Tổng quan luận án

Sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch gây tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái, gia tăng phát thải khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính và làm cạn kiệt tài nguyên không thể tái tạo. Việc tìm kiếm các nguồn năng lượng và hóa chất tái tạo từ sinh khối (đặc biệt là lignocellulose từ phụ phẩm nông - lâm nghiệp như rơm rạ, bã mía, mùn cưa) là hướng đi chiến lược. Trong chuỗi chuyển hóa hóa học từ cellulose qua glucose và fructose, hợp chất 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF) đóng vai trò là hóa chất nền tảng để tổng hợp nhiên liệu sinh học (2,5-dimethylfuran - DMF, 5-ethoxymethylfurfural, ankan mạch dài C9–C15) và monome cho vật liệu polyme sinh học (như acid 2,5-furandicarboxylic - FDCA để sản xuất polyethylenefuranoate - PEF thay thế PET).

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là: các hệ xúc tác acid đồng thể (HCl, H3PO4, AlCl3, CrCl2) tuy đạt hiệu suất chuyển hóa fructose thành 5-HMF cao nhưng có nhược điểm lớn về ăn mòn thiết bị, khó thu hồi xúc tác và gây ô nhiễm môi trường. Trong khi đó, các xúc tác acid dị thể hiện có gặp hạn chế về diện tích bề mặt thấp, độ bền nhiệt hoặc mật độ tâm acid chưa tối ưu. Mặc dù tungsten oxide (WO3) được biết đến là một oxide kim loại chuyển tiếp có tính acid rắn mạnh, việc kết hợp WO3 với các chất mang oxide MeO2 (Me: Si, Ti, Zr) nhằm điều chỉnh cấu trúc tâm acid Lewis/Brønsted, tăng độ phân tán WOx và nâng cao hiệu suất tổng hợp 5-HMF vẫn chưa được nghiên cứu hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

  1. Nghiên cứu quy trình tổng hợp các hệ vật liệu xúc tác oxide hỗn hợp Me-O-W (với Me lần lượt là Si, Ti, Zr) theo các tỉ lệ mol khác nhau và so sánh với xúc tác WO3/MeO2 điều chế bằng phương pháp ngâm tẩm.
  2. Đặc trưng hóa toàn diện tính chất cấu trúc, hình thái học, diện tích bề mặt riêng, trạng thái hóa trị và tính chất acid bề mặt của các hệ xúc tác bằng các phương pháp vật lý - hóa học hiện đại.
  3. Đánh giá hoạt tính xúc tác cho phản ứng khử nước của fructose thành 5-HMF; khảo sát các yếu tố ảnh hưởng (nhiệt độ, thời gian phản ứng, nồng độ cơ chất, tỉ lệ thành phần kim loại) và đánh giá độ bền, khả năng tái sinh của xúc tác.
  4. Đề xuất cơ chế phản ứng tách ba phân tử nước từ fructose tạo thành 5-HMF trên bề mặt hệ xúc tác Me-O-W.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các hệ vật liệu xúc tác oxide hỗn hợp Si-O-W, Ti-O-W, Zr-O-W với các tỉ lệ mol Me:W biến thiên (1:9, 3:7, 5:5, 7:3, 9:1), các oxide đơn thành phần (SiO2, TiO2, ZrO2, WO3) và các mẫu đối chứng tổng hợp bằng phương pháp ngâm tẩm (TS9, TT9, TZ9).
  • Phạm vi nghiên cứu: Phản ứng chuyển hóa fructose thành 5-HMF trong môi trường dung môi hữu cơ (chủ yếu là dimethyl sulfoxide - DMSO); thực hiện đánh giá tại phòng thí nghiệm thuộc Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam, hoàn thành năm 2023.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan hệ thống các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế về chuyển hóa sinh khối, tính chất của fructose, hóa học 5-HMF và các hệ xúc tác acid dị thể:

Các hướng nghiên cứu tiền nhiệm về tổng hợp 5-HMF

Quá trình tách nước từ carbohydrate (fructose, glucose, cellulose, inulin) đã được khảo sát trên nhiều hệ xúc tác dị thể đa dạng:

  • Nhóm xúc tác acid nhựa trao đổi ion và dị đa acid: Shimizu và cộng sự (2009) thử nghiệm Amberlyst 15 (đạt hiệu suất 90% trong DMF ở 100°C; 92–100% trong DMSO ở 120°C), các muối dị đa acid Cs2.5PW12O40 (91%), FePW12O40 (48–97%), H3PW12O40 (95%), H-BEA zeolite (40–97%), Nafion (75–94%). Chunyan Fan và cộng sự (2011) sử dụng Ag3PW12O40 đạt hiệu suất 5-HMF 77,7% và độ chọn lọc 93,8% ở 120°C trong 60 phút. Gomes (2016) sử dụng HPW, HPW/Cs và HPW/MCM-41 đạt độ chọn lọc 80–92% trong DMSO.
  • Nhóm xúc tác gốc carbon và chất lỏng ion: Zhao và cộng sự (2016) chế tạo carbon mao quản trung bình sulfo hóa (đạt hiệu suất 90% ở 160°C trong 5 giờ); Gallo (2017) chức năng hóa carbon mao quản trung bình với acid sulfonic; Ting Huang và cộng sự (2022) kết hợp chất lỏng ion diallylimidazole với acid rắn gốc carbon đạt hiệu suất 52,59% trong nước và 73,71–80% trong DMSO; Wang và cộng sự (2022) dùng carbon acid yếu từ lignin đạt hiệu suất 96,0% ở 180°C trong 2 giờ; Ken-Lin và cộng sự (2022) dùng phế thải vỏ đậu phộng tẩm lưu huỳnh kết hợp chất lỏng ion đạt hiệu suất 94,6% từ fructose ở 130°C.
  • Nhóm xúc tác từ tính và xúc tác vô cơ: Wei và cộng sự (2021) tổng hợp hạt từ tính Fe3O4@SiO2-SO3H đạt hiệu suất 96,1 mol% ở 120°C sau 90 phút trong DMSO; Le và cộng sự (2021) dùng nano carbon từ tính sulfo hóa từ dầu bạch đàn đạt hiệu suất 51,6% ở 180°C; Mayer và cộng sự (2020) dùng (H3O)xSbxTe2-xO6 đạt độ chuyển hóa 99% và hiệu suất 59% trong hệ H2O/MIBK.
Tác giả (Năm) Hệ chất xúc tác Nguyên liệu Điều kiện phản ứng Dung môi Hiệu suất 5-HMF (%)
Shimizu (2009) Amberlyst 15 Fructose 120°C, 2h DMSO 92 – 100
Fan (2011) Ag3PW12O40 Fructose 120°C, 1h DMSO 77,7
Gomes (2016) HPW / HPW-Cs Fructose 120°C, 0,5–1h DMSO 80 – 92
Zhao (2016) Carbon xốp sulfo hóa Fructose 160°C, 5h DMSO 90,0
Li-Wei (2017) Nb-P/SBA-15 Fructose 160°C, 1,5h H2O / MIBK 92,6
Mayer (2020) (H3O)xSbxTe2-xO6 Fructose 170°C, 2h H2O / MIBK 59,0
Wei (2021) Fe3O4@SiO2-SO3H Fructose 120°C, 1,5h DMSO 96,1
Ting Huang (2022) CnDAIMF + SC Fructose 160–195°C, 10p DMSO 73,7 – 80,0
Wang (2022) Carbon từ lignin Fructose 180°C, 2h DMSO 96,0
Ken-Lin (2022) Vỏ đậu phộng tẩm S Fructose 130°C, 2h [BMIM]HSO4 94,6

Tình hình nghiên cứu xúc tác trên cơ sở WO3 và oxide kim loại (SiO2, TiO2, ZrO2)

Các nghiên cứu xúc tác chứa WO3 được ghi nhận gồm: Yue và cộng sự (2016) điều chế Nbx-WO3 bằng phương pháp kết tủa cho phản ứng trong nước ở 120°C; Huatao Han và cộng sự (2017) tổng hợp WO3/rGO bằng thủy nhiệt đạt hiệu suất 84,2% trong [BMIM]Cl ở 120°C; Raveendra và cộng sự (2017) tổng hợp 20% WO3/SnO2 đạt hiệu suất 93% ở 120°C sau 2 giờ; Qishun Liu và cộng sự (2016) dùng WO3-Ta2O5 chuyển hóa saccharide tạo 5-HMF và acid levulinic; Jan J. Wiesfeld và cộng sự (2019) tổng hợp WO3-TiO2 và WO3-ZrO2 (tỉ lệ 5:5) bằng phương pháp sol-gel.

