Nghiên cứu khả năng hấp phụ và tách lọc khí hydrogen của vật liệu Co3(NDC)3(DABCO) bằng phương pháp tính toán

• Tác giả: Nguyễn Trương Mỹ Duyên
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Xuân Huynh
• Trường học: Trường Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ và Tách Lọc Khí Hydrogen của Vật Liệu Co3(NDC)3(DABCO)
• Loại tài liệu: Đề án thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Bình Định

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục đích nghiên cứu
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vật liệu khung hữu cơ kim loại MOFs
• 1.2. Tính chất của vật liệu MOFs
• 1.2.1. Độ ổn định nhiệt của MOFs
• 1.2.2. Độ xốp cao và diện tích bề mặt riêng lớn
• 1.2.3. Độ bền hoá học và độ bền trong nước
• 1.3. Các phương pháp tổng hợp vật liệu MOFs
• 1.3.1. Phương pháp nhiệt dung môi
• 1.3.2. Phương pháp vi sóng
• 1.3.3. Phương pháp siêu âm
• 1.4. Ứng dụng của vật liệu MOFs
• 1.4.1. Lưu trữ khí cung cấp năng lượng
• 1.4.2. Làm chất hấp phụ và tách lọc khí
• 1.4.3. Trong kỹ thuật xúc tác
• 1.4.4. Khả năng phát quang
• 1.4.5. Thiết bị cảm biến
• 1.5. Tổng quan về Co3(NDC)3(DABCO)
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
• 2.1. Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ
• 2.2. Phương trình Schrödinger cho hệ vật liệu
• 2.3. Các định lý Hohenberg – Kohn và điều kiện ràng buộc Levy
• 2.4. Phương trình Kohn – Sham
• 2.5. Định lý Hellmann – Feynman
• 2.6. Hàm năng lượng trao đổi – tương quan
• 2.7. Các tập cở sở
• 2.8. Phương pháp giả thế
• 2.9. Chi tiết tính toán
• 2.10. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo chính tắc lớn
• 2.10.1. Lịch sử phát triển
• 2.10.2. Phương pháp mô phỏng GCMC
• 2.10.3. Các bước thực hiện trong mô phỏng GCMC
• 2.10.4. Chi tiết tính toán
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tối ưu cấu trúc và chọn thông số mô phỏng
• 3.2. Nhiệt hấp phụ của khí trên cấu trúc Co3(NDC)3(DABCO)
• 3.3. Nghiên cứu khả năng lưu trữ khí H2 trong Co3(NDC)3(DABCO)
• 3.4. Nghiên cứu khả năng bắt giữ khí thải CO trong Co3(NDC)3(DABCO)
• 3.5. Nghiên cứu khả năng đồng hấp phụ và tách lọc khí trong Co3(NDC)3(DABCO)
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Vật Liệu MOFs Khả Năng Hấp Phụ H2

Vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực khoa học vật liệu và hóa học, đặc biệt là trong bối cảnh công nghệ xanh ngày càng phát triển. So với các vật liệu xốp truyền thống như zeolite, MOFs có ưu điểm vượt trội về kích thước lỗ rỗng, khả năng tùy biến cấu trúc và diện tích bề mặt lớn, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là trong lưu trữ và tách lọc khí. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, MOFs có thể được điều chỉnh linh hoạt bằng cách thay đổi tỷ lệ kim loại, phối tử, nhiệt độ tổng hợp, tạo ra vô số cấu trúc MOFs mới với các tính chất khác nhau. Giáo sư Omar M. Yaghi đã tổng hợp thành công vật liệu tinh thể xốp MOF-5 vào năm 1995 đánh dấu một bước ngoặt. Tính linh động này cho phép MOFs được sử dụng làm chất hấp phụ hiệu quả cho nhiều loại khí khác nhau, bao gồm cả hydrogen (H2).

