Tìm hiểu về vật liệu Nano: Các phương pháp điều chế và ứng dụng | Đồ án nhập môn Hóa học

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trường Hóa và Khoa Học Sự Sống
---------------------------------
ĐỒ ÁN NHẬP MÔN HÓA HỌC Tìm hiểu ề v vật liệu nano:
Các phương pháp điều chế và ứng dụng
Họ và tên:Phạm Phương Liên MSSV:20231328 Lớp :CH2-01-K68
Giảng viên hướng dẫn:TS.Nguyễn Ngọc Thịnh Hà Nội-2024 MỤC LỤC
A. MỞ ĐẦU................................................................................................... 2
B. NỘI DUNG .................................................................................................. 2
I.Khái niệm................................................................................................... 2
II.Các phương pháp chế tạo vật liệu nano ................................................... 4
1.Phương pháp hóa ướt (Wet chemical methods): .................................... 4
2.Phương pháp cơ khí nano (Nano-Mechanical Method):........................ 5
3.Phương pháp bay hơi nhiệt (Thermal evaporation method): ................ 6
4.Phương pháp bay khí (Gas-phased method): ........................................ 6
5.Phương pháp hóa học: .......................................................................... 7
III.Ứng dụng của vật liệu nano .................................................................... 7 1.
Ứng dụng trong y sinh ..................................................................... 8 2.
Ứng dụng trong năng lượng ............................................................. 9 3.
Ứng dụng trong điện tử-cơ khí......................................................... 9 4.
Ứng dụng trong may mặc và thực phẩm........................................ 10 5.
Ứng dụng trong môi trường ........................................................... 10
IV. Vật liệu nano TiO2 .................................................................................11 1.
Vật liệu TiO2 ...................................................................................11 2.
Các phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO2..................................11 3.
Ứng dụng của vật liệu nano TiO2 ................................................... 12
C. KẾT THÚC ............................................................................................... 12
Tài liệu tham khảo ......................................................................................... 12 1 A. A MỞ ĐẦU
Đời sống con người càng được cải thiện một phần là do khoa học kĩ
thuật ngày càng tiến bộ. Trong những năm trở lại đây khoa học đã cho ra
đời rất nhiều công nghệ có ích cho xã hội, trong đó phải kể đến công
nghệ Nano. Vật liệu Nano cũng đã được sử dụng trong rất nhiều các lĩnh vực.
Công nghệ Nano chỉ mới thực sự phát triển và phổ biến rộng rãi từ khi
cuộc cách mạng 4.0 bắt đầu. Tính đến hiện tại, nó đã góp một phần
không nhỏ đến việc phục vụ con người. Điển hình là khâu sản xuất các
mặt hàng thủy tinh, gốm, sứ,… đều có sự góp mặt của công nghệ này.
Công nghệ Nano hiện được coi là ngành công nghệ hàng đầu về khoa
học – kĩ thuật trên thế giới và hứa hẹn sẽ ngày một phát triển trong tương lai.
Trong đó, nano TiO2 là loại vật liệu có nhiều ứng dụng, đặc biệt là
trong môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng. Sự quan tâm thích
đáng đến việc phát triển loại vật liệu này để cho ra những sản phẩm ứng
dụng có giá trị kinh tế – xã hội cao đang là vấn đề cần thiết đặt ra cho
các nhà quản lý, các nhà khoa học ở nước ta. B. NỘI DUNG I.Khái niệm
Công nghệ nano (Nanotechnology) là khoa học liên quan đến thiết
kế, tổng hợp và ứng dụng vật liệu nano, là một trong những công
nghệ được ứng dụng rỗng rãi nhất trong nghiên cứu phát triển.
Vật liệu nano (Nanomaterial) là loại vật liệu có cấu trúc các hạt, các sợi , cá
c ống, các tấm mỏng... Kích thước của vật liệu nano từ vài
nanomet đến vài trăm nanomet (1nanomet =10-9 met) phụ thuộc vào
bản chất vật liệu và tính chất cần nghiên cứu. 2
Các dạng tồn tại của vật liệu nano: • Rắn • Lỏng • Khí
Có 3 loại hình dáng vật liệu chính:
• Vật liệu nano không chiều: đám nano, hạt nano.
• Vật liệu nano một chiều: dây nano, ống nano.
• Vật liệu nano hai chiều: màng mỏng.
