Một trong những lợi thế quan trọng của các ứng dụng phổ thời gian sống
positron là nghiên cứu về zeolite [3], [15-18], [30], [34]. Ngoài các thông tin về đặc
tính của zeolite như cấu trúc có độ xốp cao, bề mặt tiếp xúc lớn, kích thước lỗ rỗng bên trong đa dạng mang lại các giá trị thực tiễn cao, ví dụ: trong xúc tác hoặc quản
lý chất thải phóng xạ, bên cạnh đó thông tin về số lượng và phân bố của các vị trí
của thể tích tự do cũng quan trọng hàng đầu. Khung silicat của zeolite là nguồn
cung cấp các electron ion hóa (có mặt trong suốt hành trình làm chậm positron) và các không gian tự do cần thiết cho việc hình thành o-Ps. Các giá trị thời gian sống
dài với dải tương đối phong phú từ 10-130 ns mô tả khả năng ghi nhận các kích thước lỗ rỗng đa dạng của o-Ps [35]. Các chất zeolite bao gồm một loạt các không
gian mở, cấu trúc kênh và lồng, hoặc các lỗ rỗng kích thước từ nhỏ đến lớn là môi
trường hoạt động tốt cho o-Ps. Bên cạnh đó trạng thái Ps rất nhạy với các chất được
hấp thụ trong cấu trúc zeolite, chẳng hạn các cation, các phân tử nước làm giảm thời
gian sống o-Ps và cũng có thể ảnh hưởng đến cường độ tương đối.
Đối với zeolite có hàm lượng SiO2 thấp (low silica zeolite), bởi vì khung cấu trúc có tứ diện AlO4- có khả năng hút nước mạnh, do đó nó có thể hấp thu một
lượng lớn các phân tửnước bên trong các kênh lỗ rỗng. Vì vậy, các phân tửnước có trong các kênh hoặc lồng của zeolite có ảnh hưởng rất lớn, thậm chí là quan trọng
đến khảnăng hấp thu và xúc tác của zeolite. Việc loại bỏ các phân tửnước từ khung cấu trúc zeolite không chỉ tạo ra các không gian tự do bên trong cấu trúc, mà còn gây ra sự dịch chuyển của các cation và thay đổi sự phân bố mật độ electron của tinh thể, do đó ảnh hưởng đến thời gian sống của positron. Hơn nữa, chu trình khử
42
nước hay thủy hợp (dehydration/hydration) của các khung cấu trúc zeolite thu hút sự chú ý lớn trong những năm gần đây kể từ khi zeolite được xem như là chất chủ
phù hợp cho việc lưu trữ các chất sinh nhiệt. Những hiểu biết sâu sắc hơn trong cấu trúc zeolite là điều quan trọng bởi vì các đặc điểm cấu trúc của zeolite xác định ứng dụng của chúng.
Phương pháp hủy positron đã được sử dụng rộng rãi cho các cấu trúc nano đặc
trưng của các vật liệu cũng như cho việc nghiên cứu zeolite. Sựthay đổi kích thước các khoảng trống tự do trong khung cấu trúc zeolite do ảnh hưởng bởi số lượng và
kích thước nguyên tử của các cation tồn tại trong các lỗ rỗng, bởi các phân tửnước (bao gồm mất nước), sự chuyển pha, phân bố electron…, có thể được xác định. S. Bosnar [18] đã sử dụng phổ thời gian sống hủy positron (PALS) để khảo sát các thể
tích tự do bên trong silica zeolite có cấu trúc LTA (zeolite A) và FAU (loại X và Y) với kích thước tinh thể khác nhau, trước và sau khi chúng được nung ở các nhiệt độ khác nhau dưới 200 0C. Kết quảthu được cho thấy số thành phần thời gian sống của positron, cũng như các giá trị thời gian sống và cường độ của chúng bị ảnh hưởng bởi việc nung các mẫu zeolite sau khi tổng hợp. Đối với các mẫu hydrat hóa chỉ có một thành phần thời gian sống dài τ3được tìm thấy với cường độtương đối lớn. Giá trị thu được này, ở mức nào đó có thể so sánh với thời gian sống của o-Ps tìm thấy
trong nước. Giả thiết này là phù hợp, bởi vì một lượng lớn các phân tửnước tồn tại trong các lồng và các kênh cấu trúc của zeolite. Trong các chất lỏng, zeolite đẩy các phân tửkhác đi xa, hình thành nên các bong bóng (bubble) mà nó sẽ hủy ở trong đó.
