Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp dệt may, nhuộm, sơn, giấy, da và in ấn, đang tạo ra những áp lực nghiêm trọng đối với môi trường nước. Thống kê cho thấy hơn 100.000 sản phẩm thuốc nhuộm thương mại đã và đang được thải ra hệ sinh thái tự nhiên. Trong số các hợp chất hữu cơ độc hại, Methyl Orange (MO) – một loại thuốc nhuộm azo tan trong nước – được sử dụng rộng rãi trong quy trình sản xuất dệt may và các phòng thí nghiệm. Do cấu trúc vòng thơm bền vững, Methyl Orange rất khó bị phân hủy sinh học tự nhiên và có độc tính cao ngay cả ở nồng độ thấp. Khi xâm nhập vào cơ thể sinh vật, dưới tác động của hệ vi sinh vật và enzyme đường ruột, Methyl Orange bị phân cắt liên kết azo tạo thành các amine thơm có nguy cơ gây ung thư.

Trước thực trạng đó, các phương pháp xử lý như keo tụ - tạo bông, hấp phụ, tách màng, oxy hóa hóa học và phân hủy quang xúc tác đã được nghiên cứu triển khai. Trong đó, quang xúc tác nổi lên như một giải pháp thân thiện với môi trường nhờ khả năng khoáng hóa triệt để các chất ô nhiễm hữu cơ thành các chất vô hại mà không tạo ra bùn thải thứ cấp độc hại. Vật liệu quang xúc tác truyền thống phổ biến nhất là Titanium Dioxide ($\text{TiO}_2$) có độ bền cao và chi phí thấp, nhưng lại sở hữu năng lượng vùng cấm lớn ($\sim 3{,}2\text{ eV}$), chỉ hấp thụ được bức xạ trong vùng tử ngoại (chiếm dưới 5% quang phổ ánh sáng mặt trời).

Để khắc phục nhược điểm này, hướng nghiên cứu vật liệu khung hữu cơ - kim loại (Metal-Organic Frameworks - MOFs) biến tính với các phối tử hữu cơ có hoạt tính quang học mạnh đang thu hút sự chú ý. Vật liệu Al-MOF chứa tâm kim loại nhôm ($\text{Al}^{3+}$) liên kết với cầu nối porphyrin (Al-PMOF) kết hợp được độ bền nhiệt, bền hóa học cao của mạng lưới nhôm - carboxylate với khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến mạnh mẽ của vòng porphyrin.

Khóa luận xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Tổng hợp thành công phối tử hữu cơ porphyrin: [tetra(4-carboxyphenyl)porphyrin] ($\text{H}_4\text{TCPP}$).
  2. Tổng hợp vật liệu khung hữu cơ - kim loại Al-MOF với cầu nối porphyrin (kí hiệu là Al-PMOF) bằng phương pháp nhiệt dung môi.
  3. Khảo sát đặc trưng cấu trúc hóa lý và đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu Al-PMOF trong quá trình phân hủy phẩm nhuộm Methyl Orange trong môi trường nước dưới bức xạ ánh sáng khả kiến.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Phối tử $\text{H}4\text{TCPP}$, vật liệu Al-PMOF và phẩm nhuộm Methyl Orange ($\text{C}{14}\text{H}_{14}\text{N}_3\text{NaO}_3\text{S}$).
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Hóa lý, Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh phối hợp cùng Viện Công nghệ Hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), tập trung vào phản ứng quang xúc tác dưới nguồn sáng LED khả kiến công suất 50 W.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và nguyên lý hoạt động

  • Vật liệu khung hữu cơ - kim loại (MOFs): Mạng lưới phối trí ba chiều (3D) có độ trật tự cao, hình thành từ các ion/cluster kim loại đóng vai trò nút mạng và các phân tử hữu cơ đóng vai trò cầu nối (linker). MOFs sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp cao và kích thước mao quản có thể điều chỉnh linh hoạt.
  • Vật liệu Al-MOF dựa trên Porphyrin: Ion $\text{Al}^{3+}$ là một acid cứng, tạo liên kết phối trí bền vững với nhóm base cứng carboxylate ($-\text{COO}^-$) của linker porphyrin, tạo nên độ bền hóa học và độ bền nhiệt vượt trội. Khung porphyrin chứa hệ liên hợp $\pi$ mở rộng đóng vai trò chất nhạy hóa quang học, giúp dịch chuyển bờ hấp thụ ánh sáng của vật liệu về vùng khả kiến.
  • Cơ chế quang xúc tác: Khi được kích thích bởi photon ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm ($h\nu \ge E_g$), electron ($\text{e}^-$) chuyển dịch từ orbital phân tử chiếm dụng cao nhất (HOMO) lên orbital phân tử chưa chiếm dụng thấp nhất (LUMO), để lại lỗ trống mang điện tích dương ($\text{h}^+$) tại HOMO. Electron tại LUMO khử oxy hòa tan thành gốc superoxide ($\text{O}_2^{\bullet-}$), trong khi lỗ trống $\text{h}^+$ oxy hóa nước hoặc nhóm hydroxyl tạo gốc hydroxyl ($\text{HO}^\bullet$). Các gốc tự do có tính oxy hóa mạnh này sẽ phân hủy cấu trúc phẩm nhuộm hữu cơ.