• Ngoài ra còn có vật liệu mang cấu trúc nano hay nanocomposite. Các loại vật liệu nano 3
II.Các phương pháp chế tạo vật liệu nano
Có 5 phương pháp phổ biến nhất:
1.Phương pháp hóa ướt (Wet e chemical methods):
Bao gồm các phương pháp thủy nhiệt, sol-gel và đồng kết tủa .Khi thực
hiện phương pháp này, sử dụng các dung dịch chứa ion khác nhau trộn
theo tỉ lệ dưới tác động của nhiệt độ, áp suất, nồng độ pH,... thu được vật
liệu nano dưới dạng kết tủa. Qua quá trình lọc kết tủa, sấy khô thu được
vật liệu kích thước nano.
Ưu điểm :Các vật liệu có thể được chế tạo rất đa dạng từ vô cơ đến
hữu cơ, rẻ tiền và có thể chế tạo được khối lượng lớn vật liệu.
Nhược điểm: Hợp chất có liên kết với phân tử nước là một khó khăn.
Phương pháp sol-gel: Dựa trên phản ứng đa trùng ngưng từ các chất
vô cơ. Bao gồm 4 giai đoạn: thủy phân, đa trùng ngưng, sấy và phân hủy
nhiệt. Tiền chất kim loại hoặc alcoxide được thủy phân bởi nước hoặc
cồn. Tiếp theo là phản ứng đa trùng ngưng đồng thời giải phóng bởi
nước và cồn. Polyme vô cơ được tạo ra và lắng xuống dưới dạng kết tủa
với độ phân tán trong dung dịch kiểm soát được bởi độ pH và nhiệt độ.
Sản phẩm được đem sấy khô và loại bỏ các tiền chất hữu cơ. Nhược
điểm của phương pháp sol-gel là không có hiệu suất cao, sản phẩm
không đồng nhất.Phương pháp này chủ yếu dùng để điều chế các nano oxit kim loại. 4
Kĩ thuật sol-gel để sản xuất các loại vật liệu nano
2.Phương pháp cơ khí nano (Nano-Mechanical Method):
Bao gồm các phương pháp tán, nghiền,hợp kim cơ học .Ở phương pháp
này, các vật liệu dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn. Ngày
nay, các máy nghiền thường dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay.
Ưu điểm: Đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền, chế tạo được một lượng lớn vật liệu.
Nhược điểm: Các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt không
đồng nhất, vật liệu dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo, khó có được kích thước nhỏ.
➔ Phương pháp cơ khí nano thường được dùng để chế tạo vật liệu
không phải hữu cơ như là kim loại. 5
Chế tạo vật liệu nano bằng phương pháp cơ khí nano
3.Phương pháp bay hơi nhiệt (Thermal evaporatiton method):
Bao gồm các phương pháp quang khắc (lithography), lắng đọng trong
chân không (vacuum deposition), vật lí, hóa học .Các phương pháp này
hiệu quả trong việc chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt, cũng
có thể dùng để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu nano từ tấm chắn.
Tuy nhiên, phương pháp này không phù hợp để chế tạo vật liệu nano với quy mô thương mại.
4.Phương pháp bay khí (Gas-phased method):
Gồm các phương pháp nhiệt phân (flame pyrolysis), nổ điện (electro-
explosion), đốt laser (laser ablation method), bốc h ơi nhiệt độ cao,
plasma. Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu nano
từ pha khí. Phương pháp nhiệt phân có từ rất lâu, được sử dụng để chế
tạo một số vật liệu đơn giản như cacbon hay silicon. Phương pháp đốt
laser được sử dụng để chế tạo đa dạng vật liệu hơn nhưng chỉ được sử
dụng trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất thấp. 6 5.Phương pháp hóa học:
Dung dịch muối kim loại thông qua quá trình phản ứng oxi hóa khử
chuyển ion -> kim loại ở kích thước nano. Do các hạt nano có năng
lượng lớn nên có khuynh hướng liên kết lại với nhau để quay về kích
thước bền hơn (micro), do đó sau khi phản ứng hạt nano kim loại được
bọc bằng chất bảo vệ. Phương pháp này dùng để điều chế nano bạc (Colloidal Silver).
Điếu chế nano bạc bằng kỹ thuật khử hóa học với bức xạ UV kích thích
III.Ứng dụng của vật liệu nano
Công nghệ nano cho phép thao tác và sử dụng vật liệu ở tầm phân tử,
làm tăng và tạo ra tính chất đặc biệt của vật liệu, giảm kích thước của
các thiết bị, hệ thống đến kích thước cực nhỏ, giúp thay thế những hóa
chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm bằng một
quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động đến môi
trường. Công nghệ nano được xem là cuộc cách mạng công nghiệp, thúc 7
đẩy sự phát triển trong mọi lĩnh vực đặc biệt là y sinh học, năng lượng,
môi trường, công nghệ thông tin, quân sự… và tác động đến toàn xã hội.
1. Ứng dụng trong y sinh
Nano trong y sinh được ứng dụng khá rộng rãi với các chức năng cụ thể.
