I. Khung hữu cơ kim loại và ứng dụng trong kỹ thuật hóa học
Khung hữu cơ kim loại (MOFs) là một lớp vật liệu xốp được tạo thành từ các ion kim loại và các liên kết hữu cơ. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật hóa học nhờ khả năng điều chỉnh cấu trúc và tính chất. Cobalt và Sắt là hai kim loại được nghiên cứu nhiều trong việc tổng hợp MOFs do tính chất xúc tác và ổn định của chúng. Các ứng dụng chính của MOFs bao gồm xúc tác dị thể, dẫn proton, và lưu trữ khí. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và ứng dụng các MOFs dựa trên Cobalt và Sắt, đặc biệt là trong các quá trình hóa học công nghiệp.
1.1. Định nghĩa và cấu trúc của MOFs
Khung hữu cơ kim loại là các vật liệu xốp được tạo thành từ các cụm kim loại và các liên kết hữu cơ. Cấu trúc của chúng cho phép điều chỉnh kích thước lỗ xốp và diện tích bề mặt, làm cho chúng lý tưởng cho các ứng dụng trong kỹ thuật hóa học. Cobalt và Sắt thường được sử dụng do khả năng tạo thành các cụm kim loại ổn định và hoạt động xúc tác hiệu quả.
1.2. Ứng dụng của MOFs trong xúc tác dị thể
MOFs dựa trên Cobalt và Sắt được sử dụng rộng rãi trong xúc tác dị thể. Ví dụ, VNU-10 (MOF dựa trên Cobalt) đã chứng minh hoạt tính xúc tác cao trong phản ứng amin hóa trực tiếp benzoxazole. VNU-15 (MOF dựa trên Sắt) cũng được nghiên cứu cho khả năng dẫn proton ở điều kiện độ ẩm thấp, mở ra tiềm năng ứng dụng trong pin nhiên liệu hydro.
II. Tổng hợp và đặc tính của MOFs dựa trên Cobalt và Sắt
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và đặc tính hóa bốn MOFs mới dựa trên Cobalt và Sắt, bao gồm VNU-10, VNU-15, Fe-NH2-BDC, và Fe-BTC. Các phương pháp tổng hợp và phân tích cấu trúc bằng tinh thể học tia X đã được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của các vật liệu này. VNU-10 và VNU-15 đã được đặc tính hóa đầy đủ, trong khi Fe-NH2-BDC và Fe-BTC được nghiên cứu sơ bộ.
2.1. Tổng hợp và cấu trúc của VNU 10
VNU-10 được tổng hợp từ các cụm Cobalt và liên kết hữu cơ BDC. Cấu trúc của nó bao gồm các lỗ xốp có kích thước 1.4 nm và diện tích bề mặt lên đến 2600 m²/g. VNU-10 đã chứng minh hoạt tính xúc tác cao trong phản ứng amin hóa benzoxazole, với khả năng tái sử dụng mà không làm giảm hiệu suất.
2.2. Tổng hợp và cấu trúc của VNU 15
VNU-15 được tổng hợp từ các cụm Sắt và liên kết hữu cơ BDC, kèm theo các ion dimethyl ammonium liên kết hydro. Vật liệu này đạt được độ dẫn proton cao (2.90 × 10⁻² S/cm) ở 95°C và 60% độ ẩm tương đối, vượt trội so với các vật liệu MOFs khác.
III. Ứng dụng công nghiệp của MOFs dựa trên Cobalt và Sắt
Các MOFs dựa trên Cobalt và Sắt có tiềm năng ứng dụng lớn trong công nghiệp hóa học. VNU-10 được sử dụng như một chất xúc tác hiệu quả trong các phản ứng amin hóa, trong khi VNU-15 có thể được ứng dụng trong các hệ thống dẫn proton cho pin nhiên liệu. Nghiên cứu này cũng đề xuất các phương pháp tối ưu hóa quy trình sản xuất và ứng dụng các vật liệu này.
3.1. Ứng dụng của VNU 10 trong xúc tác
VNU-10 đã được chứng minh là một chất xúc tác hiệu quả trong phản ứng amin hóa benzoxazole. Nghiên cứu đã tối ưu hóa các điều kiện phản ứng, bao gồm tỷ lệ chất phản ứng, tải lượng xúc tác, và loại dung môi, để đạt được hiệu suất cao nhất.
3.2. Ứng dụng của VNU 15 trong dẫn proton
VNU-15 đạt được độ dẫn proton cao ở điều kiện độ ẩm thấp, làm cho nó trở thành một ứng cử viên tiềm năng cho các hệ thống pin nhiên liệu. Nghiên cứu đã khám phá cơ chế dẫn proton và độ ổn định của vật liệu trong các điều kiện hoạt động khác nhau.
