Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
306
KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ
VÀ THỜI GIAN THỦY NHIỆT ĐẾN SỰ PHÁT QUANG
CỦA CHẤM NANO CARBON
Bùi Thị Hoàn
Trường Đại học Thủy lợi, email: buithihoan@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Sự xuất hiện của chấm nano carbon (CDs)
như một thế hệ nano phát quang mới chỉ ra
một nghịch lý thú vị về nguyên tử carbon.
Các nhà khoa học nhận ra rằng những hạt
nano đó có rất nhiều trên hành tinh của chúng
ta (dưới dạng các mảnh than chì hoặc các loại
than) nhưng chúng không được chú ý cho
đến khi được tình cờ phát hiện vào năm
2004. CDs có phổ phát xạ rộng, huỳnh quang
có thể điều khiển được, phát xạ phụ thuộc
vào bước sóng kích thích và chuyển đổi
ngược. Chúng đã được sử dụng rộng rãi trong
các lĩnh vực khác nhau như chụp ảnh sinh
học, cảm biến, quang điện tử... [1]. Gần đây
các nhà khoa học đã tìm ra nguồn nguyên
liệu hóa chất tiềm năng để chế tạo CDs là các
thực vật, các chất thải trong sản suất nông
nghiệp. CDs có thể được chế tạo bằng các
phương pháp khác nhau như điện hóa, ô xi
hóa hóa học, thủy nhiệt... Phương pháp thủy
nhiệt được coi là phương pháp chế tạo vật
liệu có chi phí thấp, thân thiện với môi
trường, dễ dàng điều khiển kích thước của
vật liệu.
Bài báo này trình bày sự ảnh hưởng của
nhiệt độ cũng như thời gian thủy nhiệt lên
đặc tính, tính chất của chấm nano carbon
được chế tạo từ nước chanh.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tiền chất được chọn để chế tạo chấm nano
carbon là quả chanh Đà Lạt. Nước chanh
nguyên chất sau khi đã lọc bỏ hạt được đổ
vào bình và thủy nhiệt ở các nhiệt độ khác
nhau 120, 150, 200 và 240C trong khoảng
thời gian xác định. Sau khi lấy ra khỏi lò,
bình thủy nhiệt được để nguội tự nhiên đến
nhiệt độ phòng. Dung dịch màu nâu được lọc
bằng giấy lọc 2 m để loại bỏ than.
Đặc tính của vật liệu được phân tích bằng
ảnh hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao
HRTEM TecnaiG2 2-s = twin, phổ hồng ngoại
(FTIR) được đo bởi thiết bị Fourier FTIR 6700
- Thermo Nicolet. Phổ huỳnh quang của mẫu
được ghi lại bằng máy huỳnh quang Nano
Log (Horiba, Edison, USA). Ảnh nhiễu xạ
XRD của màng mỏng CDs đã thu được nhờ sử
dụng thiết bị D8 Advance, Bruker, Germany.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Chanh chứa rất ít chất béo và protein.
Trong 100 g nước chanh chứa 88,9 g nước,
9,32 g carbohydrat, 2,8 g chất xơ, 1,1 g
protein, 0,3 g chất béo. Cacbohydrat trong
chanh thường bao gồm chất xơ và các đường
đơn như sucrose, fructose, glucose. Quá trình
hình thành CDs bằng phương pháp thủy nhiệt
thường trải qua ba bước: (i) nhiệt phân các
tiền chất giàu carbon ở nhiệt độ cao, dẫn đến
(ii) sự carbon hóa và tạo mầm, theo sau đó là
(iii) sự thụ động hóa bề mặt bởi các tác nhân
ổn định. Hình 1 là ảnh HRTEM của CDs
được chế tạo ở 200 và 240C trong 12 h. Các
đốm đen rõ ràng được quan sát trong ảnh
chứng tỏ sự hình thành các chấm CDs tách
biệt. Các cụm này dường như có dạng hình
cầu với kích cỡ từ 13 đến 15 nm khi được chế
tạo ở 200C và từ 4 đến 6 nm khi được chế
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
307
tạo ở 240C. Như vậy khi nhiệt độ thủy nhiệt
tăng thì kích thước của hạt giảm.
Hình 1. Ảnh HR-TEM của CDs được chế tạo
ở (a) 200
C, 12 h; (b) 240
C, 12 h.
Không quan sát thấy bất kỳ mạng lưới tinh
thể nào trong phạm vi một chấm CDs. Điều
này chứng tỏ CDs có bản chất vô định hình.
Chất lượng tinh thể của CDs cũng được thể
hiện thông qua giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)
trong hình 2. Trong giản đồ XRD của CDs
quan sát thấy đỉnh nhiễu xạ rộng ở 20,7C,
cho thấy độ kết tinh kém của CDs. Cường độ
của đỉnh nhiễu xạ giảm khi nhiệt độ tăng. Sự
hình thành của CDs liên quan đến sự thêu kết
của các cụm carbon. Khi ở nhiệt độ cao thì
các cụm carbon càng trở nên rối loạn và mất
trật tự hơn, vì vậy mà không hình thành mạng
tinh thể trong chấm CDs.