Ứng dụng nano trong đưa thuốc: Công nghệ nano cung cấp
khả năng phân phối thuốc đến các tế bào. Lượng thuốc tiêu thụ
và các tác dụng phụ có thể được giảm xuống đáng kể do thuốc
được đưa trực tiếp đến vùng bệnh. Điều này cũng sẽ giúp giảm
chi phí điều trị. Hệ mang thuốc nano tập trung vào việc tối đa
hóa sinh khả dụng tại vị trí tác dụng và thời gian tác dụng. Rất
nhiều hệ mang thuốc nano đã được FDA cấp phép như:
Abraxane, Doxil, Onivyde, Rapamune, Cabenuva.
Ứng dụng nano trong chuẩn đoán hình ảnh: Chẩn đoán hình
ảnh sử dụng chất tương phản dạng hạt nano giúp các hình ảnh
như siêu âm và MRI có sự phân bố thuận lợi và độ tương phản được cải thiện.
Ứng dụng nano trong kĩ thuật mô: Công nghệ nano có thể
được sử dụng như một phần của kỹ thuật mô để giúp tái tạo
hoặc sửa chữa hoặc định hình lại mô bị hư hỏng bằng cách sử
dụng các giá đỡ và yếu tố tăng trưởng tải nạp lên vật liệu nano
phù hợp. Các hạt nano như graphene, ống nano carbon,
molypden disulfide và vonfram disulfide đang được sử dụng
làm chất gia cố để chế tạo các hợp chất nano polyme phân hủy
sinh học mạnh về mặt cơ học cho các ứng dụng kỹ thuật mô
xương. Những vật liệu nano này có thể được sử dụng như một
vật liệu tổng hợp mới, mạnh về mặt cơ học, nhẹ về trọng lượng trong cấy ghép xương. 8
Ứng dụng của nano trong kĩ thuật mô
2. Ứng dụng trong năng lượng
Trong lĩnh vực năng lượng, đặc biệt là năng lượng tái tạo,
ứng dụng của các vật liệu cấu trúc nano ngày càng trở nên quan
trọng nhằm nâng cao hiệu suất của các thiết bị chuyển đổi năng lượng đó.
Vật liệu nano giúp nâng cao chất lượng của pin mặt trời, tăng
thêm tính hiệu quả và tính dự trữ của pin mặt trời và siêu tụ
điện. Từ đấy, tạo nên chất siêu dẫn thành dây dẫn điện để vận
chuyển điện đường dài tốt hơn.
3. Ứng dụng trong điện tử-cơ khí
Công nghệ nano giúp chế tạo các linh kiện điện tử nano với
tốc độ xử lý cực nhanh. Chế tạo các thế hệ máy tính nano. Sử
dụng vật liệu nano để làm các thiết bị ghi thông tin cực nhỏ.
Chế tạo màn hình máy tính, điện thoại. Tạo ra các vật liệu nano
siêu nhẹ, siêu bền. Sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ… 9
Màn hình ứng dụng các lớp polyme siêu mỏng không cần đèn
nền và kính lọc như màn hình LCD truyền thống, cho hình ảnh
tươi sáng và rõ nét hơn. Công nghệ này được ứng dụng để chế
tạo loại màn hình chất dẻo có thể uốn cong hoàn toàn. Khả năng
dẫn điện của vật liệu nano được sử dụng trong rất nhiều sản
phẩm cần lớp phủ bề mặt dẫn điện như các loại màn hình cảm
ứng và pin mặt trời. Trên thị trường hiện nay đã có loại màng
phủ và vật liệu phủ trong suốt được chế tạo từ dây nano có khả
năng dẫn điện tốt hơn các vật liệu truyền thống. Các loại màng
phủ này có thể thay thế ôxít thiếc indi để chế tạo điện cực trong
suốt của màn hình tinh thể lỏng.
4. Ứng dụng trong may mặc và thực phẩm
Trong may mặc, nano bạc có khả năng thu hút và tiêu diệt vi
khuẩn gây mùi hôi khó chịu trong quần áo. Ứng dụng hữu ích
này đã được áp dụng trên một số mẫu quần áo thể thao. Và đặc
biệt, còn được sử dụng trong một số loại quần lót khử mùi.
Trong thực phẩm, công nghệ nano giúp thực phẩm thay đổi
hương vị đồng thời giàu dinh dưỡng hơn. Ngoài ra, một số vật
liệu nano có thể dùng để bảo quản thực phẩm với khả năng diệt khuẩn.
