Xem mẫu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ
VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
------------
PHẠM THỊ HẢI YẾN
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT
ĐIỆN HÓA CỦA MỘT SỐ ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH
VÀNG NANO, ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH
LƯỢNG VẾT Hg(II)
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
Mã số: 62.44.01.19
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
Hà Nội – 2016
Người hướng dẫn khoa học
1. PGS.TS. VŨ THỊ THU HÀ,
Viện Hóa học – Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam.
2. TS. PHẠM HỒNG PHONG,
Viện Hóa học – Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam.
Phản biện 1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.................... .............
Phản biện 2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.................... .............
Phản biện 3: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.................... .............
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp ...... họp tại
Học viện Khoa học và Công nghệ, 18 Hoàng Quốc Việt – Cầu Giấy– Hà Nội.
Vào hồi
giờ
phút
ngày
tháng năm
Có thể tìm luận án tại:
- Thư viện Viện Học viện Khoa học và Công nghệ.
- Thư viện Quốc Gia Việt Nam
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của luận án
Thủy ngân và các hợp chất của thủy ngân là một trong những tác nhân ô
nhiễm có độc tính cao, gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người. Khi xâm
nhập vào cơ thể con người một lượng lớn hơn mức độ cho phép, thủy ngân sẽ
kết hợp với các tế bào và gây bệnh cho con người [1, 2]. Tổ chức Y tế Thế giới
đã quy định hàm lượng cho phép của thủy ngân trong nước uống nằm trong
khoảng hàm lượng vết (1 ppb). Vì thế để kiểm tra, đánh giá mức độ bị ô nhiễm
thủy ngân của mẫu nước, các phương pháp phân tích cần có độ nhạy và độ chính
xác cao. So với các phương pháp phân tích hiện đại khác, phương pháp phân
tích điện hóa được dùng với mục đích giảm giá thành phân tích mẫu, đơn giản
hóa việc xử lý mẫu, độ chính xác, độ nhạy cao và độ lặp lại tốt. Trong phương
pháp này, việc lựa chọn điện cực làm việc - nơi xảy ra phản ứng điện hóa được
quan tâm (từ vật liệu chế tạo đến cấu trúc hình học, hay việc biến tính bằng các
hợp chất phù hợp) đóng vai trò quyết định để có được một kết quả phân tích tốt.
Hiện nay, trên thế giới, để phân tích thủy ngân, nhiều loại vật liệu điện cực
đã được chế tạo ở nhiều cấu trúc hình học ở các kích thước khác nhau, có độ
bền, độ chọn lọc cao, khả năng phát hiện tốt, khoảng tuyến tính rộng và có thể
sử dụng trong môi trường đặc biệt. Các hướng nghiên cứu gần đây tập trung vào
vi điện cực, biến tính các điện cực bằng các vật liệu hữu cơ, polime, hoặc các vật
liệu nano... Các nghiên cứu ở trong nước trong lĩnh vực phân tích thủy ngân chủ
yếu sử dụng các phương pháp AAS [3] hoặc phương pháp chiết pha rắn-quang
học [4]…, rất ít các nghiên cứu tập trung vào phân tích thủy ngân bằng phương
pháp điện hóa. Các điện cực vàng cấu trúc nano, và vàng nano biến tính bằng
đơn lớp tự sắp xếp của hợp chất hữu cơ (SAM) để phân tích thủy ngân là một
hướng nghiên cứu rất mới trong nước hiện nay, đặc biệt là dạng cấu trúc vàng
nano xốp hình cây.
Do đó, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Chế tạo và nghiên cứu cấu trúc, tính
chất điện hóa của một số điện cực biến tính vàng nano, ứng dụng phân tích
lượng vết Hg(II)” làm đề tài nghiên cứu cho luận án, với mục tiêu chế tạo một
số loại điện cực biến tính vàng cấu trúc nano, đánh giá những đặc tính về cấu
trúc và tính chất điện hóa của chúng và khảo sát khả năng ứng dụng của các điện
cực vào phân tích ion Hg(II) trong môi trường nước.
2. Mục đích của luận án
Nghiên cứu cấu trúc cũng như tính chất điện hóa của một số điện cực tự chế
tạo: các điện cực vàng cấu trúc nano và vàng nano biến tính bằng hợp chất hữu
cơ; đánh giá so sánh với điện cực vàng đĩa kích thước mm và vi điện cực vàng
1
sợi kích thước cỡ micromet. Từ đó định hướng khả năng ứng dụng vào việc phát
hiện và định lượng thủy ngân có trong mẫu nước.
3. Nội dung nghiên cứu của luận án
Chế tạo các loại điện cực vàng có cấu trúc nano khác nhau, vi điện cực
vàng sợi và điện cực vàng đĩa, điện cực vàng nano biến tính bằng đơn lớp
tự sắp xếp các hợp chất hữu cơ
Đánh giá hình thái bề mặt của các điện cực nano chế tạo được
Đánh giá những đặc tính điện hóa của các loại điện cực
Khảo sát khả năng ứng dụng các điện cực vào phân tích thủy ngân (II)
Khảo sát tín hiệu điện hóa của thủy ngân khi xác định bằng các
điện cực vàng đã chế tạo
Khảo sát điều kiện tối ưu cho phân tích Hg(II) trên các điện cực
Xây dựng được đường chuẩn tương ứng với từng điện cực
Đánh giá khả năng phân tích Hg(II) của các điện cực đã chế tạo
Ứng dụng vào phân tích mẫu, đối chiếu với phương pháp khác
Đánh giá sự ảnh hưởng của một số kim loại nặng khác: Cd(II),
Pb(II), Cu(II)…
4. Bố cục của luận án
Luận án gồm 140 trang, gồm phần Mở đầu (4 trang), Chương tổng quan
(36 trang), Chương thực nghiệm (13 trang), Chương kết quả và thảo luận (67
trang), Kết luận (2 trang), Những đóng góp mới của luận án (1 trang), Kiến
nghị và đề xuất (1 trang), Tài liệu tham khảo (12 trang), Danh mục các công
trình công bố liên quan đến luận án (1 trang) và Phụ lục (3 trang).
----------------------------------------------CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Thủy ngân
Thủy ngân là một kim loại nặng, có trạng thái lỏng ở điều kiện nhiệt độ
thường, rất dễ bay hơi vào không khí, có độ dẫn điện cao, nhạy với sự thay đổi
nhiệt độ, áp suất, có hệ số nở nhiệt là một hằng số ở trạng thái lỏng và dễ dàng
tạo hợp kim với nhiều kim loại khác (gọi là hỗn hống). Trong các hợp chất, thủy
ngân tồn tại ở cả dạng vô cơ và hữu cơ. Thủy ngân được ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông nghiệp, y học… [5, 6].
Thủy ngân có thể được phát thải ra môi trường theo nhiều con đường [7]: từ
nguồn tự nhiên hoặc từ các hoạt động của con người. Trong môi trường, thuỷ
ngân biến đổi qua nhiều dạng tồn tại hoá học [8].
2
Các dạng tồn tại của thủy ngân xâm nhập vào cơ thể con người trực tiếp hoặc
thông qua chuỗi thức ăn và tích lũy trong một số bộ phận trong cơ thể từ đó gây
ra những vấn đề sức khỏe khác nhau và nghiêm trọng hơn có thể dẫn đến tử
vong [3, 7]. Để đảm bảo an toàn sức khỏe, tổ chức Y tế Thế giới đã quy định
hàm lượng cho phép của thủy ngân trong nước uống nằm trong khoảng hàm
lượng vết (1 ppb).
1.2. Các phương pháp phân tích thủy ngân
Các phương pháp thường được sử dụng trong phân tích thủy ngân là: phổ
hấp thụ nguyên tử hóa hơi lạnh (CVAAS) [9], phổ huỳnh quang nguyên tử hóa
hơi lạnh (CVAFS) [10, 11], phổ phát xạ nguyên tử (AES) [12, 13], phương pháp
phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) [14] và phương pháp điện hóa [15, 16].
