Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu khung hữu cơ kim loại ZIF-67

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu khung hữu cơ kim loại ZIF-67 trong lĩnh vực hóa học, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận án tiến sĩ

2019

150
8
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ KIM LOẠI (MOFs)

2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Vật liệu khung hữu cơ kim loại MOFs

Vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) là một nhóm vật liệu xốp lai vô cơ - hữu cơ, được hình thành từ sự kết hợp giữa các ion kim loại và các phối tử hữu cơ. MOFs có cấu trúc tinh thể ba chiều với độ xốp cao và diện tích bề mặt lớn, lên đến 6000 m²/g. Những đặc tính này làm cho MOFs trở thành vật liệu tiềm năng trong nhiều lĩnh vực như hấp phụ, xúc tác, lưu trữ khí và cảm biến hóa học. ZIF-67, một loại MOFs, được nghiên cứu rộng rãi nhờ cấu trúc xốp đặc biệt và khả năng ứng dụng đa dạng.

1.1. Cấu trúc và tính chất của MOFs

MOFs được hình thành từ quá trình tự lắp ghép giữa các ion kim loại và phối tử hữu cơ, tạo thành các đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBUs). Các SBUs liên kết với nhau tạo thành mạng lưới ba chiều với các mao quản có kích thước từ micro đến nano. ZIF-67 là một ví dụ điển hình, với cấu trúc zeolitic imidazolate, có khả năng điều chỉnh bề mặt và độ bền hóa học cao.

1.2. Ứng dụng của MOFs

MOFs được ứng dụng rộng rãi trong hấp phụ các chất ô nhiễm, xúc tác phản ứng hóa học và lưu trữ khí. ZIF-67 đặc biệt hiệu quả trong việc hấp phụ các chất màu như Congo red và Methylene blue, cũng như trong xúc tác quang hóa phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy.

II. Tổng hợp và biến tính ZIF 67

Tổng hợp vật liệu ZIF-67 được thực hiện thông qua các phương pháp như vi sóng và dung môi nhiệt. Phương pháp vi sóng cho hiệu suất cao và cải thiện đáng kể các đặc tính bề mặt của vật liệu. Biến tính ZIF-67 bằng cách kết hợp với các kim loại khác như kẽm (Zn) để tạo ra vật liệu (Zn/Co)ZIFs, có khả năng ứng dụng trong xúc tác quang hóa và hấp phụ.

2.1. Phương pháp tổng hợp ZIF 67

ZIF-67 được tổng hợp bằng phương pháp vi sóng và dung môi nhiệt. Phương pháp vi sóng cho phép kiểm soát kích thước hạt và độ xốp của vật liệu, đồng thời rút ngắn thời gian phản ứng. Kết quả cho thấy ZIF-67 tổng hợp bằng vi sóng có diện tích bề mặt lớn và độ bền cao.

2.2. Biến tính ZIF 67

Biến tính ZIF-67 bằng cách kết hợp với kẽm tạo ra vật liệu (Zn/Co)ZIFs, có khả năng ứng dụng trong xúc tác quang hóa. Vật liệu này cho thấy hiệu quả cao trong việc phân hủy các chất màu như Congo red dưới điều kiện ánh sáng khả kiến.

III. Ứng dụng của ZIF 67 trong hóa học

ZIF-67 được ứng dụng rộng rãi trong hóa học, đặc biệt là trong hấp phụ, xúc tác và cảm biến điện hóa. Vật liệu này cho thấy hiệu quả cao trong việc loại bỏ các chất màu từ nước và xúc tác phản ứng quang hóa. Ngoài ra, ZIF-67 còn được sử dụng để biến tính điện cực, giúp cải thiện độ nhạy và giới hạn phát hiện trong phân tích điện hóa.

3.1. Ứng dụng trong hấp phụ

ZIF-67 được sử dụng làm chất hấp phụ để loại bỏ các chất màu như Congo red, Methylene blue và Rhodamine B từ nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy ZIF-67 có khả năng hấp phụ cao hơn so với nhiều vật liệu xốp khác.

