Nghiên cứu vật liệu nano ZIF-8 làm chất xúc tác cho phản ứng benzaldehyde và ethyl cyanoacetate

MỞ ĐẦU

1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ - KIM LOẠI (MOFs)

1.1. Giới thiệu về MOFs

1.2. Thành phần và cấu trúc của MOFs

1.3. Phƣơng pháp tổng hợp

1.4. Tổng quan về vật liệu ZIF-8

1.4.1. Giới thiệu về ZIFs

1.4.2. Thành phần, đặc điểm cấu trúc của ZIF-8

1.4.3. Quá trình phát triển tinh thể của ZIF-8

1.4.4. Phƣơng pháp tổng hợp

1.4.5. Phản ứng ngƣng tụ Knoevenagel

2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG 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 phƣơng pháp nhiệt dung môi

2.3. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến đặc trƣng của vật liệu ZIF-8

2.4. Nghiên cứu phản ứng ngƣng tụ Knoevenagel giữa benzaldehyde và ethyl cyanoacetate. Thiết bị, hóa chất

2.5. Thực hiện phản ứng

2.6. Phƣơng pháp sắc ký khí (GC) và sắc ký khí - khối phổ (GC - MS) đánh giá nguyên liệu và sản phẩm phản ứng

2.7. Các phƣơng pháp đặc trƣng vật liệu nghiên cứu

2.7.1. Phƣơng pháp phổ nhiễu xạ Rơnghen

2.7.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét

2.7.3. Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua

2.7.4. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại

2.7.5. Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nittơ

2.7.6. Phƣơng pháp phân tích nhiệt

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tổng hợp vật liệu ZIF-8

3.1.1. Ảnh hƣởng của các muối kẽm khác nhau

3.1.2. Ảnh hƣởng của dung môi hữu cơ

3.1.3. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng muối kẽm

3.1.4. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng dung môi methanol

3.1.5. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Hmim

3.1.6. Ảnh hƣởng của quá trình khuấy trộn giai đoạn kết tinh

3.1.7. Ảnh hƣởng của thời gian kết tinh

3.1.8. Ảnh hƣởng của nhiệt độ kết tinh

3.1.9. Ảnh hƣởng của nhiệt độ sấy sản phẩm

3.2. So sánh một số phƣơng pháp tổng hợp

3.3. Đặc trƣng của ZIF-8 đƣợc 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 ngƣng tụ Knoevenagel giữa benzaldehyde với ethylcyanoaxetate

3.5.1. Giải hấp phụ theo chƣơng trình nhiệt độ của xúc tác ZIF-8

3.5.2. Phản ứng giữa benzaldehyde và ethylcyanoacetate

3.5.3. Ảnh hƣởng của tỉ lệ chất phản ứng

3.5.4. Ảnh hƣởng của thời gian phản ứng

3.5.5. Ảnh hƣởng của nhiệt độ phản ứng

3.5.6. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất xúc tác

TÀI LIỆU THAM KHẢO

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, có cấu trúc tinh thể độc đáo với các ion Zn2+ liên kết với 2-methylimidazole. Vật liệu này nổi bật với độ bền hóa học và nhiệt, cùng với diện tích bề mặt lớn, cho phép ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xúc tác và hấp phụ khí. Đặc điểm cấu trúc của ZIF-8 cho phép nó hoạt động hiệu quả trong các phản ứng hóa học, đặc biệt là phản ứng ngưng tụ Knoevenagel giữa benzaldehyde và ethyl cyanoacetate. Việc nghiên cứu và phát triển ZIF-8 không chỉ giúp cải thiện hiệu suất xúc tác mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghiệp hóa chất.

1.1. Đặc điểm cấu trúc của ZIF 8

ZIF-8 có cấu trúc tinh thể với hệ thống vi mao quản đồng đều, cho phép tăng cường khả năng hấp phụ và xúc tác. Cấu trúc này được hình thành từ sự kết hợp của các ion kẽm và phân tử hữu cơ, tạo ra một mạng lưới vững chắc. Đặc điểm này không chỉ giúp ZIF-8 có độ bền cao mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng hóa học diễn ra. Nghiên cứu cho thấy ZIF-8 có khả năng hoạt động như một chất xúc tác hiệu quả trong phản ứng giữa benzaldehyde và ethyl cyanoacetate, nhờ vào tính axit và bazơ của các thành phần trong cấu trúc của nó.

II. 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 hữu cơ phức tạp từ các thành phần đơn giản. Trong nghiên cứu này, ZIF-8 được sử dụng làm chất xúc tác cho phản ứng giữa benzaldehyde và ethyl cyanoacetate. Việc sử dụng ZIF-8 không chỉ giúp tăng cường hiệu suất phản ứng mà còn cải thiện độ chọn lọc sản phẩm. Kết quả cho thấy, với sự hiện diện của ZIF-8, độ chuyển hóa của benzaldehyde đạt 93,63% và độ chọn lọc sản phẩm chính ethyl (E) α-Cyanocinnamate đạt 99,46%. Điều này chứng tỏ rằng ZIF-8 có tiềm năng lớn trong việc cải thiện các phản ứng hóa học trong tổng hợp hữu cơ.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của phản ứng ngưng tụ Knoevenagel, bao gồm tỉ lệ chất phản ứng, thời gian phản ứng, nhiệt độ phản ứng và hàm lượng chất xúc tác. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là cần thiết để đạt được hiệu suất cao nhất. Cụ thể, tỉ lệ chất phản ứng có ảnh hưởng trực tiếp đến độ chuyển hóa và độ chọn lọc sản phẩm. Thời gian và nhiệt độ phản ứng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tốc độ và hiệu quả của phản ứng. Sự hiện diện của ZIF-8 không chỉ giúp tăng cường các yếu tố này mà còn tạo ra một môi trường phản ứng thuận lợi hơn.

III. Ứng dụng thực tiễn của ZIF 8

Vật liệu nano ZIF-8 không chỉ có giá trị trong nghiên cứu lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp hóa chất. Với khả năng xúc tác hiệu quả, ZIF-8 có thể được sử dụng trong các quy trình sản xuất hóa chất, giúp giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất. Hơn nữa, việc sử dụng ZIF-8 trong các phản ứng hóa học có thể giúp cải thiện độ an toàn và giảm thiểu tác động đến môi trường. Các nghiên cứu tiếp theo có thể mở rộng ứng dụng của ZIF-8 trong các lĩnh vực khác như cảm biến, lưu trữ năng lượng và tách khí, từ đó đóng góp vào sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp.

3.1. Tiềm năng trong ngành công nghiệp

ZIF-8 có tiềm năng lớn trong ngành công nghiệp hóa chất nhờ vào khả năng xúc tác và hấp phụ vượt trội. Việc áp dụng ZIF-8 trong các quy trình sản xuất có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu lãng phí nguyên liệu. Hơn nữa, với tính chất bền vững và khả năng tái sử dụng, ZIF-8 có thể trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các quy trình sản xuất xanh. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp ZIF-8 hiệu quả hơn, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng của vật liệu này trong thực tiễn.

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano ZIF-8 làm chất xúc tác cho phản ứng giữa benzaldehyde và ethyl cyanoacetate