Trong đó, phương pháp phân tích điện hóa sử dụng hệ thiết bị đơn giản, gọn nhẹ
và rẻ tiền và có quá trình vận hành dễ dàng, có thể tiết kiệm chi phí phân tích, và
đơn giản hóa các bước phân tích.
1.3. Các loại điện cực làm việc trong phương pháp phân tích điện hóa
1.3.1. Điện cực vàng
Điện cực vàng có đặc điểm trơ về mặt hóa học, có khoảng thế làm việc điện
hóa rộng, đường nền thấp, dễ gia công, chế tạo thành các dạng khác nhau và dễ
dàng tái tạo. Các điện cực vàng rất đa dạng về cấu trúc, hình dạng và kích thước:
vàng trần dạng đĩa kích thước thông thường [15, 17, 18], dạng sợi [19], dạng đĩa
kích thước micro, điện cực màng vàng [20] hay các điện cực vàng cấu trúc nano
(nano dạng hạt, nano xốp…) [21, 22]. Điện cực vàng có lợi thế lớn khi phân tích
thủy ngân, do có ái lực lớn với Hg và tạo thành hỗn hống trên bề mặt điện cực,
do đó làm giảm giới hạn phát hiện (LOD) thủy ngân. LOD của các nghiên cứu
sử dụng điện cực vàng đã công bố nằm trong khoảng 10-9 10-12 M.
1.3.2. Điện cực cacbon
Điện cực cacbon có khoảng thế hoạt động điện hóa rộng, đặc biệt là về phía
anot, được chế tạo dưới nhiều dạng khác với chi phí thấp. Trong phân tích thủy
ngân, các điện cực cacbon rất ít khi được sử dụng phân tích trực tiếp mà thường
được sử dụng làm điện cực nền để biến tính bằng các vật liệu khác như vàng
[23], bitmut [51]. Một số loại vật liệu cacbon thường được sử dụng trong phân
tích điện hóa là: cacbon thủy tinh [24], cacbon bột nhão [25], sợi cacbon [20],
cacbon dạng ống nano [26], graphen và graphen oxit [27]
1.3.3. Điện cực boron-kim cương
3
nguon tai.lieu . vn
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ
VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
------------
PHẠM THỊ HẢI YẾN
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT
ĐIỆN HÓA CỦA MỘT SỐ ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH
VÀNG NANO, ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH
LƯỢNG VẾT Hg(II)
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
Mã số: 62.44.01.19
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
Hà Nội – 2016
Người hướng dẫn khoa học
1. PGS.TS. VŨ THỊ THU HÀ,
Viện Hóa học – Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam.
2. TS. PHẠM HỒNG PHONG,
Viện Hóa học – Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam.
Phản biện 1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.................... .............
Phản biện 2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.................... .............
Phản biện 3: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.................... .............
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp ...... họp tại
Học viện Khoa học và Công nghệ, 18 Hoàng Quốc Việt – Cầu Giấy– Hà Nội.
Vào hồi
giờ
phút
ngày
tháng năm
Có thể tìm luận án tại:
- Thư viện Viện Học viện Khoa học và Công nghệ.
- Thư viện Quốc Gia Việt Nam
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của luận án
Thủy ngân và các hợp chất của thủy ngân là một trong những tác nhân ô
nhiễm có độc tính cao, gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người. Khi xâm
nhập vào cơ thể con người một lượng lớn hơn mức độ cho phép, thủy ngân sẽ
kết hợp với các tế bào và gây bệnh cho con người [1, 2]. Tổ chức Y tế Thế giới
đã quy định hàm lượng cho phép của thủy ngân trong nước uống nằm trong
khoảng hàm lượng vết (1 ppb). Vì thế để kiểm tra, đánh giá mức độ bị ô nhiễm
thủy ngân của mẫu nước, các phương pháp phân tích cần có độ nhạy và độ chính
xác cao. So với các phương pháp phân tích hiện đại khác, phương pháp phân
tích điện hóa được dùng với mục đích giảm giá thành phân tích mẫu, đơn giản
hóa việc xử lý mẫu, độ chính xác, độ nhạy cao và độ lặp lại tốt. Trong phương
pháp này, việc lựa chọn điện cực làm việc - nơi xảy ra phản ứng điện hóa được
quan tâm (từ vật liệu chế tạo đến cấu trúc hình học, hay việc biến tính bằng các
hợp chất phù hợp) đóng vai trò quyết định để có được một kết quả phân tích tốt.
