Tài liệu Nghiên cứu tổng hợp nano mno2 trên nền vật liệu mao quản trung bình mcm 41

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA: KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA CUỘC THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2015-2016 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO MnO2 TRÊN NỀN VẬT LIỆU MAO QUẢN TRUNG BÌNH MCM-41 Thuộc nhóm ngành khoa học: HÓA HỌC A TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA: KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA CUỘC THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2015-2016 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO MnO2 TRÊN NỀN VẬT LIỆU MAO QUẢN TRUNG BÌNH MCM-41 Thuộc nhóm ngành khoa học: HÓA HỌC Sinh viên thực hiện: Phan Tuấn Hào Nam/Nữ: Nam Lớp: D13HHC01 Khoa: Khoa học tự nhiên Năm thứ: 3 Số năm đào tạo: 4 Người hướng dẫn: TS. Phạm Đình Dũ B Dân tộc: Kinh Ngành học: Hóa học UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: Tên đề tài: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO MnO2 TRÊN NỀN VẬT LIỆU MAO QUẢN TRUNG BÌNH MCM-41 Sinh viên thực hiện: Phan Tuấn Hào Lớp: D13HHC01 Khoa: Khoa học tự nhiên Năm thứ: 3 Số năm đào tạo: 4 Người hướng dẫn: TS. Phạm Đình Dũ 2. Mục tiêu đề tài: Tổng hợp nano MnO2 trên nền vật liệu mao quản trung bình MCM-41 và các điều kiện phản ứng. 3. Tính mới và sáng tạo: Nano MnO2 được tổng hợp trên nền vật liệu mao quản trung bình MCM-41. 4. Kết quả nghiên cứu: Đã tổng hợp thành công nano MnO 2 trên nền vật liệu mao quản trung bình MCM-41 và tìm được điều kiện tổng hợp tốt nhất. 5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: Có ý nghĩa về mặt kinh tế vì đã tạo một loại vật liệu có tính năng kép, có khả năng áp dụng vào thực tế. 6. Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ họ tên tác giả, nhan đề và các yếu tố về xuất bản nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có): Ngày tháng năm Sinh viên chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài (Ký và ghi rõ họ, tên) C Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực hiện đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi): Ngày tháng Xác nhận của lãnh đạo khoa Người hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ, tên) (Ký và ghi rõ họ, tên) D năm UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Ảnh 4x6 I. SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN: Họ và tên: Phan Tuấn Hào Ngày, tháng, năm sinh: 02/ 09/ 1995 Nơi sinh: Bình Dương Lớp: D13HHC01 Khóa: 2013–2017 Khoa: Khoa học tự nhiên Địa chỉ liên hệ: 146/40 Huỳnh Mẫn Đạt, Phường 3, Quận 5, Thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại: 0961714418 Email: [email protected] II. QUÁ TRÌNH HỌC TẬP (kê khai thành tích của sinh viên từ năm thứ 1 đến năm đang học): * Năm thứ 1: Ngành học: Hóa học Khoa: Khoa học tự nhiên Kết quả xếp loại học tập: Khá Sơ lược thành tích: HKI: 7,29 HKII: 7,27 * Năm thứ 2: Ngành học: Hóa học Khoa: Khoa học tự nhiên Kết quả xếp loại học tập: Khá Sơ lược thành tích: HKI: 7,37 HKII: 7,13 * Năm thứ 3: Ngành học: Hóa học Khoa: Khoa học tự nhiên Kết quả xếp loại học tập: Khá Sơ lược thành tích: HKI: 7,28 Ngày tháng năm Xác nhận của lãnh đạo khoa Sinh viên chịu trách nhiệm chính (Ký và ghi rõ họ, tên) thực hiện đề tài E (Ký và ghi rõ họ, tên) F DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI STT Họ và tên 1 Đặng Bảo Toàn MSSV 1324401120186 G Lớp D13HHC01 Khoa KHTN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH.............................................................................................iii MỞ ĐẦU................................................................................................................ 1 1. Đặt vấn đề.......................................................................................................1 2. Mục tiêu đề tài...............................................................................................2 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu....................................................................2 3.1. Đối tượng..................................................................................................2 3.2. Phạm vi nghiên cứu.................................................................................2 4. Nội dung nghiên cứu......................................................................................3 5. Bố cục của đề tài............................................................................................3 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.....................................................................4 1.1. Sơ lược về vật liệu mao quản.....................................................................4 1.1.1. Định nghĩa và phân loại vật liệu xốp....................................................4 1.1.2. Sơ lượt về vật liệu mao quản trung bình trật tự...................................5 1.1.3. Hóa học chất HĐBM/ dung dịch silicat...............................................8 1.1.4. Hệ sol-gel trong tổng hợp vật liệu mao quản trung bình.....................9 1.2. Giới thiệu về vật liệu MCM-41................................................................13 1.3. Sơ lược về vật liệu nano............................................................................15 1.3.1. Khái niệm và tính chất của vật liệu nano...........................................15 1.3.2. Phân loại vật liệu nano.......................................................................15 1.3.3. Công nghệ nền cơ bản........................................................................16 1.4. Công nghệ nano và ứng dụng trong xử lý môi trường...........................18 CHƯƠNG 2. QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.....................................................................................................................20 2.1. Hóa chất và thiết bị nghiên cứu...............................................................20 2.1.1. Hóa chất và vật liệu.............................................................................20 2.1.2. Thiết bị.................................................................................................20 2.2. Quy trình tổng hợp MCM-41...................................................................20 2.2.1. Tinh chế diatomite...............................................................................20 i 2.2.2. Tổng hợp MCM-41..............................................................................20 2.3. Quy trình tổng hợp nano MnO2/MCM-41..............................................21 2.4. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................21 2.4.1. Nhiễu xạ tia X.....................................................................................21 2.4.2. Hiểu vi điện tử quét (SEM).................................................................23 2.4.3. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)......................................................24 2.4.4. Đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ nitơ...............................................24 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................27 3.1. Một số đặc trưng về tính chất của vật liệu MCM-41.............................27 3.2. Tổng hợp nano MnO2/MCM-41...............................................................30 3.2.