1.1. Cấu Trúc và Thành Phần Cơ Bản Của Vật Liệu MOFs

MOFs có cấu trúc khung ba chiều được hình thành từ sự liên kết của các ô đơn vị cơ sở. Mỗi ô đơn vị bao gồm hai thành phần chính: các nút kim loại (ion kim loại hoặc cụm kim loại) và các cầu nối hữu cơ (ligands). Các nút kim loại thường là các ion kim loại chuyển tiếp như Cu, Co, Zn, Fe, trong khi các cầu nối hữu cơ thường là các axit carboxylic. Sự kết hợp của các nút kim loại và cầu nối hữu cơ tạo ra một mạng lưới xốp với các lỗ rỗng có kích thước và hình dạng xác định. Theo tài liệu gốc, cấu trúc MOFs được quyết định bởi phần vô cơ cùng kích thước, hình dạng với các cầu nối, hình dạng của khung vật liệu MOFs được quyết định phần lớn bởi độ dài liên kết.

1.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của MOFs Trong Lưu Trữ Khí H2

So với các phương pháp lưu trữ H2 truyền thống như nén khí hoặc hóa lỏng, MOFs mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. MOFs có diện tích bề mặt lớn và thể tích lỗ rỗng cao, cho phép hấp phụ một lượng lớn H2. Ngoài ra, MOFs có thể được thiết kế để có tính chọn lọc cao đối với H2, giúp tách H2 khỏi các hỗn hợp khí khác. Hơn nữa, nhiệt độ giải hấp thấp của MOFs giúp giải phóng H2 một cách dễ dàng và hiệu quả. Theo nghiên cứu, vật liệu MOF CO3(NDC)3(DABCO) với dung lượng hấp phụ là 0,89 wt% ở 17,2 bar và 298 K, được đánh giá là một trong những vật liệu MOFs có khả năng hấp phụ H2 rất tiềm năng ở nhiệt độ phòng vì hiện nay cao nhất cũng chỉ đạt đến khoảng 1 wt%.

II. Thách Thức Tách Lọc H2 Từ Hỗn Hợp Khí Chứa CO

Một trong những thách thức lớn trong việc sử dụng hydrogen làm nhiên liệu là quá trình tách lọc H2 từ các hỗn hợp khí, đặc biệt là các hỗn hợp chứa carbon monoxide (CO). CO là một chất độc đối với nhiều ứng dụng năng lượng, đặc biệt là pin nhiên liệu. Quá trình sản xuất H2 bằng phương pháp reforming hơi nước (steam reforming) thường tạo ra các sản phẩm phụ như CO và carbon dioxide (CO2). Do đó, cần có các phương pháp hiệu quả để loại bỏ CO khỏi H2 trước khi sử dụng trong các ứng dụng như pin nhiên liệu. Trong khi đó, các điện cực của pin nhiên liệu có màng điện phân trao đổi proton (PEMFC) thường được chế tạo từ các kim loại chuyển tiếp mà kim loại này khá nhạy cảm với sự có mặt của CO và ít nhạy cảm hơn với các khí CO2 và CH4; do đó, sự có mặt của CO làm giảm tuổi thọ của các điện cực.

2.1. Ảnh Hưởng Của CO Đến Hiệu Suất Pin Nhiên Liệu PEMFC

Carbon monoxide (CO) là một chất ức chế mạnh đối với các điện cực pin nhiên liệu PEMFC. CO có thể hấp phụ mạnh lên bề mặt các điện cực, ngăn cản quá trình oxy hóa hydrogen và làm giảm hiệu suất của pin nhiên liệu. Ngay cả một lượng nhỏ CO cũng có thể gây ra sự suy giảm đáng kể về hiệu suất. Do đó, việc loại bỏ CO khỏi dòng nhiên liệu H2 là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả và bền vững của pin nhiên liệu PEMFC.

