Nghiên cứu tổng hợp crmnxfe(1 x)o3sba 15 và ứng dụng làm xúc tác cho phản ứng oxi hóa ancol benzylic thành benzandehit bằng h2o2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TRẦN THỊ NGỌC ANH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CrMnxFe(1-x)O3/SBA-15 VÀ ỨNG DỤNG LÀM XÚC TÁC CHO PHẢN ỨNG OXI HÓA ANCOL BENZYLIC THÀNH BENZANDEHIT BẰNG H2O2 LU N V N THẠC S HÓA HỌC ĐÀ NẴNG, N M 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM TRẦN THỊ NGỌC ANH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CrMnxFe(1-x)O3/SBA-15 VÀ ỨNG DỤNG LÀM XÚC TÁC CHO PHẢN ỨNG OXI HÓA ANCOL BENZYLIC THÀNH BENZANDEHIT BẰNG H2O2 C M nn n H ữ 44 14 LU N V N THẠC S HÓA HỌC N ƣ ƣ n d n o ọc TS ĐINH V N TẠC ĐÀ NẴNG, N M 2017 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn TRẦN THỊ NGỌC ANH MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Đối tƣợng nghiên cứu Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 3.1 Mục tiêu nghiên cứu .2 3.2 Phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu 4.1 Nghiên cứu lý thuyết 4.2 Nghiên cứu thực nghiệm Nội dung nghiên cứu Bố cục luận văn CHƢƠNG : TỔNG QUAN 1.1 VẬT LIỆU PEROVSKIT 1.1.1 Giới thiệu perovskit 1.1.2 Cấu trúc lý tƣởng perovskit 1.1.3 Tính chất perovskit 1.1.4 Các phƣơng pháp tổng hợp perovskit 1.1.5 Các ứng dụng perovskit 12 1.2 VẬT LIỆU MAO QUẢN 14 1.2.1 Vật liệu zeolit 15 1.2.2 Vật liệu mao quản trung bình trật tự 16 1.3 VẬT LIỆU SBA-15 18 1.3.1 Khái quát 18 1.3.2 Sự hình thành SBA-15 20 1.3.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến đặc trƣng vật liệu 21 1.3.4 Một số tính chất SBA so với MCM 24 1.4 TỔNG QUAN VỀ ANCOL BENZYLIC VÀ BENZANDEHIT 25 1.4.1 Ancol benzylic 25 1.4.2 Benzandehit 26 1.4.3 Phản ứng chuyển hóa ancol benzylic thành benzandehit 26 CHƢƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ 28 2.1.1 Hoá chất 28 2.1.2 Thiết bị thí nghiệm 28 2.2 TỔNG HỢP VẬT LIỆU VÀ THỬ HOẠT TÍNH XÚC TÁC .29 2.2.1 Quy trình tổng hợp mẫu xúc tác 29 2.2.2 Phản ứng đánh giá hoạt tính xúc tác vật liệu 31 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP VẬT LÝ ĐẶC TRƢNG CHO VẬT LIỆU 33 2.2.1 Phƣơng pháp phân tích nhiệt (TA) 33 2.2.2 Phổ hồng ngoại (IR) 34 2.2.3 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 35 2.2.4 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 36 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LU N 38 3.1 VẬT LIỆU PEROVSKIT CrFeO3 VÀ CrMn0,2Fe0,8O3 38 3.2 VẬT LIỆU SBA-15 40 3.2.1 Sự biến đổi SBA-15 sau nung 40 3.2.2 Thông số mạng vật liệu SBA-15 43 3.2.3 Hình ảnh TEM vật liệu SBA-15 44 3.3 VẬT LIỆU PEROVSKIT CrMn0,2Fe0,8O3 MANG TRÊN VẬT LIỆU MQTB SBA-15 45 3.4 HOẠT TÍNH XÚC TÁC .47 3.4.1 Ảnh hƣởng chất xúc tác 47 3.4.2 Ảnh hƣởng chất mang 48 KẾT LU N VÀ KIẾN NGHỊ 51 I KẾT LUẬN .51 II KIẾN NGHỊ .52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LU N V N (bản sao) PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu a: Thông số mạng tế bào sở Dp: Diameter pore - Đƣờng kính mao quản dhkl: Mặt phản xạ DTA: Differential thermal analysis - Phân tích nhiệt vi sai DTGA: Differential thermogravimetry analysis - Phân tích trọng lƣợng nhiệt vi sai F127: (PEO)106(PPO)70(PEO)106 GC-MS: Phƣơng pháp sắc kí khí ghép khối phổ h,k,l: Chỉ số Miller P123: (PEO)20(PPO)70(PEO)20 PEO: Polyetylen oxit TA: Phân tích nhiệt TEM: Transmission electron microscopy - Hiển vi điện tử truyền qua TEOS: Tetraetyl orthosilicat TGA: Phân tích trọng lƣợng nhiệt W: Wall thickness - Độ dày thành mao quản XRD: X-Ray Diffraction - Nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC BẢNG S hiệu Tên bảng Trang bảng 3.1 3.2 3.3 3.4 Kết thu đƣợc nhiễu xạ tia X mẫu CrFeO3 CrMn0,2Fe0,8O3 so với perovskit chuẩn Thông số nhiễu xạ tia X góc hẹp SBA-15 30% CrMn0,2Fe0,8O3 /SBA-15 Độ chuyển hóa ancol benzylic dùng xúc tác Kết phân tích sản phẩm phản ứng chuyển hóa ancol benzylic 39 47 48 49 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ T n ìn v S hiệu đồ Trang hình đồ 1.1 Cấu trúc lập phƣơng perovskit 1.2 Mơ hình mao quản xếp theo dạng lục lăng 19 1.3 Sự kết nối kênh mao quản sơ cấp qua mao quản thứ 20 cấp SBA-15 1.4 Pha mixen dạng lập phƣơng tâm khối F127 21 1.5 Tƣơng tác chất hoạt động bề mặt silica oligome 21 qua cầu ion halogenua 1.6 Mixen P123 nƣớc 22 1.7 Sự dehydrat hóa chuỗi PEO tăng thể tích phần lõi 22 tăng nhiệt độ 1.8 Sự tăng độ dày thành mao quản tăng hàm lƣợng 23 TEOS (Dp:Diameter pore: đƣờng kính mao quản, W: Wall thickness: độ dày thành mao quản) 1.9 Sự co chuỗi PEO tăng hàm lƣợng D-glucozơ 24 1.10 Mơ hình tổng hợp cacbon nano từ SBA-15 25 MCM-41 2.1 Thiết bị tổng hợp perovskit trƣờng Đại học Sƣ 30 phạm Đà Nẵng 2.2 Mẫu perovskit CrMn0,2Fe0,8O3/SBA-15 sau tổng 30 hợp 2.3 Sơ đồ thiết bị phản ứng oxi hóa ancol benzylic 31 2.4 Thiết bị phản ứng oxi hóa ancol benzylic trƣờng Đại 32 học Sƣ phạm Đà Nẵng 2.5 Nguyên lí cấu tạo máy nhiễu xạ tia X 36 3.1 Phổ XRD CrFeO3 38 3.2 Phổ XRD CrMn0,2Fe0,8O3 39 3.3 Ảnh TEM CrFeO3 40 3.4 Giản đồ phân tích nhiệt SBA-15 41 3.5 Phổ IR mẫu SBA-15 trƣớc nung 42 3.6 Phổ IR mẫu SBA-15 sau nung 43 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X SBA-15 trƣớc (a) sau 43 nung (b) 3.8 Ảnh TEM SBA-15 nhìn song song (a) 45 vng góc (b) với trục mao quản 3.9 Giản đồ XRD góc nhỏ (2θ = - 5°) mẫu 46 30% CrMn0,2Fe0,8O3/SBA-15 3.10 Hàm lƣợng banzandehit thu đƣợc sử dụng