Đề tài Tổng hợp vật liệu nanocomposite Ag/PVA bằng phương pháp khử hóa học

TỔNG HỢP NANOCOMPOSITE Ag/PVA BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỬ HÓA HỌC SYNTHESIS OF Ag/ PVA NANOCOMPOSITE BY CHEMICAL REDUCTION METHOD Đỗ Thị Xuân Thu1, Nguyễn Thị Ngọc Thùy1 1Lớp 05H1 Khoa Công Nghệ Hóa Học & Thực Phẩm Trường Đại Học Lạc Hồng Summary: Silver/polyvinylalcohol nanocomposites are prepared via in situ reduction of silver salt by reducing agent – hydrazine hydrate (HH) and sodium citrate was used as supportive distribution agent. The solutions and the films are characterized by using UV-Vis, XRD and TEM. XRD patterns are consistent with that for cubic silver. TEM of the nanocomposite film shows particles distribution and size within the film. I. Mở Đầu: Nano bạc (Ag) được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y học, sinh học, môi trường, công nghệ hóa học, điện tử, công nghệ thực phẩm và bao bì,…[6]. Theo các báo cáo khoa học đã công bố, kích thước và sự phân bố của nano Ag trong PVA ảnh hưởng nhiều đến tính chất sinh học, hóa lý của vật liệu. Vì vậy, nghiên cứu tổng hợp các hạt nano Ag với những kích thước xác định và độ phân bố đồng đều của nano Ag trong compozit là vấn đề rất được quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới. Trong phạm vi bài báo này, chúng tôi đề cập đến việc nghiên cứu ảnh hưởng của natri citrat như tác nhân trợ phân bố và ảnh hưởng của hàm lượng AgNO3 tới kích thước và độ phân bố của hạt nano Ag trong nanocompozit. Các phương pháp phân tích hiện đại như phổ UV – Vis, XRD và TEM đã được sử dụng để xác định các tính chất, cấu trúc, kích thước và sự phân bố của hạt nano Ag được tạo thành trong nền PVA. Kết quả thu được là nền tảng khoa học cho các nghiên cứu ứng dụng nanocompozit tiếp theo. II. Thực Nghiệm: 1. Nguyên liệu tổng hợp và các phương pháp nghiên cứu: Polyvinylancol (MW60.000), Bạc Nitrat (AgNO3), Hydrazin hydrat (HH), Natri citrat và các hóa chất khác đạt tiêu chuẩn phân tích được mua của hãng Merck. Tính chất quang học của nanocompozit được xác định bằng phổ UV – vis đo trên máy UV – 2450 – Shimadzu, cấu trúc của nano Ag được xác định bằng phổ XRD đo trên máy Bruker D8 Advance, ảnh TEM được chụp trên máy Gieon 1400. 2. Tổng hợp nanocompozit Ag/PVA: Theo bài báo “Tổng hợp nanocompozit Ag/PVA bằng phương pháp khử hóa học”, Tạp chí hóa học T. 47, 4A, tr. 596 – 600, 2009[1]. 3. Tổng hợp nanocompozit Ag/PVA với sự có mặt của natri citrat: Cho 0.2g PVA, một lượng natri citrat và một lượng nước cất định trước vào bình phản ứng trên máy khuấy từ và gia nhiệt tới 80oC đến khi đồng nhất, sau đó thêm dung dịch AgNO3 0.02M theo một lượng đã định trước. Dung dịch hydrazin hydrat 0.02M được thêm vào bằng kim tiêm theo tỉ lệ mol hydrazin/AgNO3 =1/1, thời gian phản ứng được thực hiện 20 phút trong môi trường khí nitơ. Sản phẩm là dung dịch có màu vàng đặc trưng và được kiểm tra bằng phổ UV – Vis. Cho bay hơi dung dịch phản ứng thu được màng nanocompozit. Xác định cấu trúc của nano Ag bằng XRD, kích thước và sự phân bố của hạt nano Ag bằng TEM. III. Kết quả và thảo luận: 1. Phản ứng tạo hạt nano Ag trong môi trường PVA: PVA chứa nhóm OH hoạt động có thể tạo phức với ion Ag+ của dung dịch AgNO3. Dưới tác dụng của chất khử hydrazin hydrat, Ag+ chuyển hóa thành Ag0[4]. 