Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu và tổng hợp vật liệu khung cơ - kim MOF-5

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp nghiên cứu và tổng hợp vật liệu khung cơ kim mof 5, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Lê Việt Trinh
• Người hướng dẫn: ThS. Diệp Khanh
• Trường học: Trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu và tổng hợp vật liệu khung cơ - kim (MOF-5)
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Bà Rịa - Vũng Tàu

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. Lịch sử phát triển
• 1.2. Cấu trúc đặc trưng của MOFs
• 1.2.1. Đơn vị xây dựng thứ cấp (SBUs)
• 1.2.2. Kích thước lỗ xốp
• 1.2.3. Cấu trúc tinh thể MOF-5
• 1.3. Nguyên liệu tổng hợp MOFs
• 1.3.1. Các tâm ion kim loại
• 1.3.2. Các cầu nối hữu cơ
• 1.4. Các phương pháp tổng hợp MOFs
• 1.5. Ứng dụng của MOFs
• 1.6. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu
• 1.6.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 1.6.2. Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng
• 1.6.3. Phương pháp phổ hồng ngoại IR
• 1.6.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét qua (Scanning Electron Microscope, SEM)
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất và dụng cụ
• 2.2. Quy trình tổng hợp MOF-5
• 2.2.1. Xác định điều kiện tối ưu của hỗn hợp phản ứng
• 2.2.2. Xác định phương pháp tổng hợp
• 2.2.3. Sơ đồ tổng hợp MOF-5
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Điều kiện tối ưu của hỗn hợp phản ứng
• 3.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu MOF-5
• 3.3. Kết quả phân tích cấu trúc pha và tính chất của vật liệu
• 3.3.1. Phân tích SEM
• 3.3.2. Xác định diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp BET
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• Một số kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu khung cơ kim MOF 5

Vật liệu khung cơ - kim (MOF-5) đã trở thành một trong những chủ đề nghiên cứu nổi bật trong lĩnh vực hóa học vật liệu. MOF-5 được phát triển từ những năm 1990 và đã chứng minh được tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như lưu trữ khí, xúc tác và tách khí. Vật liệu này có cấu trúc xốp với diện tích bề mặt riêng lớn, cho phép hấp phụ một lượng lớn khí. Sự phát triển của MOF-5 không chỉ mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng của MOF 5

MOF-5 được phát hiện lần đầu tiên bởi nhóm nghiên cứu của Yaghi vào năm 1999. Từ đó, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng MOF-5 có khả năng lưu trữ khí H2 và CO2 hiệu quả. Các ứng dụng của MOF-5 trong công nghiệp đang ngày càng được mở rộng, từ việc sử dụng làm chất xúc tác đến việc phát triển các công nghệ lưu trữ năng lượng.

1.2. Tính chất và cấu trúc của MOF 5

MOF-5 có cấu trúc tinh thể đặc trưng với các lỗ xốp đồng đều, cho phép hấp phụ khí hiệu quả. Diện tích bề mặt riêng của MOF-5 có thể đạt đến 3000 m²/g, giúp tăng cường khả năng lưu trữ khí. Tính chất này làm cho MOF-5 trở thành một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng và môi trường.

II. Thách thức trong nghiên cứu và tổng hợp MOF 5

Mặc dù MOF-5 có nhiều ưu điểm, nhưng việc tổng hợp và kiểm soát chất lượng của vật liệu này vẫn gặp nhiều thách thức. Các yếu tố như điều kiện phản ứng, loại dung môi và nhiệt độ đều ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của MOF-5. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao trong quá trình tổng hợp.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp MOF 5

Điều kiện phản ứng như nhiệt độ, áp suất và thời gian phản ứng có thể ảnh hưởng lớn đến cấu trúc của MOF-5. Việc lựa chọn dung môi cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các lỗ xốp và tính chất của vật liệu cuối cùng.

2.2. Khó khăn trong việc kiểm soát chất lượng MOF 5

Kiểm soát chất lượng của MOF-5 là một thách thức lớn. Các phương pháp phân tích như nhiễu xạ tia X và quang phổ hồng ngoại cần được áp dụng để đảm bảo rằng vật liệu tổng hợp đạt tiêu chuẩn về cấu trúc và tính chất. Việc này đòi hỏi sự chính xác và kỹ thuật cao trong quá trình thực nghiệm.

III. Phương pháp tổng hợp MOF 5 hiệu quả nhất hiện nay

Có nhiều phương pháp tổng hợp MOF-5, trong đó phương pháp nhiệt dung môi và phương pháp hoàn lưu nhiệt được sử dụng phổ biến. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất của vật liệu cuối cùng.

3.1. Phương pháp nhiệt dung môi trong tổng hợp MOF 5

Phương pháp nhiệt dung môi cho phép kiểm soát tốt hơn các điều kiện phản ứng, từ đó tạo ra các tinh thể MOF-5 có cấu trúc đồng đều. Phương pháp này thường yêu cầu nhiệt độ cao và thời gian phản ứng dài, nhưng mang lại hiệu suất cao trong việc tổng hợp vật liệu.

3.2. Phương pháp hoàn lưu nhiệt và ưu điểm của nó

Phương pháp hoàn lưu nhiệt giúp tối ưu hóa quá trình tổng hợp bằng cách duy trì nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình phản ứng. Phương pháp này có thể giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn, từ đó nâng cao chất lượng của MOF-5.

IV. Ứng dụng thực tiễn của MOF 5 trong công nghệ hóa học

MOF-5 đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghệ hóa học. Khả năng hấp phụ khí của MOF-5 đã mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển các công nghệ lưu trữ năng lượng và xử lý khí thải. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng MOF-5 có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của các hệ thống năng lượng tái tạo.