mẫu xúc tác x CrMn0,2Fe0,8O3/SBA-15 50 48 Bảng 3.3 Độ chuyển hóa ancol benzylic dùng xúc tác Hàm lƣợng sản phẩm Tên xúc tác Độ chuyển hoá Benzandehit Ancol benzylic ancol benzylic (%) 100 CrFeO3 25,34 73,52 26,48 CrMn0,2Fe0,8O3 30,38 63,99 36,01 Không dùng xúc tác Từ Bảng 3.3 ta thấy khơng có xúc tác phản ứng coi nhƣ không xảy ra, độ chuyển hóa Khi dùng xúc tác CrFeO3 độ chuyển hóa ancol benzylic 26,48% 25,34% chuyển thành benzandehit Khi thay phần Fe Mn (CrMn0,2Fe0,8O3) độ chuyển hóa tăng mạnh từ 26,48% lên 36,01% phần trăm benzandehit tƣơng ứng tăng 20% Nhƣ vậy, kết thực nghiệm cho thấy xúc tác CrMn0,2Fe0,8O3 có độ chuyển hoá cao nhiều so với CrFeO3 Điều giải thích có mặt Mn xúc tác CrMn0,2Fe0,8O3 Mn kim loại có nhiều trạng thái oxi hố ion có khả oxi hố cao đồng thời ta cho thay phần Fe mẫu CrFeO3 Mn gây biến dạng cấu trúc, tạo thành hốc trống dẫn đến hoạt tính xúc tác tăng lên 3.4.2 Ản ƣởng chất mang Do xúc tác CrMn0,2Fe0,8O3 có độ chuyển hóa cao CrFeO3, nên định chọn mẫu xúc tác để đƣa lên chất mang SBA-15 theo tỉ lệ 10%, 20%, 30%, 40% CrMn0,2Fe0,8O3/SBA-15 Kết phân tích phƣơng pháp GC-MS đƣợc tóm tắt Bảng 3.4: 49 Bảng 3.4 Kết phân tích sản phẩm phản ứng chuyển hóa ancol benzylic Xúc tác Hàm lƣợng sản phẩm (%) Benzandehit Ancol Độ chuyển hóa δ (%) benzylic CrMn0,2Fe0,8O3 30,38 63,99 36,01 10% CrMn0,2Fe0,8O3/SBA-15 36,86 60,74 39,26 20% CrMn0,2Fe0,8O3/SBA-15 39,20 60,69 39,31 30% CrMn0,2Fe0,8O3/SBA-15 49,37 50,56 49,44 40% CrMn0,2Fe0,8O3/SBA-15 38,20 59,60 40,40 Bảng cho thấy độ chuyển hóa ancol benzylic mẫu xCrMn0,2Fe0,8O3/SBA-15 (x hàm lƣợng phần trăm theo khối lƣợng CrMn0,2Fe0,8O3 đƣợc đƣa lên chất mang SBA-15) cao hẳn so với mẫu CrMn0,2Fe0,8O3 Điều này, mặt hạt nano perovskit đƣợc phân tán vật liệu SBA-15 với kích thƣớc hạt nhỏ Mặt khác, diện tích bề mặt vật liệu perovskit/SBA-15 lớn nhiều so với CrMn0,2Fe0,8O3 nên khả hấp phụ tăng kích thƣớc mao quản rộng thuận lợi cho khuếch tán tác nhân phản ứng [3] Từ Bảng 3.4 ta thấy hàm lƣợng benzandehit tăng dần hàm lƣợng perovskit tăng, sau giảm,và đạt cực đại hàm lƣợng CrMn0,2Fe0,8O3 30% (Hình 3.10) Điều hàm lƣợng perovskit ít, đƣợc phân tán tốt SBA-15, nhiên hoạt tính xúc tác perovskit nên hàm lƣợng perovskit nhỏ chƣa đủ tâm hoạt động để phản ứng đạt kết cao Khi hàm lƣợng CrMn0,2Fe0,8O3 phân tán tiếp tục tăng, độ phân tán perovskit không cao, perovskit chủ yếu nằm mao quản tạo thành hạt có kích thƣớc lớn làm giảm diện tích bề mặt giảm độ hoạt động vật liệu Độ chuyển hóa đạt cao chúng tơi khảo sát đƣợc hàm lƣợng 30% perovskit với số lƣợng tâm hoạt động nhiều khả phân tán tƣơng đối tốt CrMn0,2Fe0,8O3 50 SBA-15 Hình 3.10 Hàm lượng banzandehit