2.2. Các Phương Pháp Tách Lọc Khí H2 Truyền Thống Hạn Chế

Nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để tách H2 từ các hỗn hợp khí, bao gồm chưng cất ở nhiệt độ thấp, hấp phụ áp suất (PSA) và màng lọc khí. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những hạn chế riêng. Chưng cất ở nhiệt độ thấp đòi hỏi chi phí năng lượng cao. PSA có thể tốn kém và có khả năng tái tạo vật liệu hấp phụ. Màng lọc khí có thể bị tắc nghẽn và có độ chọn lọc hạn chế. Do đó, việc phát triển các phương pháp tách H2 hiệu quả và kinh tế hơn là rất quan trọng.

III. Phương Pháp Tính Toán Nghiên Cứu Hấp Phụ H2 Bằng Co3 NDC 3

Để nghiên cứu khả năng hấp phụ và tách lọc khí H2 của vật liệu Co3(NDC)3(DABCO), phương pháp tính toán là một công cụ hữu ích. Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) được sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc và tính toán các tính chất điện tử của vật liệu. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo chính tắc lớn (GCMC) được sử dụng để mô phỏng quá trình hấp phụ khí trên vật liệu và xác định các đường đẳng nhiệt hấp phụ. Phương pháp này cho phép nghiên cứu khả năng tách lọc H2/CO và cả CO/H2 ở điều kiện nhiệt độ phòng của Co-MOF theo sự thay đổi của áp suất. Nhiệt hấp phụ cũng được tính toán để làm sáng tỏ bản chất hấp phụ khí H2 và CO trên vật liệu Co-MOF.

3.1. Tối Ưu Cấu Trúc Bằng Lý Thuyết Phiếm Hàm Mật Độ DFT

Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) là một phương pháp tính toán lượng tử được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các tính chất của vật liệu. Trong nghiên cứu này, DFT được sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc của vật liệu Co3(NDC)3(DABCO), xác định cấu trúc năng lượng thấp nhất và tính toán các tính chất điện tử quan trọng. Tối ưu cấu trúc ô cơ sở Co3(NDC)3(DABCO) hay Co-MOF, đồng thời xuất điện tích riêng phần cho các nguyên tử trong Co3(NDC)3(DABCO) là một bước quan trọng trong quá trình mô phỏng hấp phụ.

3.2. Mô Phỏng Hấp Phụ Khí Với Monte Carlo Chính Tắc Lớn GCMC

Phương pháp mô phỏng Monte Carlo chính tắc lớn (GCMC) là một phương pháp thống kê được sử dụng để mô phỏng quá trình hấp phụ khí trên vật liệu. Trong nghiên cứu này, GCMC được sử dụng để mô phỏng quá trình hấp phụ H2 và CO trên vật liệu Co3(NDC)3(DABCO), xác định các đường đẳng nhiệt hấp phụ và tính toán các thông số quan trọng như dung lượng hấp phụ và độ chọn lọc. Việc xây dựng các đường đẳng nhiệt hấp phụ H2 ở nhiệt độ đông lạnh 77 K và nhiệt độ phòng 298 K giúp nghiên cứu khả năng lưu trữ H2 của Co-MOF.

IV. Kết Quả Khả Năng Hấp Phụ H2 CO Của Vật Liệu Co MOF

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu Co3(NDC)3(DABCO) có khả năng hấp phụ H2 và CO đáng kể. Các đường đẳng nhiệt hấp phụ được xác định bằng phương pháp GCMC cho thấy dung lượng hấp phụ H2 tăng khi áp suất tăng và nhiệt độ giảm. Vật liệu cũng cho thấy tính chọn lọc đối với H2 so với CO ở một số điều kiện nhất định. Tuy nhiên, khả năng hấp phụ CO cũng đáng chú ý, cần xem xét trong bài toán tách hỗn hợp khí. Điều này chứng tỏ tiềm năng của Co3(NDC)3(DABCO) trong việc lưu trữ và tách lọc khí H2.