2. Phổ UV – vis của dung dịch nanocompozit theo hàm lượng AgNO3: Để đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng AgNO3 tới quá trình tổng hợp nanocompozit, các thí nghiệm được tiến hành với hàm lượng AgNO3 khác nhau (tính theo khối lượng của PVA) từ 1 ÷ 7% . Các kết quả trên hình 1 chỉ ra rằng khi hàm lượng AgNO3 trong hỗn hợp AgNO3/ PVA tăng (từ 1 ÷ 7%) thì độ hấp thụ của nanocompozit Ag/ PVA cũng tăng dần và đỉnh hấp thụ của nanocompozit Ag/PVA cũng dịch chuyển dần theo các bước sóng lớn hơn (từ 415,5 ÷ 436,5nm). Điều đó chứng tỏ rằng: khi hàm lượng AgNO3 tăng, các hạt Ag tạo thành dễ dàng tụ hợp lại với nhau hơn, dẫn tới kích thước của hạt nano Ag cũng tăng lên[6,7,9]. Hình 1: Phổ UV – Vis của dung dịch Ag/PVA tổng hợp từ AgNO3/PVA với các hàm lượng khác nhau (1 ÷ 7%) 3. Phổ UV – Vis của dung dịch nanocompozit theo hàm lượng Natri citrat: Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của natri citrat tới kích thước hạt nano Ag, các thí nghiệm được tiến hành với hỗn hợp cố định AgNO3/PVA = 7%, natri citrat được định lượng theo tỉ lệ khối lượng natri citrat/AgNO3 = 0.0; 0.05; 0.1; 0.25; 0.5; 0.75; 1.0; 1.25; 1.5. Các kết quả trên hình 2a cho thấy: mẫu không có natri citrat có đỉnh hấp thụ ở bước sóng 437nm, các mẫu có natri citrat có các đỉnh hấp thụ ổn định từ 405,5 ÷ 409nm. Như vậy kích thước các hạt nano Ag tạo thành khi có mặt natri citrat sẽ nhỏ hơn so với khi không có natri citrat và kích thước này không thay đổi theo hàm lượng natri citrat[6-9]. Hình 2: Phổ UV – Vis của dung dịch Ag/PVA (a) theo hàm lượng natri citrat; (b) tổng hợp từ AgNO3/PVA = 1 ÷ 15%, natri citrat/AgNO3 = 0.1 4. Phổ UV – Vis của dung dịch nanocompozit theo hàm lượng Ag trong hỗn hợp AgNO3/PVA khi có mặt natri citrat: Các thí nghiệm được tiến hành với hàm lượng AgNO3 (tính theo khối lượng PVA) khác nhau từ 1 ÷ 15%, hàm lượng natri citrat sử dụng theo tỉ lệ khối lượng natri citrat/AgNO3 = 0.1 trong quá trình tổng hợp nanocompozit Ag/PVA. Kết quả trên hình 2b cho thấy: độ hấp thụ của nanocompozit tăng theo hàm lượng Ag; Giá trị bước sóng các đỉnh hấp thụ với hàm lượng AgNO3/PVA từ 1 ÷ 14% dao động từ 408 ÷ 410nm. Như vậy, khi có mặt natri citrat, các hạt nano Ag sinh ra sẽ có kích thước ổn định với hàm lượng AgNO3 thay đổi từ 1 ÷ 14%. Tuy nhiên, khi hàm lượng AgNO3 lên tới 15%, đỉnh hấp thụ dịch lên 415nm, cho thấy có dấu hiệu gia tăng kích thước của nano Ag khi sử dụng hàm lượng AgNO3 cao tới 15%[2,3,5,9]. 5. Kết quả chụp XRD: Hình 3: Phổ XRD của nanocompozit Ag/PVA Từ kết quả XRD trên hình 3 cho thấy 5 đỉnh có cường độ cao nhất hoàn toàn trùng hợp với phổ chuẩn của kim loại Ag tại vị trí giá trị các góc 2θ = 38o (d = 2.35837Å); 44,2o (d = 2.05520Å); 64,4o (d = 1.44606Å); 77,6o (d = 1.23137Å) và 81,6o (d = 1.17804Å) tương ứng với các mặt {111}, {200}, {220},{311} và {222} thuộc ô mạng Bravais trong cấu trúc Fcc của kim loại Ag[1,4,6,8]. 