Hiện nay, trên thế giới, để phân tích thủy ngân, nhiều loại vật liệu điện cực
đã được chế tạo ở nhiều cấu trúc hình học ở các kích thước khác nhau, có độ
bền, độ chọn lọc cao, khả năng phát hiện tốt, khoảng tuyến tính rộng và có thể
sử dụng trong môi trường đặc biệt. Các hướng nghiên cứu gần đây tập trung vào
vi điện cực, biến tính các điện cực bằng các vật liệu hữu cơ, polime, hoặc các vật
liệu nano... Các nghiên cứu ở trong nước trong lĩnh vực phân tích thủy ngân chủ
yếu sử dụng các phương pháp AAS [3] hoặc phương pháp chiết pha rắn-quang
học [4]…, rất ít các nghiên cứu tập trung vào phân tích thủy ngân bằng phương
pháp điện hóa. Các điện cực vàng cấu trúc nano, và vàng nano biến tính bằng
đơn lớp tự sắp xếp của hợp chất hữu cơ (SAM) để phân tích thủy ngân là một
hướng nghiên cứu rất mới trong nước hiện nay, đặc biệt là dạng cấu trúc vàng
nano xốp hình cây.
Do đó, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Chế tạo và nghiên cứu cấu trúc, tính
chất điện hóa của một số điện cực biến tính vàng nano, ứng dụng phân tích
lượng vết Hg(II)” làm đề tài nghiên cứu cho luận án, với mục tiêu chế tạo một
số loại điện cực biến tính vàng cấu trúc nano, đánh giá những đặc tính về cấu
trúc và tính chất điện hóa của chúng và khảo sát khả năng ứng dụng của các điện
cực vào phân tích ion Hg(II) trong môi trường nước.
2. Mục đích của luận án
Nghiên cứu cấu trúc cũng như tính chất điện hóa của một số điện cực tự chế
tạo: các điện cực vàng cấu trúc nano và vàng nano biến tính bằng hợp chất hữu
cơ; đánh giá so sánh với điện cực vàng đĩa kích thước mm và vi điện cực vàng
1
sợi kích thước cỡ micromet. Từ đó định hướng khả năng ứng dụng vào việc phát
hiện và định lượng thủy ngân có trong mẫu nước.
3. Nội dung nghiên cứu của luận án
Chế tạo các loại điện cực vàng có cấu trúc nano khác nhau, vi điện cực
vàng sợi và điện cực vàng đĩa, điện cực vàng nano biến tính bằng đơn lớp
tự sắp xếp các hợp chất hữu cơ
Đánh giá hình thái bề mặt của các điện cực nano chế tạo được
Đánh giá những đặc tính điện hóa của các loại điện cực
Khảo sát khả năng ứng dụng các điện cực vào phân tích thủy ngân (II)
Khảo sát tín hiệu điện hóa của thủy ngân khi xác định bằng các
điện cực vàng đã chế tạo
Khảo sát điều kiện tối ưu cho phân tích Hg(II) trên các điện cực
Xây dựng được đường chuẩn tương ứng với từng điện cực
Đánh giá khả năng phân tích Hg(II) của các điện cực đã chế tạo
Ứng dụng vào phân tích mẫu, đối chiếu với phương pháp khác
Đánh giá sự ảnh hưởng của một số kim loại nặng khác: Cd(II),
Pb(II), Cu(II)…
4. Bố cục của luận án
Luận án gồm 140 trang, gồm phần Mở đầu (4 trang), Chương tổng quan
(36 trang), Chương thực nghiệm (13 trang), Chương kết quả và thảo luận (67
trang), Kết luận (2 trang), Những đóng góp mới của luận án (1 trang), Kiến
nghị và đề xuất (1 trang), Tài liệu tham khảo (12 trang), Danh mục các công
trình công bố liên quan đến luận án (1 trang) và Phụ lục (3 trang).