4.1. Ứng dụng trong lưu trữ khí H2 và CO2

MOF-5 có khả năng lưu trữ khí H2 và CO2 hiệu quả, giúp giảm thiểu khí thải và bảo vệ môi trường. Việc sử dụng MOF-5 trong các hệ thống lưu trữ khí có thể cải thiện hiệu suất và an toàn trong việc sử dụng năng lượng.

4.2. Vai trò của MOF 5 trong xúc tác hóa học

MOF-5 cũng được sử dụng làm chất xúc tác trong nhiều phản ứng hóa học. Với cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn, MOF-5 có thể tăng cường tốc độ phản ứng và hiệu suất của các quá trình hóa học, từ đó mở rộng ứng dụng trong ngành công nghiệp.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của MOF 5

Nghiên cứu và tổng hợp MOF-5 đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực hóa học vật liệu. Với những tính chất vượt trội và khả năng ứng dụng đa dạng, MOF-5 hứa hẹn sẽ tiếp tục được phát triển và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tương lai của MOF-5 sẽ phụ thuộc vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và mở rộng nghiên cứu ứng dụng.

5.1. Triển vọng nghiên cứu và phát triển MOF 5

Nghiên cứu về MOF-5 sẽ tiếp tục được mở rộng, với mục tiêu phát triển các loại vật liệu mới có tính năng vượt trội hơn. Các nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc cải thiện hiệu suất tổng hợp và ứng dụng của MOF-5 trong các lĩnh vực như năng lượng và môi trường.

5.2. Tương lai của MOF 5 trong công nghệ hóa học

MOF-5 có tiềm năng lớn trong việc phát triển các công nghệ mới, từ lưu trữ năng lượng đến xử lý khí thải. Sự phát triển của MOF-5 sẽ góp phần vào việc giải quyết các vấn đề môi trường và năng lượng trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng phương tiện giao thông vận tải ngày càng tăng cao kéo theo sự tiêu thụ lớn các nguồn nhiên liệu hóa thạch, dẫn đến tình trạng phát thải khí nhà kính và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Để giải quyết thách thức này, ngành công nghiệp chế tạo ô tô đã nghiên cứu các giải pháp sử dụng nhiên liệu sạch và có khả năng tái tạo. Khí hydro ($H_2$) được đánh giá là một hướng phát triển tiềm năng do nguồn nguyên liệu dồi dào, thân thiện với môi trường, khi phản ứng với oxy trong buồng đốt hoặc pin nhiên liệu chỉ tạo ra năng lượng và hơi nước.

Tuy nhiên, việc lưu trữ khí hydro an toàn và hiệu quả là rào cản kỹ thuật lớn đối với quá trình thương mại hóa. Các phương pháp lưu trữ truyền thống tồn tại nhiều hạn chế:

• Nén hydro ở áp suất cao đòi hỏi bình chứa bằng thép dày, thể tích lớn, nặng nề và khó khăn trong vận chuyển.
• Hóa lỏng hydro ở nhiệt độ rất thấp (khoảng âm $235^\circ\text{C}$) đòi hỏi chi phí năng lượng lớn để duy trì trạng thái lỏng.
• Nguy cơ cháy nổ cao khi xảy ra va chạm trong quá trình vận hành phương tiện.
• Các vật liệu xốp truyền thống như zeolite có dung lượng hấp phụ hydro thấp, gây khó khăn cho quá trình nạp và sử dụng nhiên liệu.

Vào cuối thế kỷ XX, sự xuất hiện của vật liệu khung cơ - kim (Metal-Organic Frameworks - MOFs), tiên phong bởi nhóm nghiên cứu của Giáo sư Omar M. Yaghi (1999), đã mở ra giải pháp mới nhờ diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc mao quản trật tự và khả năng điều chỉnh kích thước lỗ xốp. Tại Việt Nam, nghiên cứu vật liệu MOFs cũng bắt đầu được đẩy mạnh, tiêu biểu là các công trình ứng dụng MOFs làm chất xúc tác của nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Nhằm đóng góp vào hướng nghiên cứu chung và làm chủ quy trình tổng hợp MOF-5 trong điều kiện phòng thí nghiệm, đề tài "Nghiên cứu và tổng hợp vật liệu khung cơ – kim (MOF-5)" được thực hiện.

Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài bao gồm:

1. Nghiên cứu tổng quan về cấu trúc, tính chất và đặc điểm của vật liệu MOF-5.
2. Tổng hợp vật liệu MOF-5 trong điều kiện phòng thí nghiệm.
3. Phân tích, đánh giá cấu trúc và đặc trưng tính chất của vật liệu MOF-5 thu được.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Xác định điều kiện tối ưu của hỗn hợp phản ứng (tỷ lệ chất phản ứng, dung môi).
2. Xác định và khảo sát phương pháp tổng hợp vật liệu MOF-5 (phương pháp nhiệt dung môi và phương pháp hoàn lưu nhiệt).
3. Thiết lập quy trình tổng hợp và xử lý hoạt hóa vật liệu phù hợp với điều kiện trang thiết bị thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Tinh thể vật liệu khung cơ - kim MOF-5 được tổng hợp từ muối kẽm nitrat ngậm nước ($\text{Zn(NO}_3\text{)}_2\cdot6\text{H}_2\text{O}$) và axit terephthalic ($\text{H}_2\text{BDC}$) trong dung môi hữu cơ.
• Phạm vi không gian: Thực nghiệm tổng hợp được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm, Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu. Phân tích cấu trúc pha và tính chất bề mặt được thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu và Ứng dụng cùng Phòng thí nghiệm chuyên sâu của Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.
• Phạm vi thời gian: Đồ án được giao nhiệm vụ từ ngày 17/02/2014 và hoàn thành ngày 07/07/2014.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình cấu trúc

Vật liệu khung cơ - kim (MOFs) là nhóm vật liệu lai xốp mở rộng ba chiều, được tạo thành từ sự tự lắp ghép giữa các ion/cụm ion kim loại chuyển tiếp (tâm kim loại) và các phân tử hữu cơ đa càng (ligand/cầu nối).

