TỔNG HỢP VÀ BIẾN TÍNH Zr-SBA-16 LÀM XÚC TÁC PHẢN ỨNG ALKYL HÓA

• Tác giả: Tran Ba Luan
• Người hướng dẫn: P. Giáo Sư – Tiến Sĩ Nguyễn Ngọc Hạnh
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Synthesis and modification of Zr-SBA-16 as catalyst for alkylation reaction (Tổng hợp và biến tính Zr-SBA-16 làm xúc tác phản ứng alkyl hóa)
• Loại tài liệu: Master’s Thesis
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• 1. CHAPTER 1: LITERATURE REVIEWS
• 1.1. Introduction of SBA materials
• 1.2. Synthetic mechanism of SBA-16
• 1.3. Modification of SBA materials
• 1.4. Zirconium and its oxide
• 1.5. Modification of SBA by Zr
• 1.6. Introduction of Friedel-Craft alkylation
• 1.7. Friedel-Craft alkylation
• 1.8. Friedel-Craft alkylation using solid acids
• 1.9. Aim and objective
• 2. CHAPTER 2: EXPERIMENTAL
• 2.1. Materials and instrumentation
• 2.2. Synthesis of SBA-16
• 2.3. Synthesis of Zr-SBA-16, Cl-Zr-SBA-16
• 2.4. Catalytic studies – The Friedel-Craft alkylation reaction
• 3. CHAPTER 3: RESULTS AND DISCUSSION
• 3.1. XRD patterns and Zr content
• 3.2. FT-IR spectra
• 3.3. Nitrogen adsorption/ desorption
• 3.4. Scanning electron microcopy (SEM) and transmission electron microcopy (TEM)
• 3.5. Catalytic activity of Zr-SBA-16 and their derivatives on alkylation
• 3.5.1. Effect of ratio Zr/Si on reaction conversion
• 3.5.2. Effect of temperature on reaction conversion
• 3.5.3. Effect of catalytic contents on reaction conversion
• 3.6. Catalytic recycling studies
• 3.7. Selectivity of products
• 4. CHAPTER 4: CONCLUSIONS
• REFERENCES

I. Tổng quan Zr SBA 16 Vật liệu Xúc tác tiềm năng 55 ký tự

Vật liệu mesoporous silica như MCM-41, MCM-48, SBA-15, và SBA-16 đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực xúc tác nhờ các đặc tính độc đáo của chúng. Những vật liệu này có diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc lỗ rỗng có trật tự cao, và khả năng phân tán các thành phần hoạt tính hiệu quả. Đặc biệt, chúng có hoạt tính và độ chọn lọc cao, độ axit phù hợp, và tương tác kim loại-chất mang tối ưu. SBA-16, với cấu trúc lập phương ba chiều, độ ổn định nhiệt tốt, và kích thước lỗ rỗng lớn, nổi lên như một ứng cử viên sáng giá cho vai trò chất mang xúc tác hoặc chất hấp phụ. Zhao và cộng sự đã báo cáo về việc tổng hợp nhiều loại vật liệu silica mesoporous loại SBA bằng cách sử dụng các copolymer triblock không ion làm khuôn. Ưu điểm của các chất hoạt động bề mặt này là khả năng phân tách dễ dàng, không độc hại, có khả năng phân hủy sinh học và chi phí thấp. Vì vậy, Zr-SBA-16 đang được nghiên cứu để tận dụng những lợi thế này. Trong đó, Zirconium (Zr) đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường tính chất xúc tác của vật liệu.

1.1. Giới thiệu về Vật liệu Mesoporous SBA 16 40 ký tự

SBA-16 là silica xốp với lỗ rỗng lớn (5-15 nm) được sắp xếp trong cấu trúc lập phương ba chiều. Được tổng hợp trong điều kiện axit, sử dụng chất hoạt động bề mặt pluronic không ion, SBA-16 cung cấp độ xốp bổ sung trong thành. Khả năng ứng dụng xúc tác của SBA-16 được đánh giá cao do sự ổn định nhiệt tốt và kích thước lỗ rỗng lớn. Các nhà nghiên cứu như V. Le đã đề xuất quy trình tổng hợp SBA-16 bao gồm thủy phân và ngưng tụ nguồn silica, trong đó TEOS thường được ưu tiên do dễ sử dụng, không độc hại và khả năng kiểm soát quá trình thủy phân và ngưng tụ. Tuy nhiên, việc sử dụng TEOS có thể làm tăng giá thành của vật liệu.

