Tài liệu Luận án tiến sĩ hóa học nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng và một số ứng dụng

LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với PGS. TS. Nguyễn Đình Tuyến, người đã hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Lê Thị Hoài Nam đã tận tình chỉ dẫn giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn Ban l ãnh đạo và các nhà khoa học công tác tại Viện Hóa học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện làm việc cũng góp ý trong quá trình học tập và hoàn thành luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của anh chị em trong phòng Xúc tác Ứng dụng Viện Hóa học trong suốt thời gian tôi làm việc tại đây. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình bạn bè, đồng nghiệp. Những người đã luôn ủng hộ, giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn trong thời gian thực hiện luận án này. Hà nội, ngày 26 tháng 01 năm 2015 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN .....................................................................................4 I.I. ZEOLIT VÀ VẬT LIỆU MAO QUẢN TRUNG BÌNH CHỨA TITAN...........7 I.I.1 Titanosilicat (TS-1) ......................................................................................7 I.1.2. Vật liệu mao quản trung bình trật tự chứa Titan .....................................12 I.1.3. Vật liệu đa cấp mao quản chứa Ti ...........................................................15 I.2. VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ TITAN DIOXIT....................................................18 I.2.1. Khái niệm titan đioxit...............................................................................18 I.2.2. Tính chất của TiO2 ...................................................................................19 I.3. VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ – KIM LOẠI..................................................21 I.3.1. Vật liệu khung hữu cơ kim loại.................................................................22 I.3.2. MIL-101....................................................................................................22 I.3.3. Ứng dụng của vật liệu MOFs...................................................................23 I.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO CHỨA TITAN...................................................................................................................24 I.4.1. Phương pháp thủy nhiệt (Hydrothermal treatment).................................24 I.4.2. Phương pháp sol-gel (Sol-gel) .................................................................26 I.4.3. Phương pháp vi nhũ ( Micro-emulsion method) ......................................27 I.4.4. Phương pháp biến tính sau tổng hợp (post-synthesis).............................29 I.4.5. Tổng hợp zeolit và vật liệu mao quản trung bình chứa titan ..................30 I.4.6. Tổng hợp vật liệu đa cấp mao quản chứa titan MTS-9............................32 I.4.7. Tổng hợp Titan dioxit và TiO2 biến tính...................................................33 I.4.8. Tổng hợp vật liệu khung hữu cơ kim loại (metal organic framworks MOFs)................................................................................................................34 I.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU....................................35 I.5.1. Những cơ sở khoa học của việc phân tích định tính và định lượng vật liệu cấu trúc nano .....................................................................................................35 I.5.2. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ..................................................36 I.5.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)...........................................................37 I.5.4. Phương pháp phổ tán xạ Raman..............................................................41 112 I.5.5. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến ......................................43 I.5.6. Phương pháp hiển vi điện tử quét ( SEM)................................................44 I.5.7. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)...............................44 I.5.8. Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng (BET)...............................45 I.6. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ 4-NITROPHENOL VÀ CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ KHÓ PHÂN HỦY...........................................................................................47 I.6.1. p-nitrophenol và các dẫn xuất vòng thơm chứa nitro. .............................47 I.6.2. Độc tính của các hợp chất nitrophenol ....................................................47 I.6.3. Các phương pháp xử lý ............................................................................48 CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM ............................................................................51 II.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU.................................................................................51 II.1.1. Các vật liệu mao quản trung bình trật tự chứa Titan .............................51 II.1.2. Vật liệu đa cấp mao quản chứa Titan .....................................................52 II.1.3. Vật liệu TiO2 doping Ceri và doping Nitơ ..............................................53 II.1.4. Vật liệu mao quản trung bình trật tự chứa Titan đioxit (TiO2/SBA-15 , TiO2/MCM-41)...................................................................................................54 II.1.5. Vật liệu khung hữu cơ kim loại chứa Titan.............................................55 II.2. ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU...................................................................................55 II.2.1. Đặc trưng cấu trúc và hình thái mao quản trung bình trật tự cao .........55 II.2.2. Đặc trưng trạng thái Titan trong và ngoài mạng tinh thể ......................55 II.2.3. Phân tích hàm lượng Titan trong mẫu vật liệu.......................................56 II.3. XÁC ĐỊNH HOẠT TÍNH XÚC TÁC .....................................................................59 II.3.1. Hoạt tính oxi hóa chọn lọc hợp chất hữu cơ...........................................59 II.3.2. Hoạt tính quang xúc tác oxi hóa hoàn toàn hợp chất hữu cơ.................59 II.3.2.2. Phản ứng oxi hóa hoàn toàn 4-NP.......................................................63 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................64 III.1. ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU..................................................................................64 III.1.1. Vật liệu mao quản trung bình trật tự chứa Titan...................................64 III.1.2. Vật liệu đa cấp mao quản chứa Titan....................................................71 III.1.3. Vật liệu TiO2/SBA-15 và TiO2/MCM-41................................................78 III.1.4. Vật liệu TiO2 doping theo phương pháp sol-gel....................................83 113 III.1.5. Vật Liệu TiO2 doping nitơ......................................................................88 III.1.6. Vật liệu khung hữu cơ kim loại chứa Titan ...........................................94 III.2. HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA CÁC VậT LIỆU TRÊN CƠ SỞ TIO2.............99 III.2.1. Hoạt tính các mẫu vật liệu doping bằng phương pháp sol-gel trong phản ứng phân hủy MB (Methylen Blue – Xanh Metilen).................................99 III.2.2. Kết quả xử lý 2,4 D (Axit 2,4 diclophenoxyacetic). .............................101 III.2.3. Kết quả xử lý hoạt tính các mẫu vật liệu biến tính Nitơ với MB. ........102 III.2.4. Hoạt tính quang xúc tác của TiO2-N4-600 xử lý MB. .........................103 III.3. PHẢN ỨNG QUANG XÚC TÁC OXI HÓA HOÀN TOÀN 4-NP...........................104 III.3.1. Hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu cấu trúc nano chứa Ti trong phản ứng phân hủy 4-NP.................................................................................104 III.3.2. Hoạt tính xúc tác của TiO2/MCM-41...................................................106 III.3.3. Hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu TiO2/MIL-101 ....................107 KẾT LUẬN............................................................................................................110 114 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng I.1. Một số ứng dụng của TiO2 tại Nhật Bản [23].............................................6 Bảng I.2. Độ chuyển hóa và độ chọn lọc phản ứng amoxy hóa trên các xúc tác chứa Titan ..........................................................................................................................12 Bảng I.3. Kết quả một số phản ứng oxi hóa trên xúc tác MQTB chứa Titan ...........14 Bảng I.4. Các phản ứng oxi hóa trên MTS-9 so sánh với các vật liệu chứa titan khác ...................................................................................................................................1 7 Bảng I.5. Các hằng số vật lý của TiO2......................................................................19 Bảng I.6. Một số tính chất vật lí của TiO2 dạng Anatase và Rutile ..........................20 Bảng I.7. Các dao động IR đặc trưng.......................................................................39 Bảng III.1. Kết quả đặc trưng các vật liệu mao quản trung bình chứa Titan ..........82 Bảng III.2. Các ký hiệu mẫu vật liệu theo phương pháp sol-gel ..............................83 Bảng III.3. Bước sóng hấp thụ và năng lượng vùng cấm của các mẫu vật liệu xúc tác theo phương pháp sol-gel....................................................................................84 Bảng III.4. Các ký hiệu mẫu vật liệu theo phương pháp xử lý nhiệt .......................88 Bảng III.5. Bước sóng hấp thụ và năng lượng vùng cấm của các mẫu vật liệu xúc tác theo phương pháp xử lý nhiệt..............................................................................90 Bảng III.6. Hàm lượng TiO2 của các mẫu phân tán trên MIL-101 bằng phương pháp EDX..................................................................................................................97 Bảng III.7. Các đặc trưng cấu trúc vật liệu chứa Titan ở các trạng thái khác nhau .................................................................................................................................10 4 Bảng III.8. Đặc trưng cấu trúc các mẫu TiO2/MIL-101 khác nhau........................107 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình I.1. Cấu trúc TS-1...............................................................................................7 Hình I.2. Dạng cấu trúc liên kết của titan trong mạng lưới tinh thể..........................9 Hình I.3. Sơ đồ cơ chế tâm Ti hoạt động trong mạng tinh thể TS-1...........................9 Hình I.4. Một số phản ứng oxi hóa sử dụng TS-1 làm xúc tác .................................10 Hình I.