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol KMnO4/HCl................................................30 3.2.2. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu MCM-41....................................31 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ.....................................................................32 3.3. Một số đặc trưng của vật liệu MnO2/MCM-41.......................................34 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................................38 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................39 ii DANH MỤC HÌNH Tên hình Trang Hình 1.1. Các loại đường hấp phụ đẳng nhiệt 4 Hình 1.2. Ba loại cấu trúc trong họ M41S (gồm kiểu lục lăng 6 MCM-41; kiểu lập phương MCM-48; và kiểu lớp MCM-50) Hình 1.3. Minh họa quá trình tạo thành MCM-41 7 Hình 1.4. Minh họa quá trình tạo mao quản lục lăng 7 Hình 1.5. Quá trình tạo mixen của chất HĐBM 8 Hình 1.6. Các loại lực liên kết giữa chất HĐBM và phần vô cơ 9 Hình 1.7. Các kiểu lực hút giữa chất HĐBM và silicat 10 Hình 1.8. Sơ đồ phản ứng sol-gel của Alkoxysilane 11 Hình 1.9. Quá trình thủy phân xúc tác axit 12 Hình 1.10. Quá trình trùng ngưng xúc tác axit 12 Hình 1.11. Quá trình thủy phân xúc tác bazơ 13 Hình 1.12. Quá trình trùng ngưng xúc tác bazơ 13 Hình 1.13. Sơ đồ tổng hợp vật liệu MQTBTT MCM-41 14 Hình 1.14. Ảnh TEM của MCM-41: a. Mặt (001); b. Mặt (100) 14 Hình 1.15. Sơ đồ công đoạn sol-gel 17 Hình 1.16. Sơ đồ của quá trình chế tạo hạt nano polyme dẫn lại 17 hạt kim loại theo công nghệ hạt nano mixen Hình 2.1. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên mạng tinh thể 22 Hình 2.2. Mặt cắt của vật liệu mao quản trung bình dạng lục lăng 22 Hình 2.3. Minh hoạ cấu trúc MQTB dạng lục lăng của vật liệu 23 theo XRD Hình 2.4. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của P/[V(Po – P)] theo P/Po 25 Hình 3.1. Giản đồ XRD của mẫu MCM-41 27 Hình 3.2. Ảnh TEM của mẫu MCM-41 28 iii Hình 3.3. Đường đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ nitơ của 29 mẫu MCM-41 Hình 3.4. Đồ thị xác định diện tích bề mặt riêng theo phương 29 pháp BET của mẫu MCM-41 Hình 3.5. Ảnh SEM của mẫu MCM-41 (a, b) và các mẫu 30 MnO2/MCM-41 tổng hợp ở các tỉ lệ mol KMnO4:HCl khác nhau: (c, d) 1:0; (e, f) 1:1; (g, h) 1:2; (i, j) 1:4; và (k, l) 1:8 (mMCM-41 = 0,5g; thời gian và nhiệt độ xử lí thủy nhiệt tương ứng là 16h và 160oC) Hình 3.6. Ảnh SEM của các mẫu MnO2/MCM-41 tổng hợp ở các 32 tỉ lệ về khối lượng của MCM-41 khác nhau: (a, b) 0,25g; (c, d) 0,5g; (e, f) 1,0g; và (g, h) 2,0g (tỉ lệ mol KMnO4:HCl = 1:8; thời gian và nhiệt độ xử lí thủy nhiệt tương ứng là 16h và 160oC) Hình 3.7. Ảnh SEM của các mẫu MnO2/MCM-41 tổng hợp ở các 33 nhiệt độ khác nhau: (a, b) 60oC; (c, d) 80oC; (e, f) 120oC; và (g, h) 160oC (mMCM-41 = 0,5g; tỉ lệ mol KMnO4:HCl = 1:1; thời gian xử lí thủy nhiệt 16h) Hình 3.8. Nhiễu xạ XRD của các mẫu MnO2/MCM-41 tổng hợp ở 35 các tỉ lệ mol KMnO4:HCl khác nhau: (a) 1:0; (b) 1:1; (c) 1:2; (d) 1:4; và (e) 1:8 (mMCM-41 = 0,5g; thời gian và nhiệt độ xử lí thủy nhiệt tương ứng là 16h và 160oC) Hình 3.9. Nhiễu xạ XRD ở góc lớn (a) và góc nhỏ (b) của mẫu 36 MnO2/MCM-41 tổng hợp trong điều kiện tỉ lệ mol KMnO4:HCl = 1:1; thời gian và nhiệt độ xử lí thủy nhiệt tương ứng là 16h và 80oC (mMCM-41 = 0,5g) Hình 3.10. Đường đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ nitơ của MnO2/MCM-41 tổng hợp trong điều kiện tỉ lệ mol KMnO4:HCl = 