Nghiên cứu tổng hợp hạt nano đồng bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá húng quế và ứng dụng làm chất xúc tác quang phân hủy xanh metylen

Ngoài ra theo các tài liệu tham khảo nano Cu còn được tổng hợp bằng các phương pháp: ăn mòn laser, phương pháp polyol, phương pháp bốc bay, khử bằng phóng xạ… Trong đó tổng hợp nano theo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

ĐỖ THỊ ÁI NGUYÊN

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO ĐỒNG BẰNG TÁC NHÂN KHỬ DỊCH CHIẾT NƯỚC LÁ HÚNG QUẾ

VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT XÚC TÁC QUANG PHÂN

HỦY XANH METYLEN

Chuyên ngành : Hóa hữu cơ

Mã số : 60 44 01 14

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Đà Nẵng - Năm 2017

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ TỰ HẢI

Phản biện 1: TS ĐẶNG QUANG VINH

Phản biện 2: TS NGUYỄN TRẦN NGUYÊN

Luận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng bảo vệ chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Hóa học, họp tại Trường Đại học Sư phạm – ĐHĐN vào ngày 9 tháng 9 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nếu Thế kỷ 20 được coi là cuộc cách mạng về công nghệ

thông tin thì Thế kỷ 21 sẽ thuộc về công nghệ nano Công nghệ nano

đang tạo ra nhiều điều kỳ diệu đến nỗi người ta xem nó như một cuộc cách mạng trong Thế kỷ 21 Các hạt nano kim loại đã thu hút được nhiều sự quan tâm bởi những tính chất đặc biệt về quang học, điện,

từ, và hóa học từ hiệu ứng bề mặt và kích thước nhỏ của chúng

Nhiều phương pháp tổng hợp nano Cu đã được áp dụng và công bố như: phương pháp khử muối kim loại có sự hỗ trợ của vi sóng, phương pháp hóa ướt, phương pháp siêu tới hạn, khử bằng sóng siêu âm, phương pháp khử nhiệt, khử điện hóa Ngoài ra theo các tài liệu tham khảo nano Cu còn được tổng hợp bằng các phương pháp: ăn mòn laser, phương pháp polyol, phương pháp bốc bay, khử bằng phóng xạ… Trong đó tổng hợp nano theo con đường từ dịch chiết thực vật có ưu điểm là không độc hại, hiệu suất tương đối tốt và điều kiện rất dễ thực hiện so với các phương pháp khác

Trong các hạt nano kim loại, Nano Đồng (Cu) được chú ý bởi khả năng dẫn điện và nhiệt, tính chất từ, quang học và hoạt tính xúc tác…Với các tính chất trên nên nano Cu có nhiều khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực như: sử dụng làm chất gia cường trong công nghệ polymer, keo hay lớp phủ kim loại, công nghiệp điện, điện tử, xúc tác, quang học, hay trong lĩnh vực sinh học - y học do hoạt tính diệt khuẩn mạnh Đặc biệt, hiện nay số lượng vi khuẩn kháng thuốc

ngày càng nhiều thì tính chất kháng khuẩn của các hạt nano kim loại

lại trở thành một đề tài thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học

Và tổng hợp hạt nano Cu là phương án mà các nhà nghiên cứu đang hướng tới trong tương lai

Đó là lý do mà tôi quyết định chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HẠT NANO ĐỒNG BẰNG TÁC NHÂN KHỬ DICH CHIẾT NƯỚC LÁ HÚNG QUẾ VÀ ỨNG DỤNG XÚC TÁC QUANG PHÂN HỦY XANH METYLEN”

2 Tổng quan tài liệu

Việc chế tạo nano đồng chỉ mới được tập trung nghiên cứu bắt đầu từ những năm 90, đặc biệt là vào những năm đầu của thế kỉ 21.Từ 2006 đến nay, các nhà khoa học tại Ấn Độ được xem là người tiên phong trong việc sử dụng các dịch chiết từ lá các cây thảo dược