3.2. Ứng dụng trong xúc tác quang hóa

ZIF-67 và (Zn/Co)ZIFs được sử dụng làm chất xúc tác quang hóa để phân hủy các chất màu dưới điều kiện ánh sáng khả kiến. Vật liệu này cho thấy hiệu quả cao trong việc phân hủy Congo red và các chất hữu cơ khó phân hủy khác.

3.3. Ứng dụng trong cảm biến điện hóa

ZIF-67 được sử dụng để biến tính điện cực than thủy tinh (GCE), giúp cải thiện độ nhạy và giới hạn phát hiện trong phân tích dopamine và paracetamol bằng phương pháp volt-ampere hòa tan.

IV. Kết quả và đóng góp của luận án

Luận án đã tổng hợp thành công ZIF-67 bằng phương pháp vi sóng và dung môi nhiệt, đồng thời biến tính vật liệu này để ứng dụng trong hấp phụ, xúc tác và cảm biến điện hóa. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí quốc tế uy tín, khẳng định giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn của luận án.

4.1. Đóng góp khoa học

Luận án đã đóng góp vào việc phát triển phương pháp tổng hợp ZIF-67 hiệu quả, đồng thời mở rộng ứng dụng của vật liệu này trong hấp phụ, xúc tác và cảm biến điện hóa. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí quốc tế như Journal of Environmental Chemical Engineering và Journal of Materials Science.

4.2. Ứng dụng thực tiễn

ZIF-67 và (Zn/Co)ZIFs được ứng dụng thành công trong việc loại bỏ các chất màu từ nước và xúc tác phản ứng quang hóa. Ngoài ra, vật liệu này còn được sử dụng để cải thiện độ nhạy của điện cực trong phân tích điện hóa, mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực cảm biến hóa học.

01/03/2025
Luận án tiến sĩ hóa học tổng hợp biến tính và ứng dụng vật liệu khung hữu cơ kim loại zif 67

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề – Chƣơng 1: Tổng quan tài liệu – Chƣơng 2: Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu – Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận – Những kết luận chính của luận án – Danh mục các công trình công bố liên quan đến luận án – Tài liệu tham khảo 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. GIỚI THIỆU CHUNG VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ KIM LOẠI (MOFs) MOFs là một trong những vật liệu đƣợc nghiên cứu rộng rãi trong thế kỷ 21 do các đặc tính độc đáo của chúng nhƣ độ bền và tính linh hoạt trong cấu trúc, tính xốp và độ kết tinh có thể đƣợc kiểm soát. Những tính chất đặc biệt này làm cho MOFs trở thành vật liệu đầy triển vọng cho các ứng dụng khác nhau nhƣ hấp phụ, xúc tác, tách khí và lƣu trữ khí [75; 117; 174; 195]. Vật liệu khung hữu cơ kim loại là những polymer phối trí xốp (porous coordination polymers – PCPs) hình thành từ quá trình tự lắp ghép thông qua sự phối trí (coordination) của các phối tử hữu cơ với các ion kim loại tạo thành những tinh thể rắn có cấu trúc siêu lồng (supercage) có kích thƣớc lớn (Hình 1.

Nhóm chức năng Ion kim loại Phối tử hữu cơ Hình 1. Sơ đồ xây dựng tổng quát của MOFs [140; 148] Các phối tử hữu cơ để liên kết với các ion kim loại thƣờng là các nhóm chức carboxylate, phosphonate, sulfonate và các dẫn xuất của nitơ nhƣ pyridine và imidazole. Các nhóm chức này có khuynh hƣớng cho điện tử vì chứa các nguyên tử O, N, S, P còn cặp điện tử chƣa liên kết có thể tạo các liên kết phối trí và cố định các ion kim loại trong các cụm nguyên tử tạo thành đơn vị cấu trúc cơ bản của 4 MOFs, hay gọi là đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBUs – secondary building units) [116; 140]. Các SBUs liên kết với nhau thông qua các cầu nối hữu cơ để tạo thành cấu trúc ba chiều.

