh sáng có năng lượng thấp hơn nên bằng việc sử dụng độc lập hoặc hỗn

10

hợp các QDs có kích thước khác nhau ta có thể cho màu sắc phát xạ tùy ý

Do đó, QDs được sử dụng làm vật liệu chuyển đổi quang học nhằm mang lại các màu sắc như ý muốn với độ sắc nét cao trong TV, máy tính, các thiết bị di động, máy ảnh kĩ thuật số Đi -ốt sử dụng chấm lượng tử được đại diện cho thế hệ phát sáng công nghệ sau OLED (Organic Light-emitting diodes) So với các đi- ốt phát quang thế hệ trước đó QD-LED nổi bật với các ưu điểm như độ sáng cao, hiệu quả, chất lượng ánh sáng và màu sắc tốt,tuổi thọ dài, tính linh hoạt cao, chi phí sản xất thấp Nhà sản xuất công nghệ hiển thị chấm lượng tử đầu tiên là SONY năm 2013 Bên cạnh sử dụng QD-LED như một loại vật liệu chuyển quang, QD-LED còn được ứng dụng trong lĩnh vực y

tế như một phương pháp trị liệu bằng ánh sáng hữu hiệu các bệnh về da ( vảy nến, eczema, ung thư da )[16]

Hình 1.8 Hình ảnh sử dụng công nghệ QD-LED (trái) cho độ phân giải vàchất lượng màu tốt hơn phosphor LED (phải) của TV Samsung [17]

 Trong máy tính lượng tử ( Quantum computing)

Chấm lượng tử từ khi được biết đến đã mở đường cho rất nhiều ngành công nghệ hiện đại, cùng với đó là sự ra đời của một nền công nghiệp máy tính mới đó là máy tính lượng tử - một ứng cử viên hứa hẹn cho thế hệ siêu máy tính tương lai

11

Hình 1.9 Máy tính điện tử D-Wave (trái) và chíp điện tử (phải)

QC là những cỗ máy cực kì mạnh mẽ có cách tiếp cận mới để xử lí thông tin Các mô hình tính toán được dựa trên các định luật cơ học lượng tử[18] Nhờ sự song song lượng tử và khả năng chồng chất, vướng víu của nhiều trạng thái mà máy tính lượng tử có thể giải quyết, tính toán dựa trên các

dữ liệu có sẵn nhanh hơn nhiều so với các máy tính cổ điển Đơn vị cơ bản của máy tính lượng tử là qubit (tương tự bit trong máy tính cổ điển [18,19] Qubit có thể là các photon, hạt nhân, electron được tìm thấy trong hệ bán dẫn kích cỡ nano Máy tính lượng tử là một công cụ tính toán siêu việt được ứng dụng trong, kinh tế, thông tin liên lạc, khí tượng thủy văn, giao thông vận tải, khoa học vũ trụ và mở ra kỉ nguyên của trí tuệ nhân tạo

1.2 Chấm lượng tử carbon

1.2.1 Khái niệm và cấu trúc

Chấm lượng tử carbon được hiểu là các hạt nano có chứa nguyên tố Carbon kích thước từ 2-10nm, có đặc tính huỳnh quang, có QY cao ( có thể đạt đến 80%), có tiềm năng ứng dụng trong sinh học, cảm biến, LED, dược phẩm, quang điện [2,20-23] Mặc dù vậy các tính chất của CQDs khó nắm bắt, chưa được giải thích rõ ràng, các lí thuyết về chấm lượng tử carbon vẫn đang là một ẩn số cần được giải mã Vì lẽ đó các nghiên cứu về CQDs đang được các nhà khoa học tích cực triển khai để làm rõ về cấu trúc,các tính chất quang- điện tử cũng như là ứng dụng của CQDs trong thực tiễn CQDs được

là các nhóm chức bề mặt có thể là Flourophore hay các nhóm –COOH, -NH2, -SH, -C=O… hoặc một vài nhóm chức khác [2,5,20]

Hình 1.10.Mô phỏng cấu trúc 3D (trái) và 2D ( phải)

của chấm lượng tử Carbon

1.2.2 Ưu điểm của chấm lượng tử Carbon

Xu hướng nghiên cứu về chấm lượng tử ngày nay hướng đến các chấm lượng tử có nhiều tiềm năng ứng dụng Tuy nhiên các hệ QDs được biết đến

