Điện cực Nano Au trong xác định As, Hg và Cr theo phương pháp Von-Ampe

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------- Nguyễn Khắc Mạnh KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH-2010 1 M u Kĩ thuật von-ampe phát triển từ phương pháp cực phổ, được phát minh b i Jaroslav Heyrovsky (giải nobel năm 1959). Năm 1942, Hickling phát minh hệ ba điện cực giúp kiểm soát được thế của điện cực làm việc. iều này tạo điều kiện thuận lợi cho phương pháp von- ampe phát triển hơn. Trong những năm 1960-1970, kĩ thuật von- ampe được phát triển mạnh. Trong phương pháp này, kĩ thuật von-ampe hòa tan là quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi. Kĩ thuật này cho phép xác định hàm lượng vết của nhiều hợp chất vô cơ và hữu cơ. Giới hạn phát hiện thấp, độ chọn lọc tốt, độ nhạy cao là các thuận lợi chính của kĩ thuật này. iện cực làm việc phổ biến nhất trong kĩ thuật này là thủy ngân. Các thuận lợi chính của điện cực giọt thủy ngân là bề mặt luôn được làm mới, quá thế hydro cao và khá ổn định. Tuy nhiên, độc tính cao của thủy ngân đã hạn chế sự phát triển của kĩ thuật này trong những năm g n đây. Do đó, để phương pháp von- ampe tiếp tục phát triển, c n một loại điện cực mới thân thiện với môi trường hơn. Tuy đã có những nghiên cứu sử dụng các điện cực rắn như carbon, platin, vàng… Nhưng các hạn chế của bề mặt rắn, khả năng khuếch tán, các điện cực rắn thường gây bất lợi trong thực nghiệm như không có độ lặp lại, phạm vi hoạt động hẹp, tốn nhiều thời gian để làm mới bề mặt. Do đó, phương pháp von-ampe c n một loại điện cực mới có tính năng vật lí ưu việt hơn so với điện cực rắn [1]. Hình 1-1. Biểu đồ các xuất bản về hạt nano qua các năm. Những năm g n đây, có khuynh hướng mới ứng dụng điện cực nano vào phương pháp von-ampe (hình 1). iện cực nano với các tính năng hoá lí ưu việt như diện tích bề mặt 2 thực rất lớn, độ truyền khối cao và khả năng x c tác các phản ứng điện cực. iện cực nano có độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt, phản ứng điện cực thuận nghịch hơn so với điện cực khối có c ng vật liệu [2]. Do đó, điện cực nano tr thành ứng viên thay thế điện cực thuỷ ngân trong tương lai. ể tiếp cận với khuynh hướng mới này, ch ng tôi nghi n cứu ứng dụng điện cực nano u vào phương pháp von - ampe trên một số đối tượng khó phân tích bằng điện cực rắn như As(III &VI), Hg II) và r(VI). Nếu thành công, đây sẽ là hướng nghiên cứu của nhóm ch ng tôi trong tương lai. 8 cực làm việc thường là điện cực giọt thủy ngân hoặc điện cực rắn. Kết quả biểu diễn cường độ d ng tr n trục tung và thế m i xung tr n trục hoành [4]. Hình 1-2. Sơ đồ áp thế kĩ thuật xung thường. 1.1.2.2. Thế được qu t với một dãy xung có bi n độ cố định nằm trong khoảng 10 tới 100 mV và chân thế được dâng l n từ từ. ường độ dòng được đo tại hai điểm của m i xung: điểm đ u được đo ngay trước khi áp xung và điểm thứ hai được đo ngay trước khi ngắt xung [5]. ường biểu diễn cường độ d ng theo thế có dạng peak. ường độ peak t lệ với nồng độ chất phân tích trong dung dịch. Hình 1-3. Sơ đồ áp thế kĩ thuật xung vi phân. Kĩ thuật áp xung vi phân cho ph p xác định được từng chất trong dung dịch khi thế bán sóng của ch ng ch cách nhau 0.05 V. ộ nhạy cao của kĩ thuật này nhờ vào sự tăng d ng Faraday c ng với triệt ti u d ng không Faraday [6]. 