Tổng hợp vật liệu nano bạc trên nền graphene oxide-polymer siêu nhánh ứng dụng làm chất xúc tác và kháng khuẩn :Luận văn thạc sĩ - Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN QUANG KHẢI

TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO BẠC TRÊN NỀN

GRAPHENE OXIDE-POLYMER SIÊU NHÁNH

ỨNG DỤNG LÀM CHẤT XÖC TÁC VÀ KHÁNG

KHUẨN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC

Mã chuyên ngành: 8520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021

Công trình đƣợc hoàn thành tại Trƣờng Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Cao Xuân Thắng

Luận v n thạc s đƣợc ảo vệ tại Hội đồng ch m ảo vệ Luận v n thạc s Trƣờng

Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, ngày…… tháng…… n m 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận v n thạc s gồm:

1. GS.TS. Nguyễn Cửu Khoa........................................- Chủ tịch Hội đồng

2. PGS.TS. Trần Nguyễn Minh Ân...............................- Phản iện 1

3. TS. Trần Hoài Lam ...................................................- Phản iện 2

4. TS. Võ Thành Công ..................................................- Ủy viên

5. TS. Đoàn V n Đạt.....................................................- Thƣ ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA

GS.TS. Nguyễn Cửu Khoa PGS.TS. Nguyễn Văn Cƣờng

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN QUANG KHẢI MSHV: 18000351

Ngày, tháng, n m sinh: 29/07/1994 Nơi sinh: ĐỒNG NAI

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã chuyên ngành: 8520301

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Tổng hợp vật liệu nano ạc trên nền graphene oxide-polymer siêu nhánh ứng dụng

làm ch t xúc tác và kháng khuẩn.

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Tổng hợp graphene oxide (GO), chức hóa GO với maleic anhydride (MA) ằng

phản ứng Diels-Alder trong ch t lỏng ion thế hệ mới;

 Tổng hợp GO-polymaleicamide c u trúc một tầng (GO-PMAAM-G1.0), hai

tầng (GO-PMAAM-G2.0), và a tầng (GO-PMAAM-G3.0);

 Tổng hợp nano ạc trên nền GO-polymaleicamide (AgNPs/GO-PMAAM);

 Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu AgNPs/GO-PMAAM trong phản ứng khử

4-nitrophenol;

 Đánh giá khả n ng tái sử dụng của vật liệu xúc tác AgNPs/GO-PMAAM;

 Khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu tổng hợp đối với dòng vi khuẩn

Escherichia coli, Staphylococcus aureus, và Bacillus cereus.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 7 tháng 6 n m 2021

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 7 tháng 12 n m 2021

V. NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Cao Xuân Thắng

TP. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 12 năm 2021

NGƢỜI HƢỚNG DẪN TRƢỞNG KHOA

TS. Cao Xuân Thắng PGS.TS. Nguyễn Văn Cƣờng

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

i

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng iết ơn đến TS. Cao Xuân Thắng, khoa Công nghệ

Hóa học, Trƣờng Đại học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã hƣớng dẫn tận

tình và truyền đạt những kiến thức ổ ích, những kinh nghiệm thực tiễn và tạo mọi

điều kiện thuận lợi nh t để tôi hoàn thành luận v n.

Tôi cũng gửi lời cám ơn đến các quý Thầy/Cô thuộc Khoa Công Nghệ Hóa Học đã

tận tình giảng dạy những kiến thức chuyên môn và tạo nhiều điều kiện cần thiết để

tôi hoàn thành đề tài. Cám ơn các thầy cô đã sắp xếp thời gian, tạo điều kiện và

hƣớng dẫn cho tôi trong suốt thời gian khó kh n vừa qua để hoàn thành chƣơng

trình học.

Bên cạnh đó, tôi xin cảm ơn gia đình tôi đã luôn ên cạnh ủng hộ, tạo mọi điều kiện

thuận lợi và là chỗ dựa vững chắc để tôi vƣợt qua khó kh n, vững niềm tin hoàn

thành luận v n này. Và tôi cũng cảm ơn đến các anh chị, ạn è đã hết lòng giúp đỡ

tôi trong quá trình học tập và làm nghiên cứu.

