NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG C- VÀ O-ARYL HÓA SỬ DỤNG XÚC TÁC NANO TỪ TÍNH OXIDE ĐỒNG – SẮT

Luận văn thạc sĩ công nghệ hóa học về nghiên cứu phản ứng C- và O-Aryl hóa sử dụng xúc tác nano từ tính oxide đồng sắt. Tải luận văn đầy đủ tại đây.

• Tác giả: Nguyễn Thái Anh
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Thanh Sơn Nam
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu Thực Hiện Phản Ứng C- Và O-Aryl Hóa Sử Dụng Xúc Tác Nano Từ Tính Oxide Đồng – Sắt
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Phản Ứng Aryl Hóa Với CuFe2O4

Các phản ứng aryl hóa thu hút sự quan tâm lớn. Phản ứng C-aryl hóa hợp chất carbonyl và O-aryl hóa kiểu Ullmann rất quan trọng. Chúng tạo ra các hợp chất α-aryl ketone và bộ khung diphenyl ether, ứng dụng rộng rãi. Các phản ứng này thường dùng xúc tác palladium đắt tiền và ligand độc hại. Nỗ lực phát triển xúc tác đồng chi phí thấp hơn đã được thực hiện. Tuy nhiên, phần lớn vẫn là xúc tác đồng thể. Xúc tác đồng thể có hoạt tính tốt nhưng khó thu hồi và tái sử dụng. Nghiên cứu phát triển xúc tác dị thể là xu thế. Kích thước nano là lựa chọn để tạo ra xúc tác dị thể có hoạt tính tốt. Gần đây, một số nghiên cứu cho thấy khả năng xúc tác của nano đồng oxide trong phản ứng aryl hóa. Hạt nano CuFe2O4 cũng xúc tác nhiều phản ứng hữu cơ. Vì vậy, hạt nano CuFe2O4 có khả năng xúc tác cho phản ứng C-aryl và O-aryl. Nghiên cứu này chứng minh điều đó. Khả năng xúc tác của hạt nano từ tính CuFe2O4 trong phản ứng C-aryl hóa giữa iodobenzene với acetylacetone và phản ứng O-aryl hóa giữa 4’-iodoacetophenone với phenol được nghiên cứu. Kết quả của luận văn này đã được đăng trên tạp chí khoa học chuyên ngành và sẽ đóng góp vào thành quả chung của nhân loại trong việc nghiên cứu phát triển các hệ xúc tác dị thể hiệu quả cho các phản ứng tổng hợp hữu cơ cũng như nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng của các xúc tác nano từ tính.

1.1. Giới Thiệu Về Hạt Nano Từ Tính Và Ứng Dụng

Hạt nano từ tính thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học từ nhiều lĩnh vực. Chúng có kích thước từ 1-100 nm và chứa khoảng 10-10000 nguyên tử. Kích thước nhỏ này tạo ra diện tích bề mặt lớn, hứa hẹn mang lại xúc tác dị thể có hoạt tính cao. Một số vật liệu từ tính thể hiện tính chất siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng khi kích thước nhỏ hơn giới hạn của một domain từ. Vật liệu này dễ dàng bị từ hóa khi có từ trường ngoài, cho phép thu hồi hạt nano từ tính. PGS. Phan Thanh Sơn Nam đã nhấn mạnh tiềm năng sử dụng của chúng cho nhiều loại phản ứng do bề mặt có thể được biến tính. Ưu điểm này làm cho hạt nano từ tính ngày càng được quan tâm trong lĩnh vực xúc tác.

