NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP Zn-MOF-199 VÀ ỨNG DỤNG XÚC TÁC CHO PHẢN ỨNG ACETAL HÓA BENZALDEHYDE BẰNG METHANOL .... Hoạt tính xúc tác của vật liệu Zn-MOF-199 đối với phản ứng acetal hóa benzaldeh
Trang 1L ỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi và của nhóm nghiên cứu Tất cả số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chưa được người khác công bố trong bất cứ một công trình nghiên cứu nào
Nghiên cứu sinh
Trần Thanh Minh
Trang 2L ỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày t ỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Đinh Quang Khiếu, PGS.TS Nguy ễn Hải Phong đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành lu ận án này
Tôi xin chân thành c ảm ơn các thầy cô, các bạn đồng nghiệp trong bộ môn Hóa H ữu cơ và trong khoa Hóa đã luôn động viên và tạo mọi điều kiện thu ận lợi để tôi hoàn thành luận án
Tôi xin được cảm ơn Lãnh đạo nhà trường, Lãnh đạo Đại học Huế, phòng Sau đại học và các phòng ban chức năng đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi hoàn thành các thủ tục trong suốt quá trình học tập
Xin c ảm ơn các bạn sinh viên, học viên cao học đã đồng hành cùng tôi trong nh ững năm làm thực nghiệm vừa qua
Cu ối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới người thân, bạn bè đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận án
Huế, ngày 30 tháng 7 năm 2020
Nghiên cứu sinh
Trần Thanh Minh
Trang 3M ỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT v
DANH MỤC CÁC BẢNG vii
DANH MỤC CÁC HÌNH viii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5
1.1 VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ - KIM LOẠI 5
1.1.1 Giới thiệu vật liệu khung hữu cơ – kim loại 5
1.1.2 Vật liệu MOF-199 11
1.2 ỨNG DỤNG MOFs LÀM TIỀN CHẤT TỔNG HỢP NANO OXIDE KIM LOẠI 17
1.3 CƠ CHẾ XÚC TÁC QUANG HÓA CỦA CHẤT BÁN DẪN p – n CuO – ZnO 20 1.3.1 Vật liệu bán dẫn p – n 20
1.3.2 Cấu trúc và cơ chế xúc tác quang hóa của nano oxide p – n ZnO – CuO 21
1.3.3 Tình hình nghiên cứu tổng hợp vật liệu bán dẫn p – n CuO – ZnO 23
1.4 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU MOFs LÀM ĐIỆN CỰC 26
1.5 ỨNG DỤNG MOFs XÚC TÁC PHẢN ỨNG ACETAL HÓA BENZALDEHYDE BẰNG METHANOL 29
CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33
2.1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 33
2.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 33
2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 33
2.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33
2.4.1 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu 33
2.4.2 Các phương pháp khảo sát hoạt tính xúc tác và hoạt tính điện hóa 42
2.4.3 Phương pháp thống kê 44
2.5 THỰC NGHIỆM 47
2.5.1 Hóa chất 47
Trang 42.5.2 Quy trình tổng hợp và xác định tính chất vật liệu 48
2.5.3 Khảo sát hoạt tính xúc tác cho phản ứng acetal hóa benzaldehyde 52
2.5.4 Khảo sát hoạt tính xúc tác quang hóa phân hủy methylene blue 52
2.5.5 Nghiên cứu động học quá trình quang xúc tác phân hủy MB 53
