CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.6. Các phương pháp tổng hợp vật liệu composite trên cơ sở Al-MCM-41
1.6.1. Phương pháp sol-gel
Phương pháp sol-gel là phương pháp đi từ một sol ở dạng phân tán keo chưa đơng đặc của một chất rắn trong chất lỏng. Có thể coi gel như một polyme trương nở trong dung mơi. Q trình tạo gel do tăng nồng độ pha phân tán trong hệ và phát triển thành dạng đông tụ ở trạng thái tập hợp các hạt tồn tại trong hệ. Độ nhớt của hệ tăng
mạnh khi chuyển dịch từ sol sang gel. Quy trình sol-gel được xây dựng dựa trên hai
phương pháp:
- Phương pháp đi từ dung dịch keo
- Phương pháp polyme hóa alkoxide hoặc nitrat
Một hệ sol là sự phân tán của các hạt rắn trong một chất lỏng có kích thước
khoảng 0,1 đến 1µm. Hiện tượng đơng tụ các hạt keo là do các hạt sol hút nhau, do đó thời gian bảo quản các hạt sol bị hạn chế.
Phương pháp sol- gel được áp dụng cho tổng hợp các vật liệu sạch và có độ đồng nhất cao vì quá trình trộn lẫn cho phép đạt đến qui mô phân tử, nguyên tử và các hạt keo.
Các quá trình xảy ra trong sol-gel
Phản ứng thủy phân: là phản ứng nhóm hydroxyl (-OH) của phân tử nước được thay thế nhóm alkoxide (-OR) của M(OR)n để tạo thành liên kết kim loại-hydroxyl:
xHOH + M(OR)n → xROH + M(OR)n-x(OH)x (1.16)
Phản ứng ngưng tụ: là phản ứng gồm ngưng tụ rượu và ngưng tụ nước để tạo nên liên kết kim loại-oxide-kim loại.
+Rượu được ngưng tụ:
M(OH)(OR)n-1 + M(OR)n → ROH + (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 (1.17)
+ Nước được ngưng tụ:
31
Vật liệu được tạo ra bằng phương pháp sol-gel gồm các giai đoạn sau:
+ Giai đoạn tạo dung dịch sol: dung dịch sol gồm những hạt oxide kim loại nhỏ (hạt sol) được tạo thành từ các alkoxide kim loại bị thủy phân và ngưng tụ, sau đó phân tán trong dung dịch sol. Phương pháp phủ quay hay phủ nhúng được dùng để phủ màng dung dịch.
+ Giai đoạn gel hóa giữa các hạt sol hình thành liên kết.
Do có sự hình thành mạng lưới M-O-M ba chiều trong dung dịch nên độ nhớt của dung dịch tiến ra vô hạn.
+ Thiêu kết: Dưới tác dụng của nhiệt độ cao thì gel sẽ chuyển từ pha vơ định sang pha tinh thể làm cho mạng lưới tinh thể sít đặc hơn.
Cấu trúc và tính chất của sản phẩm được tạo thành bằng phương pháp sol-gel
ảnh hưởng nhiều bởi phản ứng thuỷ phân–ngưng tụ. Do đó việc kiểm sốt tốc độ phản ứng thuỷ phân–ngưng tụ là rất quan trọng trong phương pháp sol–gel [78].
1.6.2. Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Lắng đọng hơi hóa học là một phương pháp lắng đọng các ion lên trên bề mặt chất rắn, được sử dụng để sản xuất vật liệu rắn, chất lượng cao, hiệu suất cao. Phương
pháp CVD là phương pháp địi hỏi thiết bị có khả năng hóa hơi vật chất thành các phần tử (phân tử, nguyên tử hay các ion) ở nhiệt độ cao. Các phần tử này được cấy vào các vị trí khuyết tật, vị trí liên kết bị bẻ gẫy có trong khung mạng của chất chủ,
tạo thành các tâm hoạt động của xúc tác [134]. Hình 1.17 thể hiện vật liệu xúc tác
được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học.
32
Phương pháp lắng đọng hơi hóa học có những ưu và nhược điểm chính sau đây: Ưu điểm chính của vật liệu được tạo bằng phương pháp CVD là:
Có thể lắng đọng lên khung mạng chủ có cấu hình đa dạng, phức tạp;
Có khả năng lắng đọng tạo các oxide đa cấu từ trên bề mặt vật liệu hợp kim nhiều thành phần;
Có thể tạo vật liệu cấu trúc hồn thiện, có độ tinh khiết cao.
Nhược điểm chính của vật liệu được tạo bằng phương pháp CVD là
Cơ chế phản ứng phức tạp.
Nhiệt độ phản ứng đòi hỏi cao hơn trong các phương pháp khác.
Phương pháp ngưng đọng hơi hóa học bằng plasma (PECVD- Plasma-Enhanced
Chemical Vapor Deposition có cơ chế tổng hợp vật liệu được biểu diễn ở Hình 1.18
Hình 1.18. Những bước vận chuyển cơ bản trong quy trình PECVD
Ứng dụng: Phương pháp CVD là phương pháp được sử dụng trong q trình tổng hợp biến tính các xúc tác như zeolite, bentonite, diatomit, GO, SBA-15, MCM- 41, … nhằm đưa thêm vào trong mạng các xúc tác này các tâm kim loại như Fe, Cu, Al, Ag… làm tăng tâm hoạt động trong xúc tác và làm tăng hiệu quả của chúng trong các phản ứng cracking phân hủy các chất hữu cơ bền vững. Phương pháp này có ưu
33
việt ở chỗ có thể thay thế đồng hình các ngun tử có kích thước lớn hơn vào trong khung mạng cơ sở của xúc tác.