1.1.2.3. Tín hiệu được kích thích gồm một xung sóng vuông đối xứng có bi n độ được dâng l n theo dạng sóng bậc thang. hiều cao peak t lệ trực tiếp với nồng độ dạng điện hoạt. 9 Hình 1-4. Sơ đồ áp thế sóng vuông. Kĩ thuật này cho độ nhạy cao, tốc độ qu t nhanh và t lệ tín hiệu nền cao. Sóng vuông được áp dụng trong nghi n cứu động học của phản ứng điện cực, phản ứng hóa học x c tác đồng thể, xác định hàm lượng chất mức độ vết và làm đ u d điện hóa gh p với sắc kí l ng hiệu năng cao [4] 1.1.2.4. Von-amp Von- ampe hoà tan là quá trình oxy hóa hoặc khử di chuyển các nguy n tử, ion hoặc các hợp chất từ bề mặt điện cực hoặc từ thân điện cực trong trường hợp điện cực giọt thủy ngân). Ban đ u, các nguy n tử, ion hoặc các hợp chất được giữ cố định tr n bề mặt điện cực như là một bước làm giàu. Sau đó, ch ng được hoà tan điện hóa tr lại dung dịch điện phân. ước 1: tích góp chất phân tích l n tr n hoặc thấm vào trong điện cực làm việc. Khi hoạt độ dạng tích góp tăng dẫn tới nồng độ chất phân tích tại bề mặt điện cực tăng l n và d ng khuếch tán giảm. Tại dung lượng giới hạn của điện cực, cơ chế của quá trình tích góp tr n n phức tạp b i tương tác h t, đẩy qua lại giữa các hạt được tích góp. Tuy nhi n, trong phương pháp phân tích von-ampe h a tan ch sử dụng được khi các tương tác đó là không đáng kể và có thể b qua được. ước 2: h a tan chất tích góp tr n hoặc trong điện cực làm việc bằng một trong các kĩ thuật von-ampe hoà tan anod hoặc catod. Việc lựa chọn phương pháp von-ampe và điện cực làm việc phụ thuộc vào tính chất và nồng độ của chất phân tích. Sự phân cực anod oxy hóa kim loại trong h n hống, trên bề mặt điện cực rắn và một số chất hữu cơ hấp thu trong cửa sổ thế của điện cực. Sự phân cực catod ph hợp với các oxid, muối thủy ngân và muối thủy ngân hóa trị một, các phức ion kim loại hấp thu và các phân tử hữu cơ khử được. 10 Mặt khác, các điều kiện thuỷ động lực học trong dung dịch cũng ảnh hư ng tới quá trình tích góp và hoà tan chất phân tích. Thông thường, dung dịch được khuấy trộn trong quá trình tích góp nhưng khi h a tan thì không khuấy trộn, do vậy, c n có 5 tới 15 giây cân bằng giữa hai giai đoạn. Phương pháp von-ampe h a tan phải th a điều kiện có hai mối tương quan tuyến tính. Mối quan hệ đ u tiên giữa hoạt độ chất dạng tích góp và nồng độ chất phân tích trong mẫu. Mối qua hệ thứ hai giữa cường độ d ng h a tan cực đại và hoạt độ của chất được tích góp. Qua đó, tồn tại một mối quan hệ tuyến tính giữa cường độ d ng h a tan cực đại và nồng độ chất phân tích. Tuy nhiên, mối quan hệ tuyến tính này ch th a mãn khi nồng độ chất phân tích dưới mức bão h a điện cực. hính vì nguy n nhân này n n phương pháp voltammetry được áp dụng chính trong phân tích hàm lượng vết. Giới hạn phát hiện phụ thuộc vào hệ số t lệ giữa hoạt độ chất dạng tích góp và nồng độ dạng hoà tan trong dung dịch. Hệ số t lệ giữa cường độ d ng h a tan cực đại và nồng độ chất phân tích hiếm khi được biết chính xác. Tuy nhiên, dựa trên kinh nghiệm mà mối quan hệ tuyến tính này được thiết lập theo phương pháp th m chuẩn. Nồng độ chất phân tích trong mẫu được tăng l n bằng cách th m vào một thể tích chính xác dung dịch chuẩn có nồng độ biết trước, lặp lại bước này ba đến bốn l n. Dùng phương pháp ngoại suy hồi quy tuyến tính tới trục nồng độ để xác định nồng độ chất trong mẫu [5]. 1.1.2.5. -  ịnh lượng các chất hữu cơ và vô cơ có hoạt tính điện cực mức ppb  ác định thế oxy hóa khử  Làm đ u d điện hóa gh p với sắc kí l ng hiệu năng cao  Nghi n cứu động học của phản ứng  ác định quá trình hấp thu bề mặt  ác định cơ chế truyền electron và cơ chế phản ứng  ác định các tính chất nhiệt động lực học của các dung môi đặc biệt  Nghiên cứu quá trình oxy hóa và khử trong các môi trường khác nhau [4]. 