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ chuyển hóa H2O2 và phần trăm sản phẩm 115 phụ.............................................................................................................................11 Hình I.6. Các dạng cấu trúc vật liệu MQTB.............................................................13 Hình I.7. Cấu trúc SBA-15........................................................................................15 Hình I.8. Minh họa cấu trúc MTS-9..........................................................................16 Hình I.9. Cấu trúc tinh thể của TiO2: A.Rutile B. Anatase C. Brookite...............18 Hình I.10. Đa diện phối trí của TiO2. .......................................................................19 Hình I.11. Các quá trình diễn ra trong hạt bán dẫn khi hấp thụ photon..................21 Hình I.12. Cấu trúc tinh thể MIL-101.......................................................................23 Hình I.13. Sự phụ thuộc áp suất hơi trong điều kiện đẳng tích................................25 Hình I.14. Sơ đồ chung của phương pháp sol – gel điều chế vật liệu nano .............26 Hình I.15. Sơ đồ biến tính TiO2 bằng phương pháp sol-gel .....................................26 Hình I.16. Cấu trúc hiển vi của vi nhũ ở một nồng độ chất hoạt động bề mặt cho trước với ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ nước.................................................28 Hình I.17. Sơ đồ tạo hạt từ vi nhũ.............................................................................29 Hình I.18. Quá trình hình thành zeolit......................................................................31 Hình I.19. Sơ đồ nguyên lý tổng hợp vật liệu MQTB ................................................31 Hình I.20. Sơ đồ liên kết chất HĐBM và nguồn Silic ...............................................32 Hình I.21. Qui trình tổng hợp MTS-9 .......................................................................33 Hình I.22. Sơ đồ tổng hợp hạt nano TiO2 theo phương pháp thuỷ nhiệt ..................33 Hình I.23. Sơ đồ tổng hợp MIL-101..........................................................................34 Hình I.24. Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ theo phân loại IUPAC ...................................................................................................................................4 6 Hình I.25. Sự phụ thuộc của P/V(P0 - P) theo P/P0 ..................................................46 Hình I.26. Hợp chất nitrophenol phổ biến ................................................................47 Bảng II.1. Các mẫu vật liệu Ti-SBA-15. ...................................................................51 Hình II.1. Qui trình tổng hợp Ti-MCM-41................................................................51 Hình II.2. Sơ đồ tổng hợp vật liệu đa cấp mao quản chứa Titan..............................52 Hình II.3. Sơ đồ tổng hợp Ce-TiO2 bằng phương pháp sol-gel................................53 Hình II.4. Sơ đồ hệ thống biến tính Nitơ...................................................................54 Hình II.5. Công thức cấu tạo và phổ UV -vis của MB...............................................59 Hình II.6. Độ chuyển hóa của MB phụ thuộc nồng độ xúc tác.................................60 116 Hình II.7. Đường cong hấp phụ MB theo thời gian..................................................61 Hình II.8. Đường chuẩn nồng độ MB xác định bằng phương pháp đo quang.........61 Hình II.9. Sơ đồ thiết bị thử hoạt tính xúc tác...........................................................62 Hình II.10. Độ chuyển hóa MB 5 mg/l, xúc tác P25 với công suất chiếu sáng khác nhau...........................................................................................................................6 2 Hình II.11. Đường chuẩn 4-NP bằng phương pháp đo quang.................................63 Hình II.12. Đường chuẩn của 4-NP xác định bằng phương pháp UV-vis................63 Hình III.1. Phổ XRD của các mẫu SBA-15 chứa Titan ở các nồng độ khác nhau ...64 Hình III.2. Ảnh TEM của vật liệu Ti-SBA-15............................................................64 Hình III.3. Ảnh SEM của vật liệu Ti-SBA-15............................................................65 Hình III.4. Phổ hồng ngoại của các mẫu Ti-SBA-15................................................65 Hình III.5. Phổ Raman các mẫu Ti_SBA-15 so sánh với TiO2 (anatas)...................66 Hình III.7. Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu Ti-MCM-41...........................................68 Hình III.8. Phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến của Ti-MCM-41 và P25.........................68 Hình III.9. Kết quả ảnh TEM của vật liệu ................................................................69 Hình III.10. Đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ N2 của vật liệu Ti-MCM-41 ...................................................................................................................................7 0 Hình III.11. Đường cong phân bố kích thước mao quản của vật liệu Ti-MCM-41..70 Hình III.12. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu vật liệu TS-1/SBA-15 ...............................71 Hình III.13. Minh họa cấu trúc mao quản kích thước đồng đều của SBA-15 và cấu trúc mao quản không đồng đều của TS-1/SBA-15....................................................71 Hình III.14. Đường đẳng nhiệt hấp phụ, giải hấp phụ N2 và đường cong phân bố kích thước mao quản của mẫu TS-1/SBA-15 ............................................................72 Hình III.15. Ảnh TEM của mẫu TS-1/SBA-15 (a) và SBA-15 (b) .............................73 Hình III.16. Phổ hồng ngoại của các mẫu TS/SBA-15 a. (Si/Ti=80) b.(Si/Ti=60) ..74 Hình III.17. Phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến của vật liệu...........................................75 Hình III.18. Phổ nhiễu xạ tia X góc nhỏ của vật liệu TS-1/MCM-41.......................75 Hình III.19. Đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ Nitơ và đường cong phân bố kích thước mao quản của vật liệu TS-1/MCM-41................................................76 Hình III.20. Giản đồ t-plot xác định thể tích vi mao quản của vật liệu TS-1/MCM-41 117 ...................................................................................................................................7 7 Hình III.21. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của vật liệu TS-1/MCM-41..................77 Hình III.22. Phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến của vật liệu TS-1/MCM-41..................78 Hình III.23. Phổ nhiễu xạ tia X góc nhỏ 2θ = 1÷10 .................................................79 Hình III.24. Phổ nhiễu xạ tia X góc lớn 2θ = 10÷40 ................................................79 Hình III.25. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của các mẫu vật liệu TiO2/SBA-15 và TiO2/MCM-41 tương ứng từ trái qua phải................................................................80 Hình III.26. Đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ N2 của các mẫu vật liệu TiO2/SBA-15 và TiO2/MCM-41.................................................................................81 Hình III.27. Phổ UV-vis của các vật liệu TiO2/SBA-15, TiO2/MCM-41 và P25 ......81 Hình III.28. Phổ tán xạ Raman của mẫu TiO2/MCM-41..........................................82 Hình III.29. Phổ UV-VIS rắn của các mẫu TiO2 biến tính kim loại. ........................83 Hình III.30. Phổ XRD của TiO2 (SG)........................................................................84 Hình III.31. Phổ XRD của Fe-TiO2...........................................................................85 Hình III.32. Phổ XRD của Ce -TiO2 .........................................................................85 Hình III.33. Phổ XRD của hỗn hợp (Fe + Ce)- TiO2 ...............................................86 Hình III.34. Phổ Raman của SG (a) và Ce-TiO2 (b)................................................86 Hình III.35. Ảnh SEM của Fe – TiO2(a) vật liệu SG(b)............................................87 Hình III.36. Phổ UV-VIS rắn của các mẫu TiO2 biến tính nitơ theo thời gian gia nhiệt khác nhau. ........................................................................................................88 Hình III.37. Phổ UV-VIS rắn của các mẫu TiO2 biến tính nitơ theo nhiệt độ..........89 Hình III.38. Phổ XRD của TiO2 (HQ).......................................................................91 Hình III.39. Phổ XRD của TiO2-N4-6000C...............................................................91 Hình III.40. Phổ XRD của TiO2-N4-6500C...............................................................92 Hình III.41. Phổ raman của TiO2 không biến tính và biến tính nitơ. .......................92 Hình III.42. Ảnh SEM của vật liệu TiO2 không biến tính. ........................................93 Hình III.43. Ảnh SEM của vật liệu TiO2 biến tính nitơ ở 4h, 600 oC.......................93 Hình III.44. Phổ IR của vật liệu MIL-101.................................................................94 Hình III.45. Phổ XRD của vật liệu MIL-101.............................................................95 Hình III.46. Đường đẳng nhiệt hấp phụ/giải hấp phụ N2 của MIL-101..................95 Hình III.47. Đường cong phân bố lỗ của MIL-101..................................................96 118 Hình III.48. Ảnh SEM của vật liệu MIL-101.............................................................96 Hình III.49. Phổ XRD của các mẫu vật liệu TiO2/MIL-101 .....................................98 Hình III.50. Ảnh SEM của các vật liệu TiO2/MIL-101 A. MIL-101, B.TiO2/MIL101(1), C.TiO2/MIL-101(3), D.TiO2/MIL-101(5), E.TiO2/MIL-101(I).....................98 Hình III.51. Độ chuyển hóa của MB trên các mẫu vật liệu biến tính theo thời gian. ...................................................................................................................................9 9 Hình III.52. Độ chuyển hóa 2.4 D trên xúc tác (Fe –Ce )-TiO2 theo thời gian. .....101 B Hình III.53. Phổ HPLC mẫu 2,4-D sau 1h xử lý (A) và mẫu 2,4-D 40 ppm (B).101 Hình III.54. Độ chuyển hóa MB trên các mẫu vât liệu biến tính nitơ theo thời gian. .................................................................................................................................10 