1:1; thời gian và nhiệt độ xử lí thủy nhiệt tương ứng là 16h và 80oC (mMCM-41 = 0,5g) iv 36 Hình 3.11. Đồ thị xác định diện tích bề mặt riêng theo phương pháp BET của mẫu MnO2/MCM-41 tổng hợp trong điều kiện tỉ lệ mol KMnO4:HCl = 1:1; thời gian và nhiệt độ xử lí thủy nhiệt tương ứng là 16h và 80oC (mMCM-41 = 0,5g) v 37 Phần 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, các vật liệu oxit kim loại có kích thước nanomet đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học ở các lĩnh vực khác nhau. Bởi vì đây là loại vật liệu dễ tổng hợp, không đắt tiền, có diện tích bề mặt lớn, nhiều nguyên tử chưa cân bằng liên kết trên bề mặt nên có hoạt tính cao [1] và có ứng dụng rộng rãi. Chính vì vậy, việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu oxit kim loại có kích thước nanomet đang được phát triển mạnh trên thế giới và một trong số các vật liệu đó có thể kể đến là nano MnO 2. Đây là loại vật liệu không chỉ có những tính chất hóa lý đặc trưng mà còn được ứng dụng trong cảm biến sinh học, trao đổi ion, vật liệu catot cho pin sạc, siêu tụ điện và xúc tác [2 - 9], đặc biệt là chi phí tổng hợp thấp [10]. Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu và tổng hợp thành công vật liệu nano MnO2 bằng phương pháp sol-gel (sol-gel synthesis), phản ứng oxi hóa khử, đồng kết tủa (co-precipitation synthesis), phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal synthesis),... như Al-Sagheer và cộng sự [11] tổng hợp nano δ-MnO2 bằng phương pháp sol-gel, Yunfa Chen và cộng sự [12] tổng hợp thanh và dây nano MnO2 bằng phương pháp sol-gel, Lei Juin và cộng sự [13] tổng hợp γMnO2 bằng phương pháp đồng kết tủa, Lifen Xiao và cộng sự [14] tổng hợp α- MnO2 bằng phương pháp thủy nhiệt. Ở Việt Nam, đã có một số nhóm nghiên cứu công bố tổng hợp thành công nano MnO2 như nhóm nghiên cứu của Đồng Kim Loan và cộng sự [15] đã tổng hợp thành công nano MnO2 trên nền laterit vào năm 2008. Năm 2010, Vũ Thị Hậu và cộng sự [16] hay Phạm Thị Hạnh và cộng sự [17] hoặc Lưu Minh Đại và cộng sự [18] đã tổng hợp thành công nano MnO2 bằng phương pháp đốt cháy gel. Nhìn chung, có nhiều phương pháp để tổng hợp nano MnO 2, một trong những phương pháp tổng hợp mới đó là sử dụng các chất có cấu trúc mao quản như diatomite, MCM-41, zeolit,... làm chất nền để tổng hợp nên nano MnO 2 và 1 dựa trên phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal synthesis) để tạo ra một loại vật liệu có tính năng kép nhằm làm tăng khả năng sử dụng của cả hai loại vật liệu lên. Trong nghiên cứu mới nhất vừa được công bố bởi các nhà nghiên cứu Trung Quốc vào năm 2014, Yucheng Du và cộng sự [19] đã nghiên cứu và tổng hợp thành công nano MnO2 trên nền diatomite từ quặng diatomite ở Trung Quốc. So với diatomite thì MCM-41 tỏ ra vượt trội hơn hẳn do có cấu trúc mao quản hình dạng lục lăng, mao quản có độ đồng nhất và độ đối xứng cao, có diện tích bề mặt rất lớn, kích thước mao quản cỡ nano (từ 2,0 đến 10,0 nm) [20] và cũng có cấu tạo từ SiO2, nên trên bề mặt cũng có các nhóm silanol (Si-OH), với những đặc tính nổi bật nêu trên thì MCM-41 sẽ là một chất nền thích hợp cho việc tổng hợp nano MnO2. Do đó, việc nghiên cứu sử dụng MCM-41 làm nền để tổng hợp nano MnO 2 không những giúp cải thiện khả năng hấp phụ của MCM-41 mà còn tạo ra oxit kim loại có cấu trúc nano có khả năng ứng dụng cao trong các lĩnh vực khác nhau, nhất là trong tình hình hiện nay, Việt Nam đang ra sức phát triển ngành công nghiệp hóa học hiện đại để nhanh chóng trở thành quốc gia giàu mạnh. Xuất phát từ thực tiễn đó, chúng tôi thực hiện đề tài: Nghiên cứu tổng hợp nano MnO2 trên nền vật liệu mao quản trung bình MCM-41. 