1.2. Các Phương Pháp Tổng Hợp Hạt Nano Từ Tính Phổ Biến

Có nhiều phương pháp tổng hợp hạt nano từ tính. Ở quy mô phòng thí nghiệm, các hạt nano ferrite thường được tổng hợp trong pha lỏng, bao gồm bốn phương pháp chính: phương pháp đồng kết tủa, phương pháp nhiệt phân, phương pháp vi nhũ tương và phương pháp thủy nhiệt. Phương pháp đồng kết tủa, kết tủa các ion kim loại bằng base trong môi trường nước dưới khí trơ là phương pháp phổ biến. Phương pháp nhiệt phân sử dụng tiền chất kim loại trong dung môi hữu cơ ở nhiệt độ cao. Phương pháp vi nhũ tương sử dụng hệ nhũ tương nước trong dầu hoặc dầu trong nước để kiểm soát kích thước hạt. Phương pháp thủy nhiệt sử dụng nhiệt độ và áp suất cao trong dung môi nước để tạo ra các hạt nano tinh khiết. Các phương pháp này cung cấp các lựa chọn khác nhau để điều chỉnh kích thước, hình dạng và thành phần của hạt nano.

II. Thách Thức Và Cơ Hội Trong Phản Ứng Aryl Hóa

Phản ứng aryl hóa đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp các hợp chất hữu cơ phức tạp. Tuy nhiên, nó vẫn còn nhiều thách thức. Các xúc tác truyền thống như palladium thường đắt đỏ và sử dụng các ligand phức tạp, độc hại. Do đó, cần phát triển các xúc tác thay thế rẻ hơn và thân thiện với môi trường. Xúc tác đồng là một lựa chọn tiềm năng, nhưng hiệu quả của chúng thường thấp hơn so với palladium. Ngoài ra, việc thu hồi và tái sử dụng xúc tác là một vấn đề quan trọng để giảm chi phí và tác động môi trường. Xúc tác dị thể, đặc biệt là các hạt nano từ tính, cung cấp một giải pháp cho vấn đề này. Chúng có thể dễ dàng tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng bằng cách sử dụng một nam châm. Việc nghiên cứu các điều kiện phản ứng tối ưu và các chất nền phù hợp cũng rất quan trọng để cải thiện hiệu suất phản ứng aryl hóa. Đề tài này tập trung vào việc giải quyết các thách thức này bằng cách sử dụng xúc tác nano từ tính CuFe2O4 trong phản ứng C-aryl hóa và O-aryl hóa.

2.1. Các Vấn Đề Với Xúc Tác Palladium Truyền Thống

Các xúc tác palladium thường đắt tiền. Việc sử dụng ligand phức tạp và độc hại cũng gây ra vấn đề. Cần phát triển xúc tác thay thế rẻ hơn và thân thiện với môi trường. Điều này thúc đẩy nghiên cứu về xúc tác đồng. Tuy nhiên, hiệu quả của xúc tác đồng thường thấp hơn so với palladium. Do đó, cần cải thiện hoạt tính của xúc tác đồng. Việc này đòi hỏi các phương pháp thiết kế xúc tác mới và tối ưu hóa điều kiện phản ứng.

2.2. Yêu Cầu Về Thu Hồi Và Tái Sử Dụng Xúc Tác Trong Hóa Học Xanh

Việc thu hồi và tái sử dụng xúc tác là quan trọng để giảm chi phí và tác động môi trường. Điều này phù hợp với các nguyên tắc của Hóa học xanh. Xúc tác dị thể, đặc biệt là các hạt nano từ tính, cung cấp một giải pháp tiềm năng. Chúng có thể dễ dàng tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng bằng cách sử dụng một nam châm. Điều này giúp giảm thiểu chất thải và chi phí sản xuất. Tuy nhiên, cần đảm bảo rằng xúc tác vẫn hoạt động hiệu quả sau nhiều lần tái sử dụng.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Và Đặc Trưng Xúc Tác Nano CuFe2O4

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp đồng kết tủa để tổng hợp hạt nano từ tính oxide đồng - sắt CuFe2O4. Phương pháp này đơn giản và hiệu quả để tạo ra các hạt nano có kích thước nhỏ và độ phân tán tốt. Sau khi tổng hợp, xúc tác được đặc trưng bằng các phương pháp khác nhau. Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể của CuFe2O4. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) xác định hình thái và kích thước hạt. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) đánh giá độ ổn định nhiệt của xúc tác. Phân tích hàm lượng nguyên tố (EA) bằng phổ hấp thu nguyên tử (AAS) xác định thành phần hóa học của xúc tác. Đo đường cong từ trễ (VSM) xác định tính chất từ tính của xúc tác. Các kết quả đặc trưng này cung cấp thông tin quan trọng về cấu trúc, kích thước, thành phần và tính chất từ tính của xúc tác CuFe2O4.