1.2. Vai trò của Zirconium Zr trong Xúc tác 42 ký tự

Zirconium (Zr), khi được đưa vào cấu trúc SBA-16, có thể cải thiện đáng kể tính chất xúc tác của vật liệu. Zr có khả năng tạo ra các trung tâm axit Lewis, tăng cường khả năng hấp phụ và hoạt hóa các chất phản ứng. Biến tính Zr-SBA-16 là một phương pháp hiệu quả để điều chỉnh các đặc tính vật lý và hóa học của vật liệu, từ đó tối ưu hóa hiệu suất xúc tác của nó trong nhiều loại phản ứng. Theo tài liệu gốc, việc đưa Zr vào khung SBA-16 có thể tạo ra các vị trí hoạt động trên bề mặt bên trong, dẫn đến xúc tác axit mạnh hơn.

II. Thách thức và Cơ hội với Xúc tác Zr SBA 16 58 ký tự

Mặc dù Zr-SBA-16 cho thấy nhiều hứa hẹn như một chất xúc tác, vẫn còn những thách thức cần vượt qua. Việc kiểm soát sự phân tán của Zr trên bề mặt SBA-16 là rất quan trọng để đảm bảo hoạt tính xúc tác tối ưu. Ngoài ra, sự ổn định của vật liệu trong điều kiện phản ứng khắc nghiệt, chẳng hạn như nhiệt độ cao và sự hiện diện của hơi nước, cần được cải thiện. Tuy nhiên, những thách thức này cũng mang lại cơ hội để phát triển các phương pháp tổng hợp và biến tính tiên tiến hơn, chẳng hạn như sử dụng các tiền chất Zr khác nhau hoặc áp dụng các kỹ thuật xử lý sau để tăng cường tính chất xúc tác của Zr-SBA-16. Nghiên cứu xúc tác tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số như tỷ lệ Zr/Si và điều kiện phản ứng để đạt được hiệu suất và độ chọn lọc cao hơn trong các phản ứng hóa học cụ thể.

2.1. Vấn đề Phân tán Zr và Độ ổn định Vật liệu 45 ký tự

Sự phân tán không đồng đều của Zr trên bề mặt SBA-16 có thể dẫn đến giảm hoạt tính xúc tác. Các cụm Zr lớn có thể chặn các lỗ rỗng và giảm diện tích bề mặt tiếp xúc của vật liệu. Do đó, việc phát triển các phương pháp tổng hợp cho phép kiểm soát chính xác sự phân tán Zr là rất quan trọng. Độ ổn định của Zr-SBA-16 cũng là một mối quan tâm, vì vật liệu có thể bị mất hoạt tính do sự rửa trôi Zr hoặc sự sụp đổ của cấu trúc mesoporous trong điều kiện phản ứng khắc nghiệt.

2.2. Cơ hội Biến tính và Tối ưu hóa Thông số 48 ký tự

Các phương pháp biến tính như grafting và impregnation có thể được sử dụng để cải thiện sự phân tán Zr và tăng cường độ ổn định của Zr-SBA-16. Việc tối ưu hóa các thông số tổng hợp, chẳng hạn như tỷ lệ Zr/Si, nhiệt độ và thời gian, cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính chất xúc tác của vật liệu. Theo tài liệu gốc, việc biến tính Zr-SBA-16 bằng chloride compound có thể tạo ra xúc tác axit mạnh hơn, do đó cải thiện hoạt tính trong các phản ứng Alkyl hóa.

III. Phương pháp Tổng hợp và Biến tính Zr SBA 16 59 ký tự

Việc tổng hợp Zr-SBA-16 thường bao gồm việc sử dụng phương pháp sol-gel, trong đó tiền chất silica và Zr được trộn lẫn trong dung dịch, sau đó được thủy phân và ngưng tụ để tạo thành một cấu trúc mesoporous. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước lỗ rỗng, diện tích bề mặt và thành phần của vật liệu. Biến tính Zr-SBA-16 có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm grafting, impregnation và đồng kết tủa. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp thích hợp phụ thuộc vào các đặc tính mong muốn của vật liệu. Đặc trưng vật liệu xúc tác như XRD, BET, TEM, SEM, UV-Vis DRS, XPS, Py-IR được sử dụng để đánh giá các đặc tính của vật liệu sau khi tổng hợp và biến tính.