1.1.2.6. ệ ệ ell điện hóa bao gồm mẫu được h a tan trong dung môi thích hợp, dung dịch điện phân và hệ ba điện cực. ác cell điện hóa có nhiều loại khác nhau về kích thước, hình 11 dạng và chất liệu. ác chất liệu chế tạo cell thường là thủy tinh, thạch anh, tefflon hay polyethylene. ell được lựa chọn dựa tr n loại mẫu, kĩ thuật xác định và dữ liệu phân tích thu được [4]. Hệ ba điện cực gồm có điện cực làm việc, điện cực so sánh và điện cực phụ trợ. iện cực làm việc phải th a các yêu c u: trơ về mặt hóa học và điện hóa, phải có quá trình điện hoạt, độ dẫn điện tốt. Yêu c u này th a mản với các vật liệu như các kim loại qu , carbon và ít thường d ng hơn là các oxid kim loại hoặc polymer.  iện cực thủy ngân. Thủy ngân có các tính chất hóa lí là chất l ng nhiệt độ ph ng, sức căng bề mặt rất cao n n không thấm nước, tạo h n hống với rất nhiều kim loại nặng và các muối của thủy ngân hóa trị một rất ít tan. Quan trọng nhất là phản ứng khử H2 tr n thủy ngân c n một quá thế rất cao. iện cực thủy ngân truyền thống dạng giọt (DME). Giọt được tạo ra theo chu kì từ bình chứa qua cột mao quản thủy tinh và tạo thành giọt tại đ u mao quản chìm trong dung dịch điện phân. Thời gian sống của giọt phụ thuộc tốc độ thủy ngân chảy qua cột mao quản và kích thước giọt. Một giọt thủy ngân treo và rơi ổn định có thể được điều khiển bằng tay được gọi là điện cực giọt thủy ngân treo (HDME), hoặc điều khiển bằng điện được gọi là điện cực giọt thủy ngân tĩnh (SDME). Kiểu giọt rơi điều khiển bằng tay ngày nay không c n d ng nữa. Một loại điện cực khác của thủy ngân là điện cực màng. h ng được tạo ra bằng cách mạ catod của thủy ngân tr n đế mang rắn. Trong von-ampe hòa tan anod điện cực màng thủy ngân có hiệu quả tích góp và tốc độ truyền khối cao hơn điện cực giọt thủy ngân. iện cực màng thủy ngân sử dụng lượng thủy ngân ít nên ít độc hơn điện cực dạng giọt. Tuy nhiên, điện cực màng nhạy với một số chất không điện hoạt và các chất hoạt động bề mặt. Nói chung, thuận lợi chính của điện cực giọt thủy ngân là quá thế hidro lớn, điện cực luôn được làm mới và bề mặt sạch, diện tích bề mặt của các giọt thường là một hằng số. Tuy nhiên, độc tính của Hg và cửa sổ thế bị hạn chế về phía dương.  iện cực carbon Carbon graphite có tính chất trơ, giá thành rẻ. Tuy nhiên, graphite có cấu tr c l xốp lớn n n dễ hấp thụ chất bẩn và sản phẩm của quá trình điện hóa dẫn tới đường nền cao. ể chế tạo điện cực graphite có độ bền cơ học cao c n giảm bớt cấu trúc xốp. iện cực 12 glassy carbon gồm graphite và bột thủy tinh được n n chặt có độ bền cơ học cao n n được sử dụng nhiều nhất trong các loại điện cực carbon. Thuận lợi chính của điện cực carbon là cửa sổ thế rộng do quá thế hidro lớn và khá ổn định dưới sự phân cực anod. iện cực được hoạt hóa anod tại thế dương cao gi p tăng độ nhạy và độ lặp lại của phương pháp [7].  iện cực kim loại quý ác kim loại qu như u và Pt có tính chất trơ về mặt hóa học và điện hóa, rất thích hợp làm điện cực anod sử dụng cho các phản ứng có thế ti u chuẩn dương. iện cực Au có quá thế H2 lớn hơn Pt n n được sử dụng nhiều hơn trong phương pháp von-ampe hoà tan. ác điện cực u và màng u có độ nhạy cao, độ lặp lại tốt và khoảng tuyến tính rộng. Tuy nhiên, điện cực Au còn một số nhược điểm như độ lặp lại kém, bề mặt điện cực dễ nhiễm bẩn, giá thành chế tạo cao. iện cực màng vàng c n bước chuẩn bị lâu, mất hoạt tính nhanh. Với điện cực nano Au, hoạt tính điện cực duy trì được lâu hơn, giá thành chế tạo rẻ hơn điện cực vàng khối, quan trọng hơn là hiệu năng điện cực hơn hẳn các loại điện cực khối.  