Khảo sát cấu trúc và tính chất điện tử của vật liệu khung cơ kim MOF với ligand mới

MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Vật liệu khung cơ kim – MOF

1.2. Cấu trúc của MOF

1.3. Những đặc tính và ứng dụng của MOF

1.3.1. Hấp phụ khí

1.3.2. Chất xúc tác

1.3.3. Phân tách khí

1.3.4. Ứng dụng cảm biến

1.3.5. Làm điện cực catốt cho pin Liti

1.4. Các phương pháp tính toán – mô phỏng đối với MOF

1.4.1. Tính toán cấu trúc và các đặc tính của MOF

1.4.2. Tính toán hấp phụ

1.4.3. Mô phỏng phân tử của sự vận chuyển chất bị hấp phụ trong MOF

1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.5.1. Tình hình nghiên cứu trong nước

1.5.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

1.6. Mục tiêu của đề tài

2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Cấu trúc tinh thể

2.2. Vật liệu cấu trúc tinh thể. Phân loại vật liệu cấu trúc tinh thể

2.3. Thế tuần hoàn và định lý Bloch

2.4. Không gian đảo

2.5. Cấu trúc vùng năng lượng trong chất rắn

2.5.1. Nguyên lý hình thành vùng năng lượng trong chất rắn

2.5.2. Cấu trúc vùng năng lượng trong tinh thể

2.6. Nguyên lý hấp phụ

2.6.1. Phân loại hấp phụ

2.6.2. Lực và năng lượng hấp phụ vật lý

2.6.3. Tương tác tĩnh điện trong hấp phụ

2.7. Cơ sở tính toán hóa học lượng tử

2.7.1. Phương trình Schrodinger. Sự gần đúng Born – Oppenheimer

2.7.2. Định thức Slater

2.7.3. Lý thuyết Hartree Fock (HF)

2.7.4. Lý thuyết hàm mật độ (DFT)

2.7.4.1. Hàm mật độ không phụ thuộc hàm sóng orbital

2.7.4.2. Phương trình Kohn-Sham

2.7.4.3. Xấp xỉ mật độ địa phương (LDA – Local Density Aproximation)

2.7.4.4. Phương pháp xấp xỉ gradien tổng quát (GGA – Generalize Gradient Approximation)

2.7.4.5. Phương pháp B3LYP

2.7.5. Bộ hàm cơ sở

2.7.5.1. Bộ hàm cơ sở nhỏ nhất (Minimal basis set)

2.7.5.2. Bộ hàm cơ sở hóa trị phân tách (Split valence basis set)

2.7.5.3. Bộ hàm cơ sở Double zeta (Double zeta basis set)

2.7.5.4. Bộ hàm cơ sở phân cực (Polaried basis set)

2.7.5.5. Bộ hàm cơ sở khuếch tán (Diffusion basis set)

2.7.5.6. Bộ hàm cơ sở tương quan thích hợp của Dunning (Dunning‟s correlation consistent basis set)

3. CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHỐI TỬ VÀ XÂY DỰNG CẤU TRÚC MOF

3.1. Nội dung nghiên cứu

3.2. Mô phỏng và tối ưu hóa phối tử. Khảo sát khả năng hấp phụ của các vật liệu MOF đã được tổng hợp

3.3. Cơ sở cho thiết kế phối tử của vật liệu MOF. Tính toán tối ưu hóa các phối tử đã chọn

3.4. Mô phỏng cấu trúc tinh thể

3.5. Tính toán tối ưu hóa cấu trúc tinh thể

3.6. Giới thiệu về phần mềm Crystal06

3.7. Tính toán thử nghiệm và đánh giá độ tin cậy của phần mềm Crystal

3.8. Tối ưu hóa cấu trúc các MOF đã được thiết kế

3.9. Tính toán các tính chất của MOF. Tính toán cấu trúc dãi năng lượng

3.10. Tính toán phân bố electron

3.11. Tính toán phân bố trường thế tĩnh điện

3.12. Tính toán tần số dao động ở phổ hồng ngoại

3.13. Tính toán hấp phụ hydro

3.14. Giới thiệu phần mềm tính toán MUSIC

3.15. Kết quả tính toán hấp phụ hydro

3.16. Tính toán hấp phụ khí metan

4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

4.1. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Khảo sát cấu trúc vật liệu khung cơ kim MOF