thu sử dụng mẫu xúc tác x CrMn0,2Fe0,8O3/SBA-15 51 KẾT LU N VÀ KIẾN NGHỊ I KẾT LU N Vật liệu perovskit CrFeO3 CrMn0,2Fe0,8O3 tổng hợp đƣợc theo phƣơng pháp đốt cháy gel từ tiền chất muối Kết XRD cho thấy vật liệu có cấu trúc Rhombohedral, phƣơng pháp TEM cho thấy kích thƣớc hạt trạng thái nano Đã tổng hợp thành công vật liệu mao quản trung bình SBA-15 phƣơng pháp thủy nhiệt (hydrothermal synthesis) Phƣơng pháp TGA, IR với XRD cho thấy nhiệt độ nung tối ƣu ảnh hƣởng đến đặc trƣng vật liệu Các phƣơng pháp vật lý XRD, TEM cho thấy SBA-15 có độ trật tự cao, kích thƣớc hạt đồng đều, thuộc nhóm cấu trúc lục lăng P6mm Đã phân tán CrMn0,2Fe0,8O3 với hàm lƣợng phần trăm khối lƣợng khác (10 - 40%) lên vật liệu SBA-15 Các phƣơng pháp đặc trƣng vật lý cho thấy vật liệu sau tẩm giữ đƣợc cấu trúc lục lăng P6mm SBA-15, nhiên có xảy co thành mao quản độ trật tự giảm ảnh hƣởng nhiệt độ nung cao che phủ phần bề mặt SBA-15 CrMn0,2Fe0,8O3 Vật liệu x CrMn0,2Fe0,8O3/SBA-15 thu đƣợc có hoạt tính xúc tác cao hẳn CrFeO3 CrMn0,2Fe0,8O3 phản ứng chuyển hóa ancol benzylic pha lỏng Xúc tác cho độ chuyển hóa cao 30% CrMn0,2Fe0,8O3/SBA-15 với độ phân tán tƣơng đối tốt perovskit số tâm hoạt động cao 52 II KIẾN NGHỊ Nếu có thời gian tơi nghiên cứu thêm: Việc tái sử dụng chất xúc tác Việc dùng vật liệu để hấp phụ số chất hữu độc hại nƣớc 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Vũ Đăng Độ (2006), Các phương pháp phân t ch vật lý hóa học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội [2] Trần Thị Hà (2010), Khảo sát tính chất điện từ vật liệu perovskit BaTiO3 pha tạp Fe, Đề tài cấp trƣờng, Mã số T06/10 [3] Nguyễn Thị Vƣơng Hoàn, Trần Huỳnh Thị Nhƣ Thanh, Đặng Tuyết Phƣơng, Nguyễn Hữu Phú (2010), Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng hoạt tính xúc tác vật liệu lai hóa vơ cơ- hữu SBA-15 chứa Cu Fe, Tạp chí Khoa học Công nghệ, T48(2A), trang 439 - 446 [4] Phạm Luận (2014), Phương pháp phân t ch phổ phân tử, NXB Bách khoa Hà Nội, trang 119 - 212 [5] Bùi Thị Nhung (2014), Nghiên cứu t nh chất điện tử số perovskit từ t nh pha tạp đất hiếm, Luận văn thạc sĩ Khoa học, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội [6] Ngô Thị Thuận, Nguyễn Thị Quỳnh (2005), Nghiên cứu điều chế, đặc trưng hoạt t nh xúc tác perovskit (CrFeO3, CrMn0.3Fe0.7O3 / MCM-41 cho phản ứng oxi hóa ancol benzylic, Các báo cáo khoa học - Hội nghị xúc tác hấp phụ toàn quốc, Lần thứ III, Huế, trang 491 496 [7] Ngô Thị Thuận, Trần Thị Nhƣ Mai, Lê Xuân Tuấn (2011), Oxi hóa chọn lọc ancol benzylic thành benzandehit xúc tác Fe-MCM-22, Đại học Quốc gia Hà Nội [8] Đinh Thị Thu Thủy (2002), Nghiên cứu q trình oxi hóa ancol