Quá trình điện cực Khoảng thế mà trong đó điện cực bị phân cực được gọi là cửa sổ thế điện cực. Phản ứng điện cực là nguy n nhân gây gradient nồng độ vuông góc với bề mặt điện cực. ường độ d ng t lệ với gradient nồng độ. Tuy nhiên, mối quan hệ này phụ thuộc vào điện cực làm việc, điều kiện thủy động lực học và kĩ thuật von-ampe. iện cực làm việc được lựa chọn phụ thuộc cơ chế phản ứng điện cực. Chất phản ứng phải có tính điện hoạt mới xảy ra phản ứng điện cực. Sản phẩm của phản ứng điện cực có thể là chất ít tan, chất hoaatj động bề mặt… ác điện cực rắn được sử dụng cho phân tích các ion kim loại không xác định được tr n điện cực giọt thủy ngân. ác ion này được phân làm hai nhóm. Nhóm 1 gồm các ion có thế đ nh hoà tan cao và g n với thế đ nh của thủy ngân. Nhóm 2 gồm các nguy n tử h a tan k m trong thủy ngân như Sb, o, Ni, Fe... Lưu , điện cực làm việc ch được sử dụng trong cửa sổ thế điện cực. Khi xác định chất phân tích tr n điện cực rắn, sự hình thành oxide bề mặt làm thay đổi cấu trúc bề mặt điện cực làm dâng đường nền, giảm độ nhạy và có thể sai lệch tín hiệu. iện cực bị ăn m n khi mật độ d ng cao. Do đó, các điện cực luôn được nh ng chìm trong dung dịch điện phân nhằm giảm mật độ dòng [5]. 13 1.2. T ệ 1.2.1. T ệ iện cực nano có bốn thuận lợi chính diện tích bề mặt hiệu dụng, độ truyền khối, hoạt tính x c tác cao và sử dụng được trong không gian vi mô. 1.2.1.1. Diện tích b mặt hiệu d ng Trên điện cực macro, sự khử một điện tử ứng với cường độ d ng được tính qua phương trình randles-seveik: Ipeak = 2.69*10 5 *n 3/2 *D 1/2 Cbulk*v 1/2 A. Trong đó: Ipeak cường độ peak n số electron trao đổi D hệ số khuếch tán (cm 2 . s -1 ); Cbulk nồng độ khối của ph n hoạt động (mol. cm -3) v tốc độ qu t (V. s-1) diện tích bề mặt cm2. ường độ d ng giới cho m i bán c u nano theo phương trình: Ilim=2πnF bulkDr. Trong đó r là bán kính của m i bán c u. ể cường độ d ng giới hạn ch phụ thuộc d ng khuếch tán thì kích thước các bán c u hạt nano phải có khoảng cách lớn hơn 10 r so với những hạt lân cận, do đó cường độ d ng tổng cho diện tích : Itotal =Ilim *A*(10*r) -2 . Một tính toán với các số liệu cụ thể so sánh điện cực macro và điện cực nano với các thông số: n=1, D=1*10-5 cm2 s-1, Cbulk=1*10 -6 mol cm -3 , v=1*10 -2 V s -1 và =1 cm2. ường độ peak tr n điện cực macro là 85*10-6 . ường độ peak trên điện cực nano là 6*10 -4 A; 6*10 -3 A và 6*10 -2 A ứng với kích thước hạt nano l n lượt là 1000; 100 và 10 nm. Rõ ràng, điện cực nano có độ nhạy vượt trội so với điện cực macro. Chứng t diện tích bề mặt thực của điện cực nano lớn hơn nhiều l n điện cực macro. 14 1.2.1.2. Độ truy n khối Hình 1-5. Sự khuếch tán tới bề mặt điện cực a) điện cực macro và b) bán đảo nano Phương di chuyển của các điện tử tới bề mặt điện cực nano và điện cực khối khác nhau nhiều. ác điện tử di chuyển tới bề mặt điện cực macro ch theo phương vuông góc. Tr n điện cực nano, tính chất không gian đa chiều của các bán c u nano tạo các khoảng hội tụ từ nhiều hướng cho điện tử di chuyển tới bề mặt. Hệ quả là tốc độ truyền khối cao tới bề mặt điện cực. Hiện tượng này làm xuất hiện quá thế truyền khối tr n điện cực nano. Quá thế truyền khối là nguyên nhân dẫn tới sự dịch chuyển thế đ nh. Do vậy, điện cực nano có độ nhạy cao và độ chọn lọc tốt hơn điện cực macro [2]. 