Cấu trúc này có diện tích bề mặt và thể tích mao quản rất lớn với độ xốp ổn định, độ rỗng đặc trƣng lớn, chiếm 50–90% thể tích tinh thể MOFs. Diện tích bề mặt riêng của MOFs dao động từ 1.000 m2/g và tỷ trọng dao động trong khoảng 0,13–1 g/cm3 [45]. Điều này làm cho vật liệu MOFs vƣợt trội hơn so với những vật liệu xốp truyền thống nhƣ zeolite, bentonite hay than hoạt tính (Hình 1. Diện tích bề mặt của vật liệu MOFs và các loại vật liệu truyền thống [45] Ngoài ra, với tính linh hoạt khi thay đổi các yếu tố cấu thành MOFs từ các đơn vị thứ cấp với các cầu nối hữu cơ có thể thu đƣợc hàng ngàn loại MOFs với cấu trúc khác nhau.

SBUs đƣợc xây dựng từ các đơn vị sơ cấp là các cation kim loại hoặc các cụm kim loại và các anion cầu nối hữu cơ tự sắp xếp nhờ liên kết cộng hóa trị để hình thành các khối cấu trúc phân tử (molecular building blocks) trong mạng không gian ba chiều. Cơ sở dữ liệu cấu trúc Cambridge (Cambridge Structural Data – CSD) ghi nhận cấu trúc tinh thể của hơn 11.000 hợp chất hữu cơ - kim loại đƣợc 5 mở rộng, trong đó một ion kim loại hay cụm nguyên tử liên kết với phối tử hữu cơ cyanide, pyridyl, phosphate hay carboxylate. Trong số này, gần 3.000 hợp chất có cấu trúc ba chiều (3D) và khoảng 6.000 hợp chất có cấu trúc 2D [174]. Sự đa dạng về hình dạng và cấu trúc của MOFs là do các SBUs và phối tử hữu cơ khác nhau.

Ngoài ra, các điều kiện và phƣơng pháp tổng hợp cũng ảnh hƣởng đến cấu trúc hình học của MOFs [195]. Tranchemontagne và cs [155] đã nghiên cứu mô tả hình học của 131 SBUs về thành phần và liên kết của chúng. Mô tả cấu trúc hình học của một số SBU điển hình [155] Cấu trúc hình học của các SBU Tam giác (triangle) Xanh : Co; Đen: C; Đỏ : O và Vàng: S Xanh: Zn; đen: C và đỏ : O Lăng trụ tam giác (triangular) Đa diện màu vàng: Fe; đen: C; Hồng: Mn; đen: C; đỏ N và đỏ:O và vàng : S xanh : Cl Tứ diện (Tetrahedron) Nâu vàng: Ti; đen: C và đỏ Xanh: Ni/Co; đen: C và đỏ : O : O. Bát diện (Octahedron) Xanh: Zn/Co; đen: C và Vảng: Ag; đen: C và đỏ O đỏ: O 6 Nhìn chung MOFs có cấu trúc đa dạng và siêu lồng (supercage) nên chúng có thể tích mao quản và diện tích bề mặt riêng lớn.

MOF-210 có diện tích bề mặt lên đến 6.240 m2/g và thể tích lỗ xốp 3,60 cm3/g [46]. Với những đặc tính trên, MOFs đƣợc xem nhƣ là vật liệu lý tƣởng cho việc nghiên cứu các khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong thập kỷ qua, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về khả năng tách và lƣu trữ khí (N2, Ar, CO2, CH4 và H2) của MOFs và kết quả là rất khả quan [26; 46; 140]. Các loại MOFs nhƣ IRMOF-1, IRMOF-3, IRMOF-6, IRMOF-11, MOF-2, MOF-74, MOF-177, MOF-200, MOF-210, MOF-205, MOF-505, Cu3-(BTC)2 hấp phụ tốt khí CO2 [26; 46; 89].

Ngoài ra, MOFs với các nhóm chức khác nhau (–Br, –NH2, –OC3H7, –OC5H11, –C2H4, và –C4H4) cũng đƣợc khảo sát về khả năng tách và lƣu giữ CH4 [89]. Đối với khí hydro, các loại vật liệu MOFs nhƣ IRMOF-6, IRMOF-11, IRMOF-20, MOF-177, MOF-74, và HKUST-1 cũng đã đƣợc nghiên cứu [140]. MOFs đã thu hút sự quan tâm nhiều hơn do các ứng dụng tiềm năng trong năng lƣợng sạch, đáng kể nhất nhƣ là phƣơng tiện lƣu trữ cho các khí H 2 và CH4 và điều này đã giải quyết nhiều vấn đề cho môi trƣờng. Bên cạnh đó, những MOFs với lỗ rỗng lớn (98Å) cho phép lựa chọn những hợp chất có phân tử lớn nhƣ Vitamin B12 và protein trong dẫn truyền các phản ứng [45].

