Nghiên cứu điều kiện tổng hợp, tính chất và ứng dụng của vật liệu mesoporous carbon

MỤC LỤC Trang Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục hình vẽ Danh mục bảng MỞ ĐẦU CHƯƠNG I – TỔNG QUAN 1.1.PHÂN LOẠI VẬT LIỆU MAO QUẢN VÀ MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU MAO QUẢN 1.1.1 Phân loại vật liệu mao quản 1.1.2 Các thông số đặc trưng vật liệu mao quản 1.1.2.1.Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ vật liệu mao quản 1.1.2.2.Diện tích bề mặt riêng 1.1.2.3.Tổng thể tích lỗ xốp 1.1.2.4.Sự phân bố kích thước mao quản 1.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CẤU TRÚC MAO QUẢN CỦA CACBON HOẠT TÍNH 1.2.1.Điều khiển cấu trúc vi mao quản cacbon hoạt tính 1.2.1.1.Nhiệt phân tiền chất cacbon 10 1.2.1.2.Thay đổi cấu trúc lỗ xốp cacbon 13 1.2.1.3.ng dụng cacbon vi mao quản 14 1.2.2.Điều khiển cấu trúc mao quản trung bình cacbon hoạt tính 15 1.2.2.1.Phương pháp hoạt hóa xúc tác 15 1.2.2.2.Cacbon hóa hỗn hợp polime 17 1.2.2.3.Cacbon hóa gel hữu 19 1.2.2.4.Phương Pháp Sử Dụng Chất Tạo Cấu Trúc (Template Carbonization) 1.2.3 Tổng hợp vật liệu cacbon mao quản lớn 21 27 1.2.3.1.Tổng hợp cacbon mao quản lớn phương pháp nhiệt phân gel hữu hay hỗn hợp polime 27 1.2.3.2.Tổng hợp cacbon mao quản lớn cách dùng chất tạo cấu trúc SiO2 hình cầu 27 1.3 TỔNG HP CACBON MAO QUẢN TRUNG BÌNH CÓ CẤU TRÚC ĐỒNG NHẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CHẤT TẠO CẤU TRÚC LÀ OXIT SILIC MAO QUẢN TRUNG BÌNH 28 1.3.1.Các giai đoạn trình tổng hợp cacbon mao quản trung bình 28 1.3.1.1.Tẩm tiền chất cacbon lên chất tạo cấu trúc 28 1.3.1.2.Polime hóa tiền chất cacbon chất tạo cấu trúc 29 1.3.1.3.Cacbon hóa tiền chất cacbon 29 1.3.1.4.Loại bỏ chất tạo cấu trúc 30 1.3.2 Cơ chế hình thành cấu trúc mao quản trung bình cacbon 30 1.3.2.1.Các cách tẩm cacbon vào mao quản chất tạo cấu trúc oxit silic 30 1.3.2.2.Cấu trúc cần thiết chất tạo cấu trúc oxit silic sử dụng để tổng hợp cacbon mao quản trung bình đồng 31 1.3.2.3.Sự hình thành cacbon có kích thước mao quản đồng cacbon có kích thước mao quản khác 33 1.3.3 Các đặc trưng ứng dụng vật liệu cacbon mao quản trung bình đồng 34 1.3.3.1.Các đặc trưng cacbon mao quản trung bình đồng 34 1.3.3.2.Ứng dụng 35 1.4 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU MAO QUẢN TRUNG BÌNH OXIT SILIC 36 1.4.1.Nguồn nguyên liệu tổng hợp vật liệu mao quản trung bình oxit silic 37 1.4.2.Cơ chế hình thành vật liệu mao quản trung bình oxit silic 37 1.4.3.Các điều kiện ảnh hưởng đến trình tổng hợp vật liệu mao quản trung bình silic 41 1.4.4.Các Đặc Trưng - Tính Chất Của Vật Liệu Mao Quản Trung Bình Oxit Silic 42 1.4.4.1.