Vật liệu nano đóng vai trò quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực vật lý, hóa học, sinh học…Đối với hóa học, vật liệu nano chủ yếu sử dụng và chế tạo dưới dạng các chất xúc tác rắn vì hầu hết (80- 0%) các quá trình hóa học công nghiệp đều là các quá trình xúc tác dị thể. Xúc tác dị thể là một quá trình, trong đó chất tham gia phản ứng thường ở pha khí (hơi) hoặc lỏng được xúc tác bởi các vật liệu rắn (kim loại, oxit kim loại, zeolit…). Cuộc cách mạng nano trong công nghệ xúc tác được khởi xướng từ những năm 1 70-1 80 đã, đang đem lại những thành tựu to lớn. Vậy vì sao xúc tác nano lại có thể mang lại tầm quan trọng tới vậy? Có lẽ bởi vì xúc tác dị thể mang theo nó những hiệu ứng đặc biệt mà chỉ đạt ở kích thước nano mới có được
a) Hiệu ứng hình học:
Sự tiếp xúc và khả năng tiếp cận các phân tử hay nguyên tử chất phản ứng và các tiểu phân (nguyên tử, phân tử, cụm nguyên tử…) của chất xúc tác càng thuận lợi về mặt năng lượng, hình học, tỉ lượng thì phản ứng xúc tác càng dễ xảy ra. Người ta nhận thấy rằng, các cụm kim loại có số nguyên tử càng ít thì số nguyên tử bề mặt càng lớn. Các hạt nano vàng Au có phần trăm nguyên tử bề mặt như sau:
29
Bảng 1.3 : Mối quan hệ giữa số nguyên tử Au trong cụm (cluster) và % nguyên tử Au nằm trên bề mặt Số nguyên tử Au trong cụm % nguyên tử bề mặt 13 92 55 76 147 63 309 52 561 45 1415 35
Rõ ràng khi kích thước hạt nano càng nhỏ thì số nguyên tử lộ ra trên bề mặt càng lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho các phân tử tham gia phản ứng được tiếp cận dễ dàng với chất xúc tác, do đó phản ứng xảy ra một cách hiệu quả nhất. Mặt khác khi kích thức nano thay đổi, cấu trúc tinh thể của kim loại hoặc oxit kim loại có thể biến đổi làm cho số nguyên tử nằm ở vị trí góc, cạnh tinh thể tăng lên.
b) Hiệu ứng electron
Mật độ electron trên các tâm xúc tác (nguyên tử bề mặt) thay đổi theo kích thước của hạt nano. Một cluster kim loại được đưa lên bề mặt chất mang sẽ hình thành liên kết kim loại – bề mặt. Bởi vậy, các tính chất ban đầu (axit – base) của chất mang sẽ thay đổi phụ thuộc vào bản chất và kích thước của hạt nano kim loại được đưa lên chất mang. Hạt nano kim loại càng nhỏ thì mật độ electron của các nhóm chức trên chất mang càng bị ảnh hưởng mạnh và do đó tính chất xúc tác của các tâm kim loại có kích thước khác nhau trên chất mang thể hiện một cách rất khác nhau. Theo kết quả nghiên cứu của Haruta, xúc tác Au/ - Fe2O3, Au/
30
Co3O4 và Au/Ni thực hiện tốt phản ứng xúc tác cacbonoxit thành cacbondioxit ở nhiệt độ - 700C khi hạt Au có kích thước dưới 10nm, trong khi đó kim loại vàng khối hầu như không tham gia phản ứng oxy hóa.
c) Hiệu ứng bảo toàn độ phân tán
Việc chế tạo vật liệu có kích thước nano là một vấn đề không đơn giản vì đó là một quá trình ngược lại với chiều giảm năng lượng của hệ. Bởi vậy, việc bảo toàn trạng thái nano của hạt vật liệu được tạo ra là một nhiệm vụ khó khăn. Trong quá trình phản ứng, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất, tác nhân phản ứng…các hạt nano xúc tác có khuynh hướng tự nhiên tự tập hợp lại thành các hạt có kích thước lớn hơn và do đó làm suy giảm hoạt tính xúc tác một cách nhanh chóng.
Đứng trước những nhận định trên, trong lĩnh vực xúc tác – hấp phụ, các nhà hóa học và vật liệu quan tâm chế tạo các vật liệu có cấu trúc mao quan nano như zeolit, MCM-41, SBA-15…Bên trong các vật liệu này chứa các hệ mao quản đồng nhất, nên bề mặt riêng lớn. Nhờ lực tương tác giữa hạt nano và bề mặt vật liệu mao quản có tác dụng neo giữ các tâm kim loại tạo ra hệ xúc tác Me/ MQTB rất đặc thù.