2 Hình III.55. Độ chuyển hóa MB trên các mẫu vât liệu biến tính nit ơ theo nhiệt độ. .................................................................................................................................10 2 Hình III.56. Phổ UV-vis các dung dịch MB theo thời gian xử lý trên xúc tác TiO2N46000C.................................................................................................................103 Hình III.57. Đồ thị độ chuyển hóa 4-NP theo thời gian 4-NPcác mẫu vật liệu chứa Titan khác nhau.......................................................................................................105 Hình III.58. Đồ thị xác định hoạt tính quang xúc tác của vật liệu TiO2/MCM-41 ở các điều kiện khác nhau. .........................................................................................106 Hình III.59. Phổ UV-vis của dung dịch phản ứng phân hủy 4-NP trên mẫu TiO2/MIL-101(1) làm xúc tác..................................................................................107 Hình III.60. Phổ UV-vis của dung dịch phản ứng phân hủy 4-nitrophenol trên vật liệu TiO2/MIL-101(3) làm xúc tác...........................................................................108 Hình III.61. Phổ UV-vis của dung dịch phản ứng phân hủy 4-nitrophenol vật liệu TiO2/MIL-101(5) làm xúc tác..................................................................................108 Hình III.62. Đồ thị khảo sát hoạt tính quang hóa phân hủy 4-NP 50 mg/l của các vật liệu khác nhau ...................................................................................................109 119 MỞ ĐẦU Sự phát triển các vật liệu chứa Titan làm xúc tác phát triển liên tục và ngày càng phát hiện nhiều tính chất quí báu. Đầu thập niên 90 cho tới nay, một hệ xúc tác chứa titan trên cơ sở silica ứng dụng cho phản ứng oxi hóa xúc tác có tính chất chọn lọc hình dạng, thân thiện môi trường như: TS-1, ETS-10, Ti-beta... TS-1 là zeolit chứa titan đã được thương mại hóa áp dụng trong quá trình sản xuất quinon và oxim [1]. Mặc dù TS-1 có hoạt tính rất cao, có độ bền thủy nhiệt lớn nhưng với hệ thống mao quản nhỏ (0,5 – 0,6 nm), TS-1 không có hoạt tính đối với các phản ứng có các phân tử lớn không thể thâm nhập vào hệ thống mao quản. Vì vậy, các vật liệu mao quản trung bình chứa Titan (đường kính > 2 nm) đã được nghiên cứu phát triển, điển hình là Ti-MCM-41, Ti-SBA-15…. Các vật liệu mao quản trung bình chứa Titan như trên thích hợp với các phản ứng oxi hóa các phân tử hữu cơ có kích thước lớn. Tuy nhiên, do bản chất vô định hình của thành mao quản nên chúng có nhược điểm lớn là độ bền thủy nhiệt thấp. Những năm gần đây, một dòng vật liệu chứa Titan mới ra đời trên cơ sở tinh thể hóa thành tường mao quản trung bình silica bằng các hạt nano vi tinh thể TS-1 nhằm thỏa mãn đồng thời yêu cầu về độ lớn mao quản cũng như độ bền thủy nhiệt, điển hình là: MTS-9 (hoặc TS-1/SBA-15). Tuy nhiên, phương pháp công nghệ để tổng hợp MTS-9 chưa được nghiên cứu đầy đủ, chủ yếu là sử dụng phương pháp kết tinh thủy nhiệt, thời gian kết tinh kéo dài, chưa tìm được điều kiện tối ưu để tổng hợp MTS-9 [2-4]. Một hợp chất chứa Titan khác được nghiên cứu nhiều thời gian rất gần đây trong lĩnh vực quang xúc tác là TiO2 và vật liệu trên cơ sở TiO 2. Tính cho đến nay (2011) đã có khoảng 14000 bài báo nghiên cứu được công bố có liên quan đến tính chất quang xúc tác TiO2, một con số kỉ lục đối với một vật liệu (số liệu thống kê các bài báo trong danh sách ISI - webofknowledge). Tuy nhiên bản thân TiO2 có hoạt tính quang xúc tác không cao ở vùng ánh sáng có bước sóng lớn hơn 400 nm. Để nâng cao hoạt tính quang xúc tác, một mặt người ta tìm cách giảm kích thước hạt tới nano mét, mặt khác người ta sử dụng phương pháp doping, tức là tạo nên những liên kết hóa học của những dị nguyên tố (kim loại hoặc phi kim) trực tiếp với nguyên tử Titan trong mạng tinh thể TiO2. Các phương pháp trên đã làm thay đổi cấu trúc điện tử của vật liệu, giảm năng lượng vùng cấm dẫn đến vật liệu TiO 2 doping có hoạt tính dưới ánh sáng vùng nhìn thấy. Phương pháp đó mở rộng khả năng ứng dụng của vật liệu 1 TiO2 sử dụng ánh sáng mặt trời trong các phản ứng phân hủy các hợp chất hữu cơ trong môi trường khí, lỏng. Mặc dù đã có rất nhiều các nghiên cứu doping TiO2 bằng hàng loạt các kim loại và phi kim khác nhau và đã có những kết quả rất khả quan, nhưng việc lựa chọn các nguyên tố doping cũng như lựa chọn các công nghệ tối ưu để tổng hợp vật liệu TiO2 doping có hoạt tính cao, giá thành thấp thì vẫn chưa được đầy đủ [5-14]. Đặc biệt gần đây, một dòng vật liệu chứa Titan mới dựa trên cơ sở vật liệu khung hữu cơ kim loại đang được nghiên cứu. Vật liệu khung hữu cơ kim loại (metal organic frameworks - MOFs) hay còn được gọi là “polime phố i trí”(coordination polymers), được hình thành bởi các tâm kim loại và các phối tử hữu cơ (ligands) tạo nên mạng lưới tinh thể đa chiều (1,2,3 chiều) [15-19]. Đặc điểm của vật liệu này là có bề mặt riêng vô cùng lớn (~ 5000 – 10000 m2/gam), có cả đặc tính vô cơ và hữu cơ. Việc thay đổi các tâm kim loại cũng như các dạng phối tử hữu cơ khác nhau dẫn đến việc hình thành hàng loạt cấu trúc MOFs có khả năng ứng dụng làm xúc tác và hấp phụ trong công nghệ tổng hợp hữu cơ, phân tách khí, dược y học và bảo vệ môi trường. Vấn đề tổng hợp vật liệu Titan trên cơ sở MOFs bằng cách đưa các nguyên tử Titan vào trong mạng lưới tinh thể MOFs hoặc biến tính, phân tán các hạt nano TiO2 trong hệ thống mao quản MOFs, tạo nên các hệ xúc tác oxi hóa khử ứng dụng trong phản ứng quang xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ là rất mới hiện nay cả ở Việt Nam và trên thế giới. Từ những lý do nêu trên, mục tiêu nghiên cứu của luận án là:  Tổng hợp đặc trưng và đánh giá hoạt tính một số vật liệu chứa titan: Ti-SBA15, Ti-MCM-41 có hàm lượng Titan trong mạng và độ trật tự cao.  