TRẢ LỜI CÂU HỎI ÔN TẬP VẬT LIỆU NANO VỚI MÔI TRƯỜNG Trình bày khái niệm vật liệu nano nguyên nhân dẫn đến tính chất lạ vật liệu nano so với dạng khối Trả lời: - Vật liệu nano định nghĩa vật liệu mà thành phần cấu trúc có chiều với kích thước 100 nm Những vật liệu có chiều kích thước nano lớp (layers) màng mỏng hay lớp phủ bề mặt Các vật liệu có hai chiều kích thước nano kể đến sợi nano (nanowires) hay ống nano (nanotubes) Những vật liệu có ba chiều với kích thước nano bao gồm hạt nano (nanoparticles) Ngoài ra, vật liệu mao quản với kích thước mao quản nằm khoảng vài đến vài chục nano mét gọi vật liệu có cấu trúc nano (nanostructured materials) - vật liệu nano có tính chất lạ chúng kích thước nhỏ bé tính chất thay đổi theo kích thước hình dạng chúng Do đặc điểm kích thước, tính chất vật liệu nano nằm tính chất lượng tử nguyên tử tính chất khối vật liệu Có nhiều nguyên nhân để giải thích cho tượng tùy thuộc vào kiểu vật liệu + Trong chất bán dẫn, có hạn chế chuyển động electron không gian nhỏ so với dạng khối + Với kim loại quý, kích thước hạt giảm đến khoảng vài chục nano mét, có hấp thụ mới, mạnh từ dao động cộng hưởng electron vùng dẫn từ bề mặt hạt đến bề mặt hạt khác Sự dao động có tần số tương ứng với vùng khả biến Điều gọi hấp thụ plasmon bề mặt Sự hấp thụ mạnh sinh đặc trưng màu rực rỡ ứng dụng từ kỉ thứ 17 thời chưa giải thích + Những hạt vàng sinh màu hồng sáng chói dùng sản xuất kính màu cho cửa sổ nhà thờ Châu Âu gốm sứ, vật dụng trang trí khác Trung Quốc + Với nhiều kim loại chuyển tiếp, việc giảm kích thước hạt làm tăng tỉ lệ diện tích bề mặt thể tích hạt Điều làm cho chúng có nhiều khả ứng dụng làm chất xúc tác hấp phụ Cho ví dụ minh họa khác biệt tính chất vật liệu nano vật liệu khối Trình bày điều chế vật liệu nano phương pháp sol, mixen 4 Hãy phân tích nguyên nhân dẫn đến tượng ô nhiễm môi trường vật liệu nano đóng góp vào việc khắc phục tình trạng Ô nhiễm môi trường vấn đề lớn đặt mức độ toàn cầu Chúng ta gây ô nhiễm không khí, nước đất hành tinh chúng ta; làm cạn kiệt nguồn tài nguyên; tích lũy nhiều chất thải mà cần phải tìm nơi để lưu trữ Tại gây việc này? Có bốn lý sau Thứ nhất, có 6,8 tỷ người trái đất ngày (theo Cục Dân số, 2009) tất người cần thực phẩm, nước, quần áo, nhà Ngoài nhu cầu tối thiểu để tồn tại, hàng triệu người nước phát triển có xe hơi, nhà cửa lớn, điều hòa không khí, máy giặt, máy sấy, máy nước nóng để tắm, tủ lạnh, bếp thứ khác Với mức sống cao, có nghĩa gây ô nhiễm nhiều, làm huỷ hoại nhiều, tạo nên lượng lớn chất thải mà cần phải lưu trữ Thứ hai từ sống nông nghiệp đến sống công nghiệp Thay "sống nhờ đất”, phát triển hạt để ăn, chăm sóc cho động vật trang trại, xây dựng nhà máy máy móc để sản xuất tất loại sản phẩm để tiêu thụ Điều sử dụng nhiều tài nguyên, làm ô nhiễm không khí dòng song chủ nghĩa tư sản xuất sản phẩm để tạo lợi nhuận Vì vậy, để làm cho lợi nhuận nhiều hơn, chủ sở hữu nhà máy chủ doanh nghiệp cần sản xuất bán nhiều sản phẩm Do đó, điều quan tâm người sở hữu nhà máy doanh nghiệp sản xuất bán nhiều cuối kiếm lợi nhuận nhiều Bản chất trình dẫn đến suy giảm tài nguyên ô nhiễm môi trường đáng kể Ở góc độ lịch sử nhân loại, chủ nghĩa tư