3.1. Quy Trình Đồng Kết Tủa Để Điều Chế CuFe2O4

Phương pháp đồng kết tủa được sử dụng để tổng hợp CuFe2O4. Các ion kim loại đồng (Cu2+) và sắt (Fe3+) được hòa tan trong dung dịch nước. Dung dịch base được thêm vào để kết tủa các ion kim loại dưới dạng oxide. Điều kiện phản ứng, chẳng hạn như pH, nhiệt độ và tốc độ khuấy, được kiểm soát chặt chẽ để điều chỉnh kích thước và hình dạng của các hạt nano. Sản phẩm được rửa sạch và sấy khô để thu được xúc tác CuFe2O4.

3.2. Các Phương Pháp Phân Tích Đặc Trưng Của Xúc Tác Nano

Các phương pháp khác nhau được sử dụng để đặc trưng cho xúc tác nano CuFe2O4. XRD xác định cấu trúc tinh thể. SEM và TEM xác định hình thái và kích thước hạt. TGA đánh giá độ ổn định nhiệt. EA bằng AAS xác định thành phần hóa học. VSM xác định tính chất từ tính. Các kết quả này cung cấp thông tin quan trọng. Chúng giúp hiểu rõ về cấu trúc và tính chất của xúc tác. Điều này rất quan trọng cho việc đánh giá khả năng xúc tác.

IV. Nghiên Cứu Phản Ứng C Aryl Hóa Với Xúc Tác Nano CuFe2O4

Luận văn này tập trung vào nghiên cứu phản ứng C-aryl hóa giữa iodobenzene với acetylacetone sử dụng xúc tác nano từ tính CuFe2O4. Phản ứng này tạo ra sản phẩm chính là α-aryl ketone. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến hiệu suất phản ứng. Nhiệt độ, dung môi, loại base, hàm lượng xúc tác và tỉ lệ tác chất được xem xét. Kết quả cho thấy xúc tác CuFe2O4 có hoạt tính tốt trong phản ứng C-aryl hóa. Điều kiện phản ứng tối ưu đã được xác định. Xúc tác có thể được tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng bằng cách sử dụng một nam châm. Khả năng tái sử dụng của xúc tác cũng đã được khảo sát. Xúc tác vẫn hoạt động hiệu quả sau nhiều lần tái sử dụng.

4.1. Ảnh Hưởng Của Các Yếu Tố Đến Hiệu Suất Phản Ứng C Aryl Hóa

Nhiệt độ, dung môi, loại base, hàm lượng xúc tác và tỉ lệ tác chất ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng C-aryl hóa. Nhiệt độ cao hơn thường làm tăng tốc độ phản ứng. Dung môi phân cực có thể tăng cường độ tan của các chất phản ứng. Base mạnh có thể thúc đẩy quá trình deproton hóa. Hàm lượng xúc tác tối ưu là cần thiết để đạt được hiệu suất cao. Tỉ lệ tác chất stoichiometric có thể tăng độ chuyển hóa.

4.2. Khả Năng Tái Sử Dụng Của Xúc Tác Nano CuFe2O4 Trong C Aryl Hóa

Xúc tác nano CuFe2O4 có thể được tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng bằng cách sử dụng một nam châm. Sau đó, xúc tác có thể được rửa sạch và tái sử dụng trong các phản ứng tiếp theo. Khả năng tái sử dụng của xúc tác là một ưu điểm quan trọng. Nó làm giảm chi phí và tác động môi trường của quy trình. Nghiên cứu này đã khảo sát khả năng tái sử dụng của xúc tác CuFe2O4 trong nhiều lần phản ứng.