benzylic hiđropeoxit xúc tác công nghiệp chứa vanadi oxit, Khóa luận tốt nghiệp [9] Nguyễn Phú Thùy (2001), Vật l tượng từ, NXB Đại học Quốc gia 54 Hà Nội [10] Hoàng Thu Trang (2004), Nghiên cứu tổng hợp đặc trưng t nh chất hệ xúc tác perovskit phản ứng oxi hoá ancol benzylic, Khố luận tốt nghiệp [11] Nguyễn Đình Triệu (1999), Các phương pháp phân t ch vật lý ứng dụng hóa học, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội [12] Phạm Đình Trọng (2009), Nghiên cứu đặc trưng hoạt t nh xúc tác vật liệu mao quản trung bình biến t nh họ SBA, Khoá luận tốt nghiệp, Đại học Khoa học Tự nhiên TIẾNG ANH [13] A Puzari, L Nath and Jubaraj B Baruah (1998), Indian Journal of chemistry, Vol 37A, pages 723 - 725 [14] A Galameau, H Cambon, F Di Renzo, R Ryoo, M Choi, & F Fajula (2003), Microporosity and conections between pores in SBA-15 mesostructure silicas as a function of the temprature of synthesis, New joumal of Chemistry, 27(1): 73 - 79 [15] Akira Tahuchi, Srdi Fchuth (3 january 2005), Oder mesoporous materials in catalysis, Microporous and mesoporous materials, volume 77, Issue 1, page - [16] Chi-Feng Cheng, Yi-Chun Lin, Hsu-Hsuan Cheng, Yu-Chuan Chen (2003), Chemical Physics Letters, Volume 382, Issue - 6, page 496 [17] Chia-Min Yang and Kuei-Jung Chao (2002), Functionalization of Molecularly Templated Mesoporous Silica, Journal of the Chinese Chemical Society, pages 883 - 893 [18] C.G Sonwane, Peter J Ludovice (1 september 2005), A note on microand mesoporous in the walls of SBA-15 and hysteresis of adsorption 55 isotherms, Joumal of Molecular Catalysis A: Chemical, Volume 238, Issues - 2, pages 135 - 137 [19] Gallis, K W, Landry, C C (2001), Ad Mater, Vol 13, p 23 [20] Jiguang Deng, Lei Zhang, Hongxing Dai, Chak-Tong Au (15 January 2009), Insitu hydrothermally synthesized mesoporous LaCoO3/SBA-I5 catalysts: high activity for the complete oxidation of toluene and ethyl acetate, Applied Catalysis A: General, Volume 352, Issues - 2, pages 43 - 49 [21] Jugges U, Disser S, Schmid G and Schuth F (1988), Ordered Mesoporous Materials as Catalyst Supports, Stud Surf Sci Catal 117 391 - 398 [22] K Schumacher, P I Ravikovitch, A Du Chesne, A V Neimark, and K K Unger (2000), Characterization of MCM-48 materials, Langmuir, 16(10): 4648 - 4654 [23] L G Tejuca, J L G Fierro (1898), Structure and reactivity of perovskite – type oxides, Advances in catalysis, Vol 36 237 - 328 [24] Libby, W F (1975), co oxidation on LaCoO3 peroskite, Science 171, 499 [25] M A Pena and J I G Fieno (2001), Chemical structure and performance of perovskite oxides, Chemical Reviews, Vol.101, No.7 [26] M Jaroniec, J Choma, and M