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo trƣờng ĐH Công Nghiệp

TP.HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật ch t, trang thiết ị để chúng tôi

học tập.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 12 năm 2021

Học viên

Nguyễn Quang Khải

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong đề tài này, graphene oxide (GO) đã đƣợc chức hóa thành công với maleic

anhydride (MA) ằng phản ứng Diels-Alder trong ch t lỏng ion thế hệ mới (deep

eutectic solvent, DES) dƣới sự hỗ trợ của sóng siêu âm. Vật liệu graphene oxide￾maleic anhydride (GO-MA) đƣợc sử dụng cho phản ứng với ethylene diamine

(EDA) tạo thành graphene oxide-polymaleicamide (GO-PMAAM). Quá trình tổng

hợp polymer siêu nhánh c u trúc a tầng trên nền GO (GO-PMAAM-G3.0) đƣợc

lặp lại ằng phản ứng chức hóa luân phiên của GO-PMAAM với MA và EDA. Sau

đó, nano ạc đƣợc tích hợp trên ề mặt vật liệu GO-PMAAM (AgNPs/GO￾PMAAM) thông qua quá trình khử AgNO3 dƣới ánh sáng nhìn th y. Vật liệu tổng

hợp đƣợc phân tích ằng các phƣơng pháp phân tích hóa lý hiện đại nhƣ phân tích

phổ Raman, phổ hồng ngoại chuỗi iến đổi FT-IR, nhiễn xạ tinh thể tia X (XRD),

phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA), hình ảnh ề mặt-tán xạ n ng lƣợng tia X (SEM￾EDX), và quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV-VIS). Kết quả đã chứng minh rằng

MA và EDA đƣợc chức hóa lên ề mặt GO cũng nhƣ sự tích hợp thành công nano

ạc lên trên vật liệu GO-PMAAM. Vật liệu tổng hợp AgNPs/GO-PMAAM đƣợc

đánh giá hoạt tính xúc tác ằng phản ứng khử 4-nitrophenol (4NP) cũng nhƣ khả

n ng tái sử dụng cho quá trình xúc tác của vật liệu. Vật liệu AgNPs/GO-PMAAM

cũng thể hiện khả n ng kháng khuẩn thông qua hiệu quả ức chế đối với a chủng vi

khuẩn là Escherichia coli, Staphylococcus aureus, và Bacillus cereus.

iii

ABSTRACT

In this study, maleic anhydride (MA) functionalized graphene oxide (GO) was

prepared in deep eutectic solvent (DES) for further synthesis of dendrimer stabilized

silver nanoparticles (AgNPs). The first time MA was covalently grafted onto the

surface of GO by Diels-Alder (DA) ―click‖ reaction in the present of choline

chloride: zinc chloride (ChCl: ZnCl2) DES under ultrasound assistance to obtain

GO-MA. The GO-MA was utilized to synthesize graphene oxide-polymaleicamide

(GO-PMAAM) by the reaction between MA and ethylenediamine (EDA). The

AgNPs/GO-PMAAM composites were formed by the reduction of silver ion on the

GO-PMAAM under visible light irradiation. The AgNPs/GO-PMAAM hybrids

were characterized by FT-IR, XRD, TGA, SEM, EDX, UV-vis, and Raman

spectroscopies. The AgNPs/GO-PMAAM was utilized as a catalyst for reduction of

4-nitrophenol into 4-aminophenol while antibacterial activity was examined by in

vitro assays towards Escherichia coli, Staphylococcus aureus, and Bacillus cereus

bacteria strains.

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên Nguyễn Quang Khải là học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học,

lớp CHHO8A của trƣờng Đại học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh.

Cam đoan rằng:

 Những kết quả nghiên cứu đƣợc trình ày trong luận v n là trung thực, không

sao chép từ t kỳ một nguồn nào và dƣới t kỳ hình thức nào.

 Những kết quả nghiên cứu của các tác giả khác và các số liệu đƣợc sử dụng

trong luận v n đều có trích dẫn đầy đủ.