Quy trình thực nghiệm và phương pháp tổng hợp

  • Tổng hợp Linker $\text{H}_4\text{TCPP}$: Hòa tan Methyl 4-formylbenzoate ($6{,}9\text{ g}; 42{,}0\text{ mmol}$) trong $100\text{ mL}$ acid propionic, nhỏ giọt pyrrole ($3\text{ mL}; 43{,}2\text{ mmol}$) và đun hồi lưu ở $170^\circ\text{C}$ trong 24 giờ. Sản phẩm ester TCPP-COOMe được lọc, rửa với methanol, ethyl acetate, THF và sấy khô. Tiếp tục xà phòng hóa ester bằng dung dịch $\text{KOH}$ ở $70^\circ\text{C}$ trong 18 giờ, sau đó acid hóa bằng dung dịch $\text{HCl}$ đặc để thu nhận $\text{H}_4\text{TCPP}$.
  • Tổng hợp vật liệu Al-PMOF: Sử dụng phương pháp nhiệt dung môi (solvothermal). Hòa tan $100\text{ mg}$ $\text{H}_4\text{TCPP}$ ($126{,}6\text{ mmol}$) và $60\text{ mg}$ $\text{AlCl}_3\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ vào $10\text{ mL}$ $\text{H}_2\text{O}$, phân tán bằng siêu âm trong 1 giờ, sau đó gia nhiệt trong bình phản ứng kín ở $180^\circ\text{C}$ trong 24 giờ. Sản phẩm tinh thể được rửa bằng $N,N\text{-dimethylformamide}$ (DMF), trao đổi dung môi với acetone và sấy chân không ở $60^\circ\text{C}$.
  • Khảo sát phản ứng quang xúc tác: Phân tán $10\text{ mg}$ Al-PMOF vào $40\text{ mL}$ dung dịch Methyl Orange nồng độ $100\text{ mg}\cdot\text{L}^{-1}$. Hỗn hợp được khuấy trong bóng tối 30 phút để thiết lập cân bằng hấp phụ - giải hấp. Sau đó, bổ sung $500\ \mu\text{L}$ $\text{H}_2\text{O}2$ (đối với hệ có chất nhận electron) và chiếu sáng bằng đèn White LED hình chữ U công suất 50 W. Nồng độ Methyl Orange còn lại theo thời gian được xác định bằng phương pháp đo quang tại bước sóng hấp thụ cực đại $\lambda{\max} = 463\text{ nm}$ dựa trên phương trình đường chuẩn $y = 0{,}0654x$.

Phương pháp phân tích hóa lý hiện đại

  • Nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD): Đo trên thiết bị Bruker D8 Advance, nguồn bức xạ $\text{Cu } K\alpha$ ($\lambda = 1{,}5406\text{ \AA}$) để xác định cấu trúc pha tinh thể.
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Ghi phổ trên máy Jasco FT/IR-6600 để định danh các nhóm chức hóa học.
  • Phân tích nhiệt vi sai và khối lượng (TGA-DSC): Thực hiện trên thiết bị Labsys Evo 1600 TGA-SETARAM từ nhiệt độ phòng đến $800^\circ\text{C}$.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) & Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX): Đo trên thiết bị FESEM S-4800 (Hitachi) tích hợp đầu dò EDX Horiba H-7593 nhằm đánh giá hình thái bề mặt và thành phần nguyên tố.
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Đo trên thiết bị Jeol 1010 (Hitachi) quan sát kích thước hạt nano.
  • Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến (UV-Vis DRS): Xác định bờ hấp thụ quang học và năng lượng vùng cấm ($E_g$) thông qua phương trình Tauc plot: $(\alpha h\nu)^2 = A(h\nu - E_g)$.
  • Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt $\text{N}_2$ tại 77 K: Xác định diện tích bề mặt riêng theo mô hình BET.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu khung hữu cơ - kim loại (MOFs), phân tích cấu trúc phối trí giữa cluster kim loại và phối tử hữu cơ. Tác giả tổng thuật 4 phương pháp tổng hợp MOFs chính: phương pháp nhiệt dung môi, phương pháp chiếu xạ vi sóng, phương pháp điện hóa và phương pháp siêu âm, nêu bật ưu nhược điểm của từng phương pháp đối với chất lượng tinh thể và độ tinh khiết sản phẩm.