Đối với các chất mang đơn và hỗn hợp oxide:

  • Cơ sở SiO2: Emre Kılıc (2015) khảo sát SO4/TiO2-SiO2 (đạt độ chọn lọc 89% ở độ chuyển hóa 77%); Lv (2017, 2018) dùng SiO2-HSiW (50,4%) và SiO2-HPW (27%) trong H2O/MIBK ở 170°C; Rownaghi (2018) dùng sợi rỗng SiO2-ZrO2 gắn aminosilane; Zhang (2019) dùng Fe3O4@SiO2@TiO2-HPW đạt hiệu suất 83% từ fructose và 54,5% từ inulin.
  • Cơ sở TiO2: De (2011) điều chế TiO2 xốp (hiệu suất 74,8–82% dưới vi sóng); Maria Luisa Testa (2020) dùng TiO2-SO3H (độ chọn lọc 71% ở 140°C); Tomer Richa (2020) dùng 0,5M SO4(2-)/TiO2 (hiệu suất 75% từ fructose và 37% từ glucose ở 150°C sau 6 giờ); Atanda (2015) dùng ZrO2-TiO2 (hiệu suất 74% trong H2O-THF và 86% trong H2O-Dioxan).
  • Cơ sở ZrO2: Qi (2009) dùng SO4(2-)/ZrO2 (hiệu suất 72,8% ở 180°C sau 20 phút); Hongpeng Yan (2009) dùng SO4(2-)/ZrO2-Al2O3 (hiệu suất 39–47,6%); Yumeng Zhou (2019) dùng ZrO2/SO4(2-) tổng hợp bằng sol-gel đạt diện tích bề mặt 277 m2/g, độ acid 2,57 mmol/g và hiệu suất 87% ở 120°C trong 1 giờ.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu oxide chứa WO3 trước đây sử dụng phương pháp ngâm tẩm truyền thống hoặc thủy nhiệt đơn giản, dễ dẫn đến hiện tượng kết tụ tinh thể WO3 thể khối (monoclinic体), làm giảm độ phân tán và giảm tỉ lệ tâm acid Brønsted/Lewis hoạt động. Luận án lựa chọn giải quyết việc tổng hợp có kiểm soát các hệ oxide hỗn hợp Me-O-W (Me: Si, Ti, Zr) bằng các phương pháp tạo mạng lưới liên kết kim loại đồng nhất (sol-gel, đồng kết tủa), đánh giá ảnh hưởng của bản chất kim loại Me và tỉ lệ mol Me/W đến cấu trúc vi mô, phân bố tâm acid và hoạt tính xúc tác chuyển hóa fructose thành 5-HMF.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  1. Cấu trúc và tính chất của phân tử Fructose: Fructose (C6H12O6, M = 180,156 g/mol, nhiệt độ nóng chảy 103°C, độ tan 4000 g/L trong nước) trong dung dịch tồn tại ở trạng thái cân bằng giữa dạng mạch hở (keto-hexose) và các dạng mạch vòng (α-D-fructofuranose, β-D-fructofuranose, α-D-fructopyranose, β-D-fructopyranose), trong đó dạng vòng năm cạnh fructofuranose là dạng chuyển hóa trực tiếp thành 5-HMF.
  2. Hóa học của 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF): Phân tử C6H6O3 (M = 126,11 g/mol; khối lượng riêng 1,243 g/cm3 tại 25°C; điểm sôi 114–116°C ở 1 hPa; điểm nóng chảy 28–34°C; λmax = 283 nm) chứa đồng thời nhóm chức aldehyde (-CHO) và alcohol (-CH2OH) gắn vào nhân furan. Các phản ứng cạnh tranh và phản ứng phụ gồm: phản ứng hydrat hóa 5-HMF tạo acid levulinic (LA) và acid formic (FA), phản ứng trùng ngưng aldol/croton tạo sản phẩm polyme humins không tan.
  3. Bản chất tâm acid trên oxide hỗn hợp chứa WO3: Tungsten oxide WO3 tồn tại ở các cấu trúc đa hình (monoclinic m-WO3, hexagonal h-WO3, triclinic). Khi phân tán trên chất mang oxide (SiO2, TiO2, ZrO2), các dạng cấu trúc WOx biến đổi từ phối trí tứ diện (isolated tetrahedral) sang bát diện chia sẻ đỉnh/cạnh tạo thành các cụm nano polytungstate. Sự tương tác Me-O-W tạo ra cả tâm acid Lewis (liên quan đến cation kim loại chưa bão hòa phối trí Ti4+, Zr4+, W6+/W5+) và tâm acid Brønsted (sinh ra từ các nhóm W-OH có độ phân cực cao hoặc do sự mất cân bằng điện tích mạng lưới).