Tổng hợp đặc trưng và đánh giá hoạt tính một số vật liệu chứa titan có thành tường tinh thể hóa : TS-1/SBA-15, TS-1/MCM-41 (MTS-9) bằng phương pháp vi sóng, tìm điều kiện tối ưu để tổng hợp vật liệu.  Tổng hợp đặc trưng và đánh giá hoạt tính một số vật liệu mao quản trung bình chứa TiO2 : TiO2/MCM-41, TiO2/SBA-15 độ trật tự cao.  Tổng hợp đặc trưng và đánh giá hoạt tính một số vật liệu trên cơ sở TiO2 biến tính (doping) Ceri và Nitơ, tìm điều kiện tối ưu tổng hợp được vật liệu quang xúc tác có hoạt tính cao dưới ánh sáng nhìn thấy, giá thành thấp. 2  Tổng hợp và đặc trưng vật liệu khung hữu cơ kim loại chứa Titan : TiO2/MIL101, đưa ra phương pháp phân tán các nano TiO2 trên mạng lưới tinh thể MIL101 và xác lập mối quan hệ giữa hoạt tính quang xúc tác và cấu trúc vật liệu. Hy vọng những kết quả nghiên cứu này sẽ đóng góp một phần để xây dựng cơ sơ khoa học trong lĩnh vực tổng hợp các vật liệu chứa Titan và những ứng dụng thực tiễn. Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận án được trình bày như sau: Chương I. Tổng quan tài liệu. Chương II. Thực nghiệm Chương III. Kết quả và thảo luận Kết luận Tài liệu tham khảo 3 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN I.1. Tình hình nghiên cứu vật liệu chứa Titan trong và ngoài nước I.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam, nghiên cứu vật liệu quang xúc tác nano TiO2 cấu trúc anatase và ứng dụng chúng để xử lý ô nhiễm môi trường đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu từ những năm 1990. Một số nhóm nghiên cứu tiến hành tổng hợp quang xúc tác nano-TiO2 bằng các phương pháp khác nhau. Các đơn vị nghiên cứu như Viện Vật lý điện tử, Phân viện Khoa học Vật liệu -Viện KH&CN Việt Nam, trường ĐH Quốc Gia Hà Nội, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, đã tiến hành nghiên cứu tổng hợp nano-TiO2 nhưng chủ yếu bằng phương pháp sol-gel. Vật liệu được tổng hợp có hoạt tính xúc tác quang hoá tương đối cao trong việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước như hợp chất gốc phenol, thuốc nhuộm hoạt tính. Một trong những cơ sở quan tâm nghiên cứu sớm về TiO 2 cấu trúc anatase và đưa vào ứng dụng là một số nhà Khoa học trong Viện Vật lý Ứng dụng và thiết bị Khoa học (TS. Trần Thị Đức, TS Nguyễn Trọng Tĩnh...) [15-17]. Sau đó một số nhóm nghiên cứu trong Viện Khoa học vật liệu cũng đã triển khai nghiên cứu TiO 2, đáng chú ý là một số kết quả của tập thể các nhà khoa học, kết hợp giữa Viện Khoa học vật liệu và Viện Vật lý ứng dụng - thiết bị khoa học, đã cùng nhau hợp tác thực hiện đề tài Nghị định thư giữa Việt Nam – Malaysia giai đoạn 2004 – 2006 do GS. TSKH. Đào Khắc An, Viện Khoa học vật liệu làm chủ nhiệm [18]. Đề tài được nghiệm thu thành công và một số kết quả đã được đưa ra về khả năng xử lý diệt khuẩn của vật liệu quang xúc tác TiO2 anatase, như một số dạng sản phẩm màng lọc dùng để xử lý môi trường sử dụng TiO2 trên vải carbon, trên gốm sứ, bông thủy tinh và nhất là hai loại máy xử lý không khí ô nhiễm ở dạng chế tạo thử nghiệm đơn chiếc cũng đã được đưa ra quảng bá trong hội chợ công nghệ. Ngoài ra Viện Khoa học và công nghệ Việt nam, một số nhóm nghiên cứu ở Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, và ở miền Nam cũng có một số cơ sở nghiên cứu về vật liệu TiO 2 anatase và ứng dụng, trường Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh và các cơ sở nghiên cứu này cũng đã thu được một số kết quả nhất định ở các khía cạnh khác nhau. Nhóm nghiên cứu của TS. Trần Thị Đức – Viện Vật lý ứng dụng và thiết bị khoa học-Viện KH&CN Việt Nam đã ứng dụng thành công vật liệu nano TiO 2 (sản phẩm PSA-01) bằng phương pháp sol-gel để tổng hợp xúc tác quang hóa cho lớp phủ và đã chế tạo các màng phủ cho kính, sứ vệ sinh. Theo hướng nghiên cứu của TS. 4 Trần Thị Đức, một vài nhóm nghiên cứu đã bắt đầu ứng dụng vật liệu xúc t ác quang hóa nano- TiO2 cho lớp phủ (coating) trên các bề mặt của kính, sứ vệ sinh. Nhóm nghiên cứu ở trường Đại học Quốc gia Hà nội đã tiến hành tổng hợp nano TiO2 và tẩm trên vải làm khẩu trang khử khuẩn. Nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Đặng Mậu Chiến- Phòng thí nghiệm Công nghệ nano thuộc Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh cũng như Viện ITIM của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tổng hợp nano-TiO2 bằng phương pháp ăn mòn kiềm (dùng NaOH nồng độ 10M) để xử lý bột TiO2 tạo sợi nano TiO2. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu trên chỉ mới công bố ở quy mô phòng thí nghiệm và chủ yếu là xúc tác quang hóa ở dạng nano TiO 2 chưa được biến tính (doping). Gần đây, Viện Công nghệ môi trường kết hợp với Viện Vật lý Ứng dụng thiết bị khoa học cũng đã nghiên cứu tiếp nối một số vấn đề và đã chế tạo thành công một số sản phẩm khoa học mới có sử dụng vật liệu nano TiO2 như: Bộ lọc chủ động quang xúc tác sử dụng TiO2 phủ trên vật liệu bông thạch anh và TiO 2 phủ trên sợi Al2O3 trong thiết bị làm sạch không khí; Sơn TiO 2/Apatite diệt khuẩn.... Đây là kết quả nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu xử lý ô nhiễm không khí bằng vật liệu sơn nano TiO2/Apatite, TiO2/Al2O3 và TiO2/bông thạch anh” do TS. Nguyễn Thị Huệ, Viện Công nghệ môi trường làm chủ nhiệm. Đề tài được thực hiện trong hai năm 20092010 [19]. I.1.2. Tình hình nghiên cứu nước ngoài. Gần đây, xu hướng mới trên thế giới là biến tính nano TiO 2 (doping TiO2) để nâng cao khả năng ứng dụng, có thể dùng ánh sáng nhìn thấy hoặc ánh sáng mặt trời thay tia UV. Đây là phương pháp hiện đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhiều nhà khoa học. Choi và các cộng sự [20] thực hiện nghiên cứu một cách hệ thống việc doping các hạt nano TiO2 với 21 ion kim loại khác nhau bằng phương pháp sol-gel và thấy rằng sự có mặt của các ion kim loại có ảnh hưởng lớn đến hoạt tính quang hóa, tỉ lệ tái tổ hợp của các phần tử mang điện và tỉ lệ các electron chuyển dịch giữa vùng năng lượng. Cũng sử dụng phương pháp sol-gel, nhóm nghiên cứu của Li [21] đã thực hiện doping TiO2 bằng La3+ và chỉ ra rằng việc đưa La vào mạng tinh thể có thể ngăn cản sự biến đổi pha của TiO 2, nâng cao độ bền thủy nhiệt, giảm kích thước tinh thể và tăng lượng Ti 3+ trên bề mặt. Liang và cộng sự [22] đưa Nd3+, Fe(III) vào mạng tinh thể các hạt TiO2-nano bằng cách dùng phương pháp thủy nhiệt và nhận thấy dạng tinh thể TiO2 anatase, brookite và một vi lượng nhỏ khoáng chất hematit đồng tồn tại ở pH thấp (1.8 và 3.6) khi hàm lượng 5 Fe là 0.5% và sự phân bố các ion sắt không đồng đều giữa hạt nano TiO2, nhưng ở pH =6.0 thì hợp chất oxit sắt- titan được tạo thành khá đồng đều. Ngoài ra, còn rất nhiều phương pháp khác để biến tính TiO2 như phương pháp tẩm, đồng kết tủa, ... Từ lâu, TiO2 được sử dụng như một chất màu trong nhiều loại sản phẩm phục vụ đời sống như tạo độ đục, độ trắng, tính năng nhuộm màu cho các sản phẩm như nhựa, sơn, cao su, trong sản xuất giấy, mỹ phẩm, kem đánh răng, gốm sứ,… Nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng tử ngoại TiO2 được sử dụng trong các sản phẩm bảo vệ da khỏi tia tử ngoại (kem chống nắng), các màng chất dẻo bao gói thực phẩm nhạy cảm ánh sáng, nhà kính,.... Những nghiên cứu tính chất quang xúc tác hiệu quả cao của TiO 2 kích thước nano và các vật liệu trên cơ sở nano TiO 2 gần đây mở ra nhiều ứng dụng có khả năng thương mại hóa cao. Ứng dụng quan trọng nhất mà hiện nay đã có nhiều hãng sản xuất thực hiện đó là chế tạo kính tự làm sạch dựa trên hiệu ứng biến đổi tính chất bề mặt từ ưa nước (khi có ánh sáng) sang kị nước (khi không có ánh sáng) của màng rất mỏng nano TiO 2. Bảng I.1. Một số ứng dụng của TiO2 tại Nhật Bản [23] Tính chất Tự làm sạch Phân loại Ứng dụng Đường Đèn hầm, tường hầm, biển giao thông Nhà Gạch trong bếp và nhà tắm, gạch ngoài nhà, mái nhà và cửa sổ Tòa nhà cao tầng Cửa nhôm, đá, thủy tinh Trong nông nghiệp Nhựa và kính trong nhà xanh Màn hình máy tính và kính phủ pin năng Thiết bị điện và điện tử lượng mặt trời Phương tiện giao thông Sơn, lớp phủ trên bề mặt cửa sổ, đèn Tính chất chống sương mù Sản phẩm hàng ngày Vải trải bàn, đồ dùng trong bếp, lớp phủ chống sương mù Sơn Sơn đa năng Đường Gương phản chiếu Trong nhà Gương trong nhà tắm tủ quần áo Kho chứa Kệ tủ lạnh 6 Thiết bị điện, điện tử Bộ phận trao đổi nhiệt trong máy điều hòa, thiết bị biến thế Xe cộ Mặt trong của cửa sổ, màng thủy tinh, kính chiếu hậu và cần gạt nước Đồ dùng hàng ngày Bình xịt chống sương mù Sơn Sơn thông dụng Thiết bị quang ống kính Bột nano TiO2 được dùng để chế tạo sơn đặc biệt có khả năng tự làm sạch, chống mốc và diệt khuẩn ... nhờ vào hiệu ứng quang xúc tác oxi hóa. Rất nhiều nghiên cứu cho thấy các vật liệu trên cơ sở TiO 2 có khả năng oxi hóa hoàn toàn các chất hữu cơ độc hại trong môi trường nước hoặc xử khí thải. Ứng dụng khả năng hấp thụ ánh sáng của TiO2 cũng mở ra các ứng dụng chế tạo pin mặt trời hoặc quang phân hủy H 2O thành H2 và O2 hoặc khử CO2 thành metan, metanol dưới ánh sáng mặt trời. Rất gần đây, nano TiO2 còn được tác giả Akira Fujishima và các cộng sự [24] nghiên cứu áp dụng trong y học. Theo đó, TiO2 ở dạng hạt nano sẽ được đưa vào cơ thể, tiếp cận với những tế bào ung thư. Tia UV được dẫn thông qua sợi thủy tinh quang học và chiếu trực tiếp lên các hạt TiO 2. Phản ứng quang xúc tác sẽ tạo ra các tác nhân oxy hóa mạnh có khả năng tiêu diệt các tế bào ung thư. Bảng I.6 thể hiện một số ứng dụng của TiO2 tại Nhật Bản. I.I. ZEOLIT VÀ VẬT LIỆU MAO QUẢN TRUNG BÌNH CHỨA TITAN I.I.1 Titanosilicat (TS-1) Như đã giới thiệu ở trên zeolit chứa Titan thuộc hệ vật liệu vi mao quả n theo sự phân loại của IUPAC [25] bao gồm một số vật liệu nổi tiếng : TS-1, TS-2, Ti-β, ETS-10 … Tuy nhiên trong khuôn khổ luận án nghiên cứu một số vật liệu trên cơ sở Titan khác nhau nên chỉ trình bày vật liệu TS-1 và ứng dụng của nó trong lĩnh vực xúc tác. 7 Hình I.1. Cấu trúc TS-1 TS-1 là vật liệu zeolit có cấu trúc MFI chứa titan. TS-1 được tạo ra do sự thay thế đồng hình các ion silic bởi ion titan trong cấu trúc của các tứ diện TO 4 của mạng MFI. TS-1 có tất cả những tính chất của zeolit như: bề mặt riêng lớn, thể tích mao quản lớn, cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh nên có độ bền nhiệt và độ bền thủy nhiệt cao, thân thiện môi trường và còn có tính xúc tác rất đặc biệt