giúp tạo chuẩn mực đời sống vật chất cao mà giới chưa thấy, đồng thời làm tăng tốc độ gây ô nhiễm, cạn kiệt tài nguyên, vấn nạn lưu trữ chất thải thứ ba gây vấn đề môi trường tạo ý thức hệ nước tư chủ nghĩa phát triển, lan rộng nhiều đến quốc gia phát triển truyền hình, máy vi tính, e-mail, Internet, người nước phát triển phát triển muốn sống có tiêu chuẩn vật chất ngày cao Một tiêu chuẩn vật chất sống cao có nghĩa sản xuất nhiều hàng hoá xe, nhà, máy giặt, máy sấy, tủ lạnh, bếp, máy nước nóng, hệ thống sưởi ấm điều hòa không khí cho nhà văn phòng, vv Tất điều có nghĩa cần phải sử dụng nhiều tài nguyên để sản xuất nhiều sản phẩm hơn, dẫn đến suy giảm tài nguyên Do sản xuất tiêu thụ sản phẩm này, gây ô nhiễm nhiều để lại chất thải nhiều Người dân nước phát triển trở nên quen với chuẩn mực cao đời sống Ví dụ, Hoa Kỳ dân số chiếm 4,5% giới, lúc đó, họ tiêu thụ 25% dầu, than, khí tự nhiên giới để thụ hưởng ô tô hệ thống sưởi, điều hòa không khí nhà công sở Vì vậy, riêng Hoa kỳ sử dụng nhiều tài nguyên giới nhằm trì tiêu chuẩn chất lượng cao sống Để có chất lượng sống vật chất cao vậy, Mỹ tạo nên bất cân đối ô nhiễm Hơn nữa, Mỹ có 4,5% dân số giới, họ thải 20% lượng carbon dioxide tổng khí thải CO2 toàn cầu Khí gây nên "hiệu ứng nhà kính" xem nguyên nhân làm ấm trái đất làm thay đổi khí hậu toàn cầu Do đó, người sống nước phát triển hưởng thụ mức sống vật chất cao, đồng nghĩa làm cạn kiệt tài nguyên làm ô nhiễm môi trường, nên có trách nhiệm cao việc giải vấn nạn nêu Nguyên nhân quan trọng thứ tư vấn đề ô nhiễm môi trường là, ngày nhiều người nước phát triển muốn có sống tiện nghi quốc gia phát triển Họ muốn có máy giặt máy sấy, máy điều hòa không khí, TV, xe hơi, máy tính, điện thoại di động, thứ khác Kết dẫn đến làm nhanh lên cạn kiệt tài nguyên, ô nhiễm gia tăng, tăng tích lũy chất thải nước Chúng ta tạo hệ tư tưởng toàn cầu mới, muốn mong đợi vào lối sống vật chất cao hơn, với số người ngày tăng Vì vậy, áp lực ngày tăng để sản xuất nhiều hàng hóa dịch vụ để tạo tiêu chuẩn sống cao cho 5,6 tỷ người nước phát triển Điều có nghĩa giới phải tiếp tục đối mặt với vấn đề môi trường tương lai gần Từ vấn đề phân tích trên, số hậy đến lại sau Một hậu nguy hiểm việc gây ô nhiễm môi trường thải vào khí lượng lớn carbon dioxide từ việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ khí đốt ngành công nghiệp ô tô Từ dẫn đến tượng ấm lên trái đất làm thay đổi khí hậu toàn cầu, tàn phá cho mùa màng, giảm lượng mưa cần thiết cho trồng, tăng mực nước đại dương gây mối đe dọa cho nhiều thành phố ven biển toàn giới, vấn đề khác Các liệu thu "12 năm nóng vòng 140 năm xảy kể từ năm 1983" Vì chúng ta, người, gây vấn đề này, nên cần phải tìm cách để tự thoát khỏi tình đe dọa tính mạng thay đổi mạnh mẽ khí hậu ảnh hưởng tiêu cực đến khả để phát triển thực phẩm cần để tồn Biến đổi khí hậu gây số khu vực giới sản xuất lương thực hơn, dẫn đến số phận dân cư suy dinh dưỡng đói Các chứng khoa học việc thải lưu huỳnh dioxit vào không khí ngành công nghiệp Hoa Kỳ, Canada, Châu Âu, Châu Á gây sụt giảm lượng mưa châu Phi, điều gây nạn suy dinh dưỡng đói khát Tình trạng xúc tiến số người phải di chuyển để tìm địa điểm để