Bên cạnh đó, MOFs cũng đƣợc nhiều nhà khoa học sử dụng nhƣ một chất xúc tác tiềm năng, hỗ trợ xúc tác trong các phản ứng tổng hữu cơ hay chuyển đổi hình thành các hợp chất hữu cơ mới [32; 158]. VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ KIM LOẠI ZIF-67 ZIFs (Zeolitic imidazolate frameworks) là một nhóm vật liệu mới của vật liệu tinh thể xốp với cấu trúc ba chiều mở rộng (3D), một họ của vật liệu MOFs. ZIFs hình thành từ những ion kim loại chuyển tiếp có phối trí tứ diện (Me = Co, Zn) với các phối tử imidazolate (Im–). Trong cấu trúc của ZIFs, Me liên kết với Im– tạo góc Me-Im-Me ≈ 145°, tƣơng tự nhƣ góc Si–O–Si trong cấu trúc zeolite [177; 194; 196].

7 Mặc dù ZIFs có cấu trúc tƣơng đồng với zeolite, nhƣng ZIFs có diện tích bề mặt riêng và thể tích mao quản lớn hơn rất nhiều do bản chất và kích thƣớc của phối tử hữu cơ. ZIFs có cả hai tính chất của zeolite và MOFs, có những đặc tính nổi trội khác so với zeolite là có cấu trúc linh hoạt, bộ khung và độ xốp có thể điều chỉnh đƣợc [18; 124]. Nhờ tính linh hoạt trong việc lựa chọn các phối tử hữu cơ và các ion kim loại nên có thể tạo ra số lƣợng lớn ZIFs với hình thái cấu trúc khác nhau. Một đặc điểm nổi bật của ZIFs là độ xốp lớn, độ bền nhiệt và bền hóa học cao; một số ZIFs chịu đƣợc nhiệt độ lên đến 550 °C [61; 122; 124; 151].

Vì vậy, ZIFs có nhiều tiềm năng trong tách khí và lƣu trữ khí. Ngoài ra, ZIFs cũng đã đƣợc ứng dụng làm chất xúc tác dị thể [64; 128; 154; 179], chất hấp phụ [93; 97], cảm biến hóa học [172; 189], và màng phân tách [119]. Cho đến nay có khoảng 150 cấu trúc ZIFs đƣợc tổng hợp với hình thái cấu trúc phụ thuộc vào phối tử hữu cơ và ion kim loại cấu thành. Ngoài ra, phƣơng pháp tổng hợp cũng ảnh hƣởng đến hình thái và cấu trúc của ZIFs.

Trong số đó thì ZIF-67 đang là loại vật liệu thu hút đƣợc sự chú ý bởi tính ổn định hóa học và bền nhiệt cao cũng nhƣ khả năng ứng dụng tiềm năng của nó [97; 122]. Co2+ + 2-Methyl imidazole ZIF-67 / cấu trúc SOD Hình 1. Sơ đồ tổng hợp ZIF-67 [98] Hình 1.3 cho thấy cấu trúc ZIF-67 là mạng lƣới liên kết tứ diện CoN4, có cấu trúc từ hai nhóm vòng 6 và vòng 4 CoN 4 với đƣờng kính khoảng 11,6 Å và 8 cửa sổ 3,4 Å [122]. Cấu trúc của ZIF-67 là một mạng lƣới gồm nhiều tứ diện nối với nhau bao gồm ion Co2+ liên kết với các imidazolate hữu cơ.

