Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ hóa học của tác giả Kiều Thanh Cảnh, chuyên ngành Hóa Vô cơ (mã số: 9440112.01), được thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Phạm Anh Sơn vào năm 2019. Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm hoạt tính của các hệ vật liệu xúc tác dị thể phục vụ chuỗi chuyển hóa sinh khối thực vật (biomass) thành các hóa chất có giá trị gia tăng.

Sự phát triển công nghiệp toàn cầu làm gia tăng nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch, dẫn đến tình trạng cạn kiệt tài nguyên và phát thải khí nhà kính. Biomass thực vật là nguồn nguyên liệu tái tạo dồi dào (sản lượng toàn cầu ước tính khoảng $1{,}7 \times 10^{11}$ tấn/năm, trong đó $75%$ là cacbohiđrat nhưng con người mới chỉ sử dụng 3–4%). Quá trình tinh chế sinh học chuyển hóa lignoxenlulozơ thành các hợp chất nền tảng như axit levulinic (LA) và $\gamma$-valerolacton (GVL) đang thu hút nhiều sự quan tâm. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống chủ yếu sử dụng xúc tác axit lỏng đồng thể (dễ ăn mòn thiết bị, khó tách loại) hoặc xúc tác kim loại quý đồng thể với nguồn khí hydro ($H_2$) áp suất cao (tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ lớn). Việc phát triển các hệ xúc tác dị thể rắn có tính axit, bazơ và kim loại kết hợp nguồn hydro thay thế an toàn như axit fomic (FA) là một khoảng trống nghiên cứu cần được giải quyết.

Mục tiêu của luận án bao gồm:

  1. Chế tạo vật liệu hydrotalxit có các tâm bazơ Lewis làm xúc tác cho quá trình đồng phân hóa glucozơ thành fructozơ trong môi trường nước.
  2. Chế tạo vật liệu SBA-15-SO3H có các tâm axit Brønsted làm xúc tác cho phản ứng chuyển hóa fructozơ thành axit levulinic (LA).
  3. Chế tạo vật liệu kim loại Au nano trên các chất mang oxit khác nhau ($ZrO_2$, $Al_2O_3$, $TiO_2$, $SiO_2$, C, và các hệ oxit hỗn hợp) làm xúc tác cho phản ứng hiđro hóa chuyển hóa LA thành $\gamma$-valerolacton (GVL) sử dụng axit fomic làm nguồn cung cấp hiđro thay thế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: Các hệ xúc tác rắn gồm hydrotalxit Mg-Al (HT1–HT5), vật liệu mao quản trung bình SBA-15 biến tính nhóm $-\text{SO}_3\text{H}$ (M4–M9, M7-QT2), và hạt nano vàng trên các chất mang ($Au/ZrO_2$, $Au/Al_2O_3$, $Au/TiO_2$, $Au/SiO_2$, $Au/C$, $Au/ZrO_2\text{-}MgO$, $Au/ZrO_2\text{-}Al_2O_3$, $Au/MgO\text{-}Al_2O_3$).
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Vật liệu Vô cơ, Bộ môn Hóa học Vô cơ, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN, phối hợp đo đạc phân tích tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương, Tổng cục Hải quan và Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (JAIST).
  • Phạm vi thời gian: Luận án hoàn thành và bảo vệ trong năm 2019.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ba công đoạn chuyển hóa chính:

  1. Giai đoạn đồng phân hóa glucozơ thành fructozơ:

    • Xúc tác enzym: Phản ứng đồng phân hóa thường được thực hiện ở $60^\circ\text{C}$ cho hiệu suất fructozơ khoảng $42%$, nhưng đòi hỏi tinh chế khắt khe, chi phí cao và khoảng pH hẹp.
    • Xúc tác vô cơ và bazơ rắn: Sungdong Yu (2012) sử dụng hydrotalxit với tỉ lệ mol $Mg:Al = 3$ (phương pháp đồng kết tủa) trong dung môi đimetylfomamit (DMF) ở $100^\circ\text{C}$ trong 5 giờ, đạt hiệu suất fructozơ $25%$ (xúc tác tươi) và $32%$ (xúc tác tái sinh). Zeolit trao đổi ion trong môi trường nước ($50\text{ ml } H_2O$, 8 bar $N_2$) cho hiệu suất từ $4{,}2%$ đến $22{,}44%$. Irina Delidovich (2014) tổng hợp các mẫu hydrotalxit ở pH 9–9,5 và pH 10–10,2 với tỉ lệ $Mg/Al$ từ 1,94 đến 3,35, đạt hiệu suất fructozơ từ $13%$ đến $25%$ ở $110^\circ\text{C}$, 30 bar $N_2$ trong 1,5 giờ.
  2. Giai đoạn chuyển hóa cacbohyđrat thành axit levulinic:

    • Xúc tác axit đồng thể: Các axit vô cơ $HCl$, $H_2SO_4$, $H_3PO_4$ cho hiệu suất cao ($60\text{--}70%$). Jialei Su (2015) chuyển hóa phân bò đã tách lignin ($58{,}9%$ xenlulozơ, $10{,}8%$ hemixenlulozơ) trong dung dịch $HCl\text{ }0{,}6\text{M}$ ở $180^\circ\text{C}$ trong 150 phút, đạt hiệu suất LA $338{,}9\text{ g/kg}$.
    • Xúc tác axit dị thể: Nhựa trao đổi ion axit được Schraufnagel và Rase nghiên cứu từ sacarozơ; zeolit LZY và zeolit Y ở 383–433 K trong 8–15 giờ cho hiệu suất LA khoảng $40%$ và HMF $4%$; zeolit ZPR ở 453 K đạt hiệu suất LA $36%$; Sanborn (2013) sử dụng Amberlyst-35 ở 423 K cho hiệu suất $41{,}2%$ từ mật và $62%$ từ fructozơ; Tapas (2014) dùng xúc tác kép Amberlyst-15 + Sn-beta đạt hiệu suất $42%$ sau 15 giờ ở $140^\circ\text{C}$; Ronen Weingarten (2012) kết hợp thủy nhiệt xenlulozơ thành HMF rồi dùng Amberlyst-70 ở $160^\circ\text{C}$ thu LA với tổng hiệu suất $28%$.
  3. Giai đoạn hiđro hóa axit levulinic thành $\gamma$-valerolacton:

    • Shuette và Thomas (1930) dùng $PtO_2$ dưới áp suất $H_2\text{ }3\text{ atm}$, 44 giờ đạt hiệu suất GVL $87%$. Christian (1947) dùng niken Raney ở $220^\circ\text{C}$, 700 psi $H_2$ đạt hiệu suất $94%$.
    • Kim loại quý trên chất mang: Upare (2011) nghiên cứu $Ru$, $Pt$, $Pd$ trên than hoạt tính; Manzer (2004) dùng $Ru/C$ trong dioxan ở $150^\circ\text{C}$, 400 psi $H_2$ đạt hiệu suất GVL $97%$; Henge (2012) dùng $Cu/ZrO_2$ trong metanol ở 500 psi $H_2$, $200^\circ\text{C}$ đạt hiệu suất $90%$; Jones (2014) dùng $Ni\text{-}Cu/ZrO_2$ đạt $76%$ GVL sau 30 phút ở 35 bar $H_2$. Các hệ trong $CO_2$ siêu tới hạn gồm $Ru/Al_2O_3$ (473 K, 200 atm $H_2$) và $5% Ru/SiO_2$ (473 K, 100 bar $H_2$).
    • Nguồn hiđro tự sinh từ axit fomic (FA): Deng và cộng sự (2010) phát triển hướng chuyển đổi không dùng khí $H_2$ ngoài. Phức chất đồng thể $[RuCl_2(PPh_3)_3]$ cho hiệu suất $99%$ (Osakada) và $Ru^{II}\text{-BINAP-HCl}$ đạt $95%$ ở $60^\circ\text{C}$. Về xúc tác dị thể, Liu (2013) và Qing-Yuan Bi (2014) chỉ ra $Au/ZrO_2$ có khả năng tách $HCOOH$ thành $H_2$ và $CO_2$ hiệu quả hơn so với các chất mang $Al_2O_3$, $SiO_2$, $TiO_2$, C hoặc kim loại Pd, Ru.

Vị trí của luận án: Luận án là công trình đầu tiên tại Việt Nam khảo sát có hệ thống việc tổng hợp và ứng dụng đồng bộ chuỗi xúc tác dị thể: bazơ rắn hydrotalxit cho phản ứng đồng phân hóa glucozơ thành fructozơ; axit rắn SBA-15-SO3H cho phản ứng tạo LA; và hạt nano vàng mang trên oxit zirconi ($Au/ZrO_2$) sử dụng axit fomic làm tác nhân cho hiđro để hiđro hóa LA thành GVL.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Vật liệu lignoxenlulozơ cấu tạo từ ba thành phần chính: xenlulozơ ($40\text{--}50%$), hemixenlulozơ ($25\text{--}35%$), và lignin ($15\text{--}20%$). Thủy phân xenlulozơ tạo ra glucozơ (đường aldohexozơ C6), sau đó qua phản ứng đồng phân hóa tạo fructozơ (đường ketohexozơ C6), tiếp tục tách nước tạo 5-hydroxymetylfurfural (HMF) và hydrat hóa tạo LA cùng FA. LA tiếp tục được hiđro hóa và đóng vòng nội phân tử tạo GVL.