4.1. Đường Đẳng Nhiệt Hấp Phụ H2 Ở 77K 298K Đánh Giá

Các đường đẳng nhiệt hấp phụ H2 ở 77K và 298K được xây dựng từ kết quả mô phỏng GCMC. Phân tích các đường đẳng nhiệt này cho thấy dung lượng hấp phụ H2 tăng lên đáng kể khi nhiệt độ giảm xuống 77K. So sánh dung lượng hấp phụ ở hai nhiệt độ này cho phép đánh giá khả năng lưu trữ H2 của vật liệu Co3(NDC)3(DABCO) ở các điều kiện khác nhau. Từ đó, nghiên cứu khả năng lưu trữ H2 của Co-MOF.

4.2. Khả Năng Hấp Phụ CO So Sánh Với Các Vật Liệu MOFs Khác

Bên cạnh H2, khả năng hấp phụ CO của vật liệu Co3(NDC)3(DABCO) cũng được nghiên cứu. Đường đẳng nhiệt hấp phụ CO được xây dựng ở nhiệt độ phòng (298K). So sánh dung lượng hấp phụ CO của Co3(NDC)3(DABCO) với các vật liệu MOFs khác cho phép đánh giá tiềm năng của vật liệu này trong việc bắt giữ CO2 từ khí thải công nghiệp. Từ đó, nghiên cứu khả năng bắt giữ khí CO2 của Co-MOF.

V. Nghiên Cứu Tách Lọc H2 CO Độ Chọn Lọc Ứng Dụng Thực Tế

Nghiên cứu khả năng tách lọc H2 khỏi CO là một phần quan trọng để đánh giá tiềm năng ứng dụng thực tế của vật liệu Co3(NDC)3(DABCO). Độ chọn lọc H2/CO được tính toán dựa trên kết quả mô phỏng GCMC ở các điều kiện khác nhau. Kết quả cho thấy vật liệu có khả năng tách H2 khỏi CO, mở ra triển vọng ứng dụng trong các hệ thống sản xuất H2 sạch và pin nhiên liệu.

5.1. Độ Chọn Lọc H2 CO Ở Các Áp Suất Nhiệt Độ Khác Nhau

Độ chọn lọc H2/CO được tính toán ở các áp suất và nhiệt độ khác nhau để xác định điều kiện tối ưu cho quá trình tách lọc. Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ đến độ chọn lọc được phân tích để hiểu rõ hơn về cơ chế tách lọc và tối ưu hóa hiệu suất của vật liệu. Nghiên cứu khả năng đồng hấp phụ khí H2 và CO, nghiên cứu tính tách lọc chọn lọc của CO/H2 (H2 là khí chọn lọc, CO là khí nền) và H2/CO (CO là khí chọn lọc, H2 là khí nền).

5.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Trong Sản Xuất H2 Sạch Pin Nhiên Liệu

Khả năng tách lọc H2/CO của vật liệu Co3(NDC)3(DABCO) mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong các lĩnh vực quan trọng như sản xuất H2 sạch và pin nhiên liệu. Vật liệu có thể được sử dụng để loại bỏ CO khỏi dòng sản phẩm H2, tạo ra H2 có độ tinh khiết cao cho các ứng dụng pin nhiên liệu. Ngoài ra, vật liệu có thể được sử dụng trong các hệ thống sản xuất H2 sạch để tách H2 khỏi các khí khác, góp phần giảm thiểu phát thải khí nhà kính.

VI. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Vật Liệu MOFs Hấp Phụ H2

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của vật liệu Co3(NDC)3(DABCO) trong việc hấp phụ và tách lọc khí H2. Phương pháp tính toán DFT và GCMC đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cơ chế hấp phụ và tách lọc, mở đường cho việc thiết kế và phát triển các vật liệu MOFs hiệu quả hơn cho ứng dụng năng lượng sạch. Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện khả năng hấp phụ và độ chọn lọc của vật liệu. Nghiên cứu thực nghiệm cũng cần được tiến hành để xác nhận kết quả tính toán và đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Chính Ý Nghĩa Khoa Học Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu này đã cung cấp những thông tin quan trọng về khả năng hấp phụ và tách lọc khí H2 của vật liệu Co3(NDC)3(DABCO). Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong việc lưu trữ và tách lọc khí H2. Ý nghĩa khoa học của nghiên cứu này là đóng góp vào sự hiểu biết về cơ chế hấp phụ và tách lọc khí trên vật liệu MOFs, từ đó mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc phát triển các vật liệu hiệu quả hơn.

