Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học: Tổng hợp vật liệu nano ZIF-8 ứng dụng làm chất xúc tác cho phản ứng benzaldehyde và ethyl cyanoacetate

• Tác giả: Lê Thị Như Quỳnh
• Người hướng dẫn: GS. Tạ Ngọc Đôn
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu Nano ZIF-8 Làm Chất Xúc Tác Cho Phản Ứng Benzaldehyde Và Ethyl Cyanoacetate
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Tổng quan về vật liệu khung hữu cơ - kim loại (MOFs)
• 1.1.1. Giới thiệu về MOFs
• 1.1.2. Thành phần và cấu trúc của MOFs
• 1.1.3. Phương pháp tổng hợp
• 1.2. Tổng quan về vật liệu ZIF-8
• 1.2.1. Giới thiệu về ZIFs
• 1.2.2. Thành phần, đặc điểm cấu trúc của ZIF-8
• 1.2.3. Quá trình phát triển tinh thể của ZIF-8
• 1.2.4. Phương pháp tổng hợp
• 1.2.5. Phản ứng ngưng tụ Knoevenagel
• 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Tổng hợp vật liệu ZIF-8. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất
• 2.2. Quy trình tổng hợp ZIF-8 theo phương pháp nhiệt dung môi
• 2.3. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của vật liệu ZIF-8
• 2.4. Nghiên cứu phản ứng ngưng tụ Knoevenagel giữa benzaldehyde và ethyl cyanoacetate. Thiết bị, hóa chất
• 2.5. Thực hiện phản ứng
• 2.6. Phương pháp sắc ký khí (GC) và sắc ký khí - khối phổ (GC - MS) đánh giá nguyên liệu và sản phẩm phản ứng. Các phương pháp đặc trưng vật liệu nghiên cứu
• 2.6.1. Phương pháp phổ nhiễu xạ Rơnghen
• 2.6.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét
• 2.6.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua
• 2.6.4. Phương pháp phổ hồng ngoại
• 2.6.5. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ
• 2.6.6. Phương pháp phân tích nhiệt
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu ZIF-8
• 3.1.1. Ảnh hưởng của các muối kẽm khác nhau
• 3.1.2. Ảnh hưởng của dung môi hữu cơ
• 3.1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng muối kẽm
• 3.1.4. Ảnh hưởng của hàm lượng dung môi methanol
• 3.1.5. Ảnh hưởng của hàm lượng Hmim
• 3.1.6. Ảnh hưởng của quá trình khuấy trộn giai đoạn kết tinh
• 3.1.7. Ảnh hưởng của thời gian kết tinh
• 3.1.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ kết tinh
• 3.1.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy sản phẩm
• 3.2. So sánh một số phương pháp tổng hợp
• 3.3. Đặc trưng của ZIF-8 được tổng hợp trong điều kiện thích hợp
• 3.3.1. Ảnh TEM và SEM
• 3.3.2. Giản đồ hấp phụ và giải hấp phụ N2
• 3.3.3. Giản đồ phân tích nhiệt và độ bền nhiệt của nano-ZIF-8
• 3.3.4. Độ lặp lại của quy trình tổng hợp
• 3.4. Đánh giá chung
• 3.5. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu nano-ZIF-8 bằng phản ứng ngưng tụ Knoevenagel giữa benzaldehyde với ethyl cyanoacetate
• 3.5.1. Giải hấp phụ theo chương trình nhiệt độ của xúc tác ZIF-8
• 3.5.2. Phản ứng giữa benzaldehyde và ethyl cyanoacetate
• 3.5.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ chất phản ứng
• 3.5.4. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
• 3.5.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
• 3.5.6. Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác
• ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu nano ZIF 8

Vật liệu nano ZIF-8, thuộc họ vật liệu khung hữu cơ - kim loại (MOFs), đã thu hút sự chú ý lớn trong nghiên cứu và ứng dụng. ZIF-8 được tổng hợp lần đầu vào năm 2006 và có cấu trúc tinh thể độc đáo với các ion Zn2+ liên kết với 2-methylimidazole. Đặc điểm nổi bật của ZIF-8 là độ bền hóa học và nhiệt cao, cùng với diện tích bề mặt lớn, giúp nó trở thành một ứng cử viên lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong hóa học và công nghệ. Việc tổng hợp ZIF-8 với các phương pháp khác nhau như nhiệt dung môi, vi sóng, và rung siêu âm đã được nghiên cứu, tuy nhiên, chưa có công trình nào đạt được sự kết hợp hoàn hảo giữa độ bền, diện tích bề mặt và hiệu suất. Do đó, nghiên cứu này nhằm mục tiêu tối ưu hóa quy trình tổng hợp ZIF-8 để tạo ra vật liệu có đặc trưng tốt nhất.

1.1. Đặc điểm cấu trúc của ZIF 8

ZIF-8 có cấu trúc tinh thể với hệ thống vi mao quản đồng nhất, cho phép nó có khả năng hấp phụ khí tốt. Cấu trúc này được hình thành từ sự kết hợp của các ion kim loại và các hợp chất hữu cơ, tạo ra một mạng lưới vững chắc. Đặc biệt, ZIF-8 có khả năng duy trì tính ổn định trong môi trường ẩm ướt, điều này làm cho nó trở thành một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác và hấp phụ. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh các điều kiện tổng hợp có thể ảnh hưởng lớn đến kích thước hạt và hình thái của ZIF-8, từ đó tác động đến hiệu suất xúc tác của nó.

II. Ứng dụng của ZIF 8 trong phản ứng hóa học

ZIF-8 đã được nghiên cứu như một chất xúc tác hiệu quả cho nhiều phản ứng hóa học, đặc biệt là phản ứng ngưng tụ Knoevenagel giữa benzaldehyde và ethyl cyanoacetate. Phản ứng này có ý nghĩa quan trọng trong tổng hợp hữu cơ, vì nó tạo ra các hợp chất có giá trị cao. Nghiên cứu cho thấy rằng ZIF-8 không chỉ tăng cường hiệu suất phản ứng mà còn cải thiện độ chọn lọc sản phẩm. Việc sử dụng ZIF-8 làm chất xúc tác giúp giảm thiểu lượng chất xúc tác cần thiết, đồng thời tăng cường khả năng tái sử dụng của nó trong các chu trình phản ứng. Điều này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

2.1. Phản ứng ngưng tụ Knoevenagel

Phản ứng ngưng tụ Knoevenagel là một trong những phản ứng quan trọng trong hóa học hữu cơ, cho phép tổng hợp các hợp chất α-cyanocinnamate từ benzaldehyde và ethyl cyanoacetate. Sử dụng ZIF-8 làm chất xúc tác trong phản ứng này đã cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ chuyển hóa và độ chọn lọc sản phẩm. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng với điều kiện tối ưu, độ chuyển hóa của benzaldehyde có thể đạt tới 93,63%, trong khi độ chọn lọc cho sản phẩm chính đạt 99,46%. Điều này chứng tỏ rằng ZIF-8 không chỉ là một chất xúc tác hiệu quả mà còn có tiềm năng lớn trong các ứng dụng công nghiệp.

III. Đánh giá và triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano ZIF-8 đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực xúc tác và tổng hợp hữu cơ. Việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp không chỉ giúp tạo ra vật liệu có đặc trưng tốt mà còn góp phần vào việc phát triển các ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp. ZIF-8 có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hấp phụ khí, cảm biến, và xúc tác trong các phản ứng hóa học phức tạp. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều kết quả tích cực, không chỉ trong việc phát triển vật liệu mới mà còn trong việc cải thiện quy trình sản xuất và giảm thiểu tác động đến môi trường.

3.1. Tiềm năng ứng dụng của ZIF 8

ZIF-8 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Với khả năng hấp phụ khí tốt và tính ổn định cao, ZIF-8 có thể được sử dụng trong các hệ thống lọc khí, cảm biến hóa học, và trong các quy trình sản xuất hóa chất. Hơn nữa, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp tổng hợp mới cho ZIF-8 có thể dẫn đến việc tạo ra các vật liệu với tính chất tối ưu hơn, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực công nghiệp và nghiên cứu khoa học.