Ảnh SEM (Hình 3.3) của bentonite sau quá trình tinh chế cho thấy vật liệu được sắp xếp có cấu trúc giống các lá mỏng, cạnh nhỏ và sắp xếp chặt khít với nhau. Kích thước các lá mỏng khoảng 1–2 µm, phân bố khơng đồng đều và có xu hướng co cụm để tạo các tấm lá lớn do đặc điểm cấu tạo của bentonite.
3.2. Tổng hợp Al-MCM-41 từ bentonite
Hình 3.4a là kết quả nhiễu xạ tia X góc lớn của mẫu bentonite tinh chế có peak đặc trưng nằm ở góc 2θ=7,5 o, điều này khẳng định thêm thành phần khống có trong
bentonite chủ yếu là MMT. Sau khi tiến hành quá trình kiềm chảy bentonite ở 550
oC trong 1 h thì kết quả XRD góc lớn khơng xuất hiện peak đặc trưng nào của các khống vật có trong bentonite mà chỉ có các peak đặc trưng cho sự tồn tại của các tinh thể như Na2SiO3, CaCO3 và diopsite (CaMgSi2O6) (Hình 3.4b). Bentonite khi được kiềm
chảy với NaOH, các khống trong bentonite đã bị phân hủy hồn tồn và hình thành các hợp chất mới là Na2SiO3 và NaAlO2 [92,111].
2NaOH + SiO2 → Na2SiO3 + H2O (g) (3.1) 2NaOH + Al2O3 → 2NaAlO2 + H2O (3.2)
Quá trình nung bentonite với kiềm sẽ gây rối loạn cấu trúc của bentonite do sự đứt gãy của các liên kết kém bền và được coi như là sự kết hợp của hai quá trình: quá trình tách nước ra khỏi bentonite phụ thuộc nhiệt độ và sự tương tác với NaOH. Hai hiện tượng trên đã dẫn tới sự phân hủy bentonite ở nhiệt cao [92]. Trong quá trình tách nước, các phân tử nước được hình thành bởi phản ứng giữa các nhóm hydroxide OH- liền kề và tách ra khỏi tinh thể dưới tác dụng của nhiệt độ. Nước sẽ tách khỏi mạng lưới bát diện theo phương trình (3.3) và điều này khiến cho cấu trúc tinh thể bị xáo trộn rất mạnh [156]. Các lớp tứ diện vẫn còn tồn tại song các lớp bát diện sẽ bị phá hủy và khiến cho khoảng cách giữa các lớp này bị thu hẹp:
OH- + OH- → H2O (g) + O2- (3.3)
Hình 3.4. XRD của mẫu bentonite: (a) Bentonite tinh chế; (b) Bentonite
Dung dịch sau kiềm chảy thu được có thành phần chính là Na2SiO3. Dung dịch huyền phù này (Hình 2.3b) có tỷ lệ Si/Al ≈12,5 (theo kết quả phân tích AAS). Đây là nguồn nguyên liệu đầu cung cấp Si và Al cho tổng hợp Al-MCM-41.
3.2.2. Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới cấu trúc vật liệu Al-MCM-41 sử dụng nguồnalumino-silicate từ bentonite alumino-silicate từ bentonite
3.2.2.1. Ảnh hưởng tỷ lệ mol CTABr/(Si+Al)
Hình 3.5 là giản đồ XRD của Al-MCM-41 với các tỷ lệ mol tương ứng của CTABr/(Si+Al) là 0,67; 0,59 và 0,53.
Hình 3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol CTABr/(Si+Al) đến tạo vật liệu
Al-MCM-41 với các tỷ lệ khác nhau (a) CTABr/(Si+Al) là 0,67; (b) CTABr/(Si+Al) là 0,59; (c) CTABr/(Si+Al) là 0,59 và 0,53
Từ giản đồ XRD (Hình 3.5) cho thấy, mẫu vật liệu tổng hợp với tỷ lệ mol CTABr/(Si+Al) khác nhau đều xuất hiện 3 peak đặc trưng cho vật liệu Al-MCM-41 là d100, d110 và d200. Các đỉnh peak có cường độ cao, nhọn thể hiện độ kết tinh và độ trật tự cao của vật liệu. Tuy nhiên, với tỷ lệ mol CTABr/(Si+Al = 0,59 (Hình 3.5b) tương ứng 25mL CTABr và 42 mL dung dịch (Al-Si) thì đỉnh peak có cường độ cao và nhọn hơn, chứng tỏ vật liệu tổng hợp được có độ tinh thể cao và rất trật tự. Tỷ lệ mol tăng lên 0,67 tương ứng với 25 ml CTABr và 47 ml dung dịch (Al-Si) thì đỉnh peak có cường độ giảm, điều này có thể giải thích bởi khi tăng tỷ lệ CTAB/(Si+Al)
độ kết tinh giảm nên độ trật tự của vật liệu giảm [113]. Từ đó, tỷ lệ mol CTABr/(Si+Al) = 0,59 được lựa chọn trong quá trình tổng hợp Al-MCM-41.
3.2.2.2. Ảnh hưởng của môi trường pH
Nhằm ngưng tụ các tiền chất vô cơ lên mixel chất HĐBM và định hướng xây dựng tường thành mao quản trong giai đoạn thuỷ nhiệt nên môi trường phản ứng được khống chế trong môi trường kiềm với pH < 12 [111].
Kết quả XRD (Hình 3.6) của mẫu tổng hợp trong mơi trường trung tính và acid cho các peak đặc trưng khơng rõ ràng, khơng có độ nhọn ở peak d100 và dường
như khơng có sự xuất hiện của 2 peak d110 và d200.
Hình 3.6. Giản đồ XRD của Al-MCM-41 tổng hợp ở các môi trường pH