Về mặt ứng dụng, chương 1 trình bày tiềm năng của MOFs trong hấp phụ - tách lọc khí, phân phối dẫn truyền thuốc, xúc tác dị thể và xúc tác quang xử lý chất ô nhiễm hữu cơ. Đồng thời, tác giả đi sâu vào nhóm vật liệu Al-MOF chứa phối tử porphyrin ($\text{H}_4\text{TCPP}$), phân tích tính chất của tâm acid cứng $\text{Al}^{3+}$ và hệ vòng thơm porphyrin nhạy quang. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước chỉ ra rằng việc thu hẹp năng lượng vùng cấm của MOF nền nhôm bằng khung porphyrin là hướng tiếp cận khả thi để phân hủy hiệu quả các phẩm nhuộm hữu cơ khó xử lý như Methyl Orange dưới ánh sáng khả kiến.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 trình bày chi tiết toàn bộ hóa chất, dụng cụ, thiết bị và các quy trình tổng hợp:

  • Mô tả chi tiết quy trình 2 bước tổng hợp linker hữu cơ $\text{H}_4\text{TCPP}$ từ Methyl 4-formylbenzoate và pyrrole thông qua chất trung gian ester TCPP-COOMe.
  • Quy trình tổng hợp vật liệu Al-PMOF bằng phương pháp nhiệt dung môi tại $180^\circ\text{C}$ trong 24 giờ.
  • Thiết lập quy trình khảo sát quang xúc tác phân hủy Methyl Orange ($100\text{ mg}\cdot\text{L}^{-1}$) với các điều kiện đối chứng: trong tối, ngoài sáng, có/không có xúc tác Al-PMOF, có/không có chất oxy hóa $\text{H}_2\text{O}_2$.
  • Trình bày nguyên lý đo đạc và thông số vận hành của các thiết bị phân tích hiện đại (PXRD, FT-IR, TGA-DSC, SEM, TEM, EDX-mapping, UV-Vis DRS, UV-Vis hấp thụ).

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 tập trung vào các kết quả phân tích cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của Al-PMOF:

  • Đặc trưng cấu trúc tinh thể: Cấu trúc Al-PMOF kết tinh trong nhóm không gian Cmmm, thông số ô mạng cơ sở $a = 31{,}978\text{ \AA}$, kích thước lỗ xốp đạt $6 \times 11\text{ \AA}$, tương thích với kích thước hình học của phân tử Methyl Orange ($5{,}2 \times 6{,}1 \times 16{,}1\text{ \AA}$), tạo điều kiện cho chất màu khuếch tán sâu vào bên trong mao quản.
  • Độ tinh khiết pha và độ bền nhiệt: Giản đồ PXRD của mẫu Al-PMOF thực nghiệm trùng khớp hoàn toàn với giản đồ mô phỏng lý thuyết. Phân tích TGA-DSC cho thấy vật liệu bền nhiệt đến $350^\circ\text{C}$; từ $350^\circ\text{C}$ đến $800^\circ\text{C}$ cấu trúc khung bị phân hủy hoàn toàn kèm theo mũi tỏa nhiệt tại $469{,}4^\circ\text{C}$.
  • Liên kết hóa học và diện tích bề mặt: Phổ FT-IR ghi nhận các dải dao động đặc trưng của nhóm $\text{C=O}$ ($1605\text{--}1661\text{ cm}^{-1}$), $\text{C=C}$ ($1553\text{ cm}^{-1}$), $\text{C-N}$ ($1381\text{ cm}^{-1}$) và liên kết $\text{N-H}$ của vòng pyrrole. Diện tích bề mặt riêng BET đạt giá trị $1402\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}$.
  • Hình thái hạt và tính chất quang: Ảnh SEM và TEM chỉ ra vật liệu có cấu trúc khối nano với kích thước hạt trung bình $100\text{--}200\text{ nm}$. Phổ EDX-mapping xác nhận sự phân bố đồng đều của các nguyên tố C, Al và O. Năng lượng vùng cấm của Al-PMOF xác định từ phổ UV-Vis DRS và đồ thị Tauc plot đạt $1{,}8\text{ eV}$, khẳng định khả năng hoạt động tốt trong vùng ánh sáng khả kiến.
  • Hoạt tính quang xúc tác: Khi không có xúc tác hoặc chỉ có $\text{H}_2\text{O}_2$, Methyl Orange gần như không bị phân hủy (< 5%). Khi có Al-PMOF dưới ánh sáng khả kiến, Methyl Orange giảm 50% trong 30 phút đầu nhưng chậm dần sau đó do sự tái hợp cặp quang sinh $\text{e}^-/\text{h}^+$. Khi bổ sung thêm $\text{H}_2\text{O}_2$ làm chất bẫy electron, hiệu suất phân hủy Methyl Orange đạt $98%$ sau 420 phút chiếu sáng.
  • Độ bền tái sử dụng và so sánh hiệu năng: Sau 5 chu kỳ phản ứng liên tiếp, hiệu suất quang xúc tác của Al-PMOF vẫn duy trì ở mức xấp xỉ $92%$. Giản đồ PXRD sau 5 chu kỳ khẳng định khung cấu trúc vật liệu không bị biến tính hay phá hủy.

