Nghiên cứu vật liệu HKUST-1 làm xúc tác chuyển hóa 4-nitrophenol thành 4-aminophenol

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. MỞ ĐẦU

1.1. Tổng quan về vật liệu MOFs

1.1.1. Giới thiệu về vật liệu MOFs

1.1.2. Tính chất của vật liệu MOFs

1.2. Tổng quan về vật liệu HKUST-1

1.2.1. Giới thiệu về vật liệu HKUST-1

1.2.2. Tổng hợp vật liệu HKUST-1

1.2.3. Ứng dụng của vật liệu HKUST-1

1.3. Giới thiệu phản ứng khử 4-NP để điều chế 4-AP

1.3.1. Tổng quan về phản ứng khử 4-NP

1.3.2. Cơ chế phản ứng khử 4-NP

1.3.3. Đánh giá động học của phản ứng khử 4-NP

1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới phản ứng khử 4-NP

1.4. Xúc tác hạt nano kim loại và ứng dụng trong phản ứng khử 4-NP

1.5. Định hướng nghiên cứu của luận án

2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất

2.2. Tổng hợp HKUST-1 theo phương pháp nhiệt dung môi

2.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp HKUST-1

2.4. Chế tạo xúc tác trên cơ sở vật liệu HKUST-1

2.4.1. Quy trình chế tạo xúc tác

2.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo xúc tác

2.5. Nghiên cứu phản ứng khử 4-NP thành 4-AP

2.6. Các phương pháp đặc trưng vật liệu, nguyên liệu và sản phẩm phản ứng

2.6.1. Phương pháp 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 hấp thụ hồng ngoại

2.6.5. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ

2.6.6. Phương pháp phân tích nhiệt

2.6.7. Phương pháp giải hấp phụ theo chương trình nhiệt độ

2.6.8. Phương pháp tán xạ điện tử

2.6.9. Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân

2.6.10. Phương pháp tử ngoại – khả kiến

2.6.11. Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao

2.6.12. Phương pháp xác định độ hấp phụ

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu HKUST-1

3.1.1. Ảnh hưởng của các nguồn đồng khác nhau

3.1.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ Cu2+ /BTC3-

3.1.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi/nước

3.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ kết tinh

3.1.5. Ảnh hưởng của thời gian kết tinh

3.1.6. Ảnh hưởng của quá trình xử lý sau kết tinh

3.1.7. Đặc trưng của HKUST-1 được tổng hợp trong điều kiện thích hợp

3.1.7.1. Giản đồ hấp phụ và giải hấp phụ N2

3.1.7.2. Giản đồ phân tích nhiệt và độ bền nhiệt của HKUST-1

3.1.7.3. Kết quả giải hấp phụ theo chương trình nhiệt độ

3.1.7.4. Độ lặp lại của quy trình tổng hợp

3.1.7.5. Đánh giá chung về mẫu HKUST-1 được tổng hợp trong điều kiện thích hợp

3.2. Biến tính kim loại trên cơ sở vật liệu HKUST-1 tổng hợp được

3.2.1. Xác định kim loại biến tính trên HKUST-1

3.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính HKUST-1 bằng Pt

3.3. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu HKUST-1 bằng phản ứng khử hoá 4-NP thành 4-AP

3.3.1. Khả năng xúc tác của vật liệu HKUST-1 và HKUST-1 biến tính Pt

3.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng Pt trong xúc tác HKUST-1

3.3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ 4-NP/NaBH4

3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

3.3.5. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng

3.4. Kết quả nghiên cứu phản ứng chuyển hoá 4-AP từ 4-NP sử dụng xúc tác trên cơ sở HKUST-1

ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu HKUST 1 làm xúc tác

Nghiên cứu về vật liệu HKUST-1 đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực hóa học, đặc biệt là trong ứng dụng làm xúc tác cho các phản ứng chuyển hóa. HKUST-1, hay còn gọi là MOF-199, là một trong những vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) nổi bật với cấu trúc 3 chiều và tính chất hấp phụ vượt trội. Vật liệu này được hình thành từ các dimer Cu liên kết với acid benzene-1,3,5-tricarboxylic, tạo ra hệ thống mao quản có kích thước lớn, cho phép hấp phụ hiệu quả nhiều loại khí và dung môi. Việc nghiên cứu HKUST-1 không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của nó mà còn mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các xúc tác hiệu quả cho phản ứng hóa học.

1.1. Giới thiệu về vật liệu HKUST 1 và ứng dụng

HKUST-1 là một trong những vật liệu MOFs được nghiên cứu nhiều nhất. Với cấu trúc mao quản lớn và diện tích bề mặt cao, HKUST-1 có khả năng hấp phụ tốt các khí độc hại và dung môi hữu cơ. Vật liệu này được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ lưu trữ khí đến xúc tác trong các phản ứng hóa học.

1.2. Tính chất nổi bật của HKUST 1 trong xúc tác

HKUST-1 không chỉ có cấu trúc ổn định mà còn có khả năng xúc tác cao trong các phản ứng chuyển hóa. Tính chất này đến từ khả năng hấp phụ và tương tác với các chất phản ứng, giúp tăng cường hiệu suất chuyển hóa.

II. Thách thức trong việc chuyển hóa 4 nitrophenol thành 4 aminophenol

Chuyển hóa 4-nitrophenol (4-NP) thành 4-aminophenol (4-AP) là một trong những phản ứng quan trọng trong hóa học hữu cơ. Tuy nhiên, quá trình này gặp nhiều thách thức, bao gồm việc tìm kiếm xúc tác hiệu quả và điều kiện phản ứng tối ưu. 4-NP là một hợp chất độc hại, do đó việc chuyển hóa nó thành 4-AP, một tiền chất quan trọng trong sản xuất dược phẩm, là rất cần thiết. Việc sử dụng HKUST-1 làm xúc tác cho phản ứng này đã mở ra nhiều triển vọng mới.

2.1. Vấn đề về độc tính của 4 nitrophenol

4-NP là một hợp chất độc hại, có thể gây ra nhiều tác động xấu đến sức khỏe con người và môi trường. Do đó, việc chuyển hóa nó thành 4-AP là cần thiết để giảm thiểu tác động tiêu cực này.

2.2. Thách thức trong việc tìm kiếm xúc tác hiệu quả

Một trong những thách thức lớn nhất trong phản ứng chuyển hóa 4-NP là tìm kiếm xúc tác có hiệu suất cao. HKUST-1 đã được chứng minh là một lựa chọn tiềm năng, nhưng cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa điều kiện phản ứng.

III. Phương pháp tổng hợp vật liệu HKUST 1 hiệu quả

Phương pháp tổng hợp HKUST-1 chủ yếu dựa trên kỹ thuật nhiệt dung môi, cho phép tạo ra vật liệu với độ tinh thể cao và diện tích bề mặt lớn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh các yếu tố như tỉ lệ Cu2+/BTC3-, nhiệt độ và thời gian kết tinh có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của vật liệu. Việc sử dụng dung môi thân thiện như nước và ethanol cũng là một điểm nhấn trong nghiên cứu này.

3.1. Quy trình tổng hợp HKUST 1 bằng phương pháp nhiệt dung môi

Quy trình tổng hợp HKUST-1 bằng phương pháp nhiệt dung môi bao gồm việc hòa tan các thành phần trong dung môi và tiến hành kết tinh ở nhiệt độ thích hợp. Phương pháp này giúp tạo ra vật liệu với cấu trúc ổn định và hiệu suất cao.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp

Các yếu tố như tỉ lệ Cu2+/BTC3-, nhiệt độ và thời gian kết tinh có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của HKUST-1. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể nâng cao hiệu suất và độ bền của vật liệu.

IV. Khảo sát hoạt tính xúc tác của HKUST 1 trong phản ứng khử 4 NP

Hoạt tính xúc tác của HKUST-1 trong phản ứng khử 4-NP thành 4-AP đã được khảo sát kỹ lưỡng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc biến tính HKUST-1 với các kim loại như Pt có thể nâng cao đáng kể hiệu suất xúc tác. Các yếu tố như nhiệt độ phản ứng, tỉ lệ chất phản ứng và thời gian phản ứng cũng được xem xét để tối ưu hóa quá trình chuyển hóa.

4.1. Đánh giá hoạt tính xúc tác của HKUST 1

Hoạt tính xúc tác của HKUST-1 được đánh giá thông qua khả năng chuyển hóa 4-NP thành 4-AP. Nghiên cứu cho thấy HKUST-1 có khả năng xúc tác tốt, đặc biệt khi được biến tính với kim loại.

4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác

Nhiệt độ phản ứng, tỉ lệ 4-NP/NaBH4 và thời gian phản ứng là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác của HKUST-1. Việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể giúp nâng cao đáng kể hiệu suất chuyển hóa.

V. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của HKUST 1

Kết quả nghiên cứu cho thấy HKUST-1 không chỉ có khả năng xúc tác tốt trong phản ứng khử 4-NP mà còn có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Việc sử dụng HKUST-1 trong các phản ứng hóa học có thể giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và nâng cao hiệu suất sản xuất. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các xúc tác hiệu quả và thân thiện với môi trường.

5.1. Kết quả chuyển hóa 4 NP thành 4 AP

Kết quả nghiên cứu cho thấy HKUST-1 có khả năng chuyển hóa 4-NP thành 4-AP với hiệu suất cao. Việc biến tính với kim loại như Pt đã nâng cao đáng kể hiệu suất này.

5.2. Ứng dụng của HKUST 1 trong các lĩnh vực khác

Ngoài ứng dụng trong phản ứng khử 4-NP, HKUST-1 còn có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như lưu trữ khí, hấp phụ chất độc hại và trong các phản ứng hóa học khác.

VI. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu HKUST 1

Nghiên cứu về HKUST-1 đã mở ra nhiều triển vọng mới trong lĩnh vực xúc tác và hóa học hữu cơ. Việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp và khảo sát hoạt tính xúc tác của HKUST-1 sẽ tiếp tục là những hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai. Sự phát triển của HKUST-1 không chỉ giúp nâng cao hiệu suất trong các phản ứng hóa học mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

6.1. Tương lai của nghiên cứu HKUST 1

Nghiên cứu về HKUST-1 sẽ tiếp tục được mở rộng với nhiều ứng dụng mới. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả và thân thiện với môi trường sẽ là mục tiêu hàng đầu.

6.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Định hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện hoạt tính xúc tác của HKUST-1 và khám phá các ứng dụng mới trong lĩnh vực hóa học và môi trường.

Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu HKUST-1 làm xúc tác cho phản ứng chuyển hóa 4-nitrophenol thành 4-aminophenol