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 12 năm 2021

Học viên

Nguyễn Quang Khải

i

MỤC LỤC

MỤC LỤC ............................................................................................................. i

DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................. viii

MỞ ĐẦU .............................................................................................................1

1. Đặt v n đề...........................................................................................................1

2. Mục tiêu nghiên cứu...........................................................................................2

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................3

4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu.........................................................4

5. Ý ngh a thực tiễn của đề tài................................................................................4

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN .....................................................................................5

1.1 Ch t lỏng ion thế hệ mới – deep eutectic solvent (DES) ...................................5

1.2 Vật liệu trên nền car on trong xử lý môi trƣờng................................................9

1.2.1 Graphene...........................................................................................................11

1.2.2 Graphene oxide (GO) .......................................................................................11

1.2.3 Chức hóa GO và phản ứng Diels-Alder...........................................................12

1.3 Tổng quan về nano ạc.....................................................................................13

1.3.1 Giới thiệu về kim loại ạc và nano ạc ............................................................13

1.3.2 Cơ chế kháng khuẩn của nano ạc ...................................................................15

1.3.3 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc về vật liệu nano ạc....................................16

CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM...............................................................................17

2.1 Hóa ch t, dụng cụ và thiết ị............................................................................17

2.1.1 Hóa ch t............................................................................................................17

2.1.2 Dụng cụ ............................................................................................................17

2.1.3 Máy móc và thiết ị phân tích ..........................................................................18

2.2 Quy trình thực nghiệm......................................................................................29

2.2.1 Tổng hợp graphene oxide (GO) từ graphite .....................................................29

2.2.2 Chức hóa GO với maleic anhydride (MA) trong DES.....................................31

ii

2.2.3 Tổng hợp GO-Polymaleicamide một tầng (GO-PMAAM-G1.0) ....................33

2.2.4 Tổng hợp GO-Polymaleicamine hai tầng (GO-PMAAM-G2.0)......................35

2.2.5 Tổng hợp GO-Polymaleicamine a tầng (GO-PMAAM-G3.0).......................36

2.2.6 Tổng hợp AgNPs/GO-PMAAM.......................................................................38

CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN.............................................................44

3.1 Kết quả tổng hợp GO .......................................................................................44

3.2 Quá trình chức hóa GO với MA trong ch t lỏng ion DES...............................45

3.3 Kết quả tổng hợp GO-polymaleicamine ba nhánh (GO-PMAAM-G3.0)........46

3.3.1 Kết quả tổng hợp GO-PMAAM-G1.0..............................................................46

3.3.2 Kết quả tổng hợp GO-PMAAM-G2.0..............................................................46

3.3.3 Kết quả tổng hợp GO-PMAAM-G3.0..............................................................47

3.3.4 Kết quả phổ Raman ..........................................................................................48

3.3.5 Kết quả đo phổ hồng ngoại FT-IR....................................................................49

3.3.6 Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD).....................................................................51

3.3.7 Kết quả phân tích TGA ....................................................................................53

3.4 Kết quả tổng hợp AgNPs/GO-PMAAM ..........................................................54

3.5 Khảo sát hoạt tính xúc tác và kháng khuẩn của AgNPs/GO-PMAAM-G3.0 ..58

3.5.1 Khảo sát ƣớc sóng h p thụ và dựng đƣờng chuẩn cho 4-nitrophenol (4-NP)58

3.5.2 Khảo sát ảnh hƣởng của số tầng polymer trong c u trúc vật liệu đến hoạt tính

xúc tác khử 4-NP..............................................................................................59

3.5.3 Đánh giá khả n ng tái sử dụng của xúc tác AgNPs/GO-PMAAM ..................62

3.5.4 Động học phản ứng chuyển hóa 4-NP thành 4-AP ..........................................65

3.5.5 Ảnh hƣởng của khối lƣợng xúc tác AgNPs/GO-PMAAM đến quá trình khử 4-

NP.....................................................................................................................68

3.5.6 Cơ chế phản ứng của quá trình khử 4-NP thành 4-AP.....................................69

3.5.7 Ảnh hƣởng của pH đến quá trình khử 4-NP ằng vật liệu AgNPs/GO￾PMAAM-G3.0..................................................................................................71

3.5.8 Khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của AgNPs/GO-PMAAM:............................72

KẾT LUẬN ...........................................................................................................77

KIẾN NGHỊ ...........................................................................................................78

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................79

iii

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN .........................................................86