2.5.6 Nghiên cứu đặc tính các hợp chất phân tích trên điện cực biến tính 55
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 57
3.1 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MOF-199 VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT BIẾN TÍNH ĐIỆN CỰC 57
3.1.1 Nghiên cứu tổng hợp MOF-199 bằng phương pháp dung nhiệt và phương pháp vi sóng 57
3.1.2 Nghiên cứu xác định paracetamol và caffeine bằng phương pháp dòng-thế hòa tan sử dụng điện cực GCE biến tính bằng MOF-199 70
3.2 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NH2-MOF-199 VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG BIẾN TÍNH ĐIỆN CỰC 83
3.2.1 Nghiên cứu tổng hợp NH2-MOF-199 83
3.2.2 Khả năng sử dụng NH2-MOF-199 làm chất biến tính điện cực để xác định đồng thời Pb(II) và Cd(II) hay uric acid (UA) và ascorbic acid (AA) 89
3.3 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP Zn-MOF-199 VÀ ỨNG DỤNG XÚC TÁC CHO PHẢN ỨNG ACETAL HÓA BENZALDEHYDE BẰNG METHANOL 92
3.3.1 Nghiên cứu tổng hợp Zn-MOF-199 92
3.3.2 Hoạt tính xúc tác của vật liệu Zn-MOF-199 đối với phản ứng acetal hóa benzaldehyde bằng methanol 100
3.4 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO ZnO/CuO TỪ VẬT LIỆU Zn-MOF-199 VÀ ỨNG DỤNG XÚC TÁC QUANG HÓA 107
3.4.1 Nghiên cứu tổng hợp nano ZnO/CuO từ vật liệu Zn-MOF-199 107
3.4.2 Xác định khả năng xúc tác quang hóa của vật liệu 116
3.4.3 Cơ chế của quá trình xúc tác quang hóa 120
3.4.4 Động học của quá trình quang xúc tác phân hủy MB 123
3.4.5 Khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu 128
3.4.6 Khả năng xúc tác của vật liệu đối với một số chất màu khác 129
KẾT LUẬN 131
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 133
TÀI LIỆU THAM KHẢO 134
Trang 5DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
AAS Atomic Absorption Spectrometry (Phổ hấp thụ nguyên tử)
ABDC 2-aminobenzene-1,4-dicarboxylic acid
BDA Benzaldehyde dimethyl acetal
BET Brunauer-Emmet-Teller
CV Voltammetry Cyclic (Volt-ampere vòng)
DE Diamond Electrode (Điện cực kim cương)
DMF N,N-dimethylformamide
DP-ASV Differential Pulse - Anodic Stripping Voltammetry (Volt-ampere
hòa tan anode xung vi phân) DTA Differential Thermal Analysis (Phân tích nhiệt vi sai)
EDX Energy Dispersive X-ray (Phổ tán xạ tia X)
FT-IR Fourier Transform Infrared Spectroscopy (Phổ hồng ngoại biến
đổi Fourier) GCE Glassy Carbon Electrode (Điện cực carbon thủy tinh)
H3BTC Benzene-1,3,5-tricarboxylic acid
HR-TEM High-Resolution Transmission Electron Microscope (Hiển vi điện
tử truyền qua phân giải cao) IUPAC International Union Of Pure And Applied Chemistry (Hiệp hội
quốc tế của Hóa học cơ bản và ứng dụng)
LC Liquid Chromatography (Sắc ký lỏng)
MA-GT1 MOF-199 biến tính bằng ABDC theo phương pháp gián tiếp 1 MA-GT2 MOF-199 biến tính bằng ABDC theo phương pháp gián tiếp 2
Trang 6MA-TT MOF-199 biến tính bằng ABDC theo phương pháp trực tiếp
MOFs Metal Organic Frameworks (Khung hữu cơ kim loại)
MW-MOF-199 MOF-199 tổng hợp bằng phương pháp vi sóng
NH2-MOF-199 MOF-199 biến tính bằng 2-aminobenzene-1,4-dicarboxylic acid