1.2.1.3. T Trong hóa học, hoạt tính xúc tác của các hạt nano kim loại được ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ, x c tác quang hoá. Tuy nhiên, hiệu ứng sinh hydro rất mạnh của các hạt nano mới là điều đáng ch và ứng dụng trong điện hóa [8]. Trên hình () thấy rằng, dòng hydro sinh ra tr n điện cực nano vàng dương hơn đáng kể so với điện cực glassy carbon. Hiệu ứng sinh hydro đặc biệt có ích cho phân tích xác định As và sẽ được trình bày cụ thể hơn trong ph n xác định s b n dưới. Tính chất x c tác của hạt nano làm phản ứng điện cực thuận nghịch hơn, giảm quá thế c n cho phản ứng. Thế đ nh hoà tan dịch chuyển theo độ mạnh hoạt tính xúc tác. Hiện tượng này giúp dịch chuyển thế đ nh kh i các cản nhiễu nền làm tăng độ chọn lọc chất phân tích. Tuy nhiên, khả năng phản ứng cao của điện cực nano tạo n n sự tr ngại về độ bền của điện cực. Do vậy, một số phương pháp nâng cao độ bền lớp nano tr n đế mang đã được đề xuất. Trong đó, một số ligand như albumin, dẫn xuất –SH, ion cistein được thêm 15 vào trong quá trình tạo hạt nano vàng tr n đế mang gi p sự phân tán hạt tốt hơn, gi p tăng độ nhạy của phương pháp và độ bền lớp nano [2]. 1.2.2. ạ ệ o 1.2.2.1. ạ ạ ệ ắ Sự khử của các ion kim loại tr n các điện cực rắn là quá trình bao gồm ba bước chính tạo m m nguy n tử, phát triển mạng tinh thể theo không gian hai – ba chiều và sự phát triển tinh thể ba chiều. Nồng độ nguy n tử kim loại trong lớp mạ đ u ti n được xem như là hoạt độ của pha kim loại hai chiều. Nồng độ này phụ thuộc tương tác giữa nguy n tử kim loại với đế mang, tương tác giữa các nguy n tử kim loại và tương tác giữa cấu tr c tinh thể với số vị trí hoạt động bề mặt đế mang. Lớp mạ tr n đế mang tr n n đồng nhất giữa lớp mạ và vật liệu đế mang nếu nhiều hơn hai mươi lớp mạ. Kiểu phát triển lớp mạ phụ thuộc vào năng lượng nối của nguy n tử kim loại và độ tương thích về cấu trúc tinh thể kim loại với đế mang. Nếu cấu trúc tinh thể tương thích, lớp mạ phát triển theo kiểu lớp tr n lớp. Nếu cấu trúc tinh thể tương thích, lớp mạ phát triển theo không gian ba chiều tạo các đa tinh thể trên bề mặt đế mang. ác đa tinh thể ổn định được gọi là các hạt của một pha mới. Peak h a tan của lớp kim loại mạ có thể bao gồm một hoặc nhiều peak. Hiện tượng này phụ thuộc vào năng lượng li n kết giữa các nguy n tử. ác lớp mạ kim loại sử dụng được trong phân tích điện hoá khi sự khác nhau của các năng lượng này là nh nhất. Các lớp mạ dưới thế thu được một đơn peak h a tan. Trong work functions wf), các nguy n tố có wf khác nhau nhiều thì quá trình mạ có thể được điều ch nh b i thế tích góp. ác nguyên tố có wf chênh lệch ít như u, o, Ni tr n carbon thì ch thu được b i sự mạ quá thế [5]. 16 Bảng 1-1 Work funtions của một số nguyên tố. Nguyên tố Φ eV) Nguyên tố Φ eV) Nguyên tố Φ eV) Pt 5.65 Rh 5.0 Hg 4.49 Ir 5.27 Os 4.83 Sn 4.42 Ni 5.15 Ru 4.71 Zn 4.33 Pd 5.12 Cu 4.65 Ag 4.26 Au 5.10 Sb 4.55 Bi 4.25 Co 5.0 W 4.55 Cd 4.22 C 5 Fe 4.5 Ga 4.20 Các hạt nano vàng, bạc hay platin là các vật liệu chủ yếu được mạ l n đế mang. ác kim loại này đều có đặc tính dễ mạ, ổn định. ác thông số mạ như thời gian mạ, thế mạ và nồng độ của ion kim loại dễ thay đổi để thu được điện cực có hoạt tính phù hợp với chất phân tích, quá trình mạ nhanh, đơn giản và độ lặp lại cao. Quá trình mạ không c n thêm các tác chất ổn định và tác chất khử giống như phương khử hóa học [2]. 