CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.4. Vật liệu mao quản trung bình MCM-41
1.4.1. Cấu trúc vật liệu mao quản trung bình MCM-41
Năm 1992, vật liệu mao quản trung bình (VLMQTB) được tổng hợp đầu tiên
bởi các nhà khoa học của hãng Mobil. VLMQTB là một “thành viên” quan trọng của
“gia đình vật liệu”. VLMQTB được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực như: bảo vệ môi trường; xúc tác công nghiệp, chế tạo các vật liệu nano truyền thống, y sinh học. VLMQTB ngày càng được quan tâm, chú ý với diện tích bề mặt lớn, trật tự cấu trúc
mao quản xác định và có thể điều chỉnh được [99].
Ưu điểm của VLMQTB là cấu trúc mao quản đồng đều và độ trật tự cao với diện tích bề mặt lớn khoảng 600–1000 m2.g-1 [42,100,101]. Vật liệu MCM-41 là vật
liệu tiêu biểu của họ VLMQTB có cấu trúc như ở Hình 1.10. Vật liệu MCM-41 có
nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như cơng nghệ hố dầu nói riêng và cơng nghệ hố học nói chung.
Hình 1.10. Cấu trúc của VLMQTB MCM-41 [102]
Kích thước mao quản của MCM-41 cỡ 4-5 nm như Hình 1.10 [102] có hình
lục lăng một chiều, sắp xếp xít nhau tạo nên vật liệu có cấu trúc tổ ong. Trong tổng hợp hữu cơ, khi kích thước của phân tử nhỏ hơn 2 nm thì vật liệu cấu trúc vi mao
20
quản (micropore) được sử dụng. Nhưng khi q trình chuyển hố phân tử kích thước lớn hơn (2<d<50 nm) thì VLMQTB (mesopore) được sử dụng.
Cho đến nay, các phương pháp tổng hợp, đặc trưng cấu trúc, tính chất của
VLMQTB MCM-41 được nhiều nhà khoa học nghiên cứu quan tâm,… Để thu được
các vật liệu mesopore có tính chất đặc trưng phù hợp cho từng phản ứng, từng quá trình nhất định, các nhà khoa học đã biến tính cấu trúc vật liệu MCM-41 bằng việc thay thế đồng hình các nguyên tử Si trong khung cấu trúc với các nguyên tử Al, Ti,
Ga, Fe,..[100,103,104]. Kết quả của việc biến tính này đã tạo ra các hệ PTC hiệu quả
như: vừa có tính chất xúc tác của acid rắn, vừa có tính chất xúc tác cho q trình oxy hoá bởi các tâm kim loại.
Jyoti Prakash Dhal và cộng sự [105] đã tổng hợp vật liệu MCM-41 và Fe-
MCM-41 sử dụng làm chất hấp phụ để loại Methylene Blue (MB) khỏi môi trường
nước. Tỷ lệ loại bỏ thuốc nhuộm MB lần lượt là 99,9% đối với Fe-MCM-41 và 94,5% đối với MCM-41 theo cơ chế hấp phụ thể hiện ở Hình 1.11.
Hình 1.11. Cơ chế hấp phụ MB trên vật liệu MCM-41 và Fe-MCM-41 [105]
Thực nghiệm sử dụng 20 mL dung dịch thuốc nhuộm MB có nồng độ ban đầu
là 100 mg.L-1 và 50 mg của mỗi chất hấp phụ. Khả năng hấp phụ tối đa của Fe-MCM-
41 là 194 mg.g-1và đối với MCM-41 là 149,5 mg.g-1.
Hoạt tính cũng như độ bền của xúc tác được thay đổi nhờ việc thay thế một số kim loại hoạt tính với một phần silic trong mạng lưới VLMQTB. Ứng dụng của vật
21
liệu MCM-41 trong các: phản ứng cracking các phân đoạn dầu nặng, phản ứng trùng ngưng, phản ứng ankyl hóa Fridel-Crafts, phản ứng epoxy hóa các olefin, đặc biệt các olefin có kích thước phân tử lớn [104,106].
Điển hình của các xúc tác loại này là Ti-MCM-41 đã được Yu- Wen Chen và cộng sự nghiên cứu [107] cho thấy hiệu quả xúc tác của vật liệu Ti-MCM-41 được điều chế bằng phương pháp tổng hợp thủy nhiệt cao hơn so với mẫu được tổng hợp bằng phương pháp ngâm tẩm. Trong vật liệu Ti-MCM-41, ở vị trí Si trên khung cấu trúc nguyên tử Ti được thay thế đồng hình, tạo nên vật liệu có tính oxi hố nhẹ, có tính axít yếu.
Việc đưa các kim loại hoạt động lên chất mang MCM-41 sử dụng nhiều phương pháp điều chế khác nhau như: phương pháp sol–gel, đồng kết tủa, phân huỷ- kết tủa, phương pháp trao đổi. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, hoạt tính xúc tác của vật liệu càng cao khi các kim loại với kích thước hạt càng nhỏ được phân tán đồng đều trên toàn vật liệu xúc tác. Để chuyển hoá COx, NOx xúc tác Pt/MCM-41 [108] được
sử dụng đã mang lại hiệu quả rất khả quan.
Các nhà khoa học trên thế giới đã quan tâm nghiên cứu VLMQTB MCM-41 với vai trò làm chất hấp phụ [105, 106] và xúc tác [104, 107, 108].