trong phản ứng oxy hoá chọn lọc. I.1.1.1. Tính chất xúc tác của TS-1 Trong phản ứng oxy hóa đồng thể có xúc tác hoặc phản ứng oxi hóa trực tiếp, độ chuyển hóa, độ chọn lọc sản phẩm phụ thuộc vào các yếu tố động học như khả năng tiếp xúc, cấu trúc chất phản ứng cũng như tác nhân oxi hóa, nhiệt độ, dung môi .... do vậy để khống chế tất cả các yếu tố thu được sản phẩm mong muốn là rất khó khăn. Yêu cầu của thực tế cần có các quá trình chuyển hóa hiệu suất cao, sử dụng ít năng lượng, ít sản phẩm phụ, giảm thiểu tác động môi trường làm nảy sinh xu hướng “dị thể hóa xúc tác”. Một trong các xúc tác dị thể cho phản ứng oxi hóa là các xúc tác kim loại thường chỉ tăng tốc độ hình thành gốc tự do (radical) mà không có hiệu ứng về độ chọn lọc. Mặt khác, trong các phản ứng tổng hợp hữu cơ các phân tử phức tạp với nhiều nhóm chức hoạt động đặt ra yêu cầu rất cao đối vớí xúc tác như: oxi hóa chọn lọc một vị trí cụ thể, độ chọn lọc hình dạng chất phản ứng, độ chọn lọc đồng phân sản phẩm, điều kiện phản ứng không quá khắc nghiệt.... Một phương pháp đạt được điều đó là: gắn các ion kim loại trong một pha nền vô cơ mà ion kim loại đóng vai trò “tâm hoạt động” còn cấu trúc vô cơ này giữ vai trò chọn lọc hình dạng chất phản ứng hoặc quyết định cấu trúc đồng phân sản phẩm và ổn định tác nhân oxi hóa. Mô hình trên là ý tưởng chung của nhiều loại vật liệu chứa ion kim loại trong mạng 8 lưới zeolit hoặc các vật liệu mao quản trung bình làm xúc tác cho các quá trình xúc tác axit – bazơ hoặc quá trình xúc tác oxi hóa khử, điển hình là gắn ion titan vào mạng silicalit tạo nên TS-1. TS-1 có các tính chất xúc tác như một chất oxy hóa - khử nhờ sự có mặt của titan trong khung cấu trúc. TS-1 là chất xúc tác có hoạt tính cao và độ chọn lọc cao cho các phản ứng oxy hoá các hợp chất hữu cơ trong pha lỏng với tác nhân oxy hoá là hiđroperoxit. Tính chất xúc tác của TS-1 đã được khẳng định là do sự tồn tại các ion Ti4+[26] trong mạng lưới tinh thể khi thay thế đồng hình các ion silic trong silicalit. Các silicalit hoàn toàn không có hoạt tính trong cùng một điều kiện thực nghiệm. Để giải thích, người ta đã giả thiết rằng các ion titan tồn tại dưới hai dạng: Các ion Ti4+ ở các vị trí mạng lưới tứ diện (nghĩa là ở trong khung cấu trúc của mạng lưới tinh thể). Các ion Ti4+ nằm ngoài mạng lưới tinh thể dưới dạng anatas. Tỉ lệ của các dạng titan này phụ thuộc phức tạp vào các yếu tố ảnh hưởng của quá trình kết tinh TS-1. Sự có mặt của titan dạng anatas trong zeolit TS-1 làm tăng tỷ lệ các phản ứng phụ như phân huỷ hiđroperoxit (H2O2) thành O2 và H2O, polyme hoá các chất phản ứng như anken tạo thành các hợp chất cao phân tử.... Vì thế, anatas là pha không mong muốn của xúc tác zeolit TS-1 [27]. Vì thế một yêu cầu tổng hợp xúc tác là hạn chế sự có mặt dạng anatas nhằm làm tăng hoạt tính và khả năng chọn lọc hình dạng các hợp chất hữu cơ. Một cách chung nhất, cấu trúc liên kết titan ở hai dạng sau: Hình I.2. Dạng cấu trúc liên kết của titan tro ng mạng lưới tinh thể Với cấu trúc đưa ra ở trên, tác giả Prestipino [28] và nhiều công bố cho rằng Titan trong mạng hình thành tâm peoxide, hidropeoxit khi có mặt H2O2. Giả định này cũng được tác giả Corma và các cộng sự [29] xác nhận bằng phổ hấp thụ tia X mở rộng (Extended X –ray absorption fine structure – EXAFS) kết hợp mô hình hóa 9 bằng cơ học lượng tử. Hình I.3. Sơ đồ cơ chế tâm Ti hoạt động trong mạng tinh thể TS -1 Như vậy, sử dụng TS-1 và các vật liệu trên cơ sở silica chứa titan trong mạng làm xúc tác oxi hóa mở ra khả năng thương mại hóa xúc tác cho các phản ứng oxi hóa chọn lọc vì tính thân thiện môi trường khi sản phẩm phụ chủ yếu chỉ là nước. Dưới đây trình bày ba phản ứng chính đã được áp dụng vào các qui trình công nghiệp là phản ứng hydroxyl hóa, phản ammoxy hóa và phản ứng epoxy hóa. I.1.1.2. Ứng dụng xúc tác TS-1 Zeolit chứa titan phần lớn được tổng hợp bằng cách điều chế trực tiếp từ nguồn Si và nguồn Ti khác nhau (direct synthesis) hoặc biến tính sau tổng hợp (post synthesis). Bằng phương pháp tổng hợp trực tiếp, sự thay thế đồng hình Titan vào các zeolit cấu trúc MFI/MEL được công bố Bellussi và cấu trúc ZSM-48 được công bố bởi Serrano [30]. Đối với các zeolit mao quản cỡ lớn như Ti-Beta, Ti-ZSM-12 cũng có thể điều chế trực tiếp. Trong khi đó, Titan trên các zeolit FAU, MAZ, LTL, MOR được tổng hợp bằng phương pháp biến tính sau tổng hợp [31]. Tuy nhiên, trong hầu hết trường hợp đã công bố, hoạt tính xúc tác oxi hóa của TS-1 vẫn được đánh giá cao nhất. Dưới đây, xin trình bày một số ứng dụng xúc tác oxi hóa của zeolit chứa titan. 10 Hình I.4. Một số phản ứng oxi hóa sử dụng TS-1 làm xúc tác a. Phản ứng oxy hóa phenol Phản ứng oxi hóa phenol trên xúc tác TS-1 được Enichem ứng dụng sản xuất hidroquinon (p-dihidroxybenzen) và catecol (o-dihidroxybenzen) thay thế qui trình Brichima sử dụng muối Coban [32]. Hiệu suất và độ chọn lọc sản phẩm phụ thuộc chặt chẽ vào độ tinh khiết, kích thước tinh thể, nồng độ TS-1 và nhiệt độ phản ứng. Độ chọn lọc phản ứng phụ thuộc vào tâm titan hoạt động trong mạng tinh thể xúc tác, do vậy, sự có mặt của titan dioxit hoặc titan silicat vô định hình làm giảm hoạt tính mạnh và gây hiệu ứng không mong muốn. Kích thước tinh thể cũng có ảnh hưởng mạnh tới hiệu năng của xúc tác, Van Der Pol công bố, kích thước hạt TS-1 lớn hơn 300 nano mét làm giảm đáng kể tốc độ phản ứng và độ chọn lọc [33]. 11