3.3. Phản ứng isome hóa glucô – fructô
3.3.4. Tái cấu trúc và khả năng tái sinh chất xúc tác
Chất xúc tác sau quá trình tái sử dụng nhiều lần thì bề mặt sẽ bị che phủ bởi các sản phẩm phụ của phản ứng (dạng keo hoặc rắn) làm cho xúc tác ngả dần sang màu vàng đến nâu và làm giảm dần hoạt tính xúc tác khi sử dụng nhiều lần.
Để tái sinh xúc tác, mẫu HT5 sau khi tái sử dụng nhiều lần được nung ở nhiệt độ cao nhằm mục đích loại bỏ cặn rắn và phá vỡ cấu trúc của xúc tác. Từ giản đồ phân tích nhiệt đã thảo luận ở trên, có thể thấy rằng trên 500 oC khối lượng của xúc tác không thay đổi nữa. Mặt khác ở nhiệt độ này cũng đảm bảo đốt cháy hết các cặn hữu cơ che phủ bề mặt xúc tác. Vì vậy, chúng tôi chọn nhiệt độ này để tái sinh xúc tác. Không nên chọn nhiệt độ cao bởi vì trên 900 oC thành phần MgO và Al2O3 có thể phản ứng với nhau để thu được pha rắn spinel MgAl2O4 sẽ làm chất rắn mất đi hoạt tính xúc tác.
Quá trình tái sinh:
Bước 1: Mẫu xúc tác HT5 (sau 3 lần sử dụng) được nung ở 500 oC trong không khí với tốc độ gia nhiệt 10 oC/phút, lưu ở 500 oC trong 4 giờ, sau đó để nguội tự nhiên về nhiệt độ phòng;
Xúc tác được phân tán vào 3 ml nước cất.
Để đánh giá hoạt tính xúc tác sau khi tái sinh, toàn bộ lượng xúc tác phân tán trong nước ở trên được chuyển sang bình phản ứng cùng với 0,3 gam glucô và thực hiện phản ứng ở 120 oC trong 20 phút. Kết quả phản ứng được chỉ ra ở bảng sau:
Bảng 3.10, So sánh hoạt tính xúc tác của mẫu xúc tác HT5 tái sinh Xúc tác SG×105 SF×105 CG
(mg/mL)
CF (mg/mL)
Độ chuyển hóa (%)
Hiệu suất (%)
Độ chọn lọc (%)
HT5 18,78 6,18 13,70 3,26 31,5 16,3 51,8
HT5-tsd a 18,63 5,61 13,59 2,92 32,0 14,6 45,6
HT5-ts b 10,58 6,19 7,54 3,27 62,3 16,3 26,2
Điều kiện phản ứng: glucô (0,3 g), xúc tác (0,3 g), nước (3 mL), nhiệt độ phản ứng (120 oC), thời gian phản ứng (20 phút). aMẫu HT5 thực hiện tái sử dụng lần thứ 2, bmẫu HT5 tái sinh.
Hoạt tính xúc tác của mẫu HT5 tái sinh được so sánh với mẫu HT5 mới điều chế tham gia xúc tác lần đầu và HT5 tái sử dụng ở lần thứ 2. Kết quả ở Bảng 3.10 cho thấy rằng mẫu HT5 sau khi sử dụng 3 lần được tái sinh bằng quá trình nung cho hiệu suất tạo thành fructô tương đương với mẫu HT5 mới điều chế (16,3%). Tuy nhiên độ chọn lọc lại thấp hơn khá nhiều (26,2% so với 51,8%) có nghĩa là một lượng lớn glucô đã chuyển hóa thành sản phẩm không mong muốn.
Hình 3.11. Giản đồ XRD của mẫu xúc tác HT5 tái cấu trúc
Để tìm hiểu rõ hơn về quá trình tái sinh xúc tác, mẫu hydrotalcite sau bước thứ nhất của quá trình tái sinh (nung ở 500 oC lần thứ nhất) và sau khi thử hoạt tính sau tái sinh được ghi giản đồ XRD. Kết quả cho thấy sau khi nung ở 500 oC thì thành phần pha của xúc tác thay đổi, giản đồ XRD cho thấy xuất hiện 3 peak có cường độ cao nhất ở 2 bằng 43,0o, 62,6o và 79,0o tương ứng với các mặt tinh thể có chỉ số Miller (200), (220) và (222). Đây là các peak nhiễu xạ đặc trưng của MgO (thẻ JCDPS số 45-0946). Như vậy, khi nung ở 500 oC hydrotalcite bị phân hủy
thành MgO và Al2O3, tuy nhiên không phát hiện ra sự có mặt peak nhiễu xạ của pha Al2O3 và các đối ion trên giản đồ XRD, có thể những pha này tồn tại ở dạng vô định hình.
Mẫu sau khi tái sinh được thử hoạt tính xúc tác, giản đồ XRD của mẫu xúc tác sau khi phản ứng này có mọi đặc trưng giống hệt như mẫu HT5 mới điều chế (Hình 3.11, giản đồ XRD mẫu HT5 tái cấu trúc lần 1). Điều này cho phép kết luận rằng sau khi bị phân li bởi quá trình nung thành hỗn hợp các oxit, mẫu sẽ được tái cấu trúc thành hydrotalcite ban đầu nhờ quá trình tương tác với nước. Tuy nhiên, cường độ peak hơi giảm so với mẫu HT5 mới điều chế.
Để đánh giá quá trình tái cấu trúc, mẫu xúc tác trên được thu hồi và thực hiện tái sinh theo qui trình trên. Mẫu thu được không thực hiện phản ứng xúc tác. Kết quả XRD của mẫu nung lần 2 ở 500 oC cho thấy xuất hiện các peak của MgO có cường độ không thay đổi so với lần nung thứ nhất. Sau quá trình tái sinh trong môi trường nước, mẫu được sấy khô ở 100 oC trước khi phân tích XRD. Kết quả cho thấy giản đồ XRD (Hình 3.11, giản đồ XRD mẫu HT5 tái cấu trúc lần 2) xuất hiện các peak rất sắc nét đặc trưng cho hydrotalcite.
Như vậy, có thể kết luận rằng hydrotalcite là loại vật liệu có khả năng ghi nhớ cấu trúc ban đầu của nó, quá trình tái cấu trúc xảy ra khá hoàn hảo cho thành phần pha, độ kết tinh giống với mẫu HT5 mới điều chế và quá trình tái sinh – tái cấu trúc HT có thể thực hiện được rất nhiều lần.