2. Mục tiêu đề tài Chế tạo nano MnO2 trên nền vật liệu mao quản trung bình MCM-41. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng Nano MnO2. Vật liệu mao quản trung bình MCM-41. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp nano MnO2 trên nền vật liệu mao quản trung bình MCM-41 bằng phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal synthesis) trong điều kiện phòng thí nghiệm. 2 4. Nội dung nghiên cứu Vật liệu mao quản trung bình MCM-41 đã được chúng tôi nghiên cứu tổng hợp thành công từ nguồn diatomite trong nội dung đề tài NCKH SV năm học 2014-2015. Vì vậy, trong đề tài này chúng tôi sẽ sử dụng vật liệu MCM-41 trên để làm chất nền cho quá trình nghiên cứu tổng hợp nano MnO 2. Một số nội dung đã thực hiện như sau: - Tổng hợp vật liệu nano MnO 2/MCM-41 với các tiền chất ban đầu từ KMnO4 và HCl ở một số điều kiện khác nhau: tỉ lệ mol KMnO 4/HCl, khối lượng MCM-41, và nhiệt độ. - Xác định điều kiện tổng hợp tối ưu nhất từ các khảo sát ở trên để thu được vật liệu nano MnO2/MCM-41 như mong muốn. - Xác định các thông số đặc trưng của nano MnO 2/MCM-41 ở điều kiện tối ưu. 5. Bố cục của đề tài Đề tài gồm các phần chính sau: Phần 1: Mở đầu Phần 2: Chương 1: Cơ sở lý thuyết Chương 2: Quy trình thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả và thảo luận Phần 3: Kết luận và kiến nghị 3 Phần 2 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Sơ lược về vật liệu mao quản 1.1.1. Định nghĩa và phân loại vật liệu xốp Vật liệu xốp được tạo bởi tự nhiên hoặc qua tổng hợp được sử dụng rất nhiều trong các hoạt động sống của con người. Vật liệu xốp với kích thước lỗ nhỏ (0,3nm - 10µm) đã và đang được nghiên cứu nhiều do tính chất rây phân tử của nó. Tùy thuộc vào dạng kích thước lỗ chiếm ưu thế, vật liệu rắn, xốp được phân loại bởi IUPAC như sau: (1) vật liệu vi mao quản (m icroporous material) có đường kính lỗ lên đến 2,0 nm; (2) vật liệu mao quản trung bình (mesoporous material) có đường kính lỗ nằm trong khoảng trung gian từ 2,0 – 50,0 nm; (3) vật liệu mao quản lớn (macroporous material) có kích thước lỗ lớn hơn 50,0 nm [21]. Hình 1.1. Các loại đường hấp phụ đẳng nhiệt Như đã nói, kích thước lỗ nói chung được hiểu là chiều rộng lỗ, là khoảng cách giữa 2 vách đối diện. Rõ ràng, kích thước lỗ chỉ có ý nghĩa chính xác khi dạng hình học được xác định rõ. Độ rỗng của vật liệu thường được định nghĩa là tỷ 4 số của thể tích khoang rỗng và lỗ trống chia thể tích ngoài của vật rắn. Ngoài ra, vật liệu xốp còn được định nghĩa theo tính chất hấp phụ của chúng. Sự hấp phụ một khí của vật liệu xốp được mô tả định lượng bằng đường đẳng nhiệt hấp phụ, lượng khí hấp phụ lên vật liệu ở nhiệt độ xác định là hàm số theo áp suất. Vật liệu xốp thường được mô tả bằng kích thước lỗ đi từ dữ liệu hấp phụ khí, và theo qui ước IUPAC thì cách phân loại kích thước lỗ và đường đẳng nhiệt hấp phụ phản ánh mối quan hệ giữa độ rỗng và tính hấp phụ. Phân loại của IUPAC về đường đẳng nhiệt hấp phụ được minh họa trong hình 1.1. Có 6 loại đường đẳng nhiệt mô tả đặc trưng của chất hấp phụ: vi mao quản (loại I), không mao quản và mao quản lớn (loại II, III, VI), và mao quản trung bình (loại IV, V) [22]. 