Vật liệu khung cơ kim (MOF) là một trong những loại vật liệu có cấu trúc tinh thể độc đáo, được hình thành từ các ion kim loại kết hợp với các phân tử hữu cơ, tạo thành mạng lưới ba chiều với nhiều lỗ trống nhỏ. Cấu trúc này không chỉ mang lại diện tích bề mặt lớn mà còn tạo điều kiện cho khả năng hấp phụ khí vượt trội. Theo nghiên cứu, MOF có thể được điều chỉnh để tạo ra các kích thước lỗ trống khác nhau thông qua việc thay đổi các phối tử và kim loại. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng trong các lĩnh vực như lưu trữ khí hydro, phân tách khí và xúc tác. Đặc biệt, MOF đã được chứng minh là có khả năng hấp phụ khí CO2, một yếu tố quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Như Omar Yaghi đã chỉ ra, việc phát triển các cấu trúc MOF mới có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất hấp phụ và ứng dụng trong các công nghệ xanh.

1.1. Cấu trúc tinh thể của MOF

Cấu trúc tinh thể của MOF được hình thành từ các đơn vị cấu trúc bậc hai, gọi là SBU (Secondary Building Unit), kết hợp với các linker hữu cơ. Sự kết hợp này tạo ra một mạng lưới ba chiều với các lỗ trống có kích thước nano. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc lựa chọn các SBU và linker có tính đối xứng cao là yếu tố quyết định trong việc thiết kế thành công các cấu trúc MOF mới. Hình dạng và kích thước của các lỗ trống có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa khả năng hấp phụ của vật liệu. Điều này cho phép MOF trở thành một trong những vật liệu tiềm năng nhất trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng và phân tách khí.

II. Tính chất điện tử của MOF

Tính chất điện tử của MOF đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực như xúc tác và lưu trữ năng lượng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấu trúc vùng năng lượng trong MOF có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi các kim loại và phối tử. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến độ rộng vùng cấm và khả năng dẫn điện của vật liệu. Phương pháp tính toán hóa học lượng tử, đặc biệt là lý thuyết hàm mật độ (DFT), đã được sử dụng để dự đoán các tính chất điện tử của MOF. Kết quả cho thấy rằng việc thay thế các nguyên tử kim loại trong cấu trúc MOF có thể dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong tính chất điện tử, mở ra khả năng phát triển các vật liệu mới với tính chất tối ưu cho các ứng dụng cụ thể.

2.1. Phân bố electron trong MOF

Phân bố electron trong MOF là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất điện tử của vật liệu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng phân bố electron có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi cấu trúc kim loại và phối tử. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện mà còn đến khả năng hấp phụ và tương tác với các phân tử khác. Việc sử dụng các phương pháp tính toán như DFT cho phép các nhà nghiên cứu dự đoán chính xác phân bố electron trong các cấu trúc MOF, từ đó tối ưu hóa thiết kế vật liệu cho các ứng dụng cụ thể như cảm biến và xúc tác.

III. Ứng dụng thực tiễn của MOF

MOF đã chứng minh được tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một trong những ứng dụng nổi bật là trong lĩnh vực lưu trữ khí hydro, nơi mà MOF có khả năng hấp phụ khí cao, giúp giải quyết vấn đề lưu trữ năng lượng. Ngoài ra, MOF còn được sử dụng trong các ứng dụng phân tách khí, đặc biệt là trong việc tách CO2 khỏi khí thải, góp phần vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng MOF có thể hoạt động như một chất xúc tác hiệu quả trong nhiều phản ứng hóa học, nhờ vào cấu trúc đặc biệt và khả năng tái sử dụng. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

3.1. Lưu trữ khí hydro

Lưu trữ khí hydro là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của MOF. Với khả năng hấp phụ khí cao, MOF có thể lưu trữ một lượng lớn hydro trong một thể tích nhỏ, giúp giải quyết vấn đề lưu trữ năng lượng cho các phương tiện giao thông và các ứng dụng công nghiệp. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng một số loại MOF có thể đạt được khả năng lưu trữ hydro lên đến 9% theo khối lượng, điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các công nghệ năng lượng sạch và bền vững trong tương lai.

Luận văn thạc sĩ: Mô phỏng phân tử và khảo sát tính chất điện tử của vật liệu khung cơ kim MOF