Tổng Hợp MOF-808 Khuyết Tật, Định Hướng Ứng Dụng Để Hấp Phụ Các Chất Màu Hữu Cơ

• Tác giả: Hồ Vĩnh Khánh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đăng Khoa
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hoá học
• Đề tài: Tổng hợp MOF-808 khuyết tật, định hướng ứng dụng để hấp phụ các chất màu hữu cơ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vật liệu khung cơ kim (Metal-organic Frameworks - MOFs)
• 1.2. Tính chất của vật liệu khung cơ kim
• 1.2.1. Độ bền của vật liệu khung cơ kim
• 1.2.1.1. Độ bền nhiệt
• 1.2.1.2. Độ bền hóa học
• 1.3. Diện tích bề mặt và độ xốp của vật liệu khung cơ kim
• 1.4. Khung cơ kim dựa trên zirconium. Sơ lược về lịch sử của Zr-MOF
• 1.5. Các phương pháp tổng hợp Zr-MOF
• 1.6. Vật liệu khung cơ kim với cấu trúc khuyết tật
• 1.6.1. Giới thiệu chung về vật liệu khung cơ kim với cấu trúc khuyết tật
• 1.6.2. Phương pháp tổng hợp MOFs với cấu trúc khuyết tật
• 1.6.3. Tính chất của vật liệu khung cơ kim với cấu trúc khuyết tật
• 1.6.4. Ứng dụng của vật liệu khung cơ kim với cấu trúc khuyết tật
• 1.7. Mục tiêu đề tài
• 2. CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Nội dung nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3. Hóa chất và thiết bị phân tích
• 2.4. Tổng hợp vật liệu MOF-808 có cấu trúc khuyết tật
• 2.5. Khảo sát hấp phụ
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Tổng hợp vật liệu MOF-808-SO3H
• 3.2. Phân tích các đặc trưng của vật liệu
• 3.2.1. Độ tinh thể và hình thái của MOF-808 và MOF-808-SO3H
• 3.2.2. Xác định sự hiện diện của khuyết tật trong cấu trúc MOF-808-SO3H
• 3.2.3. Độ bền nhiệt của MOF-808-SO3H
• 3.3. Khảo sát quá trình hấp phụ các chất màu hữu cơ
• 3.3.1. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của MOF-808-SO3H
• 3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch ban đầu đến khả năng hấp phụ của MOF-808-SO3H
• 3.3.3. Ảnh hưởng của khuyết tật đến khả năng hấp phụ
• 3.3.4. Khả năng hấp phụ chọn lọc của MOF-808-SO3H trong hỗn hợp các thuốc nhuộm anion và cation
• 4. CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

I. Tổng quan về vật liệu MOF 808 Cấu trúc và ứng dụng

Vật liệu khung hữu cơ kim loại (Metal-Organic Frameworks - MOFs) như MOF-808, được giới thiệu từ những năm 90, nổi bật với cấu trúc mao quản đồng đều, diện tích bề mặt lớn, và khả năng tùy chỉnh linh hoạt. MOF-808 được hình thành từ liên kết phối trí giữa tâm kim loại và cầu nối hữu cơ, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển tinh thể và hệ thống mao quản. Vật liệu này thường được tổng hợp từ muối vô cơ của kim loại chuyển tiếp và cầu nối hữu cơ. Đến nay, hơn 20000 cấu trúc MOFs đã được công bố, ứng dụng trong lưu trữ năng lượng, phân tách khí, xúc tác, và dẫn truyền thuốc. Diện tích bề mặt của MOFs thường từ 1000 đến 10000 m2/g, vượt trội so với than hoạt tính và zeolite.

1.1. Cấu trúc cơ bản của Metal Organic Frameworks MOFs

MOFs được hình thành từ các đơn vị thứ cấp (SBUs) vô cơ là ion kim loại hoặc cụm kim loại, kết nối với nhau thông qua liên kết phối trí với các phối tử hữu cơ chứa carboxylate, phosphonate, pyridyl, imidazolate, hoặc azolate. Cấu trúc SBUs, hình dạng và kích thước của các cầu nối hữu cơ xác định loại MOF. Bằng cách lựa chọn SBUs và cầu nối phù hợp, có thể tổng hợp MOFs với kích thước mao quản và tính chất mong muốn. Một số MOF tiêu biểu như MOF-5, UiO-66, HKUST-1, MIL-101 đã được nghiên cứu rộng rãi.