để chế tạo nano kim loại Một số cây thảo dược đã được nghiên cứu là: Ocimum basilicum (húng quế); Lemon grass (cỏ chanh); Aloe vera plant (cây lô hội); Alfalfa (cỏ linh lăng); Tamarind leaf (lá me); Parthenium plant (cúc liên chi); Euphorbia hirta (cỏ sữa); Brassica juncea (cải bắp);… Dịch chiết từ các loại lá cây khác như lá chè xanh, lá cây dâu tây, lá cà phê; rượu vang trắng, rượu vang đỏ, các loại vitamin C, B1cũng được sử dụng để tổng hợp nano đồng

3 Mục tiêu nghiên cứu

- Điều chế hạt nano đồng bằng tác nhân khử dịch chiết nước

lá húng quế

- Ứng dụng nano đồng làm chất xúc tác quang phân hủy xanh metylen trong vùng ánh sáng khả kiến

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Nano đồng tổng hợp được bằng tác nhân khử từ dịch chiết từ nước lá húng quế

4.2 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng hợp nano đồng bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá húng quế

- Nghiên cứu khả năng nano đồng tổng hợp được làm chất xúc tác

quang phân hủy xanh metylen trong vùng ánh sáng khả kiến

5 Phương pháp nghiên cứu

5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

5.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

5.2.1 Nghiên cứu điều kiện chiết dịch nước lá húng quế

a Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ lá húng quế /nước

b Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian chiết

5.2.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp nano đồng từ dịch chiết lá húng quế

a Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo nano đồng

b Ảnh hưởng giữa tỉ lệ dịch chiết lá húng quế với dung dịch CuSO 4

c Ảnh hưởng pH của dung dịch

d Ảnh hưởng của nồng độ ddCuSO 4

5.2.3 Nghiên cứu sản phẩm nano đồng

a Xác định hình dạng, kích thước của hạt nano đồng

b Xác định thành phần của hạt nano đồng

c Xác định cấu trúc của hạt nano đồng

5.2.4 Khảo sát khả năng phân hủy xanh metylen trong vùng ánh sáng khả kiến của hạt nano đồng tổng hợp từ dịch chiết lá húng quế

1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Ý nghĩa khoa học của đề tài: Đề tài được triển khai nghiên

cứu và kết quả của đề tài là một đóng góp cho quá trình nghiên cứu

về công nghệ chế tạo nano đồng thân thiện với môi trường

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Các kết quả nghiên cứu của đề

tài là ứng dụng làm xúc tác quang phân hủy xanh metylen trong vùng

ánh sáng khả kiến dùng trong xử lý nước thải công nghiệp, sinh

hoạt bảo vệ môi trường

2 Bố cục của luận văn

Chương 1 - TỔNG QUAN

Chương 2 - THỰC NGHIỆM

Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NANO

1.1.1 Nguồn gốc và khái niệm của công nghệ nano 1.1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano

1.1.3 Đặc điểm tính chất của vật liệu nano

1.1.4 Ứng dụng của vật liệu nano

1.1.5 Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano

a Phương pháp đi từ trên xuống (top-down)

b Phương pháp đi từ dưới lên (bottom-up)

1.2.2 Giới thiệu về hạt nano đồng

1.2.3 Các phương pháp chế tạo hạt nano đồng 1.2.4 Tính chất của hạt nano đồng

1.2.5 Ứng dụng của hạt nano đồng:

1.3 TỔNG QUAN VỀ CÂY HÚNG QUẾ

1.4 GIỚI THIỆU VỀ XANH METYLEN

1.4.1 Cấu trúc hóa học, đặc tính của xanh metylen 1.4.2 Lịch sử nghiên cứu

1.4.3 Ứng dụng

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM

2.1 NGUYÊN LIỆU, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT

- Cân phân tích, tủ sấy, bình hút ẩm, lò nung, máy li tâm lớn, máy khuấy từ gia nhiệt

