3
2.2.5. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 29
2.2.6. Hiển vi điện tử quét (SEM) 40
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42
3.1. Vật liệu SBA-15 42
3.1.1. Sự biến đổi của SBA-15 sau khi nung 42
3.1.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X 37
3.1.3. Phương pháp SEM 39
3.1.4. Phương pháp TEM 39
3.1.5. Phương pháp đẳng nhiệt giải-hấp phụ N
2
ở 77K 51
3.2. Vật liệu perovskit LaMnO
3
53
3.3. Vật liệu perovskit LaMnO
3
mang trên vật liệu MQTB SBA-15 55
3.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X 45
3.3.2. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 48
3.3.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 49
3.3.4. Phương pháp đẳng nhiệt giải-hấp phụ N
2
62
3.4. Hoạt tính xúc tác của xLaMnO
3
/
SBA-15 62
KẾT LUẬN 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO 61
PHỤ LỤC 68
4
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Các thông số đặc trưng của vật liệu SBA-15
Bảng 3.2. Thông số nhiễu xạ tia X góc hẹp của SBA-15 và LaMnO
3
/SBA-15
Bảng 3.3. Các đặc trưng vật lý của vật liệu SBA-15 và LaMnO
3
/SBA-15
Bảng 3.4. Kết quả phân tích sản phẩm của phản ứng chuyển hóa ancol
benzylic
5
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô hình mao quản sắp xếp theo dạng lục lăng.
Hình 1.2. Sự kết nối các kênh mao quản sơ cấp qua mao quản thứ cấp của
SBA-15.
Hình 1.3. Pha mixen dạng lập phương tâm khối của F127.
Hình 1.4. Tương tác giữa chất HĐBM và silica oligome qua cầu ion
halogenua.
Hình 1.5. Mixen của P123 trong nước.
Hình 1.6. Sự đề hyđrat hóa chuỗi PEO và tăng thể tích phần lõi khi tăng nhiệt
độ.
Hình 1.7. Sự tăng độ dày thành mao quản khi tăng hàm lượng TEOS (D
p
:
Diameter pore: đường kính mao quản, W: wall thickness: độ dày thành mao
quản).
Hình 1.8. Sự co chuỗi PEO khi tăng hàm lượng D-glucozơ.
Hình 1.9. Mô hình tổng hợp cacbon nano từ SBA-15 và MCM-41.
Hình 1.10. Cấu trúc lý tưởng (lập phương) của perovskit.
Hình 2.1. Sơ đồ thiết bị nghiên cứu phản ứng oxi hoá ancol benzylic thành
benzanđehit ở pha khí.
Hình 2.2. Nhiễu xạ tia X.
Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt của SBA-15.
Hình 3.2. Phổ IR của mẫu SBA-15 trước khi nung.
Hình 3.3. Phổ IR của mẫu SBA-15 sau khi nung.
Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của SBA-15 trước và sau khi nung.
Hình 3.5. Sự ngưng tụ nhóm silanol ở nhiệt độ cao.
Hình 3.6. Cầu silioxan và các dạng tồn tại nhóm silanol.
6
Hình 3.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của SBA-15.
Hình 3.8. Ảnh SEM của SBA-15.
Hình 3.9. Ảnh TEM của SBA-15 khi nhìn song song (a) và vuông góc (b) với
trục MQ.
Hình 3.10. Mô hình thu được ảnh TEM theo các hướng khác nhau của SBA-
15.
Hình 3.11. Đường cong hấp phụ-giải hấp đẳng nhiệt N
2
của SBA-15.
Hình 3.12. Sự phân bố kích thước lỗ theo BJH của SBA-15.
Hình 3.13. Mô tả các thông số cấu trúc của SBA-15.
Hình 3.14. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu perovskit LaMnO
3
.
Hình 3.15. Phổ hồng ngoại FTIR của LaMnO
3
.
Hình 3.16. Ảnh TEM của perovskit LaMnO
3
.
Hình 3.17. Giản đồ XRD góc nhỏ (2
θ
=0-5
o
) của mẫu LaMnO
3
/SBA-15.
Hình 3.18. Giản đồ XRD góc lớn (2
θ
=20-70
o
) của xLaMnO
3
/SBA-15, trong
đó x=10(a), 20(b), 30(c), 40(d), 50(e).
Hình 3.19. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) của mẫu LaMnO
3
/SBA-
15.
Hình 3.20. Ảnh TEM của SBA-15 (a) và xLaMnO
3
/SBA-15 với x=10(b),
20(c), 30(d), 40(e), 50(g).
Hình 3.21. Dạng tồn tại LaMnO
3
/SBA-15.
Hình 3.22a. Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt N
2
(bên trái) và sự phân bố kích
thước mao quản theo BJH (bên phải) của SBA-15.
Hình 3.22b. Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt N
2
(bên trái) và sự phân bố kích
thước mao quản theo BJH (bên phải) của 10LaMnO
3
/SBA-15.