1.2. Ưu điểm vượt trội của MOFs so với vật liệu xốp truyền thống

Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng MOFs có hiệu quả tốt trong các ứng dụng khác nhau khi so sánh với zeolite, carbon hoạt tính hay mesoporous silica. Tuy nhiên, các kết quả này chủ yếu dựa trên các điều kiện lý tưởng, chưa thực hiện đánh giá trong các điều kiện thực tế. Không giống như các vật liệu mao quản truyền thống đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp, MOFs được hình thành bởi các liên kết phối trí của các cụm SBUs với các cầu nối hữu cơ. Vì thế, khả năng bền vững của MOF bắt nguồn từ bản chất thuận nghịch của liên kết phối trí.

II. Thách thức về độ bền của MOF 808 Giải pháp nào

Trong giai đoạn đầu nghiên cứu về MOFs, các nhà khoa học thường tập trung vào tổng hợp MOF với diện tích bề mặt và thể tích mao quản lớn. Gần đây, các nghiên cứu về thiết kế cấu trúc có độ bền cao được quan tâm, cho phép ứng dụng trong điều kiện khắc nghiệt (pH thấp/cao). Độ bền của MOFs bao gồm độ bền nhiệt và độ bền hóa học. Độ bền nhiệt liên quan trực tiếp đến độ bền hóa học, vì nhiệt độ cao có thể làm thay đổi cấu trúc MOFs hoặc tăng tốc độ phản ứng, dẫn đến sụp đổ khung vật liệu. Nghiên cứu cải thiện độ bền của MOF thông qua tăng hóa trị tâm kim loại và tăng độ âm điện cầu nối hữu cơ là hướng đi tiềm năng.

2.1. Độ bền nhiệt MOF Phương pháp đánh giá và yếu tố ảnh hưởng

Độ bền nhiệt của MOFs là khả năng tránh thay đổi về vật lý/hóa học khi tiếp xúc với nhiệt độ cao. Kỹ thuật đánh giá độ bền nhiệt còn hạn chế; phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) thường được sử dụng nhưng không phù hợp với điều kiện thực tế. Phân tích PXRD tại điều kiện sử dụng có thể phù hợp hơn. Nhìn chung, độ bền nhiệt phụ thuộc vào bản chất cation kim loại và phối tử hữu cơ. Cation kim loại có số oxy hóa cao thường có độ bền nhiệt cao hơn. Việc tăng độ âm điện của các phối từ hữu cơ cũng là một phương pháp phổ biến để tăng độ bền nhiệt của vật liệu.

2.2. Độ bền hóa học MOF Khía cạnh quan trọng để ứng dụng thực tế

Độ bền hóa học là một trong những yếu tố cơ bản được yêu cầu trong quá trình tổng hợp MOFs để có khả…

III. Tổng hợp MOF 808 khuyết tật Quy trình và tối ưu hóa

Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp MOF-808 với cấu trúc khuyết tật MOF, từ đó mở ra hướng ứng dụng trong việc hấp phụ chất màu hữu cơ. Quá trình tổng hợp sử dụng phương pháp nhiệt dung môi với hỗn hợp phối tử hữu cơ, bao gồm 1,3,5-benzenetricarboxylic acid và 5-sulfoisophthalic acid, tạo ra vật liệu MOF-808-SO3H. Vật liệu này giữ nguyên cấu trúc và hình thái tinh thể, đồng thời có độ bền nhiệt tương đương MOF-808. Phổ 1H-NMR xác nhận sự có mặt của phối tử 5-sulfoisophthalate trong cấu trúc MOF-808, chiếm khoảng 6% tổng số phối tử.