----------------------------------------------CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Thủy ngân
Thủy ngân là một kim loại nặng, có trạng thái lỏng ở điều kiện nhiệt độ
thường, rất dễ bay hơi vào không khí, có độ dẫn điện cao, nhạy với sự thay đổi
nhiệt độ, áp suất, có hệ số nở nhiệt là một hằng số ở trạng thái lỏng và dễ dàng
tạo hợp kim với nhiều kim loại khác (gọi là hỗn hống). Trong các hợp chất, thủy
ngân tồn tại ở cả dạng vô cơ và hữu cơ. Thủy ngân được ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông nghiệp, y học… [5, 6].
Thủy ngân có thể được phát thải ra môi trường theo nhiều con đường [7]: từ
nguồn tự nhiên hoặc từ các hoạt động của con người. Trong môi trường, thuỷ
ngân biến đổi qua nhiều dạng tồn tại hoá học [8].
2
Các dạng tồn tại của thủy ngân xâm nhập vào cơ thể con người trực tiếp hoặc
thông qua chuỗi thức ăn và tích lũy trong một số bộ phận trong cơ thể từ đó gây
ra những vấn đề sức khỏe khác nhau và nghiêm trọng hơn có thể dẫn đến tử
vong [3, 7]. Để đảm bảo an toàn sức khỏe, tổ chức Y tế Thế giới đã quy định
hàm lượng cho phép của thủy ngân trong nước uống nằm trong khoảng hàm
lượng vết (1 ppb).
1.2. Các phương pháp phân tích thủy ngân
Các phương pháp thường được sử dụng trong phân tích thủy ngân là: phổ
hấp thụ nguyên tử hóa hơi lạnh (CVAAS) [9], phổ huỳnh quang nguyên tử hóa
hơi lạnh (CVAFS) [10, 11], phổ phát xạ nguyên tử (AES) [12, 13], phương pháp
phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) [14] và phương pháp điện hóa [15, 16].
Trong đó, phương pháp phân tích điện hóa sử dụng hệ thiết bị đơn giản, gọn nhẹ
và rẻ tiền và có quá trình vận hành dễ dàng, có thể tiết kiệm chi phí phân tích, và
đơn giản hóa các bước phân tích.
1.3. Các loại điện cực làm việc trong phương pháp phân tích điện hóa
1.3.1. Điện cực vàng
Điện cực vàng có đặc điểm trơ về mặt hóa học, có khoảng thế làm việc điện
hóa rộng, đường nền thấp, dễ gia công, chế tạo thành các dạng khác nhau và dễ
dàng tái tạo. Các điện cực vàng rất đa dạng về cấu trúc, hình dạng và kích thước:
vàng trần dạng đĩa kích thước thông thường [15, 17, 18], dạng sợi [19], dạng đĩa
kích thước micro, điện cực màng vàng [20] hay các điện cực vàng cấu trúc nano
(nano dạng hạt, nano xốp…) [21, 22]. Điện cực vàng có lợi thế lớn khi phân tích
thủy ngân, do có ái lực lớn với Hg và tạo thành hỗn hống trên bề mặt điện cực,
do đó làm giảm giới hạn phát hiện (LOD) thủy ngân. LOD của các nghiên cứu
sử dụng điện cực vàng đã công bố nằm trong khoảng 10-9 10-12 M.
1.3.2. Điện cực cacbon
Điện cực cacbon có khoảng thế hoạt động điện hóa rộng, đặc biệt là về phía
anot, được chế tạo dưới nhiều dạng khác với chi phí thấp. Trong phân tích thủy
ngân, các điện cực cacbon rất ít khi được sử dụng phân tích trực tiếp mà thường
được sử dụng làm điện cực nền để biến tính bằng các vật liệu khác như vàng
[23], bitmut [51]. Một số loại vật liệu cacbon thường được sử dụng trong phân
tích điện hóa là: cacbon thủy tinh [24], cacbon bột nhão [25], sợi cacbon [20],
cacbon dạng ống nano [26], graphen và graphen oxit [27]
1.3.3. Điện cực boron-kim cương
3