SBUs Second Building Units (Đơn vị xây dựng thứ cấp)
SEM Scanning Electron Microscopy (Hiển vi điện tử quét)
SPE Screen Printed Electrode (Điện cực in)
ST-MOF-199 MOF-199 tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt
TEM Transmission Electron Microscope (Hiển vi điện tử truyền qua) TGA Thermal Gravimetric Analysis (Phân tích nhiệt trọng lượng)
TOC Total Organic Carbon (Tổng carbon hữu cơ)
UV-Vis Ultraviolet-Visible (Tử ngoại - khả kiến)
UV-Vis-DRS Ultraviolet-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy (Phổ phản
xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến) XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy (Phổ quang điện tử tia X) XRD X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)
Zn-MOF-199 MOF-199 biến tính bằng ion Zn(II)
Trang 7DANH M ỤC CÁC BẢNG
B ảng 1.1 Diện tích bề mặt của MOF-199 tổng hợp ở các điều kiện khác nhau 14
B ảng 1.2 Các phương pháp tổng hợp và ứng dụng của vật liệu nano oxide ZnO – CuO
25
B ảng 1.3 Độ chuyển hóa của phản ứng acetal hóa của benzaldehyde với methanol
sử dụng các chất xúc tác MOFs khác nhau [a] 31
B ảng 1.4 Sự so sánh hoạt tính của Cu3(BTC)2 với các xúc tác dị thể khác đối với
phản ứng acetal hóa aldehyde bằng methanol[a]
32
B ảng 2.1 Danh mục hóa chất 47
B ảng 2.2 Lượng hóa chất trong các thí nghiệm tổng hợp MOF-199 49
B ảng 3.1 Tính chất xốp của MOF-199 tổng hợp bằng phương pháp vi sóng và
phương pháp dung nhiệt 66
B ảng 3.2 So sánh diện tích bề mặt của MOF-199 tổng hợp bằng phương pháp vi
sóng và phương pháp dung nhiệt 67
B ảng 3.3 So sánh LOD của các phương pháp phân tích điện hóa khác nhau trong
việc xác định PAR và CAF 81
B ảng 3.4 Kết quả xác định PAR và CAF trong mẫu thuốc dùng phương pháp đề
nghị và HPLC 82
B ảng 3.5 Tính chất xốp của vật liệu MA-GT2 88
B ảng 3.6 Thành phần nguyên tố C, H, Zn và Cu trong mẫu Zn-MOF-199 96
B ảng 3.7 Hoạt tính xúc tác của một số vật liệu MOFs đối với phản ứng acetal hóa
benzaldehyde bằng methanol 104
B ảng 3.8 Bảng phân tích nguyên tố C, H, Zn, Cu trong mẫu ZnO/CuO 110
Bảng 3.9 Hệ số xác định (R2
) và hằng số tốc độ biểu kiến (kr) của mô hình đề xuất
ở dạng tuyến tính và mô hình bậc nhất biểu kiến 125
Bảng 3.10 So sánh hằng số tốc độ bậc nhất biểu kiến (kr) của chất xúc tác ZnO/CuO tổng hợp với các chất xúc tác khác 127
Trang 8DANH M ỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Một số cầu nối hữu cơ (anion) trong MOFs 6
Hình 1.2 Một số đơn vị cấu trúc MOFs với các kim loại và phối tử khác nhau 6
Hình 1.3 Sự hình thành cấu trúc MOFs bằng phương pháp dung nhiệt 7
Hình 1.4 Phân bố ứng dụng của MOFs 10
Hình 1.5 Minh họa sự tạo thành MOF-199 11
Hình 1.6 Đơn vị cấu trúc của MOF-199 12
Hình 1.7 Giản đồ XRD của MOF-199 13
Hình 1.8 Giản đồ XRD của MOF-199 Các nhiễu xạ Cu2O được định danh theo 01-1142 JCPDS 15
Hình 1.9 Ảnh SEM của MOF-199 tại 140 o C (a), 150 oC (b), 160 oC (c), 170 oC (d) 16