Kruk (2000), On the applicability of the Horxvath - Kawazoe methodýor pore size analysỉs of MCM-41 and related mesoporous materials, Volume 128 of Studies in Surface Science and catalysis, pages 225 - 234 [27] Pankajavalli, Janaki J, Sveedharan O M, Gnanamourthuy JoB, RaOG.V.N, Sankarasastry V, Janawadkar M, Hariharan Y and Rathakrishnan T S (1988), Synthesis of High Quality 1-2-3 Compoud through Citrate Combustion, Physical C, 156, 737 - 740 56 [28] Parravano, G J Am (1953), Complete oxidation of CH3OH and CO at low concentrations over Ag/La0,6Sr0,4MnO3 - based catalysts, Chem Soc [29] Pedersen, L A, Libby, W F (1972), Unseparated rare - earth cobalt oxides as auto exhaust catalysts, Science, 176, 1355 [30] Peter S.D, Garbowski E, Perrichon V, Pommier B and Primet M, (2001) Activity Enhancement of mỉxed Lanthannium - Copper Iron - perovskỉte in the CO + NO reaction, Appl Catal A: General, 205, 147 - 158 [31] Seo-Hee Cho, Sang-Eon Park (2007), The effect of hydrophilic agent on pores and walls of SBA-16 type mesoporous silica, Studies in Surface Science and Catalysis, Volume 170, Part 1, Pages 641 647 [32] Tae Wan Kim, Ryong Ryoo, michal Kruk, Kamil P Goerszal (2004), Tailoring the Pore Structure of SBA-16 Silica Molecular Sieve through the use of Copolymer Blends and Control of Synthesis Temperature and Time, J Phys Chem B, Vol 108, pages 11480 11489 [33] Tascon J M D, Tejuca L G., Rochester C H (1985), Journal Catalyst, 95, pages 558 [34] Ten Elshof J E, Bowmeester H J M and Verweij H (1995), Oxidative Coupling of Methane in a Mixed - Conducting perovskite Membranche Reactor, Appl Catal A: General, 130 195 - 212 [35] Ulrike Ciesla, Ferdi Schuth (February 1999), Ordered mesoporous materials , Microporous and Mesoporous Materials, Volume 27, Issues - 3, pages 131 - 149 [36] Zhengwei Jin, Xiaodong Wang, Xiuguo Cui (2007), Synthesis and characterization of ordered and cubic mesoporous silica crystals 57 under a moderately acidic condition, J Mater Sci 42: 465 - 471 ... trình tổng hợp CrMnxFe(1- x)O3/SBA -15 ứng dụng làm xúc tác cho phản ứng oxi hóa ancol benzylic thành benzandehit H2O2 P ạm v n n Tổng hợp CrMnxFe(1- x)O3/SBA -15 làm xúc tác cho phản ứng oxi hóa ancol. .. 2O2 làm tác nhân oxi hoá cho phản ứng oxi hố ancol [10] Vì lí đó, đề tài đƣợc lựa chọn để nghiên cứu là: ? ?Nghiên cứu tổng hợp CrMnxFe(1- x)O3/SBA -15 ứng dụng làm xúc tác cho phản ứng oxi hóa ancol. .. THỊ NGỌC ANH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CrMnxFe(1- x)O3/SBA -15 VÀ ỨNG DỤNG LÀM XÚC TÁC CHO PHẢN ỨNG OXI HÓA ANCOL BENZYLIC THÀNH BENZANDEHIT BẰNG H2O2 C M nn n H ữ 44 14 LU N V N THẠC S HÓA HỌC N ƣ ƣ