1.1.2. Sơ lượt về vật liệu mao quản trung bình trật tự Từ meso, theo như tiếng Hy Lạp, có nghĩa là ở giữa (in between) đã được IUPAC sử dụng cho vật liệu xốp với kích thước lỗ trong khoảng 2,0 – 50,0 nm. Trước thập niên 1980, hầu hết vật liệu mao quản trung bình là vô định hình và thường có độ phân bố kích thước lỗ lớn. Đầu thập niên 1990, Kresge và cộng sự [23] công bố họ rây phân tử mao quản trung bình mới, và trong những năm gần đây, nghiên cứu về lĩnh vực này mở rộng ra nhiều hệ oxit kim loại khác không chỉ riêng silica, ngoài ra còn có vật liệu mao quản trung bình mới là hỗn hợp vô cơ và hữu cơ. Vật liệu silicat mới này có diện tích bề mặt rất lớn và độ phân bố kích thước lỗ hẹp. Sự sắp xếp của các phân tử, quyết định bởi năng lượng học dung dịch chịu trách nhiệm cho sự tạo thành hệ xốp này. Họ vật liệu này có cấu trúc, thành phần, kích thước lỗ có thể được thay đổi trong quá trình tổng hợp bằng cách thay đổi đương lượng tác chất, bản chất của phân tử hoạt động bề mặt (HĐBM), chất phụ trợ, điều kiện phản ứng hoặc kỹ thuật nhóm chức hóa sau tổng hợp. Hình 1.2 cho thấy các kiểu cấu trúc khác nhau của họ M41S. 5 Hình 1.2. Ba loại cấu trúc trong họ M41S (gồm kiểu lục lăng MCM-41; kiểu lập phương MCM-48; và kiểu lớp MCM-50) Các nhà khoa học đã công nhận rằng sự tạo thành vật liệu rây phân tử này dựa trên khái niệm tác nhân kiểm soát cấu trúc (structural directing agent) hay khuôn mẫu (template). Quá trình tạo khuôn mẫu được định nghĩa là quá trình trong đó các cấu tử hữu cơ hoạt động như cấu trúc trung tâm để cho các oxit sắp xếp lên thành mạng tinh thể. Nói cách khác, khuôn mẫu là một cấu trúc, thường là hữu cơ, xung quanh nó vật liệu, thường là vô cơ, hình thành và phát triển như một lớp da, do đó sau khi loại bỏ cấu trúc khuôn mẫu, đặc tính điện tử và hình học được nhân rộng lên bởi vật liệu vô cơ. Trong họ M41S, cơ chế khuôn mẫu tinh thể lỏng do các nhà khoa học hãng Mobil đề nghị, trong đó sự sắp xếp các mixen chất hoạt động bề mặt (ví dụ: alkyltrimethylammonium) hoạt động như chất điều khiển cấu trúc cho sự tạo thành pha mao quản (hình 1.3). Ngoài các cơ chế đề xuất trước đó, có hai cơ chế khuôn mẫu tinh thể lỏng khác được đề nghị. Cơ chế thứ nhất, do Monnier và cộng sự [24], cho rằng chất HĐBM ban đầu hiện diện trong dung dịch ở dạng tấm phẳng (lamellar phase). Pha lamellar này chuyển thành pha lục lăng (hexagonal phase) khi mạng silicat hình 6 thành và phát triển (hình 1.4). Cơ chế thứ hai, do Steel và cộng sự [25], cho rằng khi nguồn silicat được cho vào hệ gel phản ứng, nó hòa tan vào trong pha nước bao quanh phân tử chất HĐBM và sau đó thúc đẩy sự sắp xếp pha lục lăng. Hình 1.3. Minh họa quá trình tạo thành MCM-41 Hình 1.4. Minh họa quá trình tạo mao quản lục lăng 7 1.1.3. Hóa học chất HĐBM/ dung dịch silicat Pha cấu trúc của vật liệu mao quản trung bình (hình 1.5) dựa trên cơ sở là phân tử chất HĐBM là cấu tử rất hoạt động với cấu trúc khác nhau khi tăng nồng độ. Ở nồng độ thấp, chất HĐBM tồn tại ở dạng đơn phân tử. Khi tăng nồng độ, các phân tử chất HĐBM kết hợp với nhau để tạo thành mixen để giảm entropy hệ thống. Nồng độ tại đó chất HĐBM bắt đầu hình thành mixen gọi là nồng độ mixen tới hạn (critical micellization concentration, CMC). Trong nhân của mixen là phần hydrocacbon, trong trường hợp này dung môi là nước. Hình 1.5. Quá trình tạo mixen của chất HĐBM Nói chung, CMC của chất HĐBM giảm khi tăng chiều dài dây hydrocacbon. Khi tăng lực ion trong dung dịch và tăng hóa trị của ion đối dẫn đến giảm CMC. Nói cách khác, CMC tăng khi tăng bán kính ion đối, tăng pH và nhiệt độ. Ngoài ra, chất HĐBM không ion nói chung có CMC nhỏ hơn chất HĐBM ion. Cần lưu ý rằng ở nồng độ chất HĐBM cao, pH cao, nhiệt độ thấp và độ polyme hóa silicat thấp luôn ưu đãi sự tạo thành mixen hình trụ và pha lục lăng [26]. Pha mao quản trung bình tạo thành từ tương tác của phần hữu cơ với cấu tử vô cơ, do đó cả hai cấu tử giữ vai trò quan trọng trong sự sắp xếp. Các loại tương tác có thể giữa phần hữu cơ và vô cơ phụ thuộc vào điện tích trên chất HĐBM (S + 8