Hình 1.10 a) Quy trình tổng hợp các oxide kim loại nano có nguồn gốc từ mẫu aph-MOF; b) Ảnh TEM và c) Đường đẳng nhiệt hấp phụ N2 của vật liệu nano MgO với mao quản trung bình và vi mao quản được xác định rõ 18
Hình 1.11 Cấu trúc nano oxide ZnxCo3-xO4 thu được từ sự phân hủy nhiệt ZIF lưỡng kim: a-b) Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường nhiệt (FESEM); c-d) Hình ảnh TEM và e-g) Hình ảnh tán xạ năng lượng tia X của ZnxCo3-xO4 20
Hình 1.12 Giản đồ XRD của vật liệu nano oxide ZnO – CuO 21
Hình 1.13 Sự hình thành nút giao thoa p – n của vật liệu p–CuO/n–ZnO 22
Hình 1.14 Giản đồ XRD (a) và ảnh SEM (b) của vật liệu nano oxide ZnO – CuO tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa 24
Hình 1.15 Giản đồ XRD (a) và ảnh SEM (b) của vật liệu nano oxide ZnO – CuO tổng hợp bằng phương pháp phân hủy nhiệt các muối kim loại 24
Hình 1.16 Ảnh SEM của vật liệu nano oxide ZnO/CuO 25
Hình 1.17 Minh họa một số cấu hình biến tính điện cực bằng vật liệu mao quản rắn 27
Hình 1.18 Cơ chế phản ứng acetal hóa sử dụng xúc tác Lewis acid 29
Hình 1.19 Cơ chế phản ứng acetal hóa sử dụng xúc tác Bronsted acid 30
Trang 9Hình 1.20 Độ chuyển hóa của phản ứng acetal hóa benzaldehyde bằng methanol
với xúc tác Cu3(BTC)2 (a) và Fe(BTC) (b) 31
Hình 2.1 Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn 34
Hình 2.2 Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ theo phân loại IUPAC 36
Hình 2.3 Thiết bị vi sóng tự tạo sử dụng tổng hợp MOF-199 49
Hình 2.4 Sơ đồ tiến trình thí nghiệm theo phương pháp volt-ampere vòng 56
Hình 2.5 Sơ đồ tiến trình thí nghiệm theo phương pháp volt-ampere xung vi phân 56
Hình 3.1 Giản đồ XRD của các mẫu vật liệu tổng hợp dung nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau (a) và tổng hợp vi sóng ở các mức năng lượng khác nhau (b) 58
Hình 3.2 Giản đồ XRD của các mẫu MOF-199 tổng hợp ở các nồng độ H3BTC khác nhau theo phương pháp dung nhiệt (a) và vi sóng (b) 59
Hình 3.3 Giản đồ XRD của các mẫu MOF-199 tổng hợp ở các thời gian khác nhau
bằng phương pháp vi sóng (a) và phương pháp dung nhiệt (b) 61
Hình 3.4 Hiệu suất tổng hợp MOF-199 theo thời gian bằng phương pháp vi sóng
và phương pháp dung nhiệt 62
Hình 3.5 Ảnh SEM của MW-MOF-199 ở các thời gian khác nhau (a1: 5 phút; a2:
10 phút; a3: 15 phút; a4: 30 phút; a5: 45 phút) và ST-MOF-199 ở các thời gian khác nhau (b1: 30 phút; b2: 60 phút; b3: 120 phút; b4: 360 phút; b5: 420 phút) 63
Hình 3.6 Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 của MOF-199 tổng hợp bằng phương pháp vi sóng (a); phương pháp dung nhiệt (b) 65
Hình 3.7 Giản đồ TG của MOF-199 tổng hợp bằng phương pháp vi sóng (a); phương pháp dung nhiệt (b) 68
Hình 3.8 Phổ FT-IR của ST-MOF-199, MW-MOF-199 và H3BTC 69
Hình 3.9 Đường CVs cho PAR và CAF trên điện cực GCE, Naf-GCE, MW-MOF-199/Naf-GCE, và ST-MOF-199/Naf –GCE 70
Hình 3.10 Sự phụ thuộc của Ip vào a) dung môi phân tán MOF-199; b) thể tích huyền phù MOF-199 để biến tính điện cực 72
Trang 10Hình 3.11 a) CVs của PAR và CAF trên điện cực MOF-199/Naf-GCE trong đệm Britton–Robinson 0,5 M với pH 2 đến 9,2; b) Đồ thị của EpPRC và EpCAF theo pH.