đã bộc lộ nhiều hạn chế, các vật liệu chứa Cd, Pb có tính độc cao gây ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng, hệ QDs InP chi phí đắt đỏ, còn dòng QDs

Si điều kiện tổng hợp khắt khe ( không có không khí) Điều đó làm cản trở những ứng dụng thực tiễn của chúng.Trong những năm gần đây lĩnh vực nghiên cứu về CQDs đang bùng nổ lên với hàng loạt các báo cáo, trích dẫn

13

nghiên cứu về chúng Có được sự thu hút như vậy là bởi CQDs đang như một ngôi sao sáng cho ngành vật liệu nano Với các đặc tính như khả năng phát quang tốt, tính chất quang học có thể điều chỉnh nhờ vào việc thay đổi kích thước, độ ổn định cao,khả năng tương thích sinh học cao mà lại ít độc hại cùng với đó là khả năng tan trong nước tuyệt vời ưu việt hơn so với các dòng chấm lượng tử đã được biết đến[1-4,20-25] Chính vì những tính chất này CQDs trở thành một ứng viên đầy hứa hẹn thay thế các chấm lượng tử bán dẫn chứa kim loại nặng tiền thân

sử dụng đó là các hợp chất hữu cơ, thực phẩm, các hợp chất thiên nhiên…

Khác với phương pháp từ dưới lên phương pháp từ trên xuống sẽ phân tán các phân tử có kích thước lớn từ các nguồn giàu carbon như graphene, than chì, than hoạt tính, flulerene thành các hệ phân tử có kích thước nhỏ hơn bằng các phương pháp như laser, điện hóa carbon, vật lí, kĩ thuật…

Trong nghiên cứu này tôi lựa chọn tổng hợp chấm lượng tử Carbon bằng phương pháp thủy nhiệt bởi các ưu điểm của nó như chi phí sản xuất thấp, thân thiện với môi trường, quy trình đơn giản, mang lại hiệu quả cao đồng thời phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất của phòng thí nghiệm

1.2.4 Ứng dụng của chấm lượng tử carbon

 Trong pin mặt trời

Bài toán về năng lượng đang là một vấn đề nhức nhối mang tính chất toàn cầu khi mà các nguồn khí thiên nhiên,dầu mỏ và hóa thạch đang dần cạn

 Trong y sinh

Tuy rằng mới chỉ được phát hiện vào năm 2004 nhưng chỉ trong vòng hơn 10 năm, các nghiên cứu về chấm lượng tử carbon đã cho thấy nhiều bước tiến rõ rệt[29] Các ứng dụng CQDs không chỉ còn là lí thuyết mà đang được triển khai thực tiễn vào cuộc sống Một trong những lĩnh vực được ứng dụng nhiều nhất đó là sinh học

Nhờ có tính ổn định tốt, tính chất quang học độc đáo, khả năng hòa tan tuyệt vời trong nước, khả năng thẩm thấu qua màng tế bào và đặc biệt là cấu trúc bề mặt có khả năng tương thích sinh học cao CQDs có thể được sử dụng như là một cảm biến để phát hiện ra các mục tiêu sinh học [ 23,27].Thực tế nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi có mặt dihydronicotinamide adenine dinucleotide (NADH) đã làm giảm đáng kể huỳnh quang của N-CQDs[28]

Do đó, N-CQDs được sử dụng như một cảm biến huỳnh quang phát hiện NADH dù ở nồng độ rất thấp

16

 Trong LED

CQDs đã thu hút được nhiều sự quan tâm trong lĩnh vực LED, đặc biệt

là các đi-ốt phát quang trắng Cho đến nay các tính chất quang của CQDs được dùng trong LED chủ yếu là phát xạ huỳnh quang (PL) và phát quang điện (EL) [29] Bằng việc kiểm soát kích thước thước của CQDs ta có thể kiểm soát được màu sắc phát xạ của CQDs như mong muốn Việc tái tổ hợp giữa electron ở ca-tốt với các lỗ trống ở a-nốt làm cho CQDs được sử dụng như một vật liệu dẫn điện.Cấu tạo của một đèn LED có chưa CQDs bao gồm một lớp CQDs kẹp giữa hai lớp vật liệu hữu cơ hoặc vô cơ và một phosphor chiếu sáng Các đèn LED của hệ CQDs và các vật liệu khác đã được đưa vào chế tạo và cho hiệu suất cao

 Trong cảm biến hóa học

Một ứng dụng thú vị của CQDs được biết đến đó là có thể dùng chúng trong việc nhận biết ion kim loại Các phương pháp phân tích, xác định, đánh giá sự có mặt của các kim loại có mặt trong môi trường nước hiện nay đều mang lại kết quả chính xác Tuy nhiên, chúng có nhược điểm chung là đều được tiến hành phân tích ở trên phòng thí nghiệm và cần các máy móc phức tạp Để đơn giản hóa, chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng phương pháp dập tắt huỳnh quang[5] Bởi vì CQDs có khả năng hấp thụ ánh sáng, khi nhận được photon ánh sáng có bước sóng phù hợp các điện tử sẽ bị kích thích; trong trường hợp có sự có mặt của các ion kim loại (đặc biệt là các kim loại có thế oxy hóa- khử cao), các điện tử sẽ dịch chuyển sang cho ion kim loại, khi đó huỳnh quang bị dập tắt Lợi dụng tính chất này CQDs đã được dùng như một cảm biến huỳnh quang để nhận biết các dấu vết ion kim loại như Hg2+, Ag+,

Fe3+, Cu2+, Co2+, K+, Zn2+, Pb2+…[3,5,22,27,30]

Như vậy, CQDs bằng các đặc tính lí thú của mình đang hứa hẹn trở thành một vật liệu ưu việt với nhiều tiềm năng ứng dụng

17

1.2.5 Cơ chế tương tác giữa chấm lượng tử và các ion kim loại chuyển tiếp

Như đã đềcập ở 1.2.4, CQDs đã được sử dụng để phát hiện các ion kim loại Ứng dụng này của CQDs được dựa trên hiện tượng dập tắt huỳnh quang Khi CQDs gặp các ion kim loại Mn+ ( thường là các ion kim loại chuyển tiếp) chúng sẽ tương tác với các ion này tạo ra M-CQDs[31,32] Cơ chế của quá trình dập tắt huỳnh quang được mô tả trên hình 1.12

Hình 1.12 Cơ chế quá trình dập tắt tín hiệu huỳnh quang

Khi nhận ánh sáng kích thích có năng lượng bằng hν, electron sẽ bị kích thích từ HOMO lên LUMO, do ở trạng thái LUMO không bền nên nó sẽ quay trở về các trạng thái bền hơn bằng cách tái hợp về HOMO Tuy nhiên,

do các CQDs có các trạng thái bề mặt nên năng lượng của ánh sáng phát xạ sẽ nhỏ hơn năng lượng của ánh sáng kích thích Trong trường hợp có mặt của các ion Mn+, khi nhận các ánh sáng kích thích, electron hấp thụ năng lượng và dịch chuyển lên các mức trạng thái có năng lượng cao LUMO Tuy nhiên, lúc này năng lượng vùng dẫn của Mn+

gần bằng năng lượng của LUMO, lúc này các electron sẽ di chuyển về vùng năng lượng cho CB của ion kim loại, trạng thái năng lượng lúc này vẫn chưa bền vững nên electron sẽ dịch chuyển về

VB của Mn+ , khi đó phát xạ ra một năng lượng rất nhỏ Chính vì thế các tín hiệu huỳnh quang nhanh chóng yếu đi một cách rõ rệt

Trong nghiên cứu này, tôi lựa chọn chấm lượng tử carbon pha tạp nitơ (N-CQDs) là nguồn phát tín hiệu huỳnh quang Chấm lượng tử Carbon pha tạp nitơ là các chấm lượng tử Carbon có chứa tiền tố nitơ trong phần nhóm chức bề mặt Các N-CQDs thường được tổng hợp từ các hợp chất hữu cơ có chứa dị tố N cùng một vài hợp chất khác ví dụ như CA Các N-CQDs đã được

M n+

LUMO

HOMO

d2 d1

e

-e