Khung cấu trúc của MOF-5 được xác định dựa trên các khái niệm hình học:

• Đơn vị xây dựng thứ cấp (Secondary Building Units - SBUs): Đối với MOF-5, phần vô cơ SBU là cụm đa diện $\text{Zn}_4\text{O}$, trong đó nguyên tử oxy trung tâm được bao quanh bởi 4 nguyên tử kẽm tạo thành khối tứ diện.
• Cầu nối hữu cơ (Ligand): Phân tử axit 1,4-benzenedicarboxylic ($\text{H}_2\text{BDC}$ hay axit terephthalic) đóng vai trò là cầu nối dicarboxylate liên kết các cụm $\text{Zn}_4\text{O}$, tạo nên mạng lưới tinh thể dạng lập phương với các lỗ xốp kích thước vi mao quản (microporous, đường kính trung bình khoảng $18{,}6\text{ \AA}$).
• Hình thái mạng lưới: Cấu trúc hình học được định hình qua góc liên kết giữa các tâm kim loại trong SBU ($\eta$) và góc giữa các nhóm chức carboxylate của ligand ($\theta$).

Phương pháp tổng hợp thực nghiệm

Nghiên cứu áp dụng hai phương pháp tổng hợp để so sánh hiệu quả tạo tinh thể:

1. Phương pháp nhiệt dung môi (Solvothermal): Phản ứng kết tinh diễn ra trong bình phản ứng kín (Autoclave) ở nhiệt độ cao ($100 - 130^\circ\text{C}$) dưới áp suất tự sinh trong thời gian từ 24 đến 48 giờ. Dung môi phân cực $\text{N,N'}$-dimethylformamide (DMF) hòa tan các tiền chất, tạo môi trường cho quá trình tạo mầm và phát triển tinh thể.
2. Phương pháp hoàn lưu nhiệt: Hỗn hợp phản ứng được gia nhiệt trong bình cầu gắn ống sinh hàn hoàn lưu ở áp suất khí quyển. Đây là phương pháp cải tiến nhằm đơn giản hóa thiết bị tổng hợp so với phương pháp nhiệt dung môi truyền thống.

Quy trình xử lý hoạt hóa mẫu sau phản ứng: Tinh thể sau khi lọc được ngâm trao đổi dung môi nhiều lần với DMF để rửa sạch tiền chất dư, tiếp tục trao đổi với dichloromethane (DCM) nhằm thay thế các phân tử DMF có nhiệt độ sôi cao nằm trong lỗ xốp, sau đó sấy khô và giải hấp chân không để giải phóng hoàn toàn dung môi khỏi mạng mao quản.

Phương pháp nghiên cứu và phân tích cấu trúc vật liệu

Nghiên cứu sử dụng các kỹ thuật hóa lý tiêu chuẩn để xác định tính chất vật liệu:

• Phương pháp nhiễu xạ tia X dạng bột (Powder X-ray Diffraction - XRD): Thực hiện trên máy Siemens D5000 (Đức) với ống phát tia $\text{CuK}\alpha$ ($\lambda = 1{,}5406\text{ \AA}$), điện áp $40\text{ kV}$, cường độ dòng $40\text{ mA}$, góc quét $2\theta$ từ $5^\circ$ đến $70^\circ$, tốc độ quét $0{,}2^\circ/\text{phút}$ tại nhiệt độ phòng nhằm xác định cấu trúc pha tinh thể và đối chiếu với giản đồ chuẩn.
• Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng Brunauer – Emmett – Teller (BET): Sử dụng thiết bị NOVA 2200 đo đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ khí nitơ ($N_2$) ở nhiệt độ $77\text{ K}$. Tính toán thể tích lớp hấp phụ đơn phân tử ($V_m$), diện tích bề mặt riêng ($S_{\text{BET}}$) theo mô hình đa điểm/đơn điểm và phân bố kích thước mao quản theo mô hình Kelvin / BJH.
• Phương pháp quang phổ hồng ngoại (FT-IR): Đo dao động đặc trưng của các nhóm chức hữu cơ (vùng dao động của nhóm carboxylate phối trí $\text{COO}^-$, liên kết $\text{Zn}-\text{O}$ và vòng thơm benzene) nhằm kiểm tra sự hình thành liên kết phối trí giữa ligand và tâm kim loại.
• Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy - SEM): Thiết bị EVO MA10 quan sát hình thái học bề mặt, kích thước và độ đồng đều của các tinh thể MOF-5 chế tạo được.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về vật liệu khung cơ - kim (MOFs), tập trung vào các nội dung:

• Lịch sử phát triển và cấu trúc: Quá trình phát triển từ các vật liệu xốp truyền thống (zeolite, than hoạt tính) đến vật liệu MOFs. Năm 1996, Yaghi công bố cấu trúc xốp từ phức $\text{Co}, \text{Ni}, \text{Zn}$ với axit 1,3,5-BTC lưu trữ $H_2$. Năm 1997 và 1999, công bố chính thức về vật liệu MOFs với đại diện tiêu biểu là MOF-5. Các công trình tiếp theo chế tạo thành công MOF-177 (diện tích bề mặt $5640\text{ m}^2/\text{g}$), MOF-200 ($8000\text{ m}^2/\text{g}$).
• Thành phần cấu tạo và phân loại: Phân tích vai trò của các ion kim loại chuyển tiếp ($\text{Zn}^{2+}, \text{Cu}^{2+}, \text{Co}^{2+}, \text{Fe}^{3+}$) với các số phối trí từ 2 đến 6; phân loại các ligand hữu cơ chứa nhóm carboxylate ($\text{H}_2\text{BDC}, \text{H}_3\text{BTC}, \text{BTB}, \text{NDC}, \text{DHBDC}$), ligand chứa dị vòng nitơ (pyridine, triazole).
• Phương pháp tổng hợp: Đánh giá ưu nhược điểm của các kỹ thuật nhiệt dung môi, vi sóng (rút ngắn thời gian còn 30 giây đến vài phút), siêu âm (tạo hạt kích thước nano), tổng hợp ở nhiệt độ phòng, sol-gel và cơ hóa không dung môi.
• Ứng dụng của vật liệu MOFs:
  • Xúc tác dị thể: MOF-5 làm xúc tác axit Lewis cho phản ứng alkyl hóa Friedel-Crafts giữa toluene và benzyl bromide cho sản phẩm chính p-benzyltoluene; làm chất mang cho kim loại quý ($\text{Ag}, \text{Pt}, \text{Cu}, \text{Pd}, \text{Ni}$) trong các phản ứng epoxy hóa, tổng hợp $\text{H}_2\text{O}_2$, methane hóa và hydro hóa.
  • Lưu trữ và phân tách khí: Trình bày cơ chế hấp phụ vật lý và hóa học của $H_2$, khả năng lưu trữ $\text{CO}_2$ (MOF-177 chứa $33{,}5\text{ mmol/g}$ ở 35 bar), lưu trữ $\text{CH}_4$ (IRMOF-6 hấp phụ $155\text{ cm}^3/\text{cm}^3$ ở 36 atm), tinh chế hợp chất chứa lưu huỳnh (tetrahydrothiophene - THT từ khí thiên nhiên bằng Cu-EMOF xuống dưới 1 ppm).
  • Cảm biến, phát quang và điện cực: Cơ chế chuyển dịch điện tích tạo huỳnh quang/lân quang, cảm biến bức xạ, và ứng dụng vật liệu $\text{Fe[OH(BDC)]}$ làm điện cực tăng độ linh động của ion Li trong pin Lithium-ion.

Bảng dữ liệu trích dẫn về khả năng hấp phụ khí $H_2$ của MOF-5 đo tại $25^\circ\text{C}$ sau khi hoạt hóa:

Áp suất (Bar)	Thể tích hấp phụ ($\text{cm}^3/\text{g}$)	Khối lượng hấp phụ ($\text{mg/g}$)
2,28	1,10	0,21
5,38	2,41	1,06
10,41	4,80	4,09
16,00	6,94	9,09
21,01	9,14	15,72
25,56	11,56	24,18
30,42	13,88	34,57
35,49	16,24	47,18

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

Chương 2 mô tả chi tiết hóa chất, dụng cụ, quy trình tiến hành phản ứng và khảo sát các điều kiện tổng hợp:

• Hóa chất và thiết bị: Muối kẽm nitrat hexahydrate $\text{Zn(NO}_3\text{)}_2\cdot6\text{H}_2\text{O}$ ($99%$), axit terephthalic $\text{H}_2\text{BDC}$ ($99%$), dung môi N,N'-dimethylformamide (DMF), dichloromethane (DCM); hệ thống bình Autoclave chịu nhiệt áp suất cao, bình cầu đáy tròn, ống sinh hàn hoàn lưu, máy khuấy từ gia nhiệt, tủ sấy chân không.
• Quy trình tổng hợp MOF-5:
  • Hòa tan hoàn toàn $\text{Zn(NO}_3\text{)}_2\cdot6\text{H}_2\text{O}$ và $\text{H}_2\text{BDC}$ theo tỷ lệ mol xác định vào một lượng thể tích dung môi DMF thích hợp, khuấy đều bằng máy khuấy từ để tạo dung dịch đồng nhất.
  • Đưa hỗn hợp vào thiết bị phản ứng (bình Autoclave hoặc hệ bình cầu hoàn lưu nhiệt), cài đặt chế độ gia nhiệt trong khoảng nhiệt độ và thời gian khảo sát.
  • Làm nguội hệ thống từ từ về nhiệt độ phòng để tinh thể kết tinh hoàn toàn.
  • Tinh chế: Lọc tách tinh thể, ngâm rửa nhiều lần trong DMF tươi để loại bỏ tiền chất dư thừa, sau đó tiếp tục ngâm trao đổi dung môi với DCM trong 3 ngày (mỗi ngày thay dung môi DCM mới) nhằm loại triệt để DMF ra khỏi lỗ xốp.
  • Sấy khô sản phẩm ở nhiệt độ thích hợp để thu hồi tinh thể MOF-5 tinh khiết.
• Nội dung khảo sát: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol giữa ion $\text{Zn}^{2+}$ và axit $\text{H}_2\text{BDC}$, lượng dung môi DMF sử dụng, nhiệt độ phản ứng và so sánh hiệu quả kết tinh giữa phương pháp nhiệt dung môi trong Autoclave và phương pháp hoàn lưu nhiệt.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được và biện luận khoa học:

• Khảo sát điều kiện tối ưu của hỗn hợp phản ứng: Đánh giá các tỷ lệ phối trộn giữa muối kẽm và axit terephthalic trong dung môi DMF. Xác định điều kiện tỷ lệ thích hợp để tạo ra sản phẩm tinh thể có độ tinh khiết cao, hạn chế sự hình thành pha tạp chất vô định hình hoặc kết tủa không mong muốn.
• So sánh phương pháp tổng hợp:
  • Phương pháp nhiệt dung môi trong Autoclave: Thu được tinh thể MOF-5 có màu trắng ngà/hơi vàng, kích thước tinh thể đồng đều, độ kết tinh cao do phản ứng diễn ra trong môi trường kín có áp suất tự sinh ổn định.
  • Phương pháp hoàn lưu nhiệt: Tổng hợp thành công tinh thể MOF-5 ở áp suất khí quyển. Mặc dù độ đồng đều về kích thước hạt có phần kém hơn phương pháp nhiệt dung môi, phương pháp này chứng minh tính khả thi cao, thời gian tổng hợp được kiểm soát và dễ dàng thực hiện với các dụng cụ thủy tinh cơ bản trong phòng thí nghiệm.
• Kết quả phân tích cấu trúc pha và tính chất vật liệu:
  • Giản đồ XRD: Các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của mẫu MOF-5 tổng hợp xuất hiện rõ ràng ở các góc $2\theta$ thấp (khoảng $6^\circ - 10^\circ$), phù hợp với giản đồ nhiễu xạ chuẩn của MOF-5 cấu trúc lập phương, khẳng định sự hình thành khung mạng tinh thể trật tự.
  • Phổ hồng ngoại IR: Xuất hiện các dải hấp thụ đặc trưng của nhóm đối xứng và bất đối xứng carboxylate phối trí ($\text{COO}^-$) trong khoảng $1580 - 1600\text{ cm}^{-1}$ và $1380 - 1400\text{ cm}^{-1}$, sự biến mất của đỉnh hấp thụ axit tự do ($\text{C}=\text{O}$ của $-\text{COOH}$ tại $1700\text{ cm}^{-1}$), cùng với dải dao động liên kết $\text{Zn}-\text{O}$ ở vùng số sóng thấp ($500 - 600\text{ cm}^{-1}$), xác nhận liên kết phối trí bền vững giữa $\text{Zn}^{2+}$ và ligand BDC.
  • Ảnh SEM: Hình thái học của vật liệu thể hiện rõ các tinh thể dạng khối hộp lập phương đặc trưng của MOF-5 với bề mặt phẳng và các cạnh sắc nét.
  • Phân tích diện tích bề mặt riêng BET: Đánh giá độ xốp và diện tích bề mặt của vật liệu sau quá trình hoạt hóa trao đổi dung môi với DCM, khẳng định cấu trúc mao quản mở của vật liệu.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

• Đã thiết lập thành công quy trình tổng hợp vật liệu khung cơ - kim MOF-5 từ các hóa chất cơ bản gồm $\text{Zn(NO}_3\text{)}_2\cdot6\text{H}_2\text{O}$ và axit terephthalic ($\text{H}_2\text{BDC}$) trong dung môi DMF.
• Tổng hợp thành công MOF-5 bằng cả hai phương pháp: phương pháp nhiệt dung môi truyền thống trong bình Autoclave và phương pháp hoàn lưu nhiệt ở áp suất thường.
• Quy trình trao đổi dung môi 2 giai đoạn (sử dụng DMF để rửa sạch tiền chất dư, sau đó dùng DCM để thay thế DMF trong mao quản) đã loại bỏ hiệu quả các phân tử dung môi bám dính, bảo toàn cấu trúc rỗng xốp của khung mạng.
• Kết quả phân tích XRD, IR và SEM khẳng định vật liệu tổng hợp đạt cấu trúc pha tinh thể lập phương đồng nhất, liên kết phối trí $\text{Zn}-\text{O}-\text{C}$ hoàn chỉnh, tinh thể có dạng khối hộp đặc trưng và độ bền nhiệt cao (lý thuyết đạt tới $400^\circ\text{C}$).
• Số liệu trích dẫn về dung lượng hấp phụ khí $H_2$ của MOF-5 đạt giá trị cực đại $47{,}18\text{ mg/g}$ ($16{,}24\text{ cm}^3/\text{g}$) ở áp suất $35{,}49\text{ bar}$ tại $25^\circ\text{C}$, đường hấp phụ và giải hấp phụ gần như trùng khít, chứng minh khung mạng ổn định ở áp suất cao.

Đóng góp của đề tài

• Đã thử nghiệm thành công phương pháp hoàn lưu nhiệt để tổng hợp MOF-5. Đây là giải pháp kỹ thuật có ý nghĩa thực tiễn, giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào các thiết bị Autoclave áp suất cao đắt tiền, cho phép chế tạo vật liệu MOFs trên các hệ thiết bị thủy tinh thông dụng.
• Đóng góp vào việc hoàn thiện tài liệu thực nghiệm và làm chủ công nghệ tổng hợp vật liệu khung cơ - kim xốp tại Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm, Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

• Quy trình xử lý và hoạt hóa đuổi dung môi ra khỏi lỗ xốp đòi hỏi nhiều bước ngâm chiết kéo dài (3 ngày trao đổi dung môi với DCM) và yêu cầu hệ thống hút chân không chuyên dụng (như Shlenk-line) để đạt diện tích bề mặt lý thuyết tối đa.
• Kích thước hạt và độ đồng đều tinh thể khi tổng hợp bằng phương pháp hoàn lưu nhiệt chưa đạt mức hoàn hảo như phương pháp nhiệt dung môi trong Autoclave.
• Nghiên cứu dừng lại ở quy mô mẻ nhỏ trong phòng thí nghiệm, chưa đánh giá chi tiết sự ảnh hưởng của độ ẩm môi trường đến độ bền khung mạng MOF-5 trong thời gian lưu trữ dài ngày.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Tiếp tục khảo sát và tối ưu hóa điều kiện hoạt hóa nhiệt chân không sau khi trao đổi dung môi với DCM để nâng cao diện tích bề mặt riêng BET của vật liệu.
• Mở rộng ứng dụng thực tế của MOF-5 đã tổng hợp vào các phản ứng xúc tác hữu cơ (như phản ứng alkyl hóa Friedel-Crafts) và thử nghiệm trực tiếp khả năng lưu trữ các loại khí ($\text{CO}_2, \text{CH}_4, \text{H}_2$) trên hệ đo chuyên dụng.
• Nghiên cứu biến tính bề mặt hoặc kết hợp với các hạt nano kim loại quý ($\text{Pt}, \text{Pd}, \text{Ag}$) để chế tạo xúc tác dị thể đa chức năng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học, Hóa học vô cơ, Hóa lý thuyết và Hóa lý, Khoa học vật liệu và Công nghệ vật liệu nano.
• Những người nghiên cứu về vật liệu lai vô cơ - hữu cơ (MOFs), vật liệu xốp hấp phụ khí và xúc tác dị thể.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo cao:

• Hệ thống lý thuyết tổng quan chi tiết về lịch sử phát triển, cấu trúc đơn vị xây dựng thứ cấp (SBUs), góc liên kết và phân loại các họ ligand carboxylate/pyridine.
• Quy trình thực nghiệm chi tiết về kỹ thuật tổng hợp MOF-5 bằng phương pháp hoàn lưu nhiệt và phương pháp nhiệt dung môi.
• Quy trình hoạt hóa thay thế dung môi bằng DCM để giải phóng lỗ xốp.
• Các thông số cài đặt thực nghiệm của phương pháp phân tích XRD (thiết bị Siemens D5000), phương pháp đo diện tích bề mặt BET (thiết bị NOVA 2200), phổ FT-IR và ảnh hiển vi điện tử quét SEM.

Câu hỏi thường gặp

1. Thành phần cấu trúc cơ bản của vật liệu MOF-5 gồm những gì?
Vật liệu MOF-5 được cấu tạo từ đơn vị xây dựng thứ cấp (SBU) vô cơ là cụm tứ diện $\text{Zn}_4\text{O}$ liên kết với các cầu nối hữu cơ là anion 1,4-benzenedicarboxylate (BDC, dẫn xuất từ axit terephthalic $\text{H}_2\text{BDC}$) tạo thành mạng lưới tinh thể ba chiều dạng lập phương với kích thước vi mao quản trung bình khoảng $18{,}6\text{ \AA}$.

2. Điểm khác biệt giữa phương pháp nhiệt dung môi và phương pháp hoàn lưu nhiệt trong đồ án là gì?
Phương pháp nhiệt dung môi được thực hiện trong bình kín Autoclave ở nhiệt độ cao ($100 - 130^\circ\text{C}$) dưới áp suất tự sinh, tạo ra tinh thể có độ đồng đều và độ kết tinh cao. Phương pháp hoàn lưu nhiệt được tiến hành trong bình cầu có gắn ống sinh hàn ở áp suất khí quyển, giúp đơn giản hóa trang thiết bị thí nghiệm nhưng vẫn tổng hợp thành công tinh thể MOF-5.

3. Tại sao sau khi tổng hợp MOF-5 cần phải trao đổi dung môi với dichloromethane (DCM)?
Trong quá trình tổng hợp, các lỗ xốp của MOF-5 bị lấp đầy bởi dung môi phản ứng DMF có nhiệt độ sôi cao ($153^\circ\text{C}$), rất khó bay hơi hoàn toàn nếu chỉ sấy thông thường. Việc ngâm trao đổi dung môi với DCM (nhiệt độ sôi thấp, khoảng $39{,}6^\circ\text{C}$) giúp thay thế DMF trong các mao quản, từ đó dễ dàng loại bỏ hoàn toàn dung môi khi sấy chân không mà không làm sập khung cấu trúc xốp.

4. Thiết bị và thông số kỹ thuật được sử dụng để phân tích giản đồ XRD của MOF-5 trong nghiên cứu là gì?
Mẫu MOF-5 được phân tích trên máy nhiễu xạ tia X Siemens D5000 (Đức), sử dụng ống phát tia $\text{CuK}\alpha$ ($\lambda = 1{,}5406\text{ \AA}$) có lọc tia, hoạt động ở điện áp $40\text{ kV}$, cường độ dòng $40\text{ mA}$, góc quét $2\theta$ từ $5^\circ$ đến $70^\circ$, tốc độ quét $0{,}2^\circ/\text{phút}$ tại nhiệt độ thường.

5. Khả năng hấp phụ khí hydro ($H_2$) của MOF-5 đạt mức cao nhất là bao nhiêu theo số liệu thực nghiệm được công bố trong tài liệu?
Theo số liệu khảo sát tại $25^\circ\text{C}$, khả năng hấp phụ khí $H_2$ của MOF-5 tăng dần theo áp suất và đạt mức cao nhất là $47{,}18\text{ mg/g}$ (tương ứng thể tích $16{,}24\text{ cm}^3/\text{g}$) tại áp suất $35{,}49\text{ bar}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và tổng hợp vật liệu khung cơ – kim (MOF-5)" của sinh viên Lê Việt Trinh đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm. Nghiên cứu đã tổng hợp thành công vật liệu MOF-5 bằng cả phương pháp nhiệt dung môi trong Autoclave và phương pháp hoàn lưu nhiệt ở áp suất thường, đồng thời xác lập quy trình hoạt hóa trao đổi dung môi hiệu quả. Cấu trúc pha tinh thể lập phương, liên kết phối trí và hình thái học của vật liệu đã được kiểm chứng rõ ràng thông qua các phép phân tích XRD, IR, SEM và BET. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở thực nghiệm vững chắc cho việc phát triển các ứng dụng lưu trữ khí và xúc tác dị thể của vật liệu MOFs trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1. Lịch sử phát triển Từ lâu, các vật liệu có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt riêng lớn đã được ứng dụng trong công nghiệp như zeolite, alumino silicate…., đóng vai trò như một chất hấp phụ khí, xúc tác,…Tuy nhiên, những vật liệu đó có cấu trúc mạng lỗ xốp không đồng đều và diện tích bề mặt riêng còn thấp. Chính vì thế, các nhà khoa học đã cố gắng nghiên cứu ra những cấu trúc xốp đồng đều, diện tích bề mặt riêng lớn hơn và có ứng dụng hiệu quả hơn trong công nghiệp. Trong những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ XX, nhóm nghiên cứu của tác giả Yaghi tại trường Đại học Mỹ, đã tìm ra phương pháp kiến tạo có thể kiểm soát các lỗ xốp một cách chính xác, đánh dấu bước phát triển lịch sử trong việc tổng hợp các chất xúc tác rắn.

Năm 1996, tác giả Yaghi công bố cấu trúc của những vật liệu rắn xốp được tổng hợp từ phức kim loại Coban, Niken, Zine với Axít 1,3,5 – BTC dùng để lưu trữ khí H2 [23]. Năm 1997, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Omar M.Yaghi đã tìm ra loại vật liệu có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt riêng lớn, đó là vật liệu được xây dựng trên cơ sở bộ khung hữu cơ – kim loại (Metal – Organic Frameworks) viết tắt là MOFs. Nhóm của ông có nhiều công trình nghiên cứu đã được đăng trên các tạp chí uy tín như: Nature, Science, Journal of American,…Các công trình nghiên cứu tập trung vào các vấn đề thiết kế tổng hợp vật liệu MOFs có diện tích bề mặt riêng lớn, được ứng dụng để lưu trữ khí, hấp phụ khí, tách khí,…là tiền đề cho các nghiên cứu sau này phát triển thêm nhiều ứng dụng mới của vật liệu MOFs. Năm 2004, Yaghi và các đồng nghiệp tiếp tục tổng hợp, nghiên cứu thành công ứng dụng lưu trữ khí H2 của các IRMOF-1, IRMOF-8, IRMOF-18, IRMOF-11 và MOF-177 [15].

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 4 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp Đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐH BRVT Hình 1. Cấu trúc không gian của các vật liệu MOFs với các liên kết hữu cơ trên cơ sở axít carboxylic kết nối các tâm kim loại với nhau, do nhóm nghiên cứu của GS Omar M.Yaghi tổng hợp ra. Hình cầu trong mỗi cấu trúc minh họa cho không gian lớn nhất có trong lỗ xốp [19] Năm 2005, Yaghi và các đồng nghiệp tổng hợp MOF-69A, MOF-70, MOF- 80 dựa trên cầu nối carboxylic và các kim loại như Zn, Pb, Co, Mn và Tb [28]. Năm 2006, nhóm đã tổng hợp được MOF-500 có công thức (Fe3O)4(SO4).

Các vật liệu MOFs tổng hợp được có diện tích bề mặt riêng lớn, có thể đạt đến 5640 m2/g cho vật liệu MOF-177 (hình 1. MOF-177 được hình thành trên cơ sở Zn4O(COO)6 với liên kết hữu cơ là axít 1,3,5 – benzentribenzoic, có khả năng hấp thụ lượng khí CO2 lớn hơn trọng lượng của nó 150% ở nhiệt độ phòng và áp suất phù hợp (35 bar) [29]. Nhóm nghiên cứu của giáo sư Yaghi đã có thể thay đổi thành phần các nhóm kim loại – hữu cơ tùy ý, nhằm tạo ra những cấu trúc vật liệu mới có tính năng vượt trội hơn những vật liệu đã nghiên cứu trước đó như: như độ bền nhiệt, diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc lỗ xốp vững chắc… nhằm đáp ứng nhiều ứng dụng rộng rãi đầy hứa hẹn của những loại vật liệu xốp này trong các lĩnh vực như: xúc tác, phân tách hỗn hợp, lưu trữ khí…. Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 5 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp Đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐH BRVT Hình 1.

Sơ đồ tổng hợp MOF-177 Hình 1. Sơ đồ phản ứng tạo IRMOF-3 Khung hữu cơ – kim loại (MOFs) là nhóm vật liệu lai mới có cấu trúc xốp mở rộng, có các lỗ nhỏ li ti giống như hình tổ ong, được hình thành dựa trên sự liên kết của các ion kim loại chuyển tiếp và các cấu nối hữu cơ. Cấu trúc cơ bản của MOF thuộc loại vật liệu tinh thể, cấu tạo từ những cation kim loại hay nhóm cation kim loại liên kết với các phân tử hữu cơ (ligand) để hình thành cấu trúc có không gian ba chiều xốp và có bề mặt riêng lớn [32]. MOFs gồm những nhóm cation kim loại với các nhóm carboxylate (ligand).

Một cầu nối dicarboxylate được dùng làm tác nhân phản ứng hình thành một khối tứ diện với mỗi đỉnh là một nhóm carboxylate kim loại. Tính chất của các cầu nối hữu cơ khác nhau là khác nhau và là nhất biến, chúng cho phép quá trình lắp ghép các cầu nối vào bộ khung không gian ba chiều của vật liệu MOFs là duy nhất, cấu trúc vững chắc này có diện tích bề mặt riêng lớn và thể tích mao quản cao hơn hầu hết các loại cấu trúc xốp khác. MOFs là một tiềm năng vô tận để lưu trữ khí cũng như định hướng nghiên cứu vật liệu composite mới [19]. Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 6 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp Đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐH BRVT 1.

Cấu trúc đặc trưng của MOFs 1. Đơn vị xây dựng thứ cấp (SBUs) Việc mô tả các cấu trúc của MOFs là một vấn đề khó khăn và khó có sự giải thích hợp lý một khi chưa phân loại nó một cách rõ ràng. Nhóm nghiên cứu của giáo sư Omar M. Yaghi cùng cộng sự đã phát triển khái niệm SBUs.