6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Mới Để Cải Thiện Vật Liệu MOFs

Để cải thiện hơn nữa khả năng hấp phụ và tách lọc khí H2 của vật liệu MOFs, cần tập trung vào các hướng nghiên cứu sau: Tối ưu hóa cấu trúc của vật liệu để tăng diện tích bề mặt và thể tích lỗ rỗng. Sử dụng các cầu nối hữu cơ và nút kim loại khác nhau để điều chỉnh tính chất hóa học của vật liệu. Nghiên cứu ảnh hưởng của các tạp chất và khuyết tật đến khả năng hấp phụ. Phát triển các phương pháp tổng hợp mới để tạo ra các vật liệu MOFs có độ ổn định cao và khả năng tái sử dụng tốt.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu ngày càng nghiêm trọng, việc giảm thiểu phát thải khí nhà kính như CO2 và CO trở thành ưu tiên hàng đầu. Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, hydrogen (H2) được xem là nguồn năng lượng sạch, an toàn và bền vững trong tương lai, đặc biệt khi được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo như nước và năng lượng Mặt Trời. Tuy nhiên, việc lưu trữ và tách lọc khí H2 gặp nhiều thách thức do đặc tính vật lý của khí này, như nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy rất thấp (20 K và 14 K). Các phương pháp truyền thống như nén khí hoặc hóa lỏng khí H2 đều có nhược điểm về chi phí, an toàn và hiệu quả.

Vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) nổi lên như một giải pháp tiềm năng cho việc lưu trữ và tách lọc khí H2 nhờ vào đặc tính xốp cao, diện tích bề mặt lớn và khả năng tùy biến cấu trúc. Trong đó, vật liệu Co3(NDC)3(DABCO) được đánh giá có khả năng hấp phụ H2 cao, với dung lượng hấp phụ đạt khoảng 0,89 wt% ở 17,2 bar và 298 K, gần bằng mức cao nhất hiện nay khoảng 1 wt%. Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng hấp phụ và tách lọc khí H2 của vật liệu này bằng phương pháp tính toán, nhằm tối ưu cấu trúc và đánh giá hiệu quả lưu trữ, tách lọc khí trong điều kiện nhiệt độ phòng và áp suất khác nhau.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm tối ưu cấu trúc ô cơ sở Co3(NDC)3(DABCO), xây dựng các đường đẳng nhiệt hấp phụ khí H2 ở 77 K và 298 K, nghiên cứu hấp phụ khí CO ở 298 K, đồng thời đánh giá khả năng tách lọc khí H2/CO trong hỗn hợp khí. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu hấp phụ hiệu quả, góp phần thúc đẩy ứng dụng hydrogen trong năng lượng sạch và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn sử dụng hai khung lý thuyết chính:

1. Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory - DFT):
   DFT là phương pháp tính toán dựa trên mật độ điện tử để mô phỏng cấu trúc và tính chất của vật liệu ở cấp độ nguyên tử. Phương pháp này cho phép tối ưu cấu trúc ô cơ sở Co3(NDC)3(DABCO) và tính toán các thông số điện tích riêng phần của nguyên tử trong vật liệu. Các định lý Hohenberg-Kohn và phương trình Kohn-Sham được áp dụng để giải phương trình Schrödinger cho hệ nhiều điện tử, với các xấp xỉ như Local Density Approximation (LDA) và Generalized Gradient Approximation (GGA) nhằm mô tả năng lượng trao đổi-tương quan. Phương pháp giả thế được sử dụng để giảm độ phức tạp tính toán, giúp mô phỏng hệ có nhiều nguyên tử hiệu quả hơn.

2. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo chính tắc lớn (Grand Canonical Monte Carlo - GCMC):
   GCMC là phương pháp mô phỏng cổ điển dùng để nghiên cứu quá trình hấp phụ khí trong vật liệu xốp. Phương pháp này giữ cố định thế hóa học, thể tích và nhiệt độ, cho phép số lượng phân tử thay đổi để đạt trạng thái cân bằng. Các bước tạo, xoá và dịch chuyển phân tử được thực hiện theo thuật toán Metropolis nhằm mô phỏng chính xác quá trình hấp phụ. GCMC được sử dụng để xây dựng các đường đẳng nhiệt hấp phụ khí H2 và CO trong Co3(NDC)3(DABCO), đồng thời đánh giá khả năng tách lọc khí trong hỗn hợp.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ rỗng: đặc trưng cấu trúc ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ.
• Nhiệt hấp phụ (Qst): năng lượng tương tác giữa khí và vật liệu, phản ánh bản chất hấp phụ.
• Tỉ lệ chọn lọc (selectivity): khả năng tách lọc khí trong hỗn hợp dựa trên sự khác biệt hấp phụ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình cấu trúc Co3(NDC)3(DABCO) được tối ưu bằng DFT sử dụng phần mềm VASP với phiếm hàm vdW-DF hiệu chỉnh tương tác van der Waals. Điểm k được lấy mẫu theo lưới Monkhorst-Pack 3×3×3. Các thông số điện tích riêng phần được xuất ra để làm đầu vào cho mô phỏng GCMC.

Mô phỏng GCMC được thực hiện bằng phần mềm RASPA trên hệ điều hành Linux, với cấu hình ô cơ sở Co3(NDC)3(DABCO) lặp lại 3×3×3 lần. Nhiệt độ mô phỏng gồm 77 K và 298 K, áp suất từ 1 đến 50 bar. Các tương tác giữa khí và vật liệu được mô phỏng bằng thế Lennard-Jones kết hợp tương tác điện tích riêng phần. Số bước Monte Carlo được điều chỉnh phù hợp với áp suất và nhiệt độ, tối đa lên đến 300 bước.

Phân tích kết quả sử dụng các phần mềm Python, VESTA, Avogadro, Paraview, Jmol và Gnuplot để trực quan hóa cấu trúc, đường đẳng nhiệt hấp phụ và tính toán các đại lượng đặc trưng như dung lượng hấp phụ, nhiệt hấp phụ và tỉ lệ chọn lọc khí.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tối ưu cấu trúc và thông số mô phỏng:
   Cấu trúc ô cơ sở Co3(NDC)3(DABCO) được tối ưu thành công với các thông số điện tích riêng phần phù hợp, đảm bảo tính chính xác cho mô phỏng GCMC. Diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ rỗng của vật liệu đạt giá trị cao, tạo điều kiện thuận lợi cho hấp phụ khí.

2. Khả năng hấp phụ khí H2:
   Ở nhiệt độ 77 K, dung lượng hấp phụ H2 đạt khoảng 2,45 wt% tại áp suất 1 bar, cao hơn nhiều so với các vật liệu MOFs thông thường. Ở nhiệt độ phòng 298 K, dung lượng hấp phụ đạt khoảng 0,89 wt% ở áp suất 17,2 bar, gần bằng mức cao nhất hiện nay (~1 wt%). Đường đẳng nhiệt hấp phụ theo dung lượng và dung tích cho thấy sự tăng hấp phụ rõ rệt khi áp suất tăng, đặc biệt ở nhiệt độ thấp.

3. Khả năng hấp phụ khí CO:
   Ở 298 K, Co3(NDC)3(DABCO) cũng thể hiện khả năng hấp phụ CO tốt với dung lượng hấp phụ đáng kể, cho thấy tiềm năng bắt giữ khí thải độc hại trong hỗn hợp khí.

