Tổng hợp vật liệu (HO)2BDC@MIL-101(Cr)-NH2 và ứng dụng hấp phụ khí CO2

Vật liệu MOF là vật liệu lai mới, cấu trúc tinh thể dạng lỗ xốp lớn, tỉ khối thấp và diện tích bề mặt lớn. MOF được ứng dụng trong việc lưu trữ khí, đặc biệt là khí H2 và metan – nhiên liệu dùng trong ô tô và các thiết bị khác. Đặc tính thuận lợi của khung cơ kim vượt trội so với vật liệu xốp truyền thống là độ bền nhiệt cao, tính trật tự nghiêm ngặt, diện tích bề mặt riêng lớn (hầu hết đều trên 2000 m2/g), đa dạng về cấu trúc, có vai trò quan trọng trọng việc tách, lưu trữ khí và xúc tác.

MIL-101(Cr)-NH2 là một vật liệu MOF có cấu trúc ba chiều, được tạo thành từ các ion kim loại Cr liên kết với các phân tử hữu cơ. Nhóm NH2 trong cấu trúc này đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường tương tác với CO2, cải thiện tính chất hấp phụ. MIL-101(Cr)-NH2 có diện tích bề mặt lớn và độ xốp cao, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ CO2. Theo tài liệu gốc, việc gắn các phân tử alkylamine vào một số cấu trúc MOF có thể nâng cao độ hấp phụ khí CO2.

Các phương pháp thu giữ CO2 hiện tại bao gồm hấp thụ bằng dung dịch amine, hấp phụ bằng vật liệu rắn, và công nghệ màng. Tuy nhiên, các phương pháp này còn tồn tại nhiều hạn chế như tiêu thụ năng lượng cao, chi phí vận hành lớn, và khả năng gây ô nhiễm môi trường. Theo tài liệu gốc, việc sử dụng dung dịch amine để hấp phụ và lưu trữ khí CO2 ở quy mô công nghiệp có những khuyết điểm như tiêu tốn nhiều năng lượng cho quá trình giải hấp, gây ăn mòn và ảnh hưởng đến môi trường do lượng lớn amine lỏng được thải ra sau sử dụng.

(HO)2BDC@MIL-101(Cr)-NH2 kết hợp ưu điểm của MIL-101(Cr)-NH2 (diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao) và (HO)2BDC (khả năng tạo liên kết hydro mạnh với CO2). Sự kết hợp này tạo ra một vật liệu hấp phụ CO2 có hiệu suất cao hơn so với các vật liệu riêng lẻ. Theo tài liệu gốc, việc tạo phối trí giữa tâm kim loại chưa bão hòa phối trí của MOF với linker mang nhiều nhóm hydroxy (–OH) (2, 5-dihydroxyl -1,4 dicarboxyl benzen – (HO)2 DOBC)) có thể nâng cao độ hấp phụ khí CO2.

Quy trình tổng hợp bao gồm hai giai đoạn chính: tổng hợp MIL-101(Cr)-NH2 và pha tạp (HO)2BDC vào cấu trúc MIL-101(Cr)-NH2. Các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, thời gian, và tỷ lệ (HO)2BDC được tối ưu hóa để đạt được vật liệu có khả năng hấp phụ CO2 tốt nhất. Theo tài liệu gốc, MIL-101(Cr)-NH2 và (HO)2DBC@MIL-101(Cr)-NH2 được tổng hợp theo các quy trình cụ thể.

Các phương pháp đặc trưng cấu trúc vật liệu bao gồm phân tích XRD để xác định cấu trúc tinh thể, phân tích FT-IR để xác định các nhóm chức, phân tích TGA để đánh giá độ bền nhiệt, hấp phụ N2 để xác định diện tích bề mặt và độ xốp, phân tích SEM và TEM để quan sát hình thái bề mặt. Theo tài liệu gốc, cấu trúc và tính chất của vật liệu mới được xác định bằng các phương pháp phân tích như hấp phụ – giải hấp N2, FE-SEM, XRD, XPS, FT-IR, TGA.