Đặc trưng vật liệu mao quản trung bình oxit silic 42 1.4.4.2.Tính chất vật liệu mao quản trung bình oxit silic 43 CHƯƠNG - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM 44 2.1 TỔNG HP VẬT LIỆU SILIC MAO QUẢN TRUNG BÌNH 44 2.1.1.Cơ sở lý thuyết 44 2.1.2.Phương pháp thực nghiệm 44 2.1.2.1.Hóa chất thiết bị 44 2.1.2.2.Quy trình tổng hợp 45 2.1.2.3.Xác định đặc trưng vật liệu mao quản trung bình oxit silic 45 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỔNG HP CACBON MAO QUẢN TRUNG BÌNH 2.2.1 Đường sucrose 47 47 2.2.2.Cơ sở lý thuyết trình tẩm đường sucrose lên chất tạo cấu trúc 2.2.3.Ảnh hưởng yếu tố khác đến trình tổng hợp cacbon 2.3 TỔNG HP CACBON MAO QUẢN TRUNG BÌNH 47 49 50 2.3.1 Hóa chất thiết bị 50 2.3.2 Quy trình tổng hợp cacbon mao quản trung bình 51 2.3.3 Khảo sát điều kiện tổng hợp cacbon mao quản trung bình 53 2.3.3.1 Khảo sát trình loại bỏ chất tạo cấu trúc SiO2 53 2.3.3.2 Khảo sát nhiệt độ cacbon hóa 54 2.3.3.3 Khảo sát tỉ lệ đường tỉ lệ SiO2 54 2.3.3.4 Khảo sát trình tẩm đường lên chất tạo cấu trúc MS16 55 2.3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng chất tạo cấu trúc SiO2 đến cacbon 55 2.3.4 Xác định đặc trưng vật liệu cacbon mao quản trung bình 56 CHƯƠNG - KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 57 3.1 TỔNG HP VẬT LIỆU OXIT SILIC MAO QUẢN TRUNG BÌNH 57 3.1.1.Các vật liệu oxit silic mao quản trung bình tổng hợp 57 3.1.2.Các đặc trưng hóa lý vật liệu oxit silic mao quản trung bình 57 3.1.2.1.Kết đo XRD 57 3.1.2.2.Kết đo diện tích bề mặt riêng BET 59 3.1.2.3.Kết đo phân bố lỗ xốp 60 3.1.2.4.Kết đo kính hiển vi điện tử quét SEM 61 3.2 KHẢO SÁT ĐIỀU KIỆN TỔNG HP VẬT LIỆU MAO QUẢN TRUNG BÌNH CACBON 3.2.1.Kết khảo sát trình loại bỏ chất tạo cấu trúc SiO2 3.2.1.1.Hàm lượng Si mẫu cacbon mao quản trung bình 62 62 63 3.2.1.2.Kết đo XRD 64 3.2.2 Kết khảo sát nhiệt độ cacbon hóa 65 3.2.3 Khảo sát tỉ lệ đường tỉ lệ SiO2 68 3.2.3.1.Kết đo XRD 68 3.2.3.2.Kết đo diện tích bề mặt riêng BET 71 3.2.4 Kết khảo sát trình tẩm đường lên chất tạo cấu trúc MS16 72 3.2.5 Khảo sát ảnh hưởng chất tạo cấu trúc SiO2 đến cacbon 76 3.2.6 Xác định đặc trưng vật liệu mao quản trung bình cacbon 78 3.2.6.1.Phổ nhiễu xạ XRD 78 3.2.6.2 Diện tích bề mặt riêng phương pháp BET 78 3.2.6.3.Phân bố đường kính mao quản MC16 78 3.2.6.4 Ảnh SEM MC16 80 3.2.6.3.Khảo sát khả hấp phụ cacbon mao quản trung bình 81 3.2.7 Kết luận điều kiện tổng hợp cacbon mao quản trung bình với qui mô phòng thí nghiệm xác định 83 CHƯƠNG - PHẦN KẾT LUẬN 84 4.1 Những kết đạt 84 4.2 Hướng nghiên cứu 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 PHỤ LỤC 90 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACF : (actived carbon fiber) cacbon hoạt tính dạng sợi MSC : (molecular sieving carbon) cacbon rây phân tử MC : vật