trồng lương thực Do đó, với tượng ấm lên khí hậu toàn cầu, không nhìn thấy nhiều nạn đói suy dinh dưỡng số khu vực giới, mà thấy nhiều người di cư từ khu vực đến khu vực khác để tìm kiếm cách nuôi sống thân Hơn nữa, với gia tăng nhiệt độ toàn cầu nhiều carbon dioxide không khí, mực nước biển tăng lên Một phần ba dân số giới sống gần bờ biển, nơi có nguy bị ngập lụt Kết có nhiều người phải di chuyển từ bờ biển vào sâu đất liền Do đó, di cư gây áp lực nguồn tài nguyên nơi mà người đến Mọi người cần nhà ở, đất đai, uống nước Để thắt chặt trình di cư với gia tăng nhanh dân số giới điều mà cần phải suy nghĩ Ngoài ra, ràng buộc vấn đề dân số môi trường giới có nhiều người Trái đất, có nhiều carbon dioxide thở Thay vài triệu người thở carbon dioxide (trong trường hợp 100.000 năm trước đây) chí tỷ người thở carbon dioxide (như trường hợp 100 năm trước đây), có nhiều người thở carbon dioxide Vì vậy, gia tăng dân số trái đất nhân tố gây thay đổi lớn khí hậu trái đất - thay đổi mà không muốn xảy Chúng ta làm ô nhiễm nhiều nước trái đất, với kết 1,7 tỷ người nước uống an toàn Số người gần phần ba dân số toàn cầu! Hơn nữa, nửa dân số giới gặp nguy hiểm sử dụng nước bị ô nhiễm chất thải người không xử lý cách trước đổ vào sông Một hậu gia tăng bệnh tật dịch tả thương hàn Công nghiệp gây nên ô nhiễm nguồn nước nhiều ngành công nghiệp thải chất thải dòng sông Trong số trường hợp khứ, chủ nhà máy muốn có lợi nhuận không chịu trách nhiệm chất thải họ tạo trình sản xuất Lợi nhuận nhiều tạo từ việc giảm chi phí xử lý môi trường nói chung chi phí nước nói riêng Như nhiều quốc gia phát triển công nghiệp hóa, họ có vấn đề việc không đủ nước ngành công nghiệp họ trách nhiệm tình trạng ô nhiễm mà họ tạo Một vấn đề môi trường việc liên tục phá hủy khu rừng nhiệt đới giới Việc gia tăng dân số nước phát triển tạo nhu cầu đất nông nghiệp nhiều để trồng cây, trì dân số, phủ nước phát triển cố gắng trả hết nợ trả lãi vay cách cắt giảm từ rừng nhiệt đới họ để bán, gỗ chẳng hạn Trong lúc đó, khu rừng nhiệt đới sản xuất oxy nước tiêu thụ số lượng carbon dioxide mà người tạo cách đốt nhiên liệu hóa thạch hay đơn giản thở Một hậu nguy hiểm tiềm tàng việc cắt rừng nhiệt đới mát hàng ngàn, chí hàng triệu loài thực vật, động vật côn trùng Chúng ta chưa biết hết tất hậu môi trường mát loài Trong giới công nghiệp tư chủ nghĩa mà sống, với gần tỷ người muốn có đời sống vật chất cao xã hội hóa quảng cáo mức sống cao, tiến đến điểm mà nhiều chất thải ngày tạo phải làm với Các bãi rác chồng chất lên Một số nước cố gắng chuyển chất thải họ tới nước khác Cùng với kết tích tụ lớn rác thải thường lưu trữ vùng đất giá rẻ, thường gần nơi người nghèo dân tộc thiểu số sinh sống Do đó, người nghèo dân tộc thiểu số người thường kết thúc đời sống họ nơi gần khu vực rác thải Trình bày nguyên lý hoạt động vai trò pin sạc liti, hướng cải tiến pin liti nhằm phục vụ lĩnh vực có nhu cầu mật độ công suất lượng cao, chẳng hạn xe ô tô điện Hãy phân tích nhu cầu lượng giới giải pháp nguồn lượng thay có khả tái sinh, thân thiện với môi trường Vật liệu nano đóng góp đến việc tạo nguồn lượng thay thế? Theo kết nghiên cứu UNEP (United nations Environment programme – chương trình liên hợp quốc vấn đề liên quan đến môi trường) vòng thập kỉ gần đây, giới phải hành động gấp để ngăn chặn nguy cạn kiệt tài nguyên hậu kéo theo Do đó, việc tìm nguồn lượng thay cho nguồn lượng truyền thống đề tài nóng bỏng toàn giới Bên cạnh việc khai thác sâu nguồn lượng tự nhiên pin mặt trời, vật liệu nano chuyên gia đánh giá có tiềm việc thay số loại nhiên liệu truyền thống công nghiệp sản xuất nhiên liệu + Vật liệu nano ứng dụng sản xuất pin sạc Liti-ion Con người tìm cách cải tiến vật liệu anot nhằm khắc phục nhược điểm pin Ví dụ: Sử dụng Si dạng nano Việc nghiền cấu trúc Si việc chuyển thành vật liệu có cấu trúc nano chịu căng thẳng tốt Nhiều thành tựu khác thử nghiệm với hướng Một ví dụ phân tán hạt nano Si graphen xếp lại với để tạo composit Si/graphen Các graphen linh hoạt chứa thay đổi thể tích lớn trình tuần hoàn ngăn cản kết tụ tách hạt, điều dẫn đến tính bền tuần hoàn cải thiện Các đạt khác bao gồm giảm kích thước hạt Si, sử dụng màng mỏng sợi nano phân tán lên không hoạt động/ hoạt động, điều chế cấu trúc mao quản 3D, trộn/phủ với cacbon, chất kết nối polyme Một vài cấu trúc can thiệp công nghệ, sợi nano phát triển ngưng tụ hóa học màng mỏng vô định hình tính bền hứa hẹn, chúng không cho mật độ đủ cao vật liệu hoạt động điện cực pin khả thi thất bại độ dày điện cực tăng Các oxit kim loại chuyển tiếp làm vật liệu anot, titanate nghiên cứu nhiều Một lợi lớn anốt titanate Li chèn cửa sổ ổn định chất điện giải cacbonat, tránh phân hủy khử dung môi điện giải.Ví dụ: cấu trúc nano Li4Ti5O12 (LTO) chèn Li 1,6 V so với Li+/Li, giảm thiểu phản ứng phụ tránh hình thành SEI, dẫn đến cải thiện độ tin cậy tuổi thọ: Li4Ti5O12 + 3Li+ + 3e− → Li7Ti5O12 Bề mặt LTO nguyên cho di chuyển Li, đặc biệt, sử dụng đầy đủ tạo từ diện tích bề mặt riêng lớn để nâng cao lực khả tốc độ bên cấu trúc nano LTO Một lợi khác LTO căng mạng thay đổi thể tích, có nghĩa LTO dễ bị gãy Điều dẫn đến anốt LTO có cấu trúc nano có khả tuần hoàn nhanh chóng (trong vòng hai phút) đạt ổn định cycling cao Thật không may, điện áp hoạt động tế bào đầy đủ bị giảm sử dụng anốt LTO vào chèn Li cao Ngoài ra, dung lượng lý thuyết LTO 160 mAh g-1, nửa dung lượng lý thuyết graphit, làm cho hấp dẫn với ứng dụng tuần hoàn kéo dài tính an toàn tuyệt vời yêu cầu Vật liệu catốt có cấu trúc nano Tương tự vật liệu anốt, vật liệu catốt có cấu trúc nano nghiên cứu nỗ lực nhằm giảm rào cản khuếch tán ion Li bền cấu để giảm thiểu giới hạn nội độ dẫn ion oxit, để đạt dung lượng cao Ví dụ, ca tốt LiCoO2 thông thường có dung lượng thực tế thấp ... graphit, làm cho hấp dẫn với ứng dụng tuần hoàn kéo dài tính an toàn tuyệt vời yêu cầu Vật liệu catốt có cấu trúc nano Tương tự vật liệu anốt, vật liệu catốt có cấu trúc nano nghiên cứu nỗ lực... nguồn lượng tự nhiên pin mặt trời, vật liệu nano chuyên gia đánh giá có tiềm việc thay số loại nhiên liệu truyền thống công nghiệp sản xuất nhiên liệu + Vật liệu nano ứng dụng sản xuất pin sạc Liti-ion... với môi trường Vật liệu nano đóng góp đến việc tạo nguồn lượng thay thế? Theo kết nghiên cứu UNEP (United nations Environment programme – chương trình liên hợp quốc vấn đề liên quan đến môi trường)