6. Kết quả chụp TEM: Hình 4: Ảnh TEM của (a) nanocompozit (1%); (b) nanocompozit (4%); (c) nanocompozit(6%) Hình 5: Ảnh TEM của (a) nanocompozit (3%); (b) nanocompozit (7%) 6.1 Ảnh TEM của nanocomposite tổng hợp từ AgNO3/PVA: Hình 4a cho thấy: với hàm lượng AgNO3 là 1% so với PVA, các hạt nano Ag được tạo thành có hình cầu với kích thước trong khoảng từ 10 ÷ 30nm và phân bố đều trong compozit. Hình 4b cho thấy: với hàm lượng AgNO3 là 4% so với PVA, các hạt nano Ag được tạo thành có hình cầu với kích thước từ 10 ÷ 50nm và phân bố không đều, có hiện tượng dính tụ lại nhau. Hình 4c cho thấy: với hàm lượng AgNO3 là 6% so với PVA, các hạt nano Ag được tạo thành có hình cầu với kích thước từ 10 ÷ 50nm và kết dính lại với nhau. Như vậy, khi hàm lượng AgNO3 tăng thì kích thước hạt nano Ag cũng tăng theo, kết quả này phù hợp với kết quả chụp UV – Vis. Và khi hàm lượng AgNO3 nhỏ (1%) thì độ phân bố của hạt nano Ag đều, nhưng khi hàm lượng AgNO3 tăng (4%) thì có hiện tượng kết dính lại với nhau và khi hàm lượng AgNO3 tăng lên 6% thì các hạt nano Ag kết dính lại với nhau. 6.2 Ảnh TEM của nanocompozit tổng hợp từ AgNO3/PVA có natri citrat: Hình 5a và 5b cho thấy: với hàm lượng AgNO3 là 3% và 7% so với PVA, các hạt nano Ag được tạo ra có dạng hình cầu với kích thước khoảng từ 5 ÷ 30nm và phân bố đều trong nền PVA. Như vậy, với sự có mặt của natri citrat, các hạt nano Ag tạo thành vẫn có kích thước nhỏ và phân bố đều ngay cả khi hàm lượng AgNO3 tăng đến 7%. Kết quả này phù hợp với phổ UV – Vis. IV. Kết Luận: Đã tổng hợp nanocompozit trên cơ sở Ag/PVA bằng phương pháp hóa học với tác nhân khử là hydrazin hydrat và chất trợ phân bố natri citrat. Nanocompozit Ag/PVA được kiểm tra bằng phổ UV – Vis, XRD và TEM. Khi không có natri citrat, với hàm lượng AgNO3 tăng thì kích thước nano Ag cũng tăng. Tuy nhiên, khi có mặt natri citrat thì kích thước của nano Ag được ổn định tốt và không thay đổi theo hàm lượng natri citrat và các hạt nano Ag cũng được phân bố đều hơn trong nền PVA. Tài liệu tham khảo 1 Nguyễn Cửu Khoa, Cao Văn Dư, Trịnh Thị Thanh Huyền, Tạp chí hóa học, Vol. 47, No. 4A, Tr. 596 – 600 (2009). 2. Jun Ping Zhang, Li Qi Sheng, Ping ChenChinese Chemical Letters Vol. 14, No. 6, pp 645 – 648 (2003). 3. Cuiying Wang, Jiye Fang, Jibao He, Weilei Zhou, and Kevin L. Stokes, Journal of Colloid and Interface Science 260 440–442, (2003). 4. P.K. Khanna, Narendra Singh, Shobhit Charan, V.V.V.S. Subbarao, R. Gokhale, U.P. Mulik, Materials Chemistry and Physics 93, 117–121(2005). 5. N. V. Serebryakova, O. Ya. Uryupina, and V. I. Roldughin, Colloid Journal, Vol. 67, No. 1, pp. 79–84 (2005). 6. E. Jim´enez, Kamal Abderrafi, Juan Mart´ınez-Pastor, Rafael Abargues, Jos´e Lu´ıs Vald´es, Rafael Ib´a˜nez, Superlattices and Microstructures (2007). 7. Szilvia Papp, Rita Patakfalvi, and Imre Dékány, Original Scientific Paper 80,493–502 (2007). 8. S Navaladian, B Viswanathan, T K Varadarajan and R P Viswanath, Nanote chnology 19, 45603-45610 (2008). 9. Demberelnyamba Dorjnamjin, Maamaa Ariunaa and Young Key Shim, International Journal of Molecular Sciences, 9, 807 – 820, (2008).