V. Nghiên Cứu Phản Ứng O Aryl Hóa Với Xúc Tác Nano CuFe2O4

Nghiên cứu này cũng khảo sát phản ứng O-aryl hóa giữa 4’-iodoacetophenone với phenol sử dụng xúc tác nano từ tính CuFe2O4. Phản ứng này tạo ra các hợp chất mang bộ khung diphenyl ether. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng được nghiên cứu. Nhiệt độ, dung môi, loại base, hàm lượng xúc tác và tỉ lệ tác chất được xem xét. Kết quả cho thấy xúc tác CuFe2O4 cũng có hoạt tính tốt trong phản ứng O-aryl hóa. Điều kiện phản ứng tối ưu đã được xác định. Xúc tác có thể được tách ra và tái sử dụng.

5.1. Tối Ưu Hóa Các Điều Kiện Cho Phản Ứng O Aryl Hóa

Tối ưu hóa điều kiện phản ứng là then chốt. Các yếu tố như nhiệt độ, dung môi và lượng xúc tác được điều chỉnh. Việc sử dụng một base phù hợp cũng rất quan trọng. Mỗi yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu quả. Một kết hợp tốt sẽ cho kết quả tốt nhất. Các nhà khoa học cần thử nghiệm và phân tích. Từ đó, họ có thể tìm ra công thức tối ưu.

5.2. So Sánh Hiệu Quả Giữa Phản Ứng C Aryl Hóa Và O Aryl Hóa

Phản ứng C-aryl hóa và O-aryl hóa có những khác biệt. Hoạt tính của xúc tác CuFe2O4 có thể khác nhau. Cơ chế phản ứng có thể khác nhau. Sản phẩm tạo ra cũng khác nhau. Việc so sánh hiệu quả của hai phản ứng giúp hiểu rõ hơn. Nó cung cấp thông tin về phạm vi ứng dụng của xúc tác. Các nhà nghiên cứu có thể đánh giá tiềm năng của xúc tác cho các phản ứng khác.

VI. Kết Luận Về Tiềm Năng Phát Triển Của Xúc Tác CuFe2O4

Nghiên cứu này chứng minh rằng xúc tác nano từ tính oxide đồng - sắt (CuFe2O4) có tiềm năng lớn. Nó có thể xúc tác hiệu quả cho cả phản ứng C-aryl hóa và O-aryl hóa. Ưu điểm của xúc tác CuFe2O4 là dễ điều chế, rẻ tiền và có thể tái sử dụng. Nó có thể thay thế các xúc tác palladium đắt tiền và độc hại. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong lĩnh vực xúc tác. Nó góp phần vào phát triển các quy trình tổng hợp hữu cơ bền vững và thân thiện với môi trường. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa hoạt tính và mở rộng phạm vi ứng dụng của xúc tác CuFe2O4.

6.1. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Xúc Tác Aryl Hóa Nano Từ Tính

Nghiên cứu sâu hơn là cần thiết. Tối ưu hóa điều kiện phản ứng sẽ tăng hiệu quả. Mở rộng phạm vi ứng dụng sẽ tăng giá trị. Nghiên cứu cơ chế phản ứng sẽ làm rõ hoạt động. Các dẫn xuất CuFe2O4 có thể được khám phá. Kết hợp với các kim loại khác có thể tạo ra xúc tác mạnh hơn. Hợp tác giữa các nhà khoa học sẽ thúc đẩy tiến bộ. Nỗ lực liên tục sẽ mang lại nhiều khám phá.

6.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Phản Ứng Aryl Hóa Trong Dược Phẩm