3.1. Quy trình Sol Gel cho Tổng hợp Zr SBA 16 45 ký tự

Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật phổ biến để tổng hợp Zr-SBA-16 do khả năng kiểm soát cấu trúc và thành phần của vật liệu. Quá trình này bao gồm việc hòa tan tiền chất silica và Zr trong dung dịch, sau đó là quá trình thủy phân và ngưng tụ để tạo thành mạng lưới mesoporous. Các yếu tố như pH, nhiệt độ và nồng độ của các tiền chất có thể ảnh hưởng đến kích thước lỗ rỗng, diện tích bề mặt và độ kết tinh của vật liệu. Theo tài liệu gốc, việc sử dụng sodium metasilicate thay vì TEOS làm nguồn silica có thể làm giảm chi phí tổng hợp.

3.2. Kỹ thuật Biến tính Grafting và Impregnation 42 ký tự

Grafting và impregnation là hai kỹ thuật phổ biến để biến tính Zr-SBA-16 và cải thiện tính chất xúc tác của nó. Grafting bao gồm việc gắn các nhóm chức năng Zr vào bề mặt của SBA-16, trong khi impregnation bao gồm việc ngâm SBA-16 trong dung dịch chứa tiền chất Zr, sau đó là quá trình nung để phân hủy tiền chất và tạo ra các oxit Zr. Theo tài liệu gốc, việc biến tính Zr-SBA-16 bằng chloride compound thông qua impregnation có thể tăng cường hoạt tính xúc tác của vật liệu.

IV. Ứng dụng Zr SBA 16 làm Xúc tác Phản ứng Alkyl hóa 58 ký tự

Zr-SBA-16 đã được chứng minh là một chất xúc tác hiệu quả cho nhiều loại phản ứng, bao gồm cả phản ứng Alkyl hóa. Phản ứng Alkyl hóa là một phản ứng quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất, được sử dụng để sản xuất nhiều loại sản phẩm, bao gồm nhiên liệu, hóa chất trung gian và polyme. Hoạt tính xúc tác của Zr-SBA-16 trong phản ứng Alkyl hóa có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh kích thước lỗ rỗng, diện tích bề mặt và độ axit của vật liệu. Hiệu suất phản ứng Alkyl hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng và tỷ lệ chất phản ứng. Trong đó, Phản ứng alkyl hóa benzene là một ứng dụng quan trọng.

4.1. Zr SBA 16 trong Phản ứng Alkyl hóa Benzene 45 ký tự

Zr-SBA-16 đã được sử dụng thành công làm chất xúc tác cho phản ứng Alkyl hóa benzene. Phản ứng này được sử dụng để sản xuất ethylbenzene, một hóa chất trung gian quan trọng để sản xuất styrene. Zr-SBA-16 cho thấy hoạt tính và độ chọn lọc cao trong phản ứng Alkyl hóa benzene, do cấu trúc mesoporous và tính chất xúc tác của nó. Theo tài liệu gốc, Zr-SBA-16 và Cl-Zr-SBA-16 đã được sử dụng làm chất xúc tác trong phản ứng pha lỏng Alkyl hóa toluene và benzyl chloride, đạt được hiệu suất chuyển đổi khoảng 71% với độ chọn lọc 54% cho sản phẩm chính.

4.2. Điều kiện Tối ưu cho Phản ứng Alkyl hóa 48 ký tự

Việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng Alkyl hóa, chẳng hạn như nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ chất phản ứng, là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao. Theo tài liệu gốc, các điều kiện tối ưu cho phản ứng Alkyl hóa toluene và benzyl chloride khi sử dụng Zr-SBA-16 là 0.2g chất xúc tác và tỷ lệ thể tích toluene và benzyl chloride là 1:1 ở 110°C. Sau 6 giờ, phản ứng đạt khoảng 71% chuyển đổi với độ chọn lọc 54% cho sản phẩm chính.

V. Kết luận và Hướng phát triển Vật liệu Xúc tác Zr SBA 16 59 ký tự

Zr-SBA-16 là một vật liệu xúc tác đầy hứa hẹn cho nhiều loại phản ứng, bao gồm cả phản ứng Alkyl hóa. Cấu trúc mesoporous, diện tích bề mặt cao, và tính chất xúc tác có thể điều chỉnh của nó làm cho nó trở thành một ứng cử viên hấp dẫn cho các ứng dụng công nghiệp. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp và biến tính tiên tiến hơn để tăng cường tính chất xúc tác và độ ổn định của vật liệu. Nghiên cứu cũng nên tập trung vào việc khám phá các ứng dụng mới của Zr-SBA-16 trong các phản ứng hóa học khác. Nghiên cứu xúc tác cần tập trung vào khả năng tái sử dụng của Zr-SBA-16.

5.1. Tóm tắt Ưu điểm của Zr SBA 16 35 ký