1.2.2.2. - lí Hình 1-6. Sơ đồ tạo các hạt nano kim loại 17 Phương pháp vật lí được tiến hành bằng cách chia nh kim loại khối. Phương pháp này khó thu được hạt có kích thước nh và đồng đều. Bằng phương pháp hóa học, các hạt nano được phát triển từ các nguyên tử. Quá trình kết khối của các nguyên tử có vai trò quan trọng ảnh hư ng tới kích thước và độ đồng đều của các hạt nano kim loại. Thông thường, các hạt nano được tạo b i sự khử hóa học của muối trong dung dịch cùng sự có mặt của chất ổn định phù hợp. Nord và cộng sự sử dụng polymer tổng hợp như polyvinyl alcohol như là một chất bảo vệ hệ keo của các hạt nano kim loại. Quá trình này gồm hai giai đoạn: giai đoạn 1, các ion kim loại tới dạng nguyên tử hóa trị 0. Giai đoạn 2, polymer tham gia vào quá trình kết khối của các nguyên tử kim loại và ổn định các hạt nano mới tạo thành. Tuy nhi n, hai giai đoạn này có thể thay đổi thứ tự. Quá trình khử ion kim loại có thể được thực hiện trước hoặc sau tương tác với polymer. Nếu quá trình khử xảy ra trước, tính chất và cấu trúc của các hạt nano kim loại được hình thành qua điều kiện khử và không tạo phức với polymer. Tuy nhiên, nếu quá trình khử xảy ra sau, các lực tương tác giữa polymer và các ion kim loại có ảnh hư ng lớn tới kích thước và cấu trúc của các hạt nano. u tiên là sự tạo phức của ion kim loại với dạng polymer. Sau đó, phức ion kim loai- polymer bị khử dưới điều kiện nhẹ tạo phức giữa nguyên tử kim loại với polymer [8]. iện cực nano chế tạo theo phương pháp này có kích thước hạt nano nh , đồng đều và ổn định. Tuy nhiên, quá trình tạo hạt nano lâu, nhiều công đoạn phức tạp hơn phương pháp mạ điện hoá. 1.3. T ố 1.3.1. Asen 1.3.1.1. Độ Nguồn phơi nhiễm s cho con người chủ yếu từ nước uống và thực phẩm [9]. Trong đó, dạng s 0), s -III) và s III) độc hơn s V) 25 tới 60 l n. ác dạng s hữu cơ độc gấp 100 l n so với s(V). Nhiễm độc As trong thời gian dài làm gây nguy cơ ung thư bàng quang, thận, gan và phổi. As còn gây ra những chứng bệnh tim mạch, cao huyết áp, và các vấn đề th n kinh [10, 11]. Hàm lượng s theo quy chuẩn kĩ thuật quốc gia trong nước thải công nghiệp là: 0.05 mg. L -1 đối với nước thải công nghiệp khi xả vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước 22 2. Đ u kiện t ệ 2.1. T 2.1.1.  Dung dịch tetrachloroauric(III) aicd trihydrate 0.06 M: hoà tan 1 gam muối tetrachloroauric(III) aicd trihydrate 99,5% (Merck) vào 25 ml H2SO4 0.5 M và định mức tới 50.00 mL với H2SO4 0.5 M. Dung dịch chuNn A(III) 1000 ppm: cân 0.1320 g As2O3 (Merck), thêm 1 ml NaOH 30% và 0.5 ml HCl 30%, định mức bằng nước cất hai l n (đã đuổi khí trong thời gian 30 phút để loại oxy hòa tan) tới vạch mức 100 ml. Dung dịch Cr (VI) 1000 ppm: cân 0.2830 g K2Cr2O7 (Merck) định mức tới vạch mức 100 mL bằng dung dịch H2SO4 0.1 M. Dung dịch Hg (II) 1000ppm: cân 0.1372 g HgCl2 (TQ) định mức tới vạch mức 100 mL bằng dung dịch HCl 0.1M. Acid H2SO4 đậm đặc 95-97% (Merck). Acid HNO3 đậm đặc 65% (Merck). Dung dịch HCl 6M: HCl đậm đặc 37% (Merck) được chưng cất lại tro NaOH dạng viên nén (Merck). Khí Argon 99.99 %. Bột nhôm kích thước hạt 1 và 0.3 μm 2.1.2. Thi t b . Máy phân tích cực phổ: 746 VA trace analyzer-metrohm. Thiết bị chống ăn mòn trục quay điện cực rắn (tự chế tạo).  iện cực làm việc: điện cực GC metrohm Stranfer- pipet 10- 100 μL. Các dụng cụ thông thường trong phòng thí nghiệm: bình định mức, pipet… 23 3. Th c nghiệm 3.1. Các quy trình chung 3.1.1. Quy trình làm sạ ện c c Quy trình gồm hai bước: ước 1: Làm sạch điện cực bằng cơ học: nhằm loại đi các tạp chất bám tr n bề mặt điện cực. ánh bóng điện cực bằng bột nhôm kích thước l n lượt 1 và 0.3 µm. Tiếp tục đánh bóng tr n khăn nhung ướt tới khi điện cực bóng và nh n. Rửa điện cực bằng etanol để loại trừ các chất hữu cơ bám tr n bề mặt điện cực. Rửa lại bằng nước cất hai l n. ước 2: Làm sạch điện cực bằng điện hóa được thực hiện