Vật liệu (HO)2BDC@CrN cho thấy dung tích hấp phụ CO2 cao hơn khoảng 40% so với MIL-101(Cr)-NH2 ban đầu. Điều này chứng tỏ rằng việc pha tạp (HO)2BDC đã thành công trong việc cải thiện khả năng hấp phụ CO2 của vật liệu MOF. Theo tài liệu gốc, dung tích hấp phụ CO2 cao nhất đạt ~ 3,58 mmol/g thu được trên chất hấp phụ (HO)2BDC@CrN-12, cao hơn ~ 40% so với chất hấp phụ MIL-101(Cr)-NH2 ban đầu.

Độ chọn lọc CO2/N2 của (HO)2BDC@CrN cao hơn 6 lần so với MIL-101(Cr)-NH2 tinh khiết. Điều này cho thấy vật liệu có khả năng tách CO2 khỏi hỗn hợp khí với hiệu quả cao. Theo tài liệu gốc, vật liệu có độ chọn lọc CO2/N2 ~ 67 thu được trên vật liệu (HO)2BDC@CrN-12 ở 100 kPa, cao hơn 6 lần so với MIL-101(Cr) –NH2 tinh khiết.

Vật liệu (HO)2BDC@CrN thể hiện khả năng tái sinh tốt sau 6 chu kỳ hấp phụ-giải hấp phụ liên tiếp. Điều này chứng tỏ tính ổn định và độ bền của vật liệu trong quá trình sử dụng. Theo tài liệu gốc, hấp phụ (HO)2BDC@CrN thể hiện khả năng tái sinh tốt sau 6 chu kỳ hấp phụ-giải hấp phụ liên tiếp.

(HO)2BDC@MIL-101(Cr)-NH2 có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm thu giữ CO2 từ khí thải nhà máy điện, tách CO2 từ khí tự nhiên, và giảm phát thải CO2 trong các quy trình sản xuất. Việc sử dụng vật liệu này có thể góp phần vào việc giảm thiểu tác động của CO2 đến môi trường. Theo tài liệu gốc, các giải pháp cho vấn đề giảm lượng khí thải CO2 đã nhận được nhiều sự quan tâm trên toàn thế giới trong những năm gần đây. Trong số đó, sử dụng vật liệu hấp phụ để lưu trữ khí CO2 và tách loại CO2 được xem là giải pháp đơn giản, hiệu quả và kinh tế nhất.

Nghiên cứu đã chứng minh rằng việc pha tạp (HO)2BDC vào MIL-101(Cr)-NH2 là một phương pháp hiệu quả để cải thiện khả năng hấp phụ CO2 và độ chọn lọc CO2/N2 của vật liệu MOF. Kết quả này đóng góp vào việc phát triển các vật liệu hấp phụ CO2 hiệu quả hơn cho các ứng dụng công nghiệp. Theo tài liệu gốc, vật liệu tổng hợp (HO)2BDC@MIL-101(Cr)-NH2 có khả năng lưu trữ khí CO2 cao hơn so với MOF ban đầu; Vật liệu tổng hợp (HO)2BDC@MIL-101(Cr)-NH2 có độ chọn lọc CO2/N2 cao hơn so với vật liệu MOF ban đầu; Vật liệu tổng hợp có khả năng tái hấp phụ cao.

Các hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc khám phá các loại MOF khác, sử dụng các chất pha tạp khác, và nghiên cứu các phương pháp tổng hợp mới để tạo ra các vật liệu hấp phụ CO2 có hiệu suất cao hơn và chi phí thấp hơn. Ngoài ra, cần nghiên cứu ứng dụng vật liệu trong điều kiện thực tế để đánh giá tính khả thi và hiệu quả kinh tế. Theo tài liệu gốc, cần thiết phải phát triển những kết cấu vật liệu mới nhằm cải thiện độ hấp phụ và lưu trữ khí CO2, cải thiện tính chọn lọc đối với CO2, nâng cao độ bền vật liệu, nâng cao khả năng tái sử dụng, phát triển những phương pháp tổng hợp mới để nâng cao hiệu quả kinh tế.