Bảng so sánh hiệu suất phân hủy Methyl Orange của Al-PMOF với các hệ vật liệu khác được trích xuất từ văn bản:

Vật liệu Nồng độ MO ($\text{mg}\cdot\text{L}^{-1}$) Thời gian (phút) Hiệu suất (%) Nguồn tham khảo
Polyvinylene fluoride/PEDOT mats 10 120 70 [59]
Graphene oxide/ZnO 10 80 75 [60]
NiO nanoflakes 10 120 84,6 [61]
CuO nanoflakes 10 120 93,2 [61]
Mesoporous ZSM-5 zeolite 10 380 94,3 [62]
$\text{UiO-66-NH}_2$ 100 180 87,4 [63]
Catechol/amine resin 100 360 94,5 [64]
$\text{LDH@Fe}_3\text{O}_4/\text{PVA}$ 100 540 97 [65]
Al-PMOF 100 420 98 Khóa luận này

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Tổng hợp thành công phối tử $\text{H}_4\text{TCPP}$ và vật liệu khung hữu cơ - kim loại Al-PMOF đơn pha bằng phương pháp nhiệt dung môi.
  • Xác định đầy đủ các thông số cấu trúc hóa lý: ô mạng tinh thể thuộc nhóm không gian Cmmm ($a = 31{,}978\text{ \AA}$), kích thước lỗ xốp $6 \times 11\text{ \AA}$, diện tích bề mặt riêng BET đạt $1402\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}$, độ bền nhiệt ổn định đến $350^\circ\text{C}$, kích thước hạt nano $100\text{--}200\text{ nm}$ và năng lượng vùng cấm hẹp $E_g = 1{,}8\text{ eV}$.
  • Đạt hiệu suất quang xúc tác phân hủy Methyl Orange lên đến $98%$ ở nồng độ cao ($100\text{ mg}\cdot\text{L}^{-1}$) sau 420 phút chiếu sáng khả kiến khi có mặt tác nhân oxy hóa $\text{H}_2\text{O}_2$.
  • Chứng minh độ ổn định cấu trúc và khả năng tái sử dụng của vật liệu qua 5 chu kỳ liên tiếp với hiệu suất duy trì trên $92%$.