Dựa vào đơn vị xây dựng thứ cấp (SBUs) mà có thể tiên đoán được cấu trúc hình học của các vật liệu tổng hợp, từ đó thiết kế và tổng hợp các lọai vật liệu xốp mới và có cấu trúc trạng thái xốp cao. Phần vô cơ của MOFs được gọi là đơn vị xây dựng thứ cấp (trong vật liệu MOF-5, SBU là nhóm Zn4O) [34]. Nhóm tác giả Michael O’Keeffe, Omar M. Yaghi mô tả hình học của 131 SBU và thành phần liên kết của chúng.

Trong khối SBU kim loại – oxy đa diện là xanh dương, khối đa diện xác định bằng nguyên tử cacbon màu đỏ. Trong khối SBU đa diện hữu cơ, mỗi cầu nối là mỗi đơn vị C6H4 màu xanh. Các cấu trúc hình học này là một SBU bao gồm 4 SBUs – tam giác màu xanh lá cây, các đơn vị cacboxylate này là một đỉnh của lăng trụ tam giác. Các SBU điển hình [19], [9], [34]: SBUs Tam giác (triangle) Zn – xanh , C – đen Co – xanh, C – đen Fe – đa diện vàng, C O – đỏ O – đỏ, S – vàng – đen, O – đỏ, S – vàng Khối tứ diện (Tetrahedon) V – đỏ cam, C – đen, Ti – nâu vàng nhạt, Li – xanh, C – đen, O O – đỏ C – đen, O – đỏ – đỏ.

Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 7 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp Đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐH BRVT Lăng trụ tam giác (trigonal prism) Kim loại (Fe, Cr, Kim loại (W, Nb, Mo – hồng, C – đen, Ru, Mn, V, Ni, Mo) – xám, C – O – đỏ, Br – nâu, P – Sc,…) – cam, C – đen, O – đỏ. đen, O – đỏ Bát diện (octahedra) Kim loại (Zn, Co, Kim loại (Er, Yb, Tb – tía, C – đen, O – Be) – xanh, C – Nd), C – đen, O – đỏ. Cuboctanhe- dron Ni – xanh, C – Kim loại (Fe, V) – đen, O – đỏ. Các SBUs đã được nghiên cứu [34] Các MOFs được tạo nên từ các SBU khác nhau thì sẽ có hình dạng và cấu trúc khác nhau.

Bên cạnh đó điều kiện tổng hợp và dung môi, nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến cấu trúc hình học của MOFs. Ví dụ như MOF-5 có hình dạng khối được tạo nên từ Zn4O, liên kết với BDC (hình 1.5), MOF-199 được tạo nên từ Cu2(CO2)4 hình bát diện liên kết với BTC có vị trí kim loại mở OM [10]. Do đó có thể dựa vào hình dạng hình học của các SBU để dự đoán được các dạng hình học của các cấu trúc MOFs tạo thành [21]. Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 8 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp Đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐH BRVT 1,4 – benzenenedicarboxylate (BDC) SBU Hình 1.

Sơ đồ minh họa hình thành MOF-5 [12]  + 1,3,5 – benzennetricarboxylate Cu2(CO2)4 (BTC) Cu2(C9H3O6)4/3 Hình 1. Sơ đồ minh họa hình thành MOF-199 [13] 1. Độ xốp cao MOFs có cấu trúc vách ngăn ở dạng phân tử còn các vật liệu truyền thống khác như zeolite thì không phải vách ngăn dày trong cấu trúc vật liệu. Vì thế, MOFs có diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp cao so với zeolite [27].

Tổng hợp vật liệu có diện tích bề mặt lớn là một vấn đề thách thức của các nhà nghiên cứu. Diện tích bề mặt cao nhất của cấu trúc mất trật tự carbon là 2030 m2/g, cấu trúc trật tự của zeolite Y là 904 m2/g. Đặc biệt với khung hữu cơ – kim loại, diện tích bề mặt lên tới 3000m2/g, MOF-177 đạt 5640m2/g [15], MOF-200 đạt 8000 m2/g. Yaghi thực hiện cắt mảng lớn thành mảng nhỏ hơn và tính toán diện tích bề mặt theo hình 1.6, diện tích bề mặt mảng lớn đơn là 2965 m2/g (hình 1.7 a), chuỗi các vòng sáu liên kết ở vị trí para tăng gấp đôi 5683 m2/g (hình 1.7 b), chia mảnh grapheme lớn thành các đơn vị 3 vòng liên kết với vòng trung tâm ở vị trí 1,3,5-, diện tích bề mặt đạt 6200 m2/g (hình 1.7 c), vòng đơn đạt 7745m2/g (hình 1.

Các cấu trúc vòng đặc sẽ làm tăng tối đa sự phơi bày các mặt, cạnh. Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 9 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp Đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐH BRVT a c b d Hình 1. Tổng hợp cấu trúc hóa học có diện tích bề mặt cao [16]. Kích thước lỗ xốp Các vật liệu xốp được phân chia theo các nhóm kích thước lỗ xốp sau: Microporous: đường kính lỗ xốp nhỏ hơn 2 nm.

Mesoporous: đường kính lỗ xốp từ 2 – 50 nm. Macroporous: đường kính lỗ xốp lớn hơn 20 nm. Hầu như các loại vật liệu MOFs đều thuộc nhóm microporous và mesoporous. Do diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ xốp lớn, MOFs có nhiều ứng dụng trong hấp phụ khí, trong xúc tác phản ứng hóa học [1].

Cấu trúc tinh thể MOF-5. MOF-5 bao gồm SBU Zn4O liên kết với nhau bằng 1,4-benzendicacboxylate tạo nên mạng lưới lập phương.