3.1. Phương pháp nhiệt dung môi để tổng hợp MOF 808 SO3H

Phương pháp nhiệt dung môi được sử dụng để tổng hợp MOF-808-SO3H sử dụng hỗn hợp hai loại phối tử hữu cơ là 1,3,5-benzenetricarboxylic acid và 5-sulfoisophthalic acid.

3.2. Phân tích đặc trưng vật liệu MOF 808 SO3H sau tổng hợp

Vật liệu MOF-808-SO3H thu được vẫn giữ nguyên cấu trúc, hình thái tinh thể và có độ bền nhiệt tương đương với vật liệu MOF-808, được kiểm chứng thông qua kết quả PXRD, hình chụp SEM, và dữ liệu TGA. Phổ 1H-NMR của mẫu vật liệu sau phân rã đã xác nhận sự có mặt của phối tử 5-sulfoisophthalate trong cấu trúc MOF-808.

IV. Hấp phụ chất màu hữu cơ bằng MOF 808 khuyết tật Hiệu quả

Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của khuyết tật MOF trong cấu trúc MOF-808 thông qua khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ, bao gồm quinoline yellow, sunset yellow, rhodamine B, và malachite green. Ảnh hưởng của thời gian và nồng độ ban đầu của dung dịch cũng được khảo sát. Kết quả cho thấy khả năng hấp phụ lần lượt là 722 mg/g (quinoline yellow), 670 mg/g (sunset yellow), 184 mg/g (rhodamine B), và 259 mg/g (malachite green). Quá trình loại bỏ chất màu hữu cơ trong nước của MOF-808 với cấu trúc khuyết tật phù hợp với mô hình động học hấp phụ bậc 2 và mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.

4.1. Ảnh hưởng của thời gian và nồng độ đến khả năng hấp phụ

Ảnh hưởng của thời gian và nồng độ dung dịch ban đầu đến khả năng hấp phụ các màu bao gồm quinoline yellow, sunset yellow, rhodamine B, và malachite green của MOF-808-SO3H.

4.2. Mô hình động học và đẳng nhiệt hấp phụ của MOF 808 khuyết tật

Từ kết quả này có thể thấy rằng quá trình loại bỏ các chất màu hữu cơ trong nước của MOF-808 với cấu trúc khuyết tật phù hợp với mô hình động học hấp phụ bậc 2 và mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.

V. Ứng dụng tiềm năng MOF 808 khuyết tật Xử lý nước thải

Khảo sát khả năng hấp phụ chọn lọc của MOF-808-SO3H đối với hỗn hợp màu anion-cation (quinoline yellow - rhodamine B và sunset yellow - rhodamine B) so với MOF-808 cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu MOF hiệu quả trong việc loại bỏ chất màu hữu cơ từ môi trường nước.

5.1. So sánh khả năng hấp phụ chọn lọc của MOF 808 SO3H và MOF 808

Khảo sát khả năng hấp phụ chọn lọc với tổ hợp màu anion – cation bao gồm quinoline yellow – rhodamine B và sunset yellow – rhodamine B và của MOF-808-SO3H so với MOF-808.

5.2. Triển vọng ứng dụng trong xử lý nước thải chứa chất màu hữu cơ

Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu MOF hiệu quả trong việc loại bỏ chất màu hữu cơ từ môi trường nước và ứng dụng tiềm năng trong xử lý nước thải.

VI. Kết luận MOF 808 khuyết tật và hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu đã tổng hợp thành công vật liệu MOF-808-SO3H với cấu trúc khuyết tật, đồng thời chứng minh khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ hiệu quả. Kết quả này tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa cấu trúc khuyết tật và mở rộng ứng dụng của MOF-808 trong các lĩnh vực khác, đặc biệt là xử lý nước thải công nghiệp.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu về MOF 808 SO3H

Nghiên cứu đã tổng hợp thành công vật liệu MOF-808-SO3H với cấu trúc khuyết tật, đồng thời chứng minh khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ hiệu quả.

6.2. Hướng nghiên cứu và phát triển ứng dụng MOF 808 trong tương lai

Kết quả này tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa cấu trúc khuyết tật và mở rộng ứng dụng của MOF-808 trong các lĩnh vực khác, đặc biệt là xử lý nước thải công nghiệp.