liệu cacbon mao quản trung bình MCM-48: vật liệu oxit silic mao quản trung bình có tiết diện hình vuông MQTB: vật liệu mao quản trung bình Pluronic P123: (CH2CH2O)20(CH3CH2CH2O)70(CH2CH2O)20 SBA -15: vật liệu oxit silic mao quản trung bình tổng hợp với chất tạo cấu trúc P123 SEM : nh kính hiển vi điện tử quét TEM: nh kính hiển vi điện tử truyền qua XRD: Phổ nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các kiểu đường đẳng nhiệt hấp phụ theo phân loại IUPAC Hình 1.2 Đường phân bố thể tích lỗ xốp MSC phụ thuộc lượng nhựa đường thêm vào than Baiduri Hình 1.3 Đường phân bố thể tích lỗ xốp MSC phụ thuộc vào nhựa phenol trao đổi cation kim loại khác Hình 1.4 Mô hình trình cacbon hóa nhựa phenol nhựa phenol trao đổi cation Zn điều chế MSC Hình 1.5 Sự thay đổi khối lượng mẫu cacbon hoạt tính dạng sợi (ACF) cacbon hóa benzen (ACF) Hình 1.6 Cơ chế trình cacbon hóa benzen than hoạt tính sợi (ACF) Hình 1.7 Sơ đồ trình cacbon hóa hỗn hợp polime hình thành cacbon có cấu trúc mao quản trung bình Hình 1.8 Đường hấp phụ giải hấp N2 cacbon tổng hợp từ PP PP/PEG Hình 1.9 Quá trình hình thành gel hữu Hình 1.10 Phân bố lỗ xốp phụ thuộc vào tỉ lệ R nước Hình 1.11.Đường cong phân bố lỗ xốp cacbon tổng hợp từ FA TEOS phụ thuộc vào điều kiện gel hóa Hình 1.12 Sơ đồ tổng hợp cacbon mao quản trung bình dùng hỗn hợp polime silicat sucrose Hình 1.13 Sơ đồ tổng hợp cacbon mao quản trung bình với chất tạo cấu trúc sol SiO2 với kích thước hạt khoảng 12nm Hình 1.14- Cơ chế hình thành lỗ xốp trung bình cacbon từ composit P123/Na2SiO3 phenol Hình 1.15 Cơ chế hình thành cacbon mao quản trung bình với chất tạo cấu trúc hỗn hợp SiO2 chất hoạt động bề mặt Hình 1.16 Hai cách tẩm cacbon vào mao quản SiO2 Hình 1.17.Cơ chế hình thành cacbon mao quản sử dụng chất tạo cấu trúc vật liệu mao quản silic Hình 1.18 Cơ chế hình thành vật liệu cacbon mao quản trung bình Hình 1.19 Cơ chế hình thành cacbon mao quản có phân bố kích thước khác thay đổi lượng tiền chất cacbon Hình 1.20 Đường đẳng nhiệt hấp phụ nitơ phân bố cấu trúc lỗ xốp số loại cacbon mao quản trung bình Hình 1.21 nh hưởng nồng độ chất HĐBM đến việc hình thành pha hệ chất HĐBM nước Hình 1.22 Cơ chế hình thành MCM-41 theo hai đường Hình 1.23 – Cơ chế tạo cấu trúc trung hòa hình thành vật liệu mao quản trung bình oxit silic Hình 1.24 Cơ chế hình thành vật liệu mao quản trung bình với chất hoạt động bề mặt anion natri dodecyl sunfat Hình 1.25 Nhiễu xạ tia X vật liệu oxit silic mao quản trung bình Hình 1.26 Đường đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp nitơ oxit silic mao quản trung bình Hình 2.1 Sơ đồ qui trình tổng hợp vật liệu mao quản trung bình oxit silic Hình 2.2 Cấu tạo phân tử sucrose C12H22O11 Hình 2.3.Kết XRD cacbon tổng hợp với lượng H2SO4 khác g đường Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống lò nung mẫu cacbon Hình 2.5 Sơ đồ quy trình tổng hợp cacbon mao quản trung bình Hình 3.1 Phổ XRD mẫu oxit silic MS9 Hình 3.2 Phổ XRD mẫu oxit silic MS16 Hình 3.3 Đường đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp N2 MS16 Hình 3.4 Đường phân bố lỗ xốp vật liệu MS16 Hình 3.5 Ảnh SEM vật liệu mao quản trung bình MS16 Hình 3.6 Ảnh SEM vật liệu mao quản trung bình MS9 Hình 3.7 Phổ XRD mẫu MC16-HF MC16-Na50 Hình 3.8 Phổ nhiễu xạ XRD MC16 tổng hợp nhiệt độ cacbon hóa khác Hình 3.9 Phổ nhiễu xạ XRD mẫu MC16 tổng hợp với tỉ lệ đường SiO2 thay đổi Hình 3.10 Phổ nhiễu xạ XRD mẫu MC16-B MC16-B1 Hình 3.11 Phổ nhiễu xạXRD mẫu MC16-C MC16-C1 Hình 3.12 Phổ nhiễu xạ XRD mẫu MC16-D MC16-D1 Hình 3.13 Phổ nhiễu xạ XRD mẫu MC16-E MC16-E1 Hình 3.14.Phổ nhiễu xạ XRD mẫu MC9 so với MC16 Hình 3.15 Đường đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp N2 MC16 Hình 3.16 Đường phân bố lỗ xốp MC16 Hình 3.17 Ảnh SEM MC16 (a) (b) Hình 3.18 Đường chuẩn dung dịch thuốc nhuộm Hình 3.19 Dung dịch thuốc nhuộm trước sau hấp phụ MC than hoạt tính DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 nh hưởng TiO2 đến cấu trúc lỗ xốp khả hấp phụ than hoạt tính Bảng 3.1 Các oxit silic mao quản trung bình tổng hợp Bảng 3.2 Kết đo diện tích bề mặt BET MS9 MS16 Bảng 3.3.Kết khảo sát trình hòa tan SiO2 mao quản trung bình Bảng 3.4 Hàm lượng Si vật liệu mao quản trung bình cacbon tổng hợp với trình loại bỏ SiO2 khác Bảng 3.5 Các mẫu vật liệu cacbon mao quản trung bình tổng hợp với nhiệt độ cacbon hóa khác Bảng 3.6 Các mẫu vật liệu cacbon mao quản trung bình tổng hợp với tỉ lệ đường SiO2 khác Bảng 3.7 Kết diện tích bề mặt riêng BET vật liệu cacbon Bảng 3.8 Các mẫu vật liệu cacbon mao quản trung bình tổng hợp với trình tẩm đường khác Bảng 3.9 Các mẫu vật liệu cacbon mao quản trung bình tổng hợp với chất tạo cấu trúc MS9 Bảng 3.10 Số liệu xây dựng đường chuẩn Bảng 3.11 Số liệu độ hấp thu dung dịch mẫu 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 MC16 PHÂN BỐ LỖ XỐP 129 ... trường … Nhờ vào hệ thống mao quản đặc biệt mà vật liệu có tính chất riêng, làm chất hấp phụ, xúc tác, chất mang , chất phân tách… Than hoạt tính (actived carbon) loại vật liệu mao quản sử dụng từ... 1.4.3.Các điều kiện ảnh hưởng đến trình tổng hợp vật liệu mao quản trung bình silic 41 1.4.4.Các Đặc Trưng - Tính Chất Của Vật Liệu Mao Quản Trung Bình Oxit Silic 42 1.4.4.1.Đặc trưng vật liệu mao... hoạt tính không sử dụng chất hấp phụ mà dùng để phân tách, để làm chất xúc tác, làm vật liệu điện cực… nhiều ứng dụng khác Than hoạt tính (actived carbon) thuật ngữ nói chung để nhóm vật liệu