Diện tích bề mặt mặt riêng theo mô hình BET dao động từ 316 m2/g đến 1.725 m2/g tùy thuộc vào phƣơng pháp tổng hợp [35; 127]. Trong những năm gần đây, ZIF-67 đã nhận nhiều chú ý do những đặc tính nổi trội nhƣ có thể điều chỉnh chức năng bề mặt, diện tích bề mặt lớn và tính linh hoạt của cấu trúc. Do đó, ZIF-67 trở thành một vật liệu hứa hẹn ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ hấp phụ thuốc nhuộm hữu cơ, phân tách khí [51; 186], lƣu trữ khí [62], dẫn truyền thuốc [192] và xúc tác điện cực [11]. PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP ZIF-67 Những tính năng nổi trội của ZIFs đã thúc đẩy các nhà khoa học tìm các phƣơng pháp tối ƣu và thân thiện môi trƣờng để tổng hợp vật liệu xốp ZIF-67 với kích cỡ nano hay micromet.

Nhìn chung, vật liệu ZIFs đƣợc tổng hợp bằng các phƣơng pháp khác nhau nhƣ thủy nhiệt (hydrothermal) [50; 52; 127], dung môi nhiệt (solvothermal) trong dung môi hữu cơ (methanol, N,N-dimethylformamide (DMF), và N,N-diethylformamide (DEF)) [151; 180], siêu âm [1; 60], nhiệt hóa [86; 145] và phƣơng pháp vi sóng [56; 83]. Phƣơng pháp thủy nhiệt và dung môi nhiệt thƣờng đƣợc sử dụng nhiều để tổng hợp ZIF-67 [50; 52; 94; 127]. Qian và cs. [127] lần đầu tiên đã tổng hợp các tinh thể ZIF-67 ở kích thƣớc tinh thể nano trung bình 228 nm (dao động trong khoảng 75 đến 385 nm) với diện tích bề mặt riêng BET 316 m2/g và thể tích vi xốp khoảng 0,17 cm3/g.

Quá trình tổng hợp đƣợc thực hiện trong 6 giờ ở nhiệt độ phòng và dung môi là nƣớc. Tuy nhiên, khi thời gian phản ứng kéo dài, các hạt tinh thể có xu hƣớng kết tụ lại, kích thƣớc hạt không đồng đều và diện tích bề mặt riêng đƣợc tính theo mô hình BET cho thấy thấp. Li và cs. [94] sử dụng triethylamine (TEA) thay nƣớc và thu đƣợc vật liệu ZIF-67 với diện tích bề mặt BET có sự cải thiện lên 868 m2/g, nhƣng các hạt vẫn có xu hƣớng kết tụ và kích thƣớc hạt không đồng đều.

Sau đó, Guo và cs. [52] đã nghiên cứu kiểm soát hình thái và diện tích bề mặt riêng của ZIF-67 từ các nguồn tiền chất muối cobalt ban đầu khác nhau, tỷ lệ Him/Co2+ và thực hiện phản ứng ở 120°C trong 30 phút.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Luận án tiến sĩ "Tổng hợp và ứng dụng vật liệu khung hữu cơ kim loại ZIF-67 trong hóa học" tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển vật liệu ZIF-67, một loại khung hữu cơ kim loại (MOF) có tiềm năng ứng dụng cao trong lĩnh vực hóa học. Nghiên cứu này không chỉ đề cập đến quy trình tổng hợp ZIF-67 mà còn khám phá các ứng dụng thực tiễn của nó, chẳng hạn như xúc tác, hấp phụ và lưu trữ khí. Đây là tài liệu hữu ích cho các nhà khoa học và nghiên cứu viên quan tâm đến vật liệu tiên tiến và ứng dụng của chúng trong hóa học hiện đại.

Để mở rộng kiến thức về các nghiên cứu liên quan, bạn có thể tham khảo 2 tóm tắt luận án tiến sĩ tiếng việt ncs nguyễn khắc tấn, cung cấp cái nhìn tổng quan về các nghiên cứu hóa học khác. Ngoài ra, Luận văn thạc sĩ hóa học phân tích và đánh giá chất lượng nước giếng khu vực phía đông vùng kinh tế dung quất huyện bình sơn tỉnh quảng ngãiLuận văn thạc sĩ hóa học phân tích và đánh giá chất lượng nước sông gianh tỉnh quảng bình là những tài liệu bổ sung giúp bạn hiểu sâu hơn về ứng dụng hóa học trong phân tích môi trường.