Phản ứng aryl hóa có ứng dụng rộng rãi trong dược phẩm. Nó cho phép tổng hợp nhiều loại thuốc và hợp chất trung gian. Các sản phẩm aryl hóa có hoạt tính sinh học quan trọng. Phát triển xúc tác aryl hóa hiệu quả là rất quan trọng. Nó giúp sản xuất thuốc rẻ hơn và thân thiện với môi trường. Nghiên cứu này góp phần vào sự phát triển của ngành dược phẩm. Nó thúc đẩy sản xuất các loại thuốc mới và cải tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Hạt nano từ tính 1.1 Giới thiệu Cho đến nay, hạt nano từ tính đã và đang thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học từ rất nhiều lĩnh vực như xúc tác, công nghệ sinh học, xử lý môi trường, v. Các hạt nano từ tính trước hết là dạng các vật liệu có ba chiều đều là kích thước trong khoảng 1 – 100 nm và trong khoảng kích thước này thì các hạt nano chỉ chứa khoảng 10 – 10000 nguyên tử [2]. Kích thước rất nhỏ này khiến cho các hạt nano có diện tích bề mặt và tỉ lệ bề mặt/thể tích rất lớn nhờ đó hứa hẹn mang lại những xúc tác dị thể có hoạt tính cao, đồng thời có thêm những tính chất đặc biệt mà ở vật liệu khối tương ứng không có [3]. Đối với một số vật liệu từ tính, khi kích thước của vật liệu giảm xuống nhỏ hơn giới hạn của một domain từ (ví dụ khoảng 20 nm đối với oxide sắt) thì các hạt nano này sẽ thể hiện tính chất siêu thuận từ ngay ở nhiệt độ phòng [4].

Vật liệu có tính chất này sẽ không biểu hiện từ tính trong điều kiện bình thường nhưng sẽ dễ dàng bị từ hóa khi có mặt của từ trường ngoài [5]. Đây chính là cơ sở cho việc sử dụng từ trường ngoài để thu hồi các hạt nano từ tính. Bên cạnh đó, các loại xúc tác có khả năng phân riêng bằng từ trường như thế này còn có tiềm năng sử dụng cho nhiều loại phản ứng vì bề mặt của chúng có thể được biến tính trong quá trình tổng hợp xúc tác sao cho phù hợp với những yêu cầu cụ thể [3]. Chính vì những ưu điểm cơ bản đã kể trên mà hạt nano từ tính ngày càng đón nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học xúc tác.

Không có từ Có từ trường trường Hình 1.1 Ảnh hưởng của từ trường ngoài đến vật liệu siêu thuận từ HVTH: Nguyễn Thái Anh GVHD: PGS. Phan Thanh Sơn Nam 2 1.2 Các phương pháp tổng hợp phổ biến Cho đến nay, có nhiều phương pháp để tổng hợp các hạt nano nói chung và các hạt nano từ tính nói riêng. Tuy nhiên ở quy mô phòng thí nghiệm thì các hạt nano từ tính, đặc biệt là các hạt nano trên cơ sở ferrite thường được tổng hợp trong pha lỏng, bao gồm bốn phương pháp chính như sau: 1.1 Phương pháp đồng kết tủa Nguyên lý cơ bản của phương pháp này chính là kết tủa các ion kim loại bằng base trong môi trường nước (ở nhiệt độ phòng hoặc có gia nhiệt) dưới điều kiện khí trơ. Kết tủa sau quá trình phản ứng được rửa, lọc và sấy để thành dạng bột.

Bột này có thể được nung để thu được các hạt nano từ tính có độ tinh thể cao hơn [6]. Phản ứng hóa học bên trong diễn ra như sau: M2+ + 2Fe3+ + 8OH¯ → MFe2O4 + 4H2O (M2+ có thể là Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Mg2+, Mn2+, và Zn2+) Hình 1.2: Phản ứng hóa học của quá trình đồng kết tủa [5] Ngoài môi trường nước thì phương pháp này còn được áp dụng trong môi trường là các hợp chất diol như ethylene glycol, propylene glycol hay diethylene glycol. Trong những quy trình như thế này thì phức chelate tạo thành bởi các diol và muối kim loại sẽ bị thủy phân và đồng kết tủa thành các hạt nano [7]. Nhìn chung, đây là phương pháp đơn giản, dễ tiến hành và thường được dùng để điều chế các hạt nano từ tính oxide kim loại hoặc ferrite với hiệu suất cao.