trước và sau khi mạ theo bảng 3.1 Bảng 3-1 hướng dẫn hoạt hóa điện cực: 3.1.2. Quy trình mạ ện c c Au nano Au nano mạ được phủ lên đế mang vàng khối (tự chế tạo) hay glassy carbon. Sau khi được làm sạch, bề mặt đế mang được nhúng trong dung dịch vàng có nồng độ xác định để thực hiện quá trình mạ, các thông số được mô tả trong bảng 3.2. Khi nồng độ HAuCl4 thấp, lớp mạ có màu vàng và bóng, lớp mạ dễ bị tan ra khi điện cực áp thế dương hơn 300 mV. Khi nồng độ HAuCl4 cao hơn, lớp mạ có màu đ , không bóng, độ bền lớp mạ cao hơn. 24 Hình 3-1. iện cực glassy trước và sau khi mạ Bảng 3-2. các quy trình mạ nano u cho điện cực: 3.1.3. ì t acid HCl Hình 3-2. Hệ thống chưng cất H l Hệ thống chưng cất H l gồm có bếp điện, bình c u, thủy tinh bọt, chai pyret 250 ml và chậu đựng nước đá làm lạnh. Các dụng cụ thủy tinh được súc rửa bằng nước cất hai l n 27 3.2. Th c nghiệm và k t quả Mục tiêu của đề tài là khảo sát khả năng ứng dụng điện cực Au nano vào phương pháp von-ampe. Việc chế tạo điện cực Au nano có thể đi theo hai hướng chính. Một là sử dụng phương pháp hoá-lý có thể kiểm soát tốt kích thước hạt nano Au và sự phân bố của nano Au, nhưng phức tạp tốn nhiều công đoạn. Hai là sử dụng phương pháp mạ điện, khả năng kiểm soát kích thước hạt và sự phân bố hạt nano là kém hơn, nhưng đơn giản dễ thực hiện hơn. Do đó, chúng tôi chọn phương pháp mạ điện để chế tạo điện cực nano Au. Theo phương pháp mạ điện, bề mặt nano sẽ bị chi phối b i bốn yếu tố chính là nồng độ HAuCl4, thế mạ, thời gian mạ và tốc độ khuấy trộn dung dịch. 3.2.1. Vùng th mạ vàng Trong quá trình mạ phủ nano, bản chất điện cực GC được chuyển d n sang điện cực Au nano. Do đó, sóng hydro sẽ tăng d n trong quá trình mạ nano Au, mà việc sinh khí hydro sẽ gây bất lợi cho việc mạ nano Au. Vì vậy, c n đánh giá đúng sóng Au và sóng hydro trên điện cực Au nano. Trên Hình 3-3. a, sóng hydro trên điện cực Au nano trong môi trường H2SO4 xuất hiện sau -400 mV. Trong khi đó hình 3.3. b, trên điện cực GC xuất hiện sóng vàng sau thế 0 mV. Do đó, vùng thế mạ từ -400 tới 100 mV là phù hợp để quá trình mạ nano Au không bị ảnh hư ng của sóng H2 và sự hòa tan vàng. Hình 3-3. a) quét sóng H2 trên điện cực nano vàng; b) quét sóng H2 trên điện cực glassy carbon. 1) quét sóng H2 trong dung dịch muối vàng 3*10 -3 M. 2) quét sóng H2 trong dung dịch HCl 2M. 28 3.2.2.1. ì nh As trên Au nano 3.2.2.2. Khả mang Au nano Thông số mạ: nồng độ dung dịch vàng 3*10-3 M, thời gian mạ 100 giây, thế mạ -200 mV, tốc độ trục quay 00 v ng ph t. Kết quả thể hiện trên hình 3.4. iện cực Au nano trên đế mang glassy carbon nhạy hơn và hình dạng peak đối xứng hơn so với đế mang vàng khối. Do vậy, điện cực Au nano trên đế mang glassy carbon được dùng cho các các thí nghiệm tiếp theo. Hình 3-4. So sánh điện cực nano Au mạ tr n đế mang xác định chuẩn As(III): a) nano Au mạ trên đế mang Au khối; b) nano vàng mạ tr n đế mang glassy carbon. 3.2.2.3. ả th mạ Thông số mạ: nồng độ dung dịch vàng 0.0022 M, thời gian mạ 300 giây, tốc độ trục quay 800 vòng/ phút. Thế mạ quyết định tốc độ nguyên tử vàng kết tinh trên bề mặt điện cực. Do đó, thế mạ ảnh hư ng đến cấu trúc hạt nano Au và số lượng hạt nano trên bề mặt điện cực. Bảng 3-6. ường độ peak chuẩn s III) 10 ppb khi thay đổi thế mạ. Thế mạ (mV) -400 -300 -200 -100 0 Inền (µA) 0.5763 0.5186 0.7547 0.6233 0.5415 Ipeak (µA) 2.900 2.210 3.660 3.105 2.740 ∆I=Ipeak-Inền (µA) 2.248 1.708 2.825 2.402 2.161 29 Hình 3-5. a) ồ thị khảo sát cường độ peak chuẩn As(III) 5 ppb khi thay đổi thế mạ. b) đường d