Hình 2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của CDs
được chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau
Sự tồn tại của các liên kết hóa học cũng
được chứng minh từ phổ hồng ngoại biến đổi
Fourier (hình 3). Quan sát trên phổ hồng ngoại
của CDs nhận thấy số lượng lớn các nhóm
chứa oxy. Đỉnh 1713 cm-1 tương ứng với dao
động dãn đặc trưng COOH. Đỉnh ở 1636 cm-1
tương ứng với các liên kết C = C và C = O.
Các đỉnh hấp thụ ở 1390 và 2925 cm-1 cho
thấy sự tồn tại của liên kết C-H. Đỉnh 3440
cm-1 xuất hiện được cho là do sự có mặt của
nhóm –OH trong mẫu. Đỉnh 1124 cm-1 tương
ứng với sự có mặt của liên kết C-O-C[2].
Hình 3. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
của CDs
Huỳnh quang dường như là tính chất vốn
có của các loại CDs. Dung dịch CDs thu
được khi quan sát ở điều kiện thường có màu
nâu đậm. Khi được chiếu bởi tia cực tím 365
nm thì nó phát xạ màu xanh lá cây (hình 4).
Hình 4. Ảnh chụp dung dịch CDs ở điều kiện
thường và khi được chiếu bởi tia tử ngoại
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
308
Sau khi khảo sát một cách định tính khả
năng phát quang của vật liệu, nhóm nghiên
cứu đã tiến hành đo phổ huỳnh quang của
CDs để khảo sát ảnh hưởng của điều kiện chế
tạo lên cường độ phát xạ của vật liệu. Hình 5
là phổ huỳnh quang của CDs được chế tạo ở
280C trong các khoảng thời gian khác nhau
3, 6, 9 và 12 h khi được kích thích bởi bước
sóng 410 nm. Nhận thấy rằng thời gian thủy
nhiệt không ảnh hưởng đến vị trí đỉnh phát xạ
cực đại nhưng ảnh hưởng đến cường độ
huỳnh quang. Khi thời gian thủy nhiệt tăng
thì cường độ phát xạ cũng tăng dần. Như vậy
thời gian thủy nhiệt càng lớn thì số lượng tâm
phát xạ được hình thành nhiều hơn. Dựa trên
kết quả này chúng tôi chọn 12 h làm thời gian
thủy nhiệt cho các thí nghiệm tiếp theo.
Hình 5. Phổ huỳnh quang của CDs được chế
tạo ở 280 oC với thời gian thủy nhiệt thay đổi
Hình 6 là phổ huỳnh quang của dung dịch
CDs được chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau
trong cùng khoảng thời gian 12 h ứng với
bước sóng kích thích 410 nm. Chú ý thấy
rằng phổ huỳnh quang của CDs có dải phát
xạ rộng trải dài từ vùng cực tím đến vàng.
Phổ này gồm đỉnh phát xạ tập trung ở vùng
xanh lá cây trong khoảng từ 500 đến 550 nm
tùy thuộc vào nhiệt độ thủy nhiệt. CDs được
chế tạo ở 150, 200, 240 và 280C, có đỉnh
phát xạ tương ứng ở 550, 540, 518 và 508
nm. Như vậy khi giảm nhiệt độ thủy nhiệt thì
bước sóng phát xạ tăng.
Hình 6. Phổ huỳnh quang của CDs
được chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau
trong cùng thời gian thủy nhiệt
4. KẾT LUẬN
Như vậy chấm nano carbon được chế tạo
từ nước chanh bằng phương pháp thủy nhiệt
phát xạ ánh sáng màu xanh lá cây. Khi thời
gian thủy nhiệt và nhiệt độ tăng thì cường độ
phát xạ cũng tăng dần. Khi nhiệt độ thủy
nhiệt tăng thì bước sóng phát xạ trở nên ngắn
hơn. Dựa vào kết quả trên chúng tôi đã lựa
chọn điều kiện thủy nhiệt là 240oC và 12h để
chế tạo CDs với tiềm năng ứng dụng để phát
hiện ion kim loại dựa trên hiệu ứng dập tắt
huỳnh quang và chụp ảnh sinh học[3].
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lin Cui et al, (2021), Carbon Dots:
Synthesis, Properties and Applications,
Nanomaterials, 11, 3419.
[2] Sumaiyah et al, (2023), Hydrothermally
nitrogen-doped carbon dots (N-C-dots)
from isolated lignin of oil palm empty fruit
bunch for bacterial imaging of Staphylococcus
aureus, Case Studies in Chemical and
Environmental Engineering, 8, 100455.
[3] Aschalew Tadesse et al, (2020), Fluorescent-
Nitrogen-Doped Carbon Quantum Dots
Derived from Citrus Lemon Juice: Green
Synthesis, Mercury(II) Ion Sensing, and Live
Cell Imaging, ACS Omega, 5, 3889-3898.