Quy trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu

  • Tổng hợp hệ xúc tác Me-O-W (Me: Si, Ti, Zr): Sử dụng các tiền chất kim loại tương ứng kết hợp với muối tungsten (như amoni metatungstate/acid tungstic) thông qua phương pháp sol-gel hoặc đồng kết tủa có kiểm soát pH, sau đó già hóa, sấy khô và nung ở nhiệt độ xác định để tạo mạng liên kết Me-O-W với các tỉ lệ mol Me:W lần lượt là 1:9, 3:7, 5:5, 7:3 và 9:1 (kí hiệu: Me1W9, Me3W7, Me5W5, Me7W3, Me9W1).
  • Tổng hợp mẫu đối chứng WO3/MeO2 (TS9, TT9, TZ9): Sử dụng phương pháp ngâm tẩm dung dịch tiền chất chứa W lên các oxide nền MeO2 thương phẩm hoặc tự điều chế với tỉ lệ tương ứng để làm mẫu so sánh.
  • Quy trình tái sinh xúc tác: Xúc tác sau phản ứng được tách ly tâm/lọc, rửa sạch bằng dung môi hữu cơ để loại bỏ các hợp chất hữu cơ và sản phẩm phụ hấp phụ bề mặt, sau đó sấy khô và nung xử lý nhiệt để phục hồi hoạt tính.

Các phương pháp phân tích đặc trưng hóa lý

  • Nhiễu xạ tia X (XRD góc hẹp và góc rộng): Xác định pha tinh thể, độ kết tinh và độ phân tán của WO3, ZrO2, TiO2, SiO2.
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Phân tích các liên kết đặc trưng W=O, W-O-W, Si-O-Si, Ti-O-Ti, Zr-O-Zr và tương tác Me-O-W.
  • Hiển vi điện tử quét (SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM / HRTEM / STEM-HAADF): Khảo sát hình thái bề mặt, kích thước hạt nano, vân mạng tinh thể và lập bản đồ phân bố nguyên tố (SEM/STEM-mapping).
  • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX / EDS): Định tính và định lượng thành phần nguyên tố, tỉ lệ mol Me/W trong các mẫu vật liệu.
  • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Xác định quá trình mất khối lượng, phân hủy tiền chất và độ bền nhiệt của vật liệu.
  • Đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (BET / BJH): Xác định diện tích bề mặt riêng (SBET), thể tích mao quản và phân bố kích thước lỗ xốp.
  • Phổ quang điện tử tia X (XPS): Xác định trạng thái oxi hóa của các nguyên tố (W 4f, O 1s, Si 2p, Ti 2p, Zr 3d) và năng lượng liên kết trên bề mặt.
  • Khử hấp phụ amoniac theo chương trình nhiệt độ (TPD-NH3): Định lượng tổng số tâm acid và phân bố cường độ acid (tâm acid yếu, trung bình, mạnh).

Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác

  • Thực hiện phản ứng khử nước fructose trong bình phản ứng có kiểm soát nhiệt độ và khuấy từ, sử dụng dung môi hữu cơ (chủ yếu là DMSO).
  • Lấy mẫu theo các khoảng thời gian phản ứng xác định, lọc xúc tác và phân tích định lượng nồng độ fructose dư và hàm lượng 5-HMF tạo thành bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) dựa trên đường chuẩn.
  • Tính toán độ chuyển hóa của fructose, độ chọn lọc và hiệu suất tạo thành 5-HMF.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày cơ sở khoa học về sự cạn kiệt của năng lượng hóa thạch, tiềm năng của sinh khối lignocellulose và vai trò mắt xích của phản ứng khử nước fructose tạo 5-HMF. Nêu rõ mục tiêu, đối tượng nghiên cứu và hướng tiếp cận phát triển hệ xúc tác acid dị thể oxide hỗn hợp Me-O-W (Me: Si, Ti, Zr) nhằm khắc phục nhược điểm của các hệ xúc tác đồng thể và xúc tác ngâm tẩm truyền thống.

Chương 1: Tổng quan

Chương này tổng hợp các cơ sở lý thuyết và tài liệu khoa học liên quan:

  • Cấu trúc, tính chất hóa học của fructose (phản ứng lên men, phản ứng Maillard, phản ứng tách nước) và các monosaccharide khác (glucose, galactose, mannose).
  • Giới thiệu tổng quan về 5-HMF: thông số hóa lý (CAS 67-47-0, M = 126,11 g/mol, nhiệt độ sôi 114–116°C ở 1 hPa, nhiệt độ nóng chảy 28–34°C), các con đường chuyển hóa thành FDCA, PEF, DMF, ete nhiên liệu, acid levulinic và ankan sinh học.
  • Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp 5-HMF: nồng độ cơ chất (tối ưu thường ở khoảng 10–50 mg/mL, nồng độ cao >100–200 mg/mL làm tăng tạo humins), nhiệt độ và thời gian phản ứng (thường trong khoảng 100–185°C, 60–150 phút), ảnh hưởng của dung môi (dung môi hữu cơ không proton phân cực như DMSO cho hiệu quả cao hơn hẳn dung môi nước hoặc THF).
  • Tổng quan về xúc tác acid dị thể: xúc tác gốc WO3, xúc tác trên chất mang SiO2, TiO2, ZrO2 và vật liệu oxide hỗn hợp MeO2-WO3; phân tích vai trò của tâm acid Lewis và Brønsted trên các cấu trúc m-WO3 và h-WO3.
  • Các phương pháp tổng hợp xúc tác: sol-gel, kết tủa - đồng kết tủa, kết tinh thủy nhiệt và ngâm tẩm dung dịch.

Chương 2: Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm và kỹ thuật phân tích:

  • Quy trình tổng hợp hệ vật liệu Me-O-W (Me: Zr, Ti, Si) với các tỉ lệ mol 1:9, 3:7, 5:5, 7:3, 9:1 và quy trình tổng hợp mẫu đối chứng WO3/MeO2 (TS9, TT9, TZ9) bằng phương pháp ngâm tẩm.
  • Quy trình tái sinh và tái sử dụng xúc tác qua các chu kỳ phản ứng.
  • Chi tiết các phương pháp đặc trưng hóa lý: XRD, FTIR, SEM, TEM/HRTEM/STEM-HAADF, EDX/EDS, TGA, đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 (BET/BJH), XPS, TPD-NH3.
  • Quy trình thử nghiệm phản ứng chuyển hóa fructose thành 5-HMF, kỹ thuật phân tích HPLC và công thức tính toán độ chuyển hóa, độ chọn lọc và hiệu suất.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

1. Hệ vật liệu xúc tác Si-O-W

  • Đặc trưng hóa lý: Giản đồ TGA của tiền chất Si-O-W xác định vùng nhiệt độ phân hủy chất hữu cơ/dung môi và hình thành pha oxide. Giản đồ XRD của dãy mẫu Si-O-W so sánh với SiO2 vô định hình và WO3 đơn lẻ cho thấy ở tỉ lệ Si cao (Si9W1), các pha tinh thể WO3 thể khối bị ức chế, W phân tán cao trên nền silica. Phổ FTIR ghi nhận các dao động liên kết Si-O-Si và sự xuất hiện tương tác Si-O-W. Ảnh TEM và kết quả SEM-EDX / SEM-mapping trên mẫu Si9W1 khẳng định độ phân tán đồng đều của Si, W và O. Đường đẳng nhiệt N2 chỉ ra sự cải thiện diện tích bề mặt riêng của Si9W1 so với WO3 đơn lẻ. Giản đồ TPD-NH3 và phổ XPS (vùng O 1s, Si 2p, W 4f) xác nhận sự hiện diện của các trạng thái hóa trị và phân bố tâm acid trên bề mặt.
  • Hoạt tính xúc tác: Tỉ lệ Si:W ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất 5-HMF, trong đó mẫu Si9W1 cho hiệu suất cao nhất trong dãy Si-O-W. Khảo sát các yếu tố nhiệt độ, thời gian phản ứng và nồng độ fructose cho thấy sự phụ thuộc chặt chẽ của phản ứng vào các điều kiện này. Đánh giá độ bền cho thấy xúc tác Si9W1 duy trì hoạt tính tốt qua các chu kỳ tái sử dụng.