ng thế xác định chuẩn s (III) 5 ppb tại thế mạ -200 mV. Kết quả thực nghiệm (hình 3.5) cho thấy thế -200mV là tốt nhất và được chọn cho các thí nghiệm khảo sát tiếp sau. 3.2.2.4. Khảo sát nồng ộ dung d ch vàng Thông số mạ: thế mạ -200 mV, thời gian mạ 300 giây, tốc độ trục quay 800 vòng/ phút. Bên cạnh thế mạ, nồng độ muối vàng cũng là yếu tố quyết định tốc độ nguyên Au kết tinh trên bề mặt điện cực. Quan sát thấy lớp mạ nano Au có độ dày tăng khi tăng nồng độ vàng. Cường độ peak tăng d n theo chiều tăng của nồng độ vàng. Tại nồng độ dung dịch vàng 22*10-4 M thu được peak có cường độ cao nhất, hình dạng peak đối xứng. Khi tiếp tục tăng nồng độ dung dịch Au thì cường độ peak không tăng nữa. Lớp mạ quan sát được rất xốp và dễ rớt lớp ngoài cùng dưới tác động cơ học. Hiện tượng này do lớp nano quá dày. Vì vậy, nồng độ Au 22*10-4 M được chọn làm nồng độ tối ưu. 36 Hình 3-13. a) đồ thị biểu diễn cường độ peak Hg(II) 5 ppb khi thay đổi tốc độ trục quay. b) đường dòng thế chuẩn Hg(II) 5 ppb tại tốc độ trục quay 1000 vòng/ phút-1. Cường độ peak lớn nhất tại tốc độ trục quay 1600 vòng/ phút-1 nhưng hình dạng mũi lại không đối xứng, chân peak rộng. Trong khi đó, peak tại tốc độ quay 1000 vòng/ phút-1 có hình dạng đối xứng, chân peak hẹp. 3.2.2.5. Khảo Sát Dung D ch N n. Thông sô mạ: nồng độ dung dịch vàng 0.001 M, thế mạ 0 mV, thời gian mạ 100 giây, tốc độ quay 1000 vòng/ phút. ế mang glassy carbon được sử dụng trong tất cả các khảo sát tối ưu các thông số mạ. Bảng 3-15. Cường độ peak chuẩn Hg(II) 10 ppb trong các dung dịch điện phân Dung dịch nền Ipeak (µA) H l nồng độ 0.1M 0.9862 H l và HNO3 nồng độ 0.1 M, 1.245 H l và H2SO4 nồng độ 0.1M, 1.065 Các dung dịch nền trên đều có độ nhạy không khác biệt nhiều. Dung dịch nền HCl có đường nền cao hơn so với các dung dịch nền còn lại, hiện tượng này do sự tạo thành calomen kết tủa bám trên bề mặt điện cực. Dung dịch nền HCl và H2SO4 có hình dạng peak không đối xứng. Dung dịch nền còn lại HCl và HNO3 nồng độ 0.1 M thu được peak đối xứng nên được chọn làm dung dịch nền phân tích Hg(II). 38 Hình 3-16. ường dòng thế chuẩn Cr(VI) trên điện cực nano vàng, dung dịch điện phân H2SO4 0.005 M ộ nhạy trên điện cực nano Au cao hơn so với điện cực vàng khối. Sự khác biệt về bề mặt hiệu dụng và hoạt tính xúc tác của Au nano và Au khối là rất lớn. Thế đ nh trên điện cực nano Au xuất hiện tại 247 mV. Thế đ nh trên điện cực nano dịch chuyển về phía âm nên đường nền giảm đáng kể giúp tăng độ nhạy. ể xác định Cr(VI), điện cực nano Au phải hoạt hóa thế dương 800 mV rất lâu. iện cực hoạt hóa xong không còn thấy màu đ của lớp nano. Chứng t , độ nhạy của Cr(VI) liên quan tới các hạt nano Au liên kết mạnh với đế mang glassy carbon. ể thu được điện cực nano có bề mặt ổn định và lặp lại dưới điều kiện hoạt hóa như vậy là rất khó khăn. Vấn đề này c n các sát sâu thêm các yếu tố ảnh hư ng để tối ưu điều kiện mạ nano Au. 39 4. K t lu n Quá trình chế tạo điện cực nano vàng nhanh, đơn giản. iện cực có hoạt tính cao qua các l n mạ khác nhau. iện cực nano vàng đã thể hiện được độ nhạy, tính xúc tác cao trong xác định As(III &VI), Hg(II) và Cr(VI). Xác định As và Hg hoạt tính điện cực ổn định và lặp lại. Xác định Cr(VI) c n thêm các khảo sát sâu để tìm điều kiên tối ưu lớp nano Au và tìm hiểu cơ chế tích góp của Cr(VI) trên điện cực nano Au. iện cực nano vàng đã chứng t được khả năng thay thế điện cực giọt thuỷ ngân trong tương lai không xa. ây là một dấu hiệu tích cực m ra một hướng nghiên cứu mới cho phương pháp phân tích điện hoá.