5. Ứng dụng trong môi trường
Vật liệu nano có khả năng làm sạch môi trường với diện tích
bề mặt thể tích cao với đặc tính hóa lý, khả năng xử lý linh hoạt
và tính chọn lọc cao. Điều này giúp tiết kiệm nguyên liệu thô,
năng lượng, nước, giảm khí nhà kính, chất thải nguy hiểm trong
nhiều quá trình khác nhau.
Xử lý nước thải: Vật liệu nano đóng vai trò như chất hấp thụ
tốt loại bỏ ion phóng xạ ra khỏi nước. Các giải pháp xử lý nước
bao gồm phân hủy quang xúc quang, hấp phụ, lọc qua hạt nano
xử lý thành phần ô nhiễm khác nhau.
Làm sạch không khí: hạt nano được dùng làm chất xúc tác để
phân hủy và loại bỏ các hợp chất ô nhiễm. Vật liệu nano loại bỏ
SO2 thải ra môi trường bằng cách khử lưu huỳnh trong nhiên 10
liệu hóa thạch hoặc bằng cách loại bỏ trực tiếp ra khỏi nguồn
phát thải bằng nhiều công nghệ khác như hấp phụ, oxi hóa. IV. Vật liệu nano TiO2
Nano TiO2 là loại vật liệu có nhiều ứng
dụng, đặc biệt là trong môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng.
1. Vật liệu TiO2 TiO
2 là một vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng, trong suốt, chiết suất
cao. Những ứng dụng quan trọng nhất của TiO
2 ở kích thước nano là khả
năng làm sạch môi trường thông qua phản ứng quang xúc tác và khả
năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng ở quy mô dân dụng.
2. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO2
Có rất nhiều phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO 2 phục vụ cho
các mục đích sử dụng khác nhau.
- Phương pháp vật lý: Thường dựa trên nguyên tắc giảm kích thước
- Phương pháp sol-gel: Là phương pháp chế tạo vật liệu TiO2 khá
phổ biến trong các công trình nghiên cứu. Tuy nhiên, đối với việc
chế tạo các màng dày sử dụng cho các ứng dụng như điện cực
quang cho pin mặt trời thì phương pháp này không thuận lợi.
- Phương pháp điện hóa: Là phương pháp dựa trên phản ứng oxi-
hóa khử ở các điện cực để tạo màng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. 11
3. Ứng dụng của vật liệu nano TiO2
- Làm sạch và khử độc môi trường - Trong lĩnh vực q
uang xúc tác, chế tạo pin nhiên liệu và pin mặt
trời quang điện hóa, giải quyết vấ đề an ninh năng lượng cho loài
người trong tương lai gần.
- Trong lĩnh vực linh kiện điện tử để lưu trữ và truyền dẫn thông
tin với dung lượng lớn và thể tích nhỏ C. KẾT THÚC
Công nghệ Nano là một lĩnh vực khoa học kỹ thuật tiên tiến nhất
hiện nay, mang theo cả những kỳ diệu và nguy hiểm. Với khả năng
tạo ra vật liệu và sản phẩm có tính năng đặc biệt, công nghệ Nano
đã đem lại nhiều tiện ích và tiềm năng trong các lĩnh vực như y tế,
môi trường, năng lượng và điện tử.
Tuy nhiên, sự tiến bộ này cũng đi kèm với những rủi ro và thách
thức. Vật liệu Nano có thể có tác động đến sức khỏe con người và
môi trường nếu không được sử dụng và xử lý đúng cách. Việc
quản lý an toàn và đánh giá rủi ro của công nghệ Nano là điều cần
thiết để đảm bảo sự phát triển bền vững và an toàn.
Đặc biệt, vật liệu nano TiO2 đang cần có một sự quan tâm thích
đáng. Nhờ đó sẽ giúp nhanh chóng có được các sản phẩm cao cấp
phục vụ cho nhu cầu cấp bách trong nước và xuất khẩu. Đồng
thời, thông qua các sản phẩm cụ thể này, đặt nền móng cho sự phát
triển một cách thiết thực công nghệ nano tại Việt Nam và hội nhập
với quốc tế trong lĩnh vực công nghệ mũi nhọn này. Tài l iệu tham khảo 1. NANO NA VIỆT NAM
https://nanonna.com/nano-la-gi-vat-lieu-nano-la-gi-ung-dung-cua-vat-lieu- va-cong-nghe-nano/
2. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano 12
http://www.nanophuckhang.com/2020/12/cac-phuong-phap-che-tao-vat-lieu- nano.html
3. Trần Kim Cương – Nguyên lý hoạt động và một số ứng dụng quan trọng của vật liệu nano TiO -
2 Trường Đại học Thủ Dầu Một
4. Nano TiO2 – Vật liệu cần quan tâm
https://hoahocngaynay.com/nano-titan-vat-lieu-can-quan-tam.html 13 14