Tuy nhiên phương pháp này chỉ kiểm soát tương đối tốt kích thước hạt [6].2 Phương pháp vi nhũ Khi nói đến phương pháp này, đa số trường hợp đề cập đến việc sử dụng hệ vi nhũ nghịch (nước trong dầu), tuy nhiên vẫn có một số báo cáo sử dụng hệ vi nhũ thuận (dầu trong nước). Điểm quan trọng của phương pháp này chính là dù có sử dụng hệ vi HVTH: Nguyễn Thái Anh GVHD: PGS. Phan Thanh Sơn Nam 3 nhũ thuận hay nghịch thì vẫn có sự hiện diện của các chất hoạt động bề mặt. Các chất hoạt động bề mặt này được sử dụng ở nồng độ cao hơn nồng độ micelle tới hạn để hình thành nên các cấu trúc micelle có kích thước 10 – 100 nm [8].

Trong phương pháp vi nhũ nghịch thì từng giọt nhỏ tướng nước được làm bền bằng chất hoạt động bề mặt để phân tán trong tướng dầu sẽ đóng vai trò như một bể phản ứng có kích thước nanomet để các tác chất phản ứng bên trong nó. Vì vậy kết tủa sẽ hình thành và phát triển trong không gian bị giới hạn có kích thước nanomet [9,10].3: Nguyên lý đề nghị cho sự điều khiển kích thước hạt của phương pháp vi nhũ ngược [9] Trong khi đó, ở phương pháp vi nhũ thuận thì các micelle thuận đóng vai trò ảnh hưởng không gian tương tự như các polymer để điều chỉnh kích thước hạt [10,11] HVTH: Nguyễn Thái Anh GVHD: PGS. Phan Thanh Sơn Nam 4 Hình 1.4: Nguyên lý đề nghị cho sự điều khiển kích thước hạt của phương pháp vi nhũ thuận [11] Phương pháp này tuy tạo ra các hạt nano có kích thước nhỏ và có khả năng điều khiển kích thước hạt tốt nhưng lại sử dụng thêm các chất hoạt động bề mặt hoặc dung môi hữu cơ, điều này đồng nghĩa với việc chi phí và lượng chất thải sẽ cao hơn.3 Phương pháp phân hủy nhiệt tiền chất Các hệ tinh thể nano đơn phân tán có thể được điều chế bằng cách sử dụng phương pháp này. Nguyên lý cơ bản của phương pháp chính là phân hủy nhiệt các hợp chất cơ kim trong dung môi có nhiệt độ sôi cao có chứa các chất hoạt động bề mặt để làm bền hệ phân tán.

Nếu tiền chất là dạng hợp chất mà kim loại có hóa trị 0 thì quá trình sẽ hình thành ra kim loại, khi nó nếu muốn thu được oxide thì cần tiến hành thêm quá trình oxy hóa. Phương pháp này có khả năng điều khiển tốt cả kích thước và hình dạng của hạt nano cũng như cho hiệu suất tốt, nhưng phương pháp này lại sử dụng nhiều chất hữu cơ độc hại và đòi hỏi các điều kiện phản ứng phức tạp [1]. HVTH: Nguyễn Thái Anh GVHD: PGS. Phan Thanh Sơn Nam 5 1.4 Phương pháp nhiệt dung môi Nguyên lý chung của phương pháp chính là đun hỗn hợp gồm các muối kim loại, dung môi (thường là nước, ethanol hay ethylene glycol) và chất làm bền hệ phân tán (như natri acetate và polyethylene glycol) trong thiết bị phản ứng kín.

Áp suất cao và nhiệt độ cao của quá trình tổng hợp giúp tạo nên các hạt nano có độ tinh thể cao, kích thước và hình dáng có độ đồng nhất tốt. Tuy cơ chế chưa thực sự được làm rõ nhưng đây cũng là phương pháp có khả năng điều chế ra các hạt nano có kích thước và hình dạng được kiểm soát tốt. Nhược điểm lớn của phương pháp này chính là đòi hỏi thiết bị chịu áp suất cao và thời gian phản ứng kéo dài [1].3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng các hạt nano từ tính 1.1 Ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác a) Vai trò là chất mang Nhờ sở hữu những ưu điểm như bề mặt riêng rất lớn, tính siêu thuận từ, chi phí thấp, ít độc hại, độ bền nhiệt và bền hoá cao [12] nên hạt nano từ tính đã từ lâu được sử dụng như là một chất mang hiệu quả để tạo ra các hệ xúc tác có khả năng thu hồi tốt. Cho đến thời gian gần đây thì hướng ứng dụng này vẫn được khai thác rất nhiều, tuy nhiên vì đề tài tập trung vào hướng ứng dụng hạt nano từ tính làm xúc tác nên với hướng nghiên cứu này thì chỉ điểm qua một vài công trình tiêu biểu trong thời gian gần đây.