Đóng góp của đề tài

  • Làm chủ quy trình tổng hợp vật liệu Al-MOF gắn cầu nối porphyrin từ các tiền chất hóa học ban đầu, kiểm soát tốt độ tinh khiết và cấu trúc pha tinh thể.
  • Cung cấp dẫn liệu thực nghiệm về việc kết hợp tâm kim loại nhôm bền vững với vòng porphyrin nhạy quang nhằm hạ thấp năng lượng vùng cấm ($E_g = 1{,}8\text{ eV}$), mở ra tiềm năng ứng dụng vật liệu MOFs trong xử lý chất màu hữu cơ bằng ánh sáng mặt trời/ánh sáng khả kiến thay cho vùng tử ngoại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Khi không có mặt tác nhân oxy hóa $\text{H}_2\text{O}_2$, hiệu suất quang xúc tác của Al-PMOF bị hạn chế do tốc độ tái hợp nhanh của các cặp electron - lỗ trống quang sinh ($\text{e}^-/\text{h}^+$). Đồng thời, thực nghiệm mới chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm trên đối tượng đơn phẩm nhuộm Methyl Orange trong môi trường nước cất.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tiếp tục thử nghiệm và đánh giá khả năng quang xúc tác của vật liệu Al-PMOF trên nhiều loại phẩm nhuộm hữu cơ và hợp chất ô nhiễm khác nhau.
    • Mở rộng cấu trúc mạng lưới bằng cách gắn kết hoặc đan cài các ion kim loại chuyển tiếp khác nhau vào tâm vòng porphyrin để khảo sát ảnh hưởng lên hiệu quả quang xúc tác.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa lý, Hóa vô cơ, Khoa học Vật liệu, Công nghệ Kỹ thuật Môi trường và Công nghệ Hóa học.
  • Nội dung giá trị:
    • Quy trình chi tiết tổng hợp phối tử hữu cơ porphyrin $\text{H}_4\text{TCPP}$ và vật liệu Al-PMOF bằng phương pháp nhiệt dung môi.
    • Bộ dữ liệu thực nghiệm đối sánh đa phương pháp (PXRD, FT-IR, TGA-DSC, SEM, TEM, EDX-mapping, UV-Vis DRS, BET) giúp ích cho việc nghiên cứu cấu trúc vật liệu nano xốp.
    • Phương pháp bố trí thí nghiệm quang xúc tác và quy trình kiểm tra độ bền tái sinh của vật liệu xúc tác dị thể.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng lượng vùng cấm của vật liệu Al-PMOF là bao nhiêu và được xác định bằng phương pháp nào?
Năng lượng vùng cấm của Al-PMOF là $1{,}8\text{ eV}$, được xác định thông qua phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến (UV-Vis DRS) kết hợp đồ thị Tauc plot $(\alpha h\nu)^2$ theo $h\nu$. Mức năng lượng này cho phép vật liệu kích hoạt tốt dưới bức xạ ánh sáng khả kiến.

2. Kích thước mao quản của Al-PMOF có phù hợp để xử lý Methyl Orange không?
Có. Cấu trúc Al-PMOF có kích thước lỗ xốp đạt $6 \times 11\text{ \AA}$, hoàn toàn tương thích để phân tử Methyl Orange (kích thước $5{,}2 \times 6{,}1 \times 16{,}1\text{ \AA}$) khuếch tán và hấp phụ vào bên trong các kênh rỗng của khung mạng.

3. Tại sao cần bổ sung $\text{H}_2\text{O}_2$ vào hệ phản ứng quang xúc tác của Al-PMOF?
Do Al-PMOF có năng lượng vùng cấm thấp, các electron quang sinh tại phân mức LUMO dễ dàng tái hợp với lỗ trống tại phân mức HOMO. Dung dịch $\text{H}_2\text{O}_2$ được thêm vào đóng vai trò là chất oxy hóa bẫy electron, làm giảm xác suất tái hợp $\text{e}^-/\text{h}^+$, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy Methyl Orange lên $98%$.

4. Khả năng tái sử dụng và độ bền cấu trúc của Al-PMOF sau nhiều chu kỳ phản ứng như thế nào?
Sau 5 chu kỳ tái sử dụng liên tiếp (được rửa và trao đổi dung môi bằng ethanol), vật liệu Al-PMOF vẫn duy trì hiệu suất xử lý Methyl Orange khoảng $92%$. Phân tích giản đồ PXRD của mẫu sau phản ứng cho thấy cấu trúc tinh thể hoàn toàn trùng khớp với mẫu ban đầu.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã nghiên cứu và tổng hợp thành công vật liệu khung hữu cơ - kim loại Al-PMOF mang phối tử porphyrin $\text{H}_4\text{TCPP}$ với diện tích bề mặt riêng BET đạt $1402\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}$ và năng lượng vùng cấm $1{,}8\text{ eV}$. Vật liệu thể hiện hoạt tính quang xúc tác cao trong vùng ánh sáng khả kiến, đạt hiệu suất phân hủy Methyl Orange $98%$ sau 420 phút khi có mặt $\text{H}_2\text{O}_2$ và duy trì độ bền cấu trúc ổn định qua 5 chu kỳ tái sử dụng. Kết quả nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tế của họ vật liệu Al-PMOF trong lĩnh vực xử lý nước thải ô nhiễm thuốc nhuộm dệt may.