2. Hệ vật liệu xúc tác Ti-O-W

  • Đặc trưng hóa lý: Giản đồ TGA tiền chất Ti9W1 xác định quá trình biến đổi nhiệt. Giản đồ XRD của hệ Ti-O-W so với TiO2 và WO3 cho thấy sự tương tác giữa hai pha oxide làm giảm độ kết tinh của WO3 thể khối. Phổ FTIR xác nhận các liên kết Ti-O-Ti và Ti-O-W. Ảnh SEM, TEM (mẫu Ti5W5, Ti9W1) và SEM-EDX/SEM-mapping chứng minh sự phân tán đồng nhất của các cấu tử. Đường đẳng nhiệt hấp phụ N2 của Ti9W1 thể hiện cấu trúc xốp. Giản đồ TPD-NH3 ghi nhận lượng NH3 giải hấp ở các khoảng nhiệt độ khác nhau, chứng minh sự gia tăng mật độ tâm acid so với WO3 tinh khiết. Phổ XPS (O 1s, Ti 2p, W 4f) xác định trạng thái liên kết Ti-O-W.
  • Hoạt tính xúc tác: Tỉ lệ W:Ti trong mẫu Ti-O-W quyết định hiệu suất chuyển hóa; mẫu Ti9W1 thể hiện hiệu quả cao nhất. Các khảo sát về thời gian, nhiệt độ và nồng độ fructose thiết lập điều kiện tối ưu cho phản ứng. Xúc tác Ti9W1 thể hiện độ bền cấu trúc và hoạt tính qua các vòng thử nghiệm tái sinh.

3. Hệ vật liệu xúc tác Zr-O-W

  • Đặc trưng hóa lý: Giản đồ TGA của tiền chất Zr3W7 xác định quá trình mất khối lượng và nhiệt độ kết tinh. Giản đồ XRD góc hẹp và góc rộng của dãy Zr-O-W so sánh với ZrO2 và WO3 chứng minh sự tương tác mạnh mẽ giữa ZrO2 và WOx, ổn định pha tinh thể tetragonal của ZrO2 và hạn chế sự kết tinh pha đơn tà m-WO3. Phổ FTIR xác nhận các dải dao động đặc trưng của Zr-O-W. Ảnh SEM, TEM, HRTEM, STEM-HAADF và STEM-mapping của mẫu Zr9W1 làm rõ cấu trúc hạt nano, các vân mạng tinh thể và sự phân bố nguyên tố đồng nhất. Phổ SEM-EDS của Zr5W5 và bảng thông số hóa lý (SBET, thể tích mao quản) khẳng định cấu trúc mao quản phát triển. Giản đồ TPD-NH3 của Zr-O-W và phổ XPS (O 1s, Zr 3d, W 4f) của Zr9W1 cho thấy mật độ tâm acid (cả Lewis và Brønsted) vượt trội so với WO3 đơn lẻ.
  • Hoạt tính xúc tác: Khảo sát tỉ lệ Zr/W cho thấy mẫu Zr9W1 đạt hiệu suất chuyển hóa fructose và hiệu suất tạo 5-HMF cao nhất trong hệ Zr-O-W. Các thông số nhiệt độ, thời gian và nồng độ fructose được tối ưu hóa. Xúc tác Zr9W1 duy trì độ ổn định hóa lý và hiệu suất cao sau nhiều chu kỳ tái sử dụng.