Varma và các đồng nghiệp tại phòng nghiên cứu thuộc viện bảo vệ môi trường Hoa Kỳ đã tổng hợp và ứng dụng xúc tác Ru cố định trên hạt nano từ tính NiFe2O4 (Ru-NiFe2O4) cho phản ứng hydro hoá ankyne ở nhiệt độ thường và phản ứng trao đổi hydro các hợp chất carbonyl dưới điều kiện vi sóng. Các phản ứng hydro hóa chọn lọc nhóm alkyne thành alkane và carbonyl thành alcohol là những phản ứng quan trọng được ứng dụng phổ biến nhằm tạo ra những hợp chất có giá trị cao trong lĩnh vực hóa dầu, dược phẩm và thực phẩm. Kết quả của nghiên cứu này trên tạp chí HVTH: Nguyễn Thái Anh GVHD: PGS. Phan Thanh Sơn Nam 6 Tetrahedron Letters đã cho thấy xúc tác gắn trên hạt nano từ tính không chỉ cho độ chuyển hóa cao trên 95% mà còn dễ dàng được thu hồi từ hỗn hợp phản ứng nhờ từ trường ngoài và vẫn duy trì hoạt tính cao sau 5 lần tái sử dụng [13].

Báo cáo trên Tạp chí Catalysis Communications của tác giả M. Jacinto và các đồng nghiệp về việc tổng hợp và sử dụng xúc tác Pt(0) cố định trên vật liệu nano từ tính cho các phản ứng quan trọng lĩnh vực tổng hợp hữu cơ hóa dầu để chuyển hóa các nguyên liệu cơ bản thành các sản phẩm có giá trị cao, cụ thể là các phản ứng hydro hóa olefin, arene và ketone cũng cho những kết quả khả quan. Xúc tác chẳng những thể hiện hoạt tính cao mà còn có thể thu hồi và sử dụng lại 7 lần và 14 lần tương ứng trong phản ứng hydro hóa benzene và 3-pentanone mà không hề giảm hoạt tính [14]. Bên cạnh hướng nghiên cứu cố định các kim loại chuyển tiếp lên hạt nano từ tính thì tác giả angyang iang và các đồng nghiệp ở Viện Khoa học Trung Quốc đã trình bày một ứng dụng mới đó là gắn các chất lỏng ion lên bề mặt hạt nano từ tính (Hình 1.5) và dùng hệ này để làm chất mang tẩm enzyme lipase “Candira rugosa” [15.

Nghiên cứu đã chỉ ra những ưu điểm đáng kể của hệ enzyme mới này, đó là hoạt tính cao hơn với lipase tự nhiên, giảm đáng kể lượng enzyme sử dụng trong phản ứng diện tích bề mặt tiếp xúc pha tăng lên đáng kể; enzyme tẩm trên hạt nano vẫn duy trì hoạt tính cao ở 80oC dễ dàng thu hồi lại enzyme và tái sử dụng hiệu quả 8 lần trong khi enzyme tự nhiên mất hoàn toàn hoạt tính sau 6 lần. Với những kết quả quan trọng trên, khả năng ứng dụng của nghiên cứu này trên quy mô lớn là rất khả thi. SiO2 O Cn H2n+1 Si N+ N O Fe3O4 OC2H5 X - - - - X= Cl, BF4, PF6 n = 1, 4, 8 Hình 1.5: Cấu trúc của chất lỏng ion cố định trên vật liệu nano từ tính [15] HVTH: Nguyễn Thái Anh GVHD: PGS.