7
Hình 3.22c. Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt N
2
(bên trái) và sự phân bố kích
thước mao quản theo BJH (bên phải) của 30LaMnO
3
/SBA-15
Hình 3.22d. Đường cong hấp phụ đẳng nhiệt N
2
(bên trái) và sự phân bố kích
thước mao quản theo BJH (bên phải) của 50LaMnO
3
/SBA-15
Hình 3.23. Sơ đồ chuyển hóa ancol benzylic ở pha khí trong điều kiện không
có oxi.
Hình 3.24. Mô hình cơ chế đề xuất của phản ứng chuyển hóa BzOH trên
LaMnO
3
/SBA-15 .
8
CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
F-AAS: Flame Atomic Absorption Spectrophotometry:
Quang phổ hấp thụ nguyên tử trong ngọn lửa
ETA-AAS: Electro-Thermal Atomization Atomic Absorption
Spectrophotometry:
Quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa
TA: Thermal Analysis: Phân tích nhiệt
TGA: Thermogravimetry analysis: Phân tích trọng lượng nhiệt
DTGA: Differential thermogravimetry analysis: Phân tích trọng lượng nhiệt
vi sai
DTA: Differential thermal analysis: Phân tích nhiệt vi sai
DSC: Differential scanning calorimetry: Quét nhiệt lượng vi phân
a: Thông số mạng tế bào cơ sở
h,k,l: chỉ số Miller
d
hkl
: Mặt phản xạ
W: wall thickness: độ dày thành mao quản
D: Diameter: Đường kính mao quản
V
t
: Volume total: Tổng thể tích lỗ
S: Diện tích bề mặt
BET: Brunauer- Emmett-Teller
BJH: Barret-Joyner-Halenda
TEM: Transmission electron microscopy: Hiển vi điện tử truyền qua
SEM: Scanning electron microscopy: Hiển vi điện tử quét
TEOS: Tetraetyl orthosilicat
XRD: X-Ray Diffraction: Nhiễu xạ tia X
Pluronic P123: (PEO)
20
(PPO)
70
(PEO)
20
Pluronic F127: (PEO)
106
(PPO)
70
(PEO)
106
PEO: Polyetylen oxit
9
PPO: Poly isopropylen oxit
IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry
STP: Standard temperature and pressure conditions: Điều kiện nhiệt độ và áp
suất tiêu chuẩn.
SBA-n: Santa Barbara số n
KIT-x: Korean Institute of Technology số x
MCM-x: Mobil Composition of Matter số x
UV-Vis: Ultra Violet- Visible spectroscopy
IR: Infrared Spectroscopy
FTIR: Fourier transfer infrared spectroscopy
10
MỞ ĐẦU
Ngày nay, vật liệu ứng dụng công nghệ nano được nghiên cứu và phát
triển rất nhanh do những tính chất lý thú của nó. Vật liệu mao quản nano là
một trong những lĩnh vực thu hút sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trên
thế giới và được ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực xúc tác, hấp phụ. Zeolit ra
đời sớm và đã được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, nhưng nó lại có hạn
chế là đường kính mao quản nhỏ nên không có khả năng xúc tác đối với hợp
chất có kích thước phân tử lớn. Sự ra đời của vật liệu mao quản trung bình
(MQTB) trật tự vào năm 1992 do các nhà khoa học thuộc tập đoàn dầu mỏ
Mobil tìm ra đã khắc phục được nhược điểm trên. Đến năm 1998 thì một họ
vật liệu MQTB mới được ra đời, kí hiệu là SBA. Vật liệu này do có kênh mao
quản trung bình trật tự kết hợp với hệ vi mao quản nên mở ra nhiều tính chất
thú vị trong hấp phụ, và do độ bền nhiệt cũng như thủy nhiệt lớn hơn MCM
nên vật liệu này ngày càng trở nên quan trọng. Nổi bật trong các vật liệu này
là SBA-15 có dạng lục lăng P6mm với kênh mao quản 1 chiều. Tuy mới ra
đời từ năm 1998 nhưng ở trên thế giới đã có khoảng 1000 bài viết về SBA-15
được công bố trên các tạp chí và trong nước cũng đã có khá nhiều bài viết về
vật liệu này
Trong công trình này, chúng tôi không chỉ tổng hợp vật liệu mà còn chỉ
ra đặc trưng riêng biệt của SBA-15. Ngoài ra, chúng tôi còn nghiên cứu một
số điều kiện ảnh hưởng đến cấu trúc vật liệu trong quá trình tổng hợp. Do bản
thân vật liệu SBA không có hoạt tính xúc tác nên chúng tôi đã tiến hành biến
tính loại vật liệu này bằng các perovskit LaMnO
3
để thu được xúc tác có hoạt
tính oxi hóa khử. Bên cạnh việc nghiên cứu cấu trúc của vật liệu bằng các
phương pháp vật lý hiện đại, chúng tôi đã khảo sát hoạt tính xúc tác của xúc
tác điều chế được trong phản ứng chuyển hoá ancol benzylic ở pha khí.