- Máy đo quang phổ tử ngoại - khả kiến UV-VIS, máy đo pH, máy đo EDX, XRD, TEM

b Hóa chất

- Đồng sunphat pentahydrat (CuSO4.5H2O)

- Natri hydroxit (NaOH)

2.3 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO NANO ĐỒNG

Sau khi đã thu được dịch chiết lá húng quế tối ưu, chúng tôi tiến hành khảo sát lần lượt các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo nano đồng

- Khảo sát nhiệt độ tạo nano đồng

- Khảo sát tỉ lệ thể tích dịch chiết lá húng quế

- Khảo sát pH môi trường tạo nano đồng

- Khảo sát nồng độ dung dịch đồng sunfat

2.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HẠT NANO ĐỒNG

Sau khi tổng hợp được hạt nano đồng , hạt nano đồng được nghiên cứu bằng các phương pháp đo:

- Phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS)

- Kính hiển vi điện tử truyền (TEM)

- Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)

- Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)

2.5 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP HẠT NANO ĐỒNG

Toàn bộ quy trình thực nghiệm nghiên cứu tổng hợp hạt nano đồng từ dung dịch đồng sunfat bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá húng quế được thể hiện như sau

Xử lý mẫu Mẫu sau khi xử lý

Hỗn hợp sau chưng ninh Lọc qua giấy lọc Dịch chiết lá Húng quế

Hỗn hợp mẫu

và nước

Trộn mẫu với nước cất

Ly tâm dung dịch chứa nano

Cu, sấy khô

Khảo sát khả năng xúc tác quang phân hủy xanh metylen

sản phẩm

hạt nghiên cứu

nano đồng

Hạt nano Cu rắn

Khảo sát thời gian chiết

Khảo sát tỉ lệ Rắn/Lỏng

Khảo sát nhiệt

độ tạo nano Khảo sát tỉ lệ dịch chiết/dd CuSO4

Khảo sát Nồng

độ dd CuSO 4

Khảo sát pH tạo nano

Mẫu : Lá Húng quế tươi

Chưng ninh

ở 100 0

C

Trộn dịch chiết với dd CuSO 4

để tổng hợp hạt nano Cu

2.6 PHƯƠNG PHÁP THỬ KHẢ NĂNG XÚC TÁC QUANG CỦA DUNG DỊCH KEO NANO ĐỒNG

Để thử khả năng xúc tác quang của dung dịch keo nano đồng tổng hợp được Chúng tôi tiến hành thử nghiệm khả năng xúc tác quang của dung dịch keo nano đồng theo thời gian trên dung dịch xanh metylen

Quá trình phân hủy được khảo sát trong 200 mL dung dịch xanh metylen với 30 mg nano đồng Khuấy đều trên máy khuấy từ đồng thời chiếu sáng liên tục bằng ánh sáng mặt trời Sau mỗi thời gian lấy khoảng 10 mL huyền phù ra li tâm và đo phổ UV-VIS

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHIẾT LÁ HÚNG QUẾ

3.1.1 Khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng

- Thời gian chiết: 30 phút

- Nồng độ dung dịch CuSO4: 0,7 mM

- Tỉ lệ thể tích dịch chiết/dd CuSO4:3 mL/ 30 mL

- Môi trường pH = 4,8 (pH đo được của dd mẫu)

- Nhiệt độ tạo nano đồng: nhiệt độ phòng

- Thời gian tạo nano đồng: 60 phút

- Đối với thông số tỉ lệ rắn lỏng, cố định thể tích nước VH2O = 100mL, còn giá trị khối lượng lá húng quế biến thiên: m = 2,5 gam, 5 gam, 10 gam, 15 gam, 20 gam, 25 gam

Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của khả năng tạo nano đồng vào tỉ lệ rắn lỏng được biểu diễn ở Hình 3.1 và Bảng 3.1

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỉ lệ rắn/lỏng đến quá

trình tạo nano đồng

Bảng 3.1 Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo tỉ lệ rắn

/lỏng

A (385nm) 0,9772 1,1325 1,1045 1,0995 1,0983 1,0677

Nhận xét:

Từ kết quả ở Hình 3.1, Bảng 3.1 cho thấy khi tỉ lệ rắn/lỏng

là 5g/100mL thì giá trị mật độ quang đo được là cao nhất (A385 = 1,1325), nghĩa là lượng nano đồng tạo thành là tốt nhất và nếu tiếp tục tăng khối lượng lá húng quế lên thì giá trị mật độ quang giảm dần Có thể giải thích như sau: khi khối lượng lá húng quế vượt quá 5 gam thì các chất khử chiết ra nhiều đã làm cho quá trình khử ion đồng xảy ra nhanh hơn dẫn đến các hạt nano đồng tạo ra nhanh, dễ bị keo tụ lại tạo thành hạt có kích thước lớn gây giảm mật độ quang.Vì vậy, chúng tôi chọn tỉ lệ rắn/lỏng thích hợp là 5g/100mL

3.1.2 Khảo sát thời gian chiết

- Tỉ lệ rắn/lỏng: 5 gam lá húng quế /100mL nước cất ( kết quả từ 3.2.1)

- Nồng độ dung dịch CuSO4: 0,7mM

- Tỉ lệ thể tích dịch chiết/dd CuSO4 = 3 mL/30mL

- Môi trường pH = 4,8 (pH dung dịch mẫu)

- Nhiệt độ tạo nano đồng: nhiệt độ phòng

- Thời gian tạo nano đồng: 60 phút

Đối với thông số thời gian chiết, các giá trị biến thiên: t = 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40 phút, 50 phút

Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của khả năng tạo dịch chiết lá húng quế tối ưu vào thời gian chiết được biểu diễn ở Hình 3.2 và Bảng 3.2

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian chiết đến quá

trình tạo nano đồng Bảng 3.2 Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo thời gian chiết

Thời gian

chiết 10p 20p 30p 40p 50p A(385nm) 1,0752 1,0872 1,1077 1,1498 1,1140

Nhận xét:

Từ kết quả ở Hình 3.2, Bảng 3.2 cho thấy khi tăng thời gian chiết tức thời gian chưng ninh lên từ 10 đến 40 phút thì mật độ quang tăng lên và đạt kết quả cao nhất sau 40 phút (A385 = 1,1498) Nếu tiếp tục tăng thời gian chiết lên thì mật độ quang giảm Điều này được giải thích là ở thời gian chưng ninh 40 phút thì đã tạo ra lượng chất khử thích hợp nhất để khử lượng ion Cu2+ tạo thành hạt nano đồng Khi tăng thời gian chiết lên có thể do lượng chất khử tạo ra quá nhiều làm cho quá trình tạo nano đồng xảy ra quá nhanh, dẫn đến hiện tượng các hạt nano đồng tạo thành dễ bị keo tụ lại tạo ra các hạt có kích thước lớn nên làm giảm mật độ quang

Vì vậy, chúng tôi chọn thời gian chiết lá húng quế là 40 phút

3.2 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TẠO NANO ĐỒNG

3.2.1 Khảo sát nhiệt độ tạo nano đồng

- Nồng độ dung dịch CuSO4: 0,7mM

- Tỉ lệ thể tích dịch chiết/dd CuSO4 = 3mL/30mL

- pH môi trường: 4,8

- Thời gian tạo nano đồng: 60 phút

- Đối với thông số nhiệt độ, giá trị biến thiên: T = 25oC,

Nhận xét: Từ kết quả ở Hình 3.3 và Bảng 3.3 cho thấy khi

tăng nhiệt độ từ 25oC đến 40oC thì giá trị mật độ quang đo được tăng

và đạt giá trị cao nhất tại 40oC, nghĩa là lượng nano đồng tổng hợp được là tốt nhất Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì mật độ quang giảm dần Điều này được giải thích như sau: ở nhiệt độ cao hơn 40oC các phân tử chuyển động nhanh, số va chạm hiệu quả tăng nhanh dẫn đến hạt nano đồng tạo thành nhanh, dễ bị keo tụ, hạt tạo thành có kích thước lớn gây giảm mật độ quang

Như vậy, chúng tôi chọn giá trị nhiệt độ tạo nano đồng là

40oC, với giá trị mật độ quang cao (A385 = 1,2209) và dung dịch keo nano đồng tổng hợp được bền, ít bị keo tụ

3.2.2 Khảo sát tỉ lệ thể tích dịch chiết lá húng quế

- Nồng độ dung dịch CuSO4: 0,7 mM

- Thể tích dung dịch CuSO4: 30mL

- Môi trường pH = 4,8

- Nhiệt độ tạo nano đồng: 400 (Từ kết quả 3.2.1)

- Thời gian tạo nano đồng: 60 phút

- Thể tích dịch chiết, giá trị biến thiên: V = 1mL, 2mL, 3mL, 4mL, 5mL, 6 mL, 8mL, 10mL

Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của quá trình tạo nano đồng vào tỉ lệ thể tích dịch chiết được biểu diễn ở Hình 3.4 và Bảng 3.4

Hình 3.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích dịch chiết đến quá trình tạo

nano đồng Bảng 3.4.Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo tỉ lệ dịch

Như vậy, chúng tôi chọn giá trị thể tích dịch chiết lá húng quế thích hợp ở V=8 mL, với giá trị mật độ quang (A385nm= 1,2525) và dung dịch chứa hạt nano đồng tổng hợp được bền, ít bị keo tụ

3.2.3 Khảo sát pH môi trường tạo nano đồng

- Nồng độ dung dịch CuSO4: 0,7 mM

- Tỉ lệ thể tích dịch chiết/dung dịch CuSO4 = 8mL/30mL (theo mục 3.2.2)

- Nhiệt độ tạo nano đồng: 400 ( theo mục 3.2.1)

- Thời gian tạo nano đồng: 60 phút

- Đối với thông số pH môi trường, biến thiên: pH = 2, 3, 4, 5,

PH 2 3 4 5 6 7 8 A(385 nm) 0,2213 0,2350 0,5802 1,3637 1,4434 1,4996 1,4657

nhanh, dẫn đến hiện tượng bị keo tụ, hạt nano đồng tổng hợp có kích thước lớn, làm giảm mật độ quang

Như vậy, chúng tôi chọn giá trị pH môi trường là 7, đảm bảo giá trị mật độ quang khá cao (A385nm = 1,4996 ) và dung dịch chứa hạt nano đồng tổng hợp được bền, không bị keo tụ

3.2.4 Khảo sát nồng độ dung dịch đồng sunfat

- Tỉ lệ thể tích dịch chiết/dung dịch CuSO4: 8 mL/30 mL ( theo mục 3.2.2)

- Môi trường pH = 7 (theo mục 3.2.3)

- Nhiệt độ tạo nano đồng: 400 (theo mục 3.2.1)

- Thời gian tạo nano đồng: 60 phút

- Đối với thông số nồng độ dung dịch CuSO4, giá trị biến thiên: C = 0,5mM, 0,7mM, 1mM, 1,5mM, 2mM

Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của quá trình tạo nano đồng vào nồng độ dung dịch CuSO4 được biểu diễn ở Hình 3.6 và Bảng 3.6

tạo nano đồng

Bảng 3.6 Giá trị mật độ quang đo được ở các mẫu theo nồng độ

3.3 KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA HẠT NANO ĐỒNG

Dung dịch keo nano đồng tổng hợp từ dung dịch CuSO4 với tác nhân khử dịch chiết nước lá húng quế ở điều kiện tối ưu được khảo sát các đặc tính hóa lý như TEM, EDX tại Phòng Thí nghiệm siêu cấu trúc khoa virut Viện Vệ sinh dịch tể trung ương, số 1 Yecxanh, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, và XRD tại Đại học bách khoa

Đà Nẵng

Kết quả khảo sát được trình bày ở các Hình 3.7, 3.8, 3.9