4. Khả năng đồng hấp phụ và tách lọc khí H2/CO:
   Mô phỏng đồng hấp phụ khí H2 và CO trong hỗn hợp với tỉ lệ mol khác nhau cho thấy vật liệu có khả năng tách lọc hiệu quả. Độ chọn lọc CO/H2 và H2/CO tại 298 K và áp suất 1 bar đến 50 bar đạt giá trị cao, chứng tỏ Co3(NDC)3(DABCO) có thể được ứng dụng trong việc tinh lọc khí hydrogen từ hỗn hợp khí có chứa CO.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân khả năng hấp phụ cao của Co3(NDC)3(DABCO) xuất phát từ cấu trúc lỗ xốp ba chiều ổn định, diện tích bề mặt lớn và sự tương tác van der Waals hiệu quả với phân tử khí H2 và CO. Nhiệt hấp phụ tính toán cho thấy mức năng lượng tương tác phù hợp để lưu trữ khí H2 ở nhiệt độ phòng mà không cần áp suất quá cao, điều này vượt trội so với nhiều MOFs khác.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, dung lượng hấp phụ H2 của Co3(NDC)3(DABCO) ở 77 K và 298 K tương đương hoặc vượt trội hơn nhiều vật liệu MOFs phổ biến như MOF-5, MOF-177. Khả năng tách lọc khí CO/H2 cũng được đánh giá cao, phù hợp với yêu cầu sử dụng hydrogen làm nhiên liệu sạch trong pin nhiên liệu mà không bị ảnh hưởng bởi khí CO độc hại.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường đẳng nhiệt hấp phụ theo dung lượng và dung tích, bảng so sánh dung lượng hấp phụ với các vật liệu khác, cùng biểu đồ tỉ lệ chọn lọc khí theo áp suất và tỉ lệ mol hỗn hợp. Các hình ảnh trực quan mô phỏng phân bố khí trong lỗ xốp cũng minh họa rõ ràng cơ chế hấp phụ và tách lọc.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển quy trình tổng hợp Co3(NDC)3(DABCO) quy mô lớn:
   Áp dụng phương pháp nhiệt dung môi hoặc vi sóng để tối ưu hiệu suất và chất lượng vật liệu, đảm bảo tính ổn định cấu trúc và khả năng hấp phụ. Thời gian thực hiện trong vòng 12-48 giờ, do các phòng thí nghiệm chuyên ngành vật liệu thực hiện.

2. Nghiên cứu ứng dụng trong hệ thống lưu trữ và tách lọc khí hydrogen:
   Thiết kế các module hấp phụ dựa trên Co3(NDC)3(DABCO) để thử nghiệm thực tế trong điều kiện áp suất và nhiệt độ phòng, nhằm đánh giá hiệu quả tách lọc khí CO/H2 trong môi trường công nghiệp. Thời gian thử nghiệm dự kiến 6-12 tháng, do các trung tâm nghiên cứu năng lượng sạch thực hiện.

3. Tối ưu hóa cấu trúc vật liệu bằng mô phỏng và thực nghiệm:
   Sử dụng các phương pháp tính toán DFT và GCMC để điều chỉnh cầu nối hữu cơ và ion kim loại nhằm tăng diện tích bề mặt và năng lượng hấp phụ, nâng cao dung lượng lưu trữ khí H2. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, do các nhóm nghiên cứu vật lý chất rắn và hóa học vật liệu đảm nhiệm.

4. Phát triển vật liệu MOFs đa chức năng:
   Kết hợp khả năng hấp phụ khí với tính năng xúc tác hoặc cảm biến để tạo ra vật liệu đa năng phục vụ ngành năng lượng và môi trường. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu và hóa học vật liệu:
   Có thể ứng dụng phương pháp tính toán và kết quả nghiên cứu để phát triển các vật liệu MOFs mới với tính năng hấp phụ và tách lọc khí nâng cao.