11
Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về vật liệu nano mao quản
1.1.1. Vật liệu zeolit
Zeolit là vật liệu rắn rất quen thuộc với lĩnh vực xúc tác hấp phụ. Nó là
các nhôm silicat (Al-Si) tinh thể hydrat chứa các mao quản đồng nhất. Đến
nay, người ta đã chế tạo được hàng trăm loại zeolit có hình thể hình học, cấu
trúc và thành phần hóa học khác nhau, song trong đó chỉ có vài chục zeolit có
ứng dụng trong công nghiệp như zeolit A, X chủ yếu được sử dụng trong lĩnh
vực trao đổi ion, làm khan khí (và không khí); zeolit Y, ZSM-5 trong
cracking dầu mỏ, isome chọn lọc hình học của công nghiệp lọc hóa dầu,
mordenite trong isome hóa parafin nhẹ (C
5
-C
6
),…[48].
Hạn chế lớn nhất của zeolit (Al-Si) là kích thước mao quản của vật liệu
nhỏ hơn 1nm. Người ta cho rằng có lẽ xuất phát từ đơn vị cấu trúc thứ cấp
SBU (second building unit) nhỏ nhất của hệ Al-Si (vòng 4 cạnh) nên không
thể tạo ra được các vòng cửa sổ mao quản rộng hơn. Do đó người ta phải đi
tìm những vật liệu mới có thành phần hóa học khác với Al-Si.
Tuy nhiên, dựa vào các kết quả nghiên cứu về vật liệu nano mao quản
hiện nay thì zeolit vẫn là hệ xúc tác quan trọng cho nhiều chuyển hóa hóa
học. Những hướng nghiên cứu nhiều triển vọng của hệ zeolit đang và sẽ được
thực hiện là:
+ Nghiên cứu chế tạo các zeolit có mao quản siêu rộng, có kích thước
mao quản cỡ 20Å với thành phần hóa học khác nhau như Zr-Si, Zn-Si, Li-
Si,…
+ Nghiên cứu chế tạo nano zeolit: Những tinh thể zeolit có kích thước
nanomet sẽ có nhiều tính chất hóa lý bề mặt, hấp phụ, xúc tác,… khác biệt so
với zeolit được chế tạo theo các phương pháp thông thường hiện nay (với
kích thước tinh thể vài micromet).
12
+ Chế tạo vật liệu mao quản trung bình trật tự và không trật tự dựa trên
nguyên liệu zeolit theo cách thích hợp.
1.1.2. Vật liệu mao quản trung bình (MQTB) trật tự
a. Giới thiệu chung
Hai vật liệu tiền thân của các vật liệu MQTB:
+ Aluminophosphat: Như đã biết, zeolit có mao quản rộng nhất là
X và Y (với dạng cấu trúc faujasite) ứng với vòng oxi cực đại là R-12(O). Do
đó, người ta phải tìm cách tổng hợp zeolit dạng aluminophosphat (Al-P). Thật
vậy, năm 1988 lần đầu tiên vật liệu có tên gọi VPI-5 với vòng oxi đạt đến 18,
R-18(O), đường kính mao quản 12Å đã được tổng hợp [14]. Sau đó năm 1992
tổng hợp thêm AlPO
4
dạng JDF-20 với vòng 20 oxy, R-20 (O) [18]. Tuy
nhiên, do tính bền nhiệt và thủy nhiệt không cao nên cho đến nay các vật liệu
Al-P vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.
+ Sét pillar: Đây là vật liệu sét tự nhiên có cấu trúc tinh thể dạng
lớp. Khoảng cách giữa các lớp là 9-10Å, song do tính biến dạng của sét cao
nên người ta có thể chèn giữa các lớp (bằng kĩ thuật trao đổi ion) các kim loại
vừa có tính chất xúc tác, vừa bền và có kích thước đủ lớn để nới rộng khoảng
cách giữa các lớp. Ví dụ như, từ sét bentonit, người ta chế tạo các Me-pillar
dạng Me-montmorillonit với khoảng cách giữa các lớp 15-20Å, (Me: Al, Zr,
Ca, Cr, Ti, Fe, ). Vật liệu này có thời gian đã là hi vọng của nhiều nhà xúc
tác, song do độ bền nhiệt và hoạt tính xúc tác vẫn thấp so với zeolit và đặc
biệt không dễ dàng tạo ra vật liệu nano mao quản đồng nhất như mong đợi
nên sét pillar vẫn chưa trở thành các vật liệu xúc tác thương mại quan trọng.
Đặc điểm quan trọng nhất của vật liệu MQTB trật tự (ordered
mesoporous materials) là chúng có mao quản đồng nhất, kích thước mao quản
rộng, diện tích bề mặt riêng lớn. Do đó, vật liệu sẽ chứa nhiều tâm hoạt động
ở trên bề mặt nên dễ dàng tiếp cận với tác nhân phản ứng. Tuy nhiên, vật liệu
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét