2. Ứng dụng của sét biến tính làm vật liệu chế tạo cacbon mao quản
2.1 Vật liệu cacbon mao quản
Vật liệu cacbon đƣợc biết từ rất sớm và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, hấp phụ, tách chất, điện cực cho pin, tế bào nhiên liệu, chất hấp phụ chất mang cho các quá trình xúc tác. Sự ứng dụng phong phú của họ vật liệu này không chỉ vì các tính chất hóa lý ƣu việt của chúng nhƣ độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, bền hóa học, khối lƣợng riêng nhỏ, diện tích bề mặt riêng lớn, trơ về mặt hóa học và độ bền nhiệt cao, chịu môi trường axit bazơ, mà còn do tính chất sẵn có của chúng [23-26]. Có nhiều cải tiến chế tạo vật liệu cacbon trong những năm gần đây mặc dù quá trình chế tạo vật liệu cacbon vẫn còn đang tiếp tục nghiên cứu bên cạnh những phương pháp tổng hợp mới được đề xuất gần đây.
LUẬN VĂN THẠC SĨ 24 HÀ TIẾN DŨNG Vật liệu cacbon mao quản được phân loại theo đường kính mao quản của chúng nhƣ vi mao quản (< 2 nm), mao quản trung bình (2 nm – 50 nm) và mao quản lớn (> 50nm). Các vật liệu cacbon truyền thống nhƣ than hoạt tính và cacbon rây phân tử được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt phân và hoạt hóa bằng phương pháp vật lý hay hóa học các tiền chất cacbon nhƣ than, gỗ, vỏ trái cây, polime ở nhiệt độ cao [26]. Các vật liệu cacbon này thường có sự phân bố đường kính mao quản trong một giải rộng từ vi mao quản đến mao quản trung bình. Chúng đƣợc sản xuất một lƣợng lớn và ứng dụng làm chất hấp phụ, chất mang xúc tác công nghiệp.
Chìa khóa để tổng hợp vật liệu cacbon vi mao quản là:
(i) sử dụng kali hidroxit để tổng hợp vật liệu vi mao quản có diện tích bề mặt riêng lên tới 1000 m2/g
(ii) thực hiện phản ứng chọn lọc giữa cacbua và khí halogen để tạo ra vật cacbon liệu xốp có cấu trúc vi mao quản mong muốn [27].
Phương pháp sử dụng cacbua kim loại như là nguồn cacbon và ion kim loại được loại bỏ bằng halogen tạo ra vật liệu cacbon có sự phân bố mao quản trong phạm vi hẹp. Độ xốp của vật liệu cacbon này cho diện tích bề mặt riêng và thể tích mao quản lớn, có khả năng hấp phụ một lƣợng lớn các khí hoặc chất lỏng. Mặc dù vi mao quản cacbon có khả năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực hấp phụ, tách chất, xúc tác, chúng có hạn chế xuất phát từ cách điều chế chúng. Nhƣợc điểm của các vật liệu này là khả năng truyền khối thấp bởi kích thước mao quản nhỏ, độ dẫn điện thấp do bề mặt có mặt một lƣợng lớn các nhóm chức, các khiếm khuyết và sự sụp đổ của hệ thống cấu trúc mao quản trong quá trình xử lý nhiệt độ cao hoặc than hóa.
Để vượt qua những nhược điểm này, người ta đã dành nhiều công sức tìm kiếm phương pháp tổng hợp mới theo các cách sau:
a) Hoạt hóa vật liệu cacbon bằng cả phương pháp vật lý và hóa học [29,30].
b) Cacbon hóa tiền chất cacbon có chứa hợp phần không bền nhiệt hoặc phân hủy nhiệt.
c) Hoạt hóa trong điều kiện có mặt xúc tác kim loại oxit hoặc cơ kim loại.
d) Cacbon hóa các aerogen hạt crygel.
LUẬN VĂN THẠC SĨ 25 HÀ TIẾN DŨNG e) Tổng hợp đảo sử dụng chất tạo cấu trúc cứng bằng phương pháp tẩm, cacbon hóa và loại chất định khung.
f) Tự tổng hợp sử dụng chất tạo cấu trúc mềm thông qua con đường ngưng tụ và cacbon hóa.
Các phương pháp a) đến d) tạo ra các vật liệu cacbon mao quản với sự phân bố mao quản trong dải rộng giống như vật liệu vi mao quản nên các phương pháp này là kém thuyết phục. Phương pháp e) và f) cho ra vật liệu mao quản trung bình có đường kính mao quản mong muốn nên được chú ý phát triển nhiều trong những năm gần đây. Phương pháp e) sử dụng các tiền chất hữu cơ hoặc vô cơ như là chất định trúc. Các chất tạo cấu trúc đƣợc sử dụng nhƣ là các khuôn để tạo vật liệu cacbon mao quản mà không có tương tác hóa học nào xảy ra giữa chất định trúc và tiền chất cacbon. Cấu trúc mao quản tương ứng được xác định bởi cấu trúc nano của vật liệu tạo khung. Ngược lại, phương pháp f) liên quan đến chất định trúc mềm, tạo ra vật liệu nano bằng cách tự tập hợp của các phân tử hữu cơ. Cấu trúc mao quản tương ứng được xác định bởi điều kiện tổng hợp như tỉ lệ trộn, dung môi, nhiệt độ mặc dù thuật ngữ “chất tạo cấu trúc mềm” là không thể định nghĩa một cách chính xác. Trong trường hợp này, tương tác hóa học giữa chất định trúc và tiền chất cacbon đóng vai trò quyết định đến sự thành công của phương pháp tổng hợp dùng chất tạo cấu trúc mềm.
Mặc dù than hoạt tính có diện tích bề mặt trong lớn nhƣng các vi mao quản quá nhỏ đối với các phân tử chất hữu cơ cồng kềnh. Vì thế vô hình dung cản trở quá trình khuếch tán của tác nhân và chất phản ứng trong mao quản. Ngoài ra, sự phân bố kích thước mao quản của than hoạt tính là không đồng nhất. Điều này làm hạn chế nhiều khả năng ứng dụng của vật liệu cacbon trong công nghiệp xúc tác.
Trong suốt ba thập kỷ qua, chúng ta đã chứng kiến sự ra đời của một loạt vật liệu có cấu trúc và kích thước trung bình (2-50 nm) như mesoporous silica M41S, SBA, MCM... [9]. Sự ra đời của họ vật liệu này gắn liền với hệ thống các chất tạo cấu trúc hay định hướng cấu trúc tinh thể lỏng. Điều này khiến các nhà khoa học có ý tưởng chế tạo vật liệu cacbon mao quản trung bình bằng cách sử dụng các chất tạo cấu
LUẬN VĂN THẠC SĨ 26 HÀ TIẾN DŨNG trúc. Điều khác biệt duy nhất ở đây là các chất tạo cấu cứng.