Luận án Tiến sĩ: Tổng hợp vật liệu kháng khuẩn Ag/ZnTiO3, Ag/Zn2TiO4 cho gạch men

Đô thị hóa, công nghiệp hóa mang lại nhiều lợi ích. Tuy nhiên, chúng cũng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Dân số tập trung cao tại các thành phố lớn. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho vi rút, vi khuẩn phát triển nhanh. Nhiều bệnh liên quan hô hấp, ruột, da vẫn xảy ra đáng kể. Nhu cầu nghiên cứu chế tạo gạch men kháng khuẩn hiệu quả là cấp thiết. Gạch cần hoạt tính cao, hoạt động tốt cả khi có và không có ánh sáng khả kiến. Điều này góp phần cải thiện chất lượng môi trường sống.

Công nghệ nano có tiềm năng lớn trong tổng hợp vật liệu kháng khuẩn. Nano TiO2 có hoạt tính kháng khuẩn hiệu quả dưới tia cực tím. Tuy nhiên, hoạt tính này kém trong ánh sáng khả kiến và bóng tối. Vật liệu perovskite ZnTiO3 và spinel Zn2TiO4 có cấu trúc bền nhiệt. Chúng giàu khuyết tật oxy. Tuy nhiên, hoạt tính kháng khuẩn của ZnTiO3 và Zn2TiO4 đối với Staphylococcus aureus (S.aureus) và Escherichia coli (E.coli) còn yếu. Hạt nano bạc (AgNPs) nổi tiếng với hoạt tính kháng khuẩn tuyệt vời. AgNPs hiệu quả ngay cả khi không có ánh sáng khả kiến. Bạc được thêm vào để cải thiện khả năng kháng khuẩn của các vật liệu titanat kẽm. Đây là một vật liệu pha tạp hứa hẹn, cải thiện xúc tác quang và kháng khuẩn.

Phương pháp phức chất trung gian được áp dụng để tổng hợp vật liệu. Phương pháp này dựa trên cơ sở phương pháp Sol-gel truyền thống. Các vật liệu kháng khuẩn nano Ag/ZnTiO3 và Ag/Zn2TiO4 được tạo ra. Tiền chất ban đầu bao gồm AgNO3, (C4H9O)4Ti và Zn(NO3)2. Ethylenediaminetetraacetic axit (EDTA) được sử dụng làm tác nhân tạo phức. EDTA giúp ổn định các ion kim loại trong dung dịch. Điều này hỗ trợ quá trình hình thành cấu trúc nano mong muốn. Phương pháp này đảm bảo sự phân tán đồng đều của bạc trong nền titanat kẽm.

Tỷ lệ chất phản ứng có thể thay đổi để tạo ra Ag/ZnTiO3 hoặc Ag/Zn2TiO4. Với tỷ lệ Ag+:Zn2+:Ti4+:EDTA là 0.1:1:1:1, chủ yếu tạo Ag/ZnTiO3. Với tỷ lệ 0.1:2:1:6, Ag/Zn2TiO4 chiếm ưu thế hơn Ag/ZnTiO3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất vật liệu được khảo sát. Bao gồm nhiệt độ nung và tỷ lệ Ag+:Ti4+. Điều kiện tối ưu để tổng hợp Ag/ZnTiO3 là tỷ lệ 0.1:1:1:1, nung ở 650°C trong 2 giờ. Đối với Ag/Zn2TiO4, tỷ lệ tối ưu là 0.1:2:1:6, nung ở 650°C trong 2 giờ. Các điều kiện này giúp đạt được kích thước hạt nano mong muốn.

Nhiều phương pháp được áp dụng để xác định hình thái cấu trúc và tính chất vật liệu. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) được sử dụng. Các phương pháp này giúp quan sát trực tiếp hình dạng và kích thước hạt. Kết quả cho thấy các hạt nano Ag/ZnTiO3 và Ag/Zn2TiO4 có kích thước đồng đều. Kích thước hạt nằm trong khoảng 30-50nm. Kích thước nano nhỏ góp phần tăng diện tích bề mặt tiếp xúc. Điều này cải thiện hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu.

Cấu trúc tinh thể của vật liệu được xác định bằng nhiễu xạ tia X (XRD). XRD cung cấp thông tin về pha tinh thể và độ tinh khiết. Kết quả cho thấy có sự hình thành các pha ZnTiO3 và Zn2TiO4. Diện tích bề mặt riêng của Ag/ZnTiO3 là 13.79 m2/g. Đối với Ag/Zn2TiO4, diện tích bề mặt là 16 m2/g. Kết quả từ phổ XRD và sự tương thích đường cong của phổ XPS được dùng. Chúng cho thấy sự hiện diện của kim loại bạc và các oxit của nó trong mẫu tổng hợp. Điều này khẳng định sự thành công của quá trình pha tạp bạc.

Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu được khảo sát. Mục tiêu là đối với vi khuẩn S.aureus. Phương pháp trải đĩa đếm sống được dùng. Nó giúp xác định nồng độ diệt khuẩn nhỏ nhất (MBC). Vật liệu thể hiện hoạt tính kháng khuẩn hiệu quả cao. Khả năng kháng khuẩn này có cả khi có và không có mặt ánh sáng khả kiến. Điều này là một ưu điểm lớn so với vật liệu quang xúc tác truyền thống. Cơ chế kháng khuẩn liên quan đến giải phóng ion bạc (Ag+) từ các hạt nano bạc. Ion bạc có khả năng phá hủy màng tế bào vi khuẩn.

Ag/ZnTiO3 (tỷ lệ Ag+:Ti4+ = 1:10) ở nồng độ 20mg/mL. Vật liệu tiêu diệt 99.99% vi khuẩn S.aureus trong vòng 2 giờ. Toàn bộ vi khuẩn bị tiêu diệt hoàn toàn chỉ trong 4 giờ. Đối với Ag/Zn2TiO4 (tỷ lệ Ag+:Ti4+ = 1:10) ở nồng độ 20 mg/mL. Vật liệu này tiêu diệt hơn 98% S.aureus trong vòng 1 giờ. Toàn bộ vi khuẩn bị tiêu diệt hoàn toàn chỉ trong 2 giờ. Kết quả này cho thấy Ag/Zn2TiO4 có hoạt tính nhanh hơn. Các vật liệu này có khả năng diệt khuẩn mạnh, nhanh chóng. Chúng phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu quả cao.

Vật liệu kháng khuẩn Ag/ZnTiO3 và Ag/Zn2TiO4 được phủ lên bề mặt gạch men. Các tỷ lệ phủ khác nhau được nghiên cứu. Mục đích là khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của lớp phủ. Hoạt tính này được đánh giá đối với vi khuẩn E.coli. Gạch men được phủ lớp kháng khuẩn Ag/Zn2TiO4 thể hiện hoạt động kháng khuẩn tốt. Hoạt động này hiệu quả đối với cả hai loại vi khuẩn S.aureus và E.coli. Điều này chứng minh khả năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu trên sản phẩm gạch men.

Bên cạnh hoạt tính kháng khuẩn, lớp phủ Ag/Zn2TiO4 còn mang lại lợi ích khác. Nó cải thiện tính chất cơ học bề mặt của gạch men. Điều này là một yếu tố quan trọng cho ứng dụng trong xây dựng. Độ bền lớp phủ được tăng cường. Điều này đảm bảo tuổi thọ và khả năng chịu mài mòn của gạch. Sự kết hợp giữa khả năng kháng khuẩn và cải thiện cơ học làm tăng giá trị của sản phẩm gạch men. Nó mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các không gian yêu cầu vệ sinh cao.

Nghiên cứu đã tổng hợp thành công vật liệu composite Ag/ZnTiO3 và Ag/Zn2TiO4. Các vật liệu này có hoạt tính kháng khuẩn hiệu quả cao. Hoạt tính này thể hiện cả trong điều kiện có và không có ánh sáng. Kích thước hạt nano đồng đều (30-50nm) và diện tích bề mặt lớn. Điều này góp phần tăng cường hiệu quả kháng khuẩn. Ứng dụng trên gạch men đã được chứng minh thành công. Lớp phủ kháng khuẩn không chỉ diệt khuẩn. Nó còn cải thiện tính chất cơ học bề mặt gạch. Điều này tạo ra sản phẩm có giá trị gia tăng cao.

Vật liệu Ag/ZnTiO3 và Ag/Zn2TiO4 mở ra hướng phát triển mới. Hướng này tập trung vào gạch men có khả năng tự làm sạch và kháng khuẩn. Sản phẩm gạch men thế hệ mới sẽ cải thiện vệ sinh trong không gian sống. Nó giúp giảm thiểu nguy cơ lây lan mầm bệnh. Tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các khu vực công cộng, bệnh viện, trường học và nhà ở. Nghiên cứu này đặt nền tảng cho việc tạo ra các vật liệu thông minh. Chúng đóng góp vào một môi trường sống an toàn và lành mạnh hơn.