2. Chuyên gia trong lĩnh vực năng lượng sạch và hydrogen:
   Sử dụng kết quả để thiết kế hệ thống lưu trữ và tinh lọc khí hydrogen hiệu quả, góp phần thúc đẩy ứng dụng hydrogen trong công nghiệp và giao thông.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và thiết bị lưu trữ khí:
   Tham khảo để cải tiến quy trình sản xuất vật liệu hấp phụ, nâng cao hiệu suất và độ bền của sản phẩm, giảm chi phí vận hành.

4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách năng lượng:
   Dựa trên kết quả nghiên cứu để xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ lưu trữ và tách lọc khí sạch, góp phần giảm phát thải khí nhà kính.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu Co3(NDC)3(DABCO) có ưu điểm gì so với các MOFs khác?
   Co3(NDC)3(DABCO) có dung lượng hấp phụ H2 cao (khoảng 0,89 wt% ở 298 K), cấu trúc lỗ xốp ổn định và diện tích bề mặt lớn, giúp tăng hiệu quả lưu trữ và tách lọc khí trong điều kiện nhiệt độ phòng.

2. Phương pháp DFT và GCMC được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   DFT được dùng để tối ưu cấu trúc vật liệu và tính toán các thông số điện tích riêng phần, trong khi GCMC mô phỏng quá trình hấp phụ khí trong vật liệu, xây dựng đường đẳng nhiệt và đánh giá khả năng tách lọc khí.

3. Khả năng tách lọc khí CO/H2 của vật liệu này ra sao?
   Mô phỏng cho thấy Co3(NDC)3(DABCO) có tỉ lệ chọn lọc cao cho cả CO/H2 và H2/CO ở nhiệt độ phòng và áp suất từ 1 đến 50 bar, phù hợp để tinh lọc khí hydrogen trong các ứng dụng pin nhiên liệu.

4. Nhiệt độ và áp suất nào phù hợp cho lưu trữ khí H2 bằng vật liệu này?
   Khả năng hấp phụ tốt nhất đạt được ở nhiệt độ 77 K và áp suất thấp, tuy nhiên vật liệu vẫn duy trì hiệu quả hấp phụ đáng kể ở nhiệt độ phòng 298 K với áp suất khoảng 17 bar.

5. Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu này trong thực tế như thế nào?
   Kết quả giúp phát triển các vật liệu hấp phụ hiệu quả cho hệ thống lưu trữ và tách lọc khí hydrogen, góp phần thúc đẩy công nghệ năng lượng sạch và giảm phát thải khí độc hại trong công nghiệp.

Kết luận

• Đã tối ưu thành công cấu trúc Co3(NDC)3(DABCO) bằng phương pháp DFT, xác định các thông số điện tích riêng phần phục vụ mô phỏng hấp phụ.
• Mô phỏng GCMC cho thấy vật liệu có khả năng hấp phụ H2 cao, đạt khoảng 2,45 wt% ở 77 K và 0,89 wt% ở 298 K, cùng khả năng hấp phụ CO hiệu quả.
• Vật liệu thể hiện khả năng tách lọc khí CO/H2 và H2/CO tốt ở nhiệt độ phòng và áp suất từ 1 đến 50 bar, phù hợp cho ứng dụng trong pin nhiên liệu.
• Đề xuất phát triển quy trình tổng hợp, ứng dụng thực tế và tối ưu hóa cấu trúc vật liệu nhằm nâng cao hiệu quả lưu trữ và tách lọc khí.
• Khuyến khích các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý tham khảo để thúc đẩy phát triển công nghệ năng lượng sạch dựa trên hydrogen.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới cho vật liệu MOFs trong lưu trữ và tách lọc khí hydrogen, góp phần vào chiến lược phát triển năng lượng bền vững và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Để tiếp tục, cần triển khai nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng công nghiệp nhằm đánh giá hiệu quả và tính khả thi của vật liệu trong điều kiện thực tế.