Sự khác nhau giữa thành phần thời gian sống τ3 trong cấu trúc LTA và FAUcó thể
giải thích bằng sự khác nhau về kích thước của các bong bóng được tạo thành. Sau khi nung với các nhiệt độ khác nhau (800C, 1000C, 1400C, 1800C) để loại bỏ một phần nước từ cấu trúc (dehydrat hóa), thêm một thành phần thời gian sống dài khác xuất hiện (τ4), các giá trị thời gian sống ngắn và thành phần thời gian sống dài thay
đổi. Điều này là do có sự hình thành nên các lỗ trống tự do bên trong cấu trúc zeolite sau khi các phân tửnước đã được loại bỏ.
43
Số thành phần thời gian sống của positron đưa đến thông tin rất quan trọng về
cấu trúc khung của các zeolite. Thành phần thời gian sống thứ nhất τ1 có thể được quy cho sự hủy của p-Ps (para-positronium) và positron tự do bên trong mạng tinh thể hoàn hảo. Thành phần τ2 được xem như sự hủy positron trong các phân tử của zeolite. Thành phần thời gian sống τ3 và τ4 có thể do sự hủy của positron trong các cấu trúc lồng hoặc kênh đặc trưng của từng loại zeolite (hoặc do hủy trong các phân tửnước trong trường hợp hydrat hóa) [18]. Chẳng hạn, zeolite A có các khoang cấu trúc mà có thể chia thành 2 loại: lồng – α (α-cage) có đường kính tối đa là 11,4 Å và thể tích 775 Å; lồng – β (β-cage) có đường kính tối đa 6,6 Å và thể tích 157 Å [10]; zeolite ZSM-5 có các kênh với các lỗ rỗng nhỏ và trung bình có đường kính từ 0,50 – 0,56 nm [13]. Trong các nghiên cứu của Zs. Kajcsos [33-35] có sự xuất hiện của thành phần thời gian sống τ5, sự tồn tại của thành phần thời gian sống dài nhất này có thể được giải thích là do sự hủy của o-Ps trong các thể tích mở lớn. Trong các nghiên cứu này, giá trị thời gian sống positron τ5 đạt đến 135,4 ns trên mẫu MFI silicalite-1 (ZSM – 5) với cường độ hủy 28,1 %.
Xu Zhang [30] đã thực hiện nghiên cứu về các tham số ảnh hưởng lên kích
thước tinh thể và sự phân bố kích thước của zeolite trong quá trình tổng như: thời gian kết tinh trong thủy nhiệt, việc kéo dài thời gian kết tinh, tốc độ khuấy, các nguồn vật liệu tổng hợp,… Các kết quả chi ra rằng thời gian kết tinh là yếu tố cốt yếu cho các sản phẩm cuối cùng, hình dạng tinh thể tốt được thu nhận tại thời gian kết tinh là 72h đối với zeolite NaA. Trong khi kéo dài thêm thời gian kết tinh, các tinh thể vẫn tiếp tục phát triển kéo theo sựthay đổi phân bốkích thước tinh thể. Các tinh thể thu được từ thời gian kết tinh kéo dài từ 1 giờ; 1,5 giờ; 2 giờ và 3 giờ, thì
kích thước trung bình của tinh thể là 368, 356, 338 và 314 nm, với dãy phân bố kích
thước tinh thểtương ứng là 82 – 435, 70 – 441, 54 – 450 và 40 – 476 nm. Thời gian
kéo dài hơn dẫn đến kích thước hạt trung bình của tinh thể giảm. K.S. Hui [10] cũng đã thực hiện các nghiên cứu vềảnh hưởng của việc từng bước thay đổi nhiệt độ trên zeolite 4A tổng hợp từ nguồn tro than bay. Các kết quả chỉ ra rằng từng bước thay
44
đổi nhiệt độ trong suốt quá trình thủy nhiệt hóa đóng một vai trò quan trọng trong toàn bộ thời gian tổng hợp trong khi vẫn duy trì được mức tinh thể hóa cao.
Các điều kiện tổng hợp zeolite ảnh hưởng lên quá trình hình thành hình thành, chất lượng, tính chất và độ kết tinh của zeolite (mục 1.5.2). Các nghiên cứu ứng
dụng phổ thời gian sống positron đối với zeolite thay đổi điều kiện tổng hợp đã
được thực hiện [6], [10], [15, 16], [18], [30] và chứng tỏ rằng đây là phương pháp
hữu hiệu. Hướng nghiên cứu này đang tiếp tục là mối quan tâm của các nhà khoa học, đặc biệt khi số nghiên cứu về trạng thái vô định hình – tiền tinh thể của zeolite vẫn còn rất ít [16].