73
Hình 3.12 a) CVs cho PAR và CAF trên điện cực MOF-199/Naf-GCE theo sự tăng
dần của tốc độ quét từ 0,01-0,30 V s-1; b) Hồi quy tuyến tính Ip theo v; c) Sự phụ thuộc Ip của PAR và CAF vào căn bậc hai tốc độ quét (v 1/2) ; d) Đồ thị của lnIp,PAR
và lnIp,CAF theo lnv ; e) Đồ thị của Eap theo lnν 74
Hình 3.13 Sơ đồ oxy hóa PAR và CAF 77
Hình 3.14 Đường DPV tại điện cực MOF-199/Naf- GCE đối với: a) PAR ở các
nồng độ khác nhau với sự hiện diện của 5×10-4M CAF trong đệm phosphate 0,1 M
các nồng độ khác nhau với sự hiện diện 5×10-4M PAR trong đệm phosphate 0,1 M
pH 3 78
Hình 3.15 a) Đường DPV của sự oxy hóa PAR and CAF ở các nồng độ bằng nhau
trong đệm phosphate 0,1 M pH 3, b) Đồ thị logarithm của Ip,PAR và Ip,CAF theo nồng
độ của nó 79
Hình 3.16 Ảnh SEM (a) và giản đồ FT-IR (b) của mẫu biến tính theo phương pháp
trực tiếp MA-TT 84
Hình 3.17 Ảnh SEM (a) và giản đồ FT-IR (b) của mẫu biến tính theo phương pháp gián tiếp thứ nhất MA-GT1 84
Hình 3.18 Giản đồ FT-IR của MOF-199, MA-GT2, Cu-ABDC và ABDC 85
Hình 3.19 Ảnh SEM mẫu biến tính gián tiếp theo phương pháp thứ hai MA-GT2 86
Hình 3.20 So sánh XRD của MOF-199 với vật liệu biến tính gián tiếp MA-GT2 86
Hình 3.21 Giản đồ phân tích nhiệt của MA-GT2 87
Hình 3.22 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 của vật liệu MA-GT2 88
Hình 3.23 Mô hình cơ chế quá trình biến tính MOF-199 gián tiếp bằng hợp chất
chứa nhóm chức amine 89
Trang 11Hình 3.24 a) Đường DP-ASV của Cd(II) và Pb(II) trong khoảng nồng độ 5 đến 30
ppm trong đệm acetate 0,1 M (pH 4,5); b) Đường hồi quy tuyến tính Iap theo nồng độ 90
Hình 3.25 a) Đường DP-ASV của AA và UA ở các nồng độ khác nhau trong khoảng nồng độ từ 30 đến 548 µM và 10 đến 431 µM trong đệm phosphate 0,1M
(pH 7); b) h ồi quy tuyến tính của Ip theo nồng độ 90
Hình 3.26 Giản đồ XRD của các mẫu Zn-MOF-199 tổng hợp ở các tỷ lệ mol Cu:Zn là 8:2 (a), 7:3 (b), 5:5 (c), 3:7 (d); Zn-BTC (e) và MOF-199 (f) 93
Hình 3.27 Ảnh SEM của các mẫu MOF-199 (a1,a2), Zn-BTC (b1,b2) và
Zn-MOF-199 (c1,c2) 95
Hình 3.28 Phổ XPS tổng quát của Zn-MOF-199 (a), Cu2p (b) và Zn2p (c) 97
Hình 3.29 Giản đồ phân tích nhiệt TG-DTA của các mẫu Zn-BTC (a), MOF-199 (b) và Zn-MOF-199 (c) 98
Hình 3.30 Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 của các mẫu MOF-199, Zn-BTC
và Zn-MOF-199 99
Hình 3.31 Hiệu suất của phản ứng với xúc tác MOF-199, Zn-MOF-199, Zn-BTC, MOF-199:Zn-BTC (1:1) và không có chất xúc tác 101
Hình 3.32 Hiệu suất phản ứng ở các nhiệt độ khác nhau 102
Hình 3.33 Hiệu suất phản ứng ở các thời gian khác nhau 103
Hình 3.34 Hiệu suất phản ứng với các lượng chất xúc tác Zn-MOF-199 khác nhau 103
Hình 3.35 Sự ảnh hưởng của Zn-MOF-199 đối với phản ứng acetal hóa 105
Hình 3.36 Hiệu suất phản ứng trên xúc tác Zn-MOF-199 sau nhiều lần tái sử dụng 106
Hình 3.37 Giản đồ XRD của ZnO, CuO và ZnO/CuO 108
Hình 3.38 Ảnh SEM các mẫu: a1) MOF-199, b1) Zn-BTC, c1) Zn-MOF-199, a2) CuO, b2) ZnO, c2)ZnO/CuO, d1) Ảnh TEM mẫu ZnO/CuO; d2) Ảnh HR-TEM của ZnO/CuO 109
Hình 3.39 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 của các mẫu CuO, ZnO và