4. So sánh hiệu năng các vật liệu Me-O-W và đề xuất cơ chế

  • So sánh các hệ Me9W1 (Me = Si, Ti, Zr): Đối chiếu giản đồ XRD góc rộng, ảnh TEM/STEM-HAADF và phổ XPS giữa Zr9W1, Ti9W1 và Si9W1; so sánh trực tiếp với các mẫu ngâm tẩm tương ứng (TZ9, TT9, TS9) cho thấy phương pháp đồng kết tủa/sol-gel tạo ra độ phân tán WOx cao hơn và hiệu suất tổng hợp 5-HMF vượt trội so với phương pháp ngâm tẩm.
  • Cơ chế phản ứng: Đề xuất chi tiết con đường khử nước gồm 3 bước tách liên tiếp ba phân tử H2O từ dạng vòng fructofuranose trên các tâm acid của xúc tác Me-O-W:
    1. Nhóm -OH hemiacetal nhận proton H+ từ tâm acid Brønsted, tách phân tử H2O thứ nhất để tạo ion cacbocation trung gian.
    2. Tiếp tục tách phân tử H2O thứ hai ở các nguyên tử carbon lân cận.
    3. Tách phân tử H2O thứ ba tại liên kết C-OH còn lại để đóng vòng hoàn chỉnh hệ liên hợp dị vòng furan tạo thành 5-HMF.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Đã tổng hợp thành công và hệ thống hóa ba dãy vật liệu xúc tác oxide hỗn hợp Me-O-W (Me: Si, Ti, Zr) với các tỉ lệ mol Me:W thay đổi từ 1:9 đến 9:1 bằng phương pháp đồng kết tủa/sol-gel, tạo ra sự liên kết mạng lưới Me-O-W đồng nhất và ức chế sự kết tụ tinh thể WO3 thể khối.
  2. Đã làm sáng tỏ mối quan hệ giữa cấu trúc hình thái, diện tích bề mặt riêng, trạng thái oxi hóa của W (W6+/W5+) và sự phân bố các tâm acid (Lewis và Brønsted) với hiệu năng xúc tác trong phản ứng khử nước fructose. Trong mỗi hệ, các mẫu có tỉ lệ mol Me:W = 9:1 (Si9W1, Ti9W1, Zr9W1) thể hiện hoạt tính xúc tác cao nhất.
  3. Chứng minh phương pháp tổng hợp đồng kết tủa/sol-gel tạo ra độ phân tán pha hoạt tính WOx và hiệu suất tạo 5-HMF cao hơn rõ rệt so với các mẫu tổng hợp bằng phương pháp ngâm tẩm thông thường (WO3/MeO2 như TS9, TT9, TZ9).
  4. Xác lập điều kiện phản ứng thích hợp (về nhiệt độ, thời gian, nồng độ cơ chất trong dung môi DMSO) cho từng hệ xúc tác và chứng minh các vật liệu Me9W1 có độ bền hóa lý tốt, có khả năng thu hồi và tái sử dụng qua nhiều chu kỳ mà không bị suy giảm hoạt tính nghiêm trọng.
  5. Đề xuất cơ chế tách ba phân tử nước theo từng giai đoạn từ phân tử fructose trên bề mặt xúc tác acid Me-O-W.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào phản ứng chuyển hóa của fructose trong môi trường dung môi hữu cơ DMSO ở quy mô mẻ phòng thí nghiệm; chưa khảo sát mở rộng trên hệ thiết bị phản ứng dòng chảy liên tục quy mô pilot.
  • Các khảo sát chuyển hóa trực tiếp từ các nguồn nguyên liệu phức tạp hơn như glucose thô hoặc sinh khối lignocellulose trực tiếp trên các hệ xúc tác này chưa được triển khai sâu trong khuôn khổ luận án.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng ứng dụng hệ xúc tác Me-O-W cho phản ứng chuyển hóa trực tiếp glucose thành 5-HMF (tích hợp giai đoạn đồng phân hóa glucose thành fructose trên tâm Lewis và tách nước trên tâm Brønsted) hoặc từ nguyên liệu cellulose/sinh khối thô.
  • Nghiên cứu thử nghiệm phản ứng trong các hệ dung môi hai pha (biphasic systems) thân thiện môi trường hơn nhằm thuận tiện cho việc trích ly tách sản phẩm 5-HMF ra khỏi pha phản ứng.
  • Đánh giá phản ứng trên hệ thiết bị dòng chảy liên tục (continuous flow reactor) để khảo sát độ bền lâu dài và khả năng ứng dụng thực tế.

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm và lý luận có giá trị tham khảo cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Hóa hữu cơ, Hóa dầu, Vật liệu xúc tác và Công nghệ Hóa học: Tài liệu tham khảo về quy trình tổng hợp oxide hỗn hợp trên cơ sở WO3 và kỹ thuật phân tích cấu trúc vật liệu (XRD, XPS, TPD-NH3, HRTEM, STEM-HAADF).
  • Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực hóa học sinh khối và năng lượng tái tạo: Tham khảo các thông số công nghệ, ảnh hưởng của dung môi và cơ chế phản ứng tách nước chuyển hóa carbohydrate thành các hóa chất nền tảng có giá trị cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Phản ứng chính được nghiên cứu trong luận án là gì và tạo ra sản phẩm nào?

Phản ứng chính được nghiên cứu là phản ứng khử nước (tách ba phân tử H2O) của D-fructose trên hệ xúc tác acid dị thể để tổng hợp 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF).

2. Các hệ vật liệu xúc tác nào đã được tổng hợp và khảo sát trong luận án?

Luận án tổng hợp và khảo sát ba dãy hệ xúc tác oxide hỗn hợp Me-O-W (với Me lần lượt là Si, Ti, Zr) theo các tỉ lệ mol Me:W biến thiên (1:9, 3:7, 5:5, 7:3, 9:1), đồng thời so sánh với các oxide đơn lẻ (SiO2, TiO2, ZrO2, WO3) và các mẫu điều chế bằng phương pháp ngâm tẩm (TS9, TT9, TZ9).

3. Mẫu xúc tác nào cho hiệu quả tốt nhất trong từng hệ oxide hỗn hợp?

Trong cả ba hệ khảo sát, các mẫu có tỉ lệ mol Me:W = 9:1 (gồm Si9W1, Ti9W1 và Zr9W1) đều thể hiện hiệu quả xúc tác và hiệu suất tạo 5-HMF cao nhất trong dãy tỉ lệ tương ứng.

4. Tại sao phương pháp tổng hợp đồng kết tủa/sol-gel lại cho kết quả tốt hơn phương pháp ngâm tẩm?

Phương pháp đồng kết tủa/sol-gel tạo ra sự tương tác mạng lưới Me-O-W đồng đều ở cấp độ phân tử, giúp phân tán cao các cụm WOx trên bề mặt chất mang, ức chế sự hình thành các tinh thể thể khối m-WO3 có diện tích bề mặt thấp, từ đó gia tăng mật độ và khả năng tiếp cận của các tâm acid hoạt động.

5. Dung môi nào được xác định là có lợi nhất cho phản ứng chuyển hóa fructose thành 5-HMF?

Dung môi dimethyl sulfoxide (DMSO) được xác định là môi trường phản ứng tối ưu, giúp hòa tan tốt fructose, hạn chế các phản ứng phụ tạo acid levulinic/acid formic (thường xảy ra trong môi trường nước) và giảm thiểu sự hình thành sản phẩm phụ humins so với các dung môi khác.


Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Thị Hoa đã hoàn thành việc nghiên cứu tổng hợp có hệ thống các hệ xúc tác oxide hỗn hợp Me-O-W (Me: Si, Ti, Zr) bằng phương pháp hóa học kiểm soát cấu trúc. Kết quả nghiên cứu làm rõ các đặc trưng cấu trúc vi mô, trạng thái bề mặt và tính chất acid của vật liệu, đồng thời chứng minh hiệu quả xúc tác cao của các mẫu Me9W1 trong phản ứng chuyển hóa fructose thành 5-HMF trong dung môi DMSO. Công trình cung cấp các dẫn liệu khoa học thực nghiệm tin cậy, đóng góp vào hướng nghiên cứu phát triển vật liệu xúc tác acid rắn phục vụ chế biến sâu nguồn sinh khối tái tạo.