Thuộc tính vật lý Axit Levulinic (LA) $\gamma$-Valerolacton (GVL)
Công thức phân tử $\text{C}_5\text{H}_8\text{O}_3$ $\text{C}_5\text{H}_8\text{O}_2$
Khối lượng mol phân tử ($g\cdot mol^{-1}$) 116,11 100,12
Nhiệt độ nóng chảy ($^\circ\text{C}$) 37 -31
Nhiệt độ sôi ($^\circ\text{C}$) 246 207–208
Tỉ trọng ở $25^\circ\text{C}$ ($g\cdot ml^{-1}$) 1,1447 1,05
Chỉ số khúc xạ ($25^\circ\text{C}$) 1,1441 1,432
Độ tan trong nước Dễ tan Tan vô hạn
Độ phân ly / Áp suất hơi ($25^\circ\text{C}$) $pK_a = 4{,}59$ $0{,}65\text{ kPa}$ ($3{,}2\text{ kPa}$ ở $80^\circ\text{C}$)
Độc tính $LD_{50}$ (chuột) — $8800\text{ mg}\cdot kg^{-1}$
Nhiệt bay hơi / Thiêu nhiệt $0{,}58\text{ kJ}\cdot mol^{-1}$ (150 $^\circ\text{C}$) $-29{,}7\text{ kJ}\cdot g^{-1}$

Cơ chế phân tách HCOOH tạo hiđro trên xúc tác $Au/ZrO_2$ không cần bazơ: $$\text{HCOOH} + 2\text{Au} \rightleftharpoons (\text{HCOO-Au})^- + (\text{Au-H})^+ \quad (1)$$ $$(\text{HCOO-Au})^- \rightarrow \text{CO}_2 + (\text{H-Au})^- \quad (2)$$ $$(\text{Au-H})^+ + (\text{H-Au})^- \rightarrow 2\text{Au} + \text{H}_2 \quad (3)$$

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  1. Tổng hợp vật liệu:
    • Xúc tác hydrotalxit: Điều chế bằng phương pháp đồng kết tủa dung dịch A ($Mg(NO_3)_2$ và $Al(NO_3)_3$) và dung dịch B ($NaOH$ và $Na_2CO_3$) ở $65^\circ\text{C}$ trong 12 giờ, thay đổi tỉ lệ mol $x/y$ từ 0,25 đến 0,417 để thu được 5 mẫu từ HT1 đến HT5.
    • Xúc tác SBA-15-SO3H: Tổng hợp theo phương pháp thủy nhiệt sử dụng chất định hướng cấu trúc copolyme Pluronic P123, nguồn silica TEOS và 3-mercaptopropyl trimethoxysilan (MPTMS) với tỉ lệ khối lượng MPTMS/TEOS thay đổi từ $7{,}74%$ đến $19{,}8%$ (ký hiệu M4–M9). Nhóm $-\text{SH}$ được oxy hóa thành $-\text{SO}_3\text{H}$ bằng hỗn hợp dung dịch $H_2O_2$ và $H_2SO_4$.
    • Xúc tác hạt nano vàng: Điều chế bằng phương pháp tẩm và phương pháp đồng kết tủa từ tiền chất $HAuCl_4$ trên các chất mang $ZrO_2$, $Al_2O_3$, $TiO_2$, $SiO_2$, C, và các hệ oxit hỗn hợp, với hàm lượng vàng biến thiên từ $1%$ đến $6%$ khối lượng.
Ký hiệu mẫu xúc tác Thành phần / Tỉ lệ tiền chất Quy trình / Phương pháp điều chế
HT1 – HT5 $Mg(NO_3)_2$ (0,02–0,10 mol), $Al(NO_3)_3$ (0,02 mol), $Na_2CO_3$ (0,01 mol), $NaOH$ (0,08–0,24 mol) Đồng kết tủa ở $65^\circ\text{C}$, 12 giờ; sấy chân không $80^\circ\text{C}$, 24 giờ.
M4 – M9 MPTMS/TEOS: $19{,}8%$ (M4), $17{,}3%$ (M5), $15{,}03%$ (M6), $12{,}75%$ (M7), $10{,}0%$ (M8), $7{,}74%$ (M9) Thủy nhiệt với P123 và TEOS ở $100^\circ\text{C}$ trong 24 giờ; chiết P123 bằng etanol; oxy hóa bằng $H_2O_2 / H_2SO_4$.
M7-QT2 Tỉ lệ MPTMS/TEOS $= 12{,}75%$ Oxy hóa trực tiếp bằng $H_2O_2\text{ }30%$ trong quá trình sol-gel trước khi già hóa thủy nhiệt.
$3% Au/\text{chất mang (tẩm)}$ $3% Au$ trên $Al_2O_3$, $ZrO_2$, $TiO_2$, $SiO_2$, C Tẩm dung dịch $HAuCl_4$, chỉnh pH = 10 bằng $NH_3$ đặc, hồi lưu $140^\circ\text{C}$, 4 giờ; nung $500^\circ\text{C}$ (trừ mẫu C).
$1%\text{--}6% Au/ZrO_2\text{ (đồng kết tủa)}$ Hàm lượng Au: $1%$, $2%$, $3%$, $4%$, $5%$, $6%$ trên $ZrO_2$ Đồng kết tủa $ZrOCl_2\cdot 8H_2O$, $HAuCl_4$, kiềm $Na_2CO_3$; nung $500^\circ\text{C}$ trong 4 giờ.
  1. Phương pháp đặc trưng vật liệu và xác định tâm hoạt tính:

    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Hệ Bruker D8 Advance, bức xạ $\text{Cu}K_\alpha$ ($\lambda = 0{,}15406\text{ nm}$), làm việc tại $40\text{ kV} - 40\text{ mA}$.
    • Đo diện tích bề mặt (BET/BJH): Đo hấp phụ - giải hấp phụ đẳng nhiệt $N_2$ ở 77 K trên thiết bị Gemini VII 2390 V1.02 và TriStar 3000 V6.07 A.
    • Hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Thiết bị JEOL-JEM1010 hoạt động ở 100 kV.
    • Phổ quang điện tử tia X (XPS): Hệ Shimadzu Kratos AXISULTRA DLD, nguồn tia X Al ($15\text{ kV}$, $10\text{ mA}$), chuẩn hóa theo vạch C1s ($284{,}8\text{ eV}$), quét vùng Au4f từ 75–95 eV.
    • Phổ khối lượng plasma cảm ứng (ICP-MS) và phát xạ nguyên tử (ICP-OES): ICP-MS Elan 9000 (xác định tỉ lệ $Mg/Al$), ICP-OES Agilent (xác định hàm lượng Au).
    • Phân tích nhiệt (TGA/DSC): Thiết bị Labsys TG/DSC 1600 SETARAM, tốc độ gia nhiệt $10^\circ\text{C/phút}$ trong dòng không khí $2{,}5\text{ l/h}$.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Thiết bị Shimadzu FT-IR Affinity-1S, ép viên KBr.
    • Chuẩn độ tâm bazơ: Chuẩn độ mẫu hydrotalxit phân tán trong $NaCl\text{ }0{,}1\text{M}$ bằng dung dịch $HCOOH\text{ }0{,}0096\text{M}$ với chỉ thị phenolphtalein.
    • Chuẩn độ tâm axit: Chuẩn độ nhóm $-\text{SO}_3\text{H}$ của SBA-15 phân tán trong $NaCl\text{ }0{,}1\text{M}$ bằng dung dịch $NaOH\text{ }0{,}0139\text{M}$ với chỉ thị phenolphtalein.
  2. Phương pháp phân tích sản phẩm phản ứng:

    • Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC): Định lượng glucozơ và fructozơ sau phản ứng đồng phân hóa.
    • Sắc ký khí (GC): Định lượng LA, HMF và GVL trong hỗn hợp phản ứng có sử dụng naphtalen làm chất chuẩn nội.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Sự chuyển hóa biomass thực vật thành các sản phẩm có giá trị cao hơn, tổng quan nghiên cứu và các xúc tác dị thể liên quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về cấu trúc của lignoxenlulozơ, các đặc tính lý hóa của các hóa chất nền tảng gồm fructozơ, axit levulinic (LA) và $\gamma$-valerolacton (GVL). Chương này phân tích chi tiết tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước về chuỗi ba phản ứng chuyển hóa:

  • Phản ứng đồng phân hóa glucozơ thành fructozơ bằng xúc tác bazơ và enzym.
  • Phản ứng chuyển hóa monosaccarit/cacbohyđrat thành axit levulinic bằng xúc tác axit đồng thể và dị thể (zeolit, nhựa trao đổi ion, vật liệu oxit biến tính).
  • Phản ứng hiđro hóa axit levulinic thành GVL sử dụng khí $H_2$ áp suất cao hoặc nguồn hiđro nội tại từ axit fomic trên các hệ xúc tác kim loại quý (Ru, Pt, Pd, Au).
  • Cấu trúc và cơ chế hoạt động của các họ xúc tác dị thể được lựa chọn: cấu trúc phân lớp hydroxide của hydrotalxit $[M(II)_{1-x}M(III)_x(OH)2]^{x+}[A^{n-}{x/n}]\cdot mH_2O$ với tâm bazơ Lewis; cấu trúc mạng mao quản trung bình lục lăng của silica SBA-15 (nhóm không gian $P6mm$) gắn nhóm axit sulfonic $-\text{SO}_3\text{H}$; và các hạt nano vàng mang trên oxit chịu môi trường axit $ZrO_2$ có khả năng phân hủy $HCOOH$ tạo $H_2$ tại chỗ.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả toàn bộ hóa chất, dụng cụ và quy trình thực nghiệm được triển khai trong luận án:

  • Quy trình chế tạo hệ 5 mẫu hydrotalxit (HT1 đến HT5) bằng phương pháp đồng kết tủa dung dịch muối magie, nhôm với hỗn hợp kiềm/cacbonat ở $65^\circ\text{C}$ trong 12 giờ, sấy chân không $80^\circ\text{C}$ trong 24 giờ, cùng quy trình tái sinh HT5 bằng cách nung ở $500^\circ\text{C}$ trong 4 giờ và tái hyđrat hóa trong nước.
  • Quy trình tổng hợp vật liệu SBA-15-SO3H theo 2 quy trình: Quy trình 1 thủy nhiệt hỗn hợp P123, TEOS, MPTMS ở $100^\circ\text{C}$, chiết chất định hướng cấu trúc bằng etanol rồi oxy hóa nhóm $-\text{SH}$ bằng $H_2O_2/H_2SO_4$; Quy trình 2 oxy hóa nhóm $-\text{SH}$ trực tiếp bằng $H_2O_2$ trong giai đoạn sol-gel trước khi thủy nhiệt (mẫu M7-QT2).
  • Quy trình chế tạo hạt nano vàng trên các chất mang ($Al_2O_3$, $ZrO_2$, $TiO_2$, $SiO_2$, C) bằng phương pháp tẩm khử hóa và phương pháp đồng kết tủa, bao gồm chuỗi xúc tác $Au/ZrO_2$ với hàm lượng vàng từ $1%$ đến $6%$.
  • Thiết lập các phương pháp đặc trưng cấu trúc vật liệu: XRD, BET, TEM, XPS, ICP-MS, ICP-OES, TGA/DSC, FT-IR.
  • Các quy trình chuẩn độ xác định mật độ tâm bazơ bằng $HCOOH\text{ }0{,}0096\text{M}$ và tâm axit bằng $NaOH\text{ }0{,}0139\text{M}$.
  • Quy trình thử hoạt tính xúc tác trong bình phản ứng chịu áp suất teflon-thép:
    • Đồng phân hóa glucozơ: $0{,}3\text{ g}$ glucozơ, $0{,}3\text{ g}$ xúc tác HT, $3\text{ ml } H_2O$, khảo sát nhiệt độ 80–140 $^\circ\text{C}$, thời gian 1–30 phút.
    • Chuyển hóa fructozơ thành LA trên SBA-15-SO3H trong môi trường nước.
    • Hiđro hóa LA thành GVL trên $Au/\text{chất mang}$ với chất cho hiđro là FA trong bình kín không nạp khí $H_2$ ngoài.
  • Xây dựng đường chuẩn định lượng sắc ký HPLC (glucozơ, fructozơ) và GC (LA, GVL, HMF với chuẩn nội naphtalen).

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và thảo luận chuyên sâu chia thành 3 phần:

1. Khảo sát đặc tính xúc tác bazơ rắn hydrotalxit và phản ứng đồng phân hóa glucozơ thành fructozơ

  • Giản đồ XRD của các mẫu HT1–HT5 xác nhận cấu trúc tinh thể hydrotalxit điển hình dạng lớp bruxit. Phổ FT-IR xuất hiện các dải dao động đặc trưng của nhóm hydroxyl liên kết hiđro ($3400\text{--}3500\text{ cm}^{-1}$), dao động biến dạng của nước xen lớp ($1630\text{ cm}^{-1}$), dao động của ion cacbonat xen lớp $\text{CO}_3^{2-}$ ($1360\text{--}1380\text{ cm}^{-1}$) và liên kết kim loại-oxy $M\text{--}O$ ở vùng sóng thấp ($400\text{--}800\text{ cm}^{-1}$). Phân tích nhiệt TG/DSC cho thấy hai bước giảm khối lượng: mất nước hấp phụ và nước xen lớp (dưới $200^\circ\text{C}$), tiếp theo là khử hydroxyl hóa của lớp bruxit và phân hủy ion $\text{CO}_3^{2-}$ (khoảng 300–450 $^\circ\text{C}$).
  • Thành phần $Mg/Al$ xác định bằng ICP-MS tăng dần từ HT1 đến HT5, tương ứng với sự gia tăng mật độ tâm bazơ chuẩn độ được.
  • Đánh giá hoạt tính cho thấy mẫu HT5 ($Mg/Al$ cao nhất) đạt hiệu suất tạo fructozơ cao nhất. Khi tăng nhiệt độ và thời gian phản ứng, độ chuyển hóa glucozơ tăng nhưng độ chọn lọc fructozơ giảm ở thời gian dài do hình thành các sản phẩm phụ như HMF.
  • Nghiên cứu độ bền: Hoạt tính của HT5 giảm dần qua các lần tái sử dụng do sự hòa tan cục bộ hoặc hấp phụ sản phẩm phụ lên bề mặt, nhưng sau khi nung lại ở $500^\circ\text{C}$ và tái hyđrat hóa (tái cấu trúc nhờ "hiệu ứng nhớ" - memory effect), hoạt tính xúc tác được phục hồi. Thử nghiệm tách loại xúc tác sau 5 phút phản ứng khẳng định phản ứng dừng lại, chứng minh tính chất xúc tác dị thể thực sự.

2. Điều chế xúc tác axit rắn SBA-15-SO3H và phản ứng chuyển hóa fructozơ thành axit levulinic

  • Giản đồ XRD góc nhỏ ($2\theta = 0{,}5^\circ\text{--}5^\circ$) và ảnh TEM của các mẫu SBA-15 biến tính khẳng định cấu trúc mao quản trung bình dạng mạng lục lăng 2D có trật tự cao. Đường cong hấp phụ-giải hấp phụ $N_2$ đẳng nhiệt thuộc loại IV với vòng trễ H1 đặc trưng.
  • Mật độ tâm axit $-\text{SO}_3\text{H}$ phụ thuộc chặt chẽ vào tỉ lệ MPTMS/TEOS đưa vào tổng hợp. Mẫu M7 (tỉ lệ MPTMS/TEOS $= 12{,}75%$) đạt sự cân bằng tối ưu giữa mật độ tâm axit và độ trật tự cấu trúc mao quản.
  • Phản ứng chuyển hóa fructozơ thành LA trên xúc tác M7 được khảo sát theo các thông số: thời gian, nhiệt độ phản ứng và tỉ lệ khối lượng xúc tác/fructozơ. Nhiệt độ phản ứng thích hợp thúc đẩy quá trình tách nước và hydrat hóa trung gian HMF tạo LA với hiệu suất chọn lọc cao. Khả năng tái sử dụng của xúc tác M7 được kiểm tra qua nhiều chu trình phản ứng.

3. Điều chế hạt vàng nano trên các chất mang khác nhau làm xúc tác kim loại và phản ứng chuyển hóa LA thành GVL

  • Ảnh TEM và giản đồ XRD cho thấy các hạt nano vàng được phân tán đều trên chất mang oxit. Phổ XPS vùng Au4f xác nhận trạng thái oxy hóa của vàng là $\text{Au}^0$ (năng lượng liên kết đặc trưng $\text{Au}4f_{7/2} \approx 84{,}0\text{ eV}$).
  • So sánh các chất mang ($Al_2O_3$, $TiO_2$, $SiO_2$, C, $ZrO_2$, và oxit hỗn hợp) và phương pháp điều chế: Xúc tác $Au/ZrO_2$ chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa thể hiện hoạt tính và độ chọn lọc vượt trội trong phản ứng hiđro hóa LA thành GVL nhờ khả năng phân tách hiệu quả axit fomic thành $H_2$ và $CO_2$.
  • Khảo sát chuỗi hàm lượng Au trên $ZrO_2$ ($1%\text{--}6%$ Au): Mẫu $2% Au/ZrO_2$ và $6% Au/ZrO_2$ cho hiệu suất chuyển hóa và chỉ số TON tối ưu.
  • Các yếu tố ảnh hưởng được làm sáng tỏ: nhiệt độ phản ứng, thời gian, tỉ lệ khối lượng xúc tác/LA, tỉ lệ khối lượng nước/LA và tỉ lệ mol $FA:LA$. Tỉ lệ $FA:LA$ phù hợp đảm bảo cung cấp đủ lượng hiđro nguyên tử in-situ để khử liên kết cacbonyl của LA mà không làm ức chế bề mặt tâm hoạt tính.
  • Phổ XPS của mẫu xúc tác $Au/ZrO_2$ sau các chu trình tái sử dụng (lần 1, lần 3) cho thấy hạt vàng vẫn duy trì chủ yếu ở trạng thái kim loại $\text{Au}^0$, chứng minh độ bền hóa học của hệ xúc tác trong môi trường axit hữu cơ nóng.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

  1. Về xúc tác bazơ rắn hydrotalxit: Luận án đã chế tạo thành công hệ xúc tác hydrotalxit Mg-Al với các tỉ lệ mol khác nhau bằng phương pháp đồng kết tủa; chứng minh mẫu HT5 có hoạt tính cao trong phản ứng đồng phân hóa glucozơ thành fructozơ trong pha nước ở điều kiện êm dịu, và chứng minh được khả năng tái sinh cấu trúc tinh thể của xúc tác sau nung thông qua "hiệu ứng nhớ".
  2. Về xúc tác axit rắn SBA-15-SO3H: Lần đầu tiên chế tạo và ứng dụng vật liệu mao quản trung bình SBA-15 biến tính nhóm $-\text{SO}_3\text{H}$ (bằng cả hai quy trình oxy hóa sau và oxy hóa trực tiếp) làm xúc tác axit dị thể cho phản ứng chuyển hóa trực tiếp fructozơ thành axit levulinic trong pha lỏng; xác định được điều kiện tối ưu về tỉ lệ tiền chất MPTMS/TEOS giúp duy trì độ bền khung mao quản và mật độ tâm axit cao.
  3. Về xúc tác kim loại Au nano và phản ứng hiđro hóa LA thành GVL: Đã chế tạo thành công xúc tác hạt nano vàng mang trên oxit zirconi ($Au/ZrO_2$) bằng phương pháp đồng kết tủa; thiết lập thành công hệ phản ứng hiđro hóa LA thành GVL sử dụng axit fomic làm chất khử nội tại (in-situ), loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng nguồn khí $H_2$ áp suất cao nguy hiểm từ bên ngoài; làm sáng tỏ ảnh hưởng của hàm lượng Au, tỉ lệ $FA:LA$, nhiệt độ và thời gian phản ứng lên độ chuyển hóa LA, độ chọn lọc và hiệu suất GVL.

Kiến nghị và định hướng ứng dụng

  • Cần tiếp tục hoàn thiện công nghệ cố định tâm $-\text{SO}_3\text{H}$ trên chất mang vô cơ nhằm hạn chế sự rửa trôi tâm axit trong môi trường thủy nhiệt kéo dài.
  • Ứng dụng hệ xúc tác $Au/ZrO_2$ kết hợp nguồn hiđro từ axit fomic để phát triển quy trình chuyển hóa liên tục hoặc tích hợp một nồi (one-pot) từ cacbohyđrat trực tiếp thành GVL nhằm giảm thiểu các bước phân tách trung gian.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các thí nghiệm trong luận án được tiến hành trong hệ bình phản ứng gián đoạn (batch reactor) quy mô phòng thí nghiệm (dung tích 2 ml, 10 ml, 150 ml) với nguyên liệu đầu là các chất chuẩn tinh khiết (glucozơ, fructozơ, LA thương mại), chưa khảo sát trực tiếp trên dịch thủy phân sinh khối thô chứa nhiều tạp chất vô cơ và hợp chất phenolic. Hoạt tính của xúc tác hydrotalxit và xúc tác vàng có xu hướng suy giảm nhẹ sau 3 chu trình sử dụng do hấp phụ các hợp chất hữu cơ cao phân tử (humins) hoặc biến đổi vi cấu trúc bề mặt.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu phản ứng tích hợp liên hoàn từ xenlulozơ thô thành GVL; nghiên cứu động học phản ứng và cơ chế chi tiết quá trình phân hủy axit fomic trên bề mặt tinh thể nano Au; khảo sát phản ứng trên hệ dòng chảy liên tục (continuous-flow reactor) để đánh giá độ bền xúc tác dài hạn phục vụ mục tiêu quy mô bán công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với các đối tượng và lĩnh vực:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Hóa học, Vật liệu học, Công nghệ Hóa học: Cung cấp quy trình chi tiết về tổng hợp vật liệu vô cơ phân lớp (hydrotalxit), vật liệu mao quản trung bình biến tính chức năng (SBA-15-SO3H) và xúc tác kim loại nano mang trên oxit ($Au/ZrO_2$), cùng hệ thống các phương pháp đặc trưng hóa lý hiện đại (XRD, BET, TEM, XPS, TGA, FT-IR, ICP).
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực Hóa học Xanh và Tinh chế sinh học: Cung cấp các số liệu thực nghiệm chuẩn xác về phản ứng đồng phân hóa đường C6, phản ứng dehydrat hóa tạo LA và phản ứng chuyển hóa hiđro hóa chuyển dịch (CTH) không dùng khí $H_2$ ngoài.
  • Kỹ sư công nghệ và nhà hoạch định chính sách phát triển năng lượng tái tạo: Cung cấp luận cứ khoa học về khả năng sản xuất hóa chất nền tảng (LA, GVL) từ phụ phẩm nông nghiệp và sinh khối thực vật, thay thế nguyên liệu hóa thạch.

Phần đáng chú ý để tham khảo trực tiếp gồm: Quy trình tổng hợp kiểm soát tỉ lệ $Mg/Al$ của hydrotalxit (Bảng 2.2), quy trình biến tính SBA-15 bằng MPTMS (Bảng 2.3), quy trình chế tạo $Au/ZrO_2$ bằng phương pháp đồng kết tủa (Bảng 2.6), và phương pháp phân tích định lượng đồng thời các dẫn xuất furan, axit hữu cơ bằng HPLC và GC.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án giải quyết vấn đề an toàn cháy nổ trong phản ứng hiđro hóa axit levulinic thành $\gamma$-valerolacton bằng giải pháp nào?
Luận án sử dụng axit fomic (FA) làm nguồn cung cấp hiđro thay thế tại chỗ (in-situ) trên xúc tác kim loại nano $Au/ZrO_2$. Nhờ khả năng phân tách $HCOOH$ chọn lọc thành $H_2$ và $CO_2$ của các hạt nano vàng trên chất mang $ZrO_2$, phản ứng hiđro hóa LA thành GVL diễn ra hiệu quả trong bình kín mà không cần nạp hay lưu trữ khí $H_2$ ở áp suất cao.

2. Vì sao xúc tác hydrotalxit sau khi giảm hoạt tính lại có thể phục hồi bằng phương pháp nung và tái hyđrat hóa?
Hydrotalxit sở hữu cấu trúc lớp linh động và có "hiệu ứng nhớ" (memory effect). Khi nung ở $500^\circ\text{C}$, hydrotalxit bị khử nước và loại bỏ ion cacbonat để chuyển thành hỗn hợp oxit hỗn hợp $Mg\text{--}Al$. Khi phân tán trở lại vào nước cất, cấu trúc tinh thể phân lớp bruxit và các tâm bazơ Lewis/Brønsted được tái tạo lại nguyên vẹn, phục hồi hoạt tính xúc tác cho phản ứng đồng phân hóa glucozơ thành fructozơ.

3. Nhóm chức nào đóng vai trò tâm xúc tác axit trong vật liệu SBA-15-SO3H và được tạo thành bằng cách nào?
Tâm xúc tác axit chính là nhóm sulfonic ($-\text{SO}_3\text{H}$), đóng vai trò như một tâm axit Brønsted. Nhóm chức này được hình thành bằng cách đưa tiền chất 3-mercaptopropyl trimethoxysilan (MPTMS) vào khung silica SBA-15 trong quá trình sol-gel, sau đó oxy hóa nhóm thiol ($-\text{SH}$) bằng dung dịch hỗn hợp $H_2O_2$ và $H_2SO_4$ (hoặc oxy hóa trực tiếp bằng $H_2O_2\text{ }30%$).

4. Trạng thái oxy hóa của vàng trên chất mang $ZrO_2$ trong luận án được xác định là gì và bằng phương pháp nào?
Trạng thái oxy hóa của vàng được xác định là $\text{Au}^0$ (vàng kim loại nano) thông qua phổ quang điện tử tia X (XPS) tại vùng năng lượng liên kết Au4f (với vạch đặc trưng $\text{Au}4f_{7/2} \approx 84{,}0\text{ eV}$). Dữ liệu XPS cũng khẳng định vàng duy trì trạng thái kim loại $\text{Au}^0$ sau nhiều chu trình phản ứng tái sử dụng.

5. Các phương pháp sắc ký nào được sử dụng để phân tích định tính và định lượng các cấu tử trong luận án?
Luận án sử dụng phương pháp Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) để định lượng glucozơ và fructozơ trong phản ứng đồng phân hóa; và phương pháp Sắc ký khí (GC) với chất chuẩn nội naphtalen để định lượng axit levulinic (LA), $\gamma$-valerolacton (GVL) và 5-hydroxymetylfurfural (HMF).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Kiều Thanh Cảnh đã nghiên cứu chế tạo thành công ba hệ xúc tác dị thể chuyên biệt gồm bazơ rắn hydrotalxit, axit rắn SBA-15-SO3H và kim loại nano $Au/ZrO_2$ phục vụ từng chặng phản ứng trong chuỗi chuyển hóa glucozơ thành $\gamma$-valerolacton. Công trình đã làm sáng tỏ mối quan hệ giữa cấu trúc vi mô, mật độ tâm hoạt tính và hiệu quả xúc tác thông qua hệ thống phương pháp phân tích hóa lý hiện đại. Kết quả đạt được khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng xúc tác dị thể kết hợp nguồn hiđro an toàn từ axit fomic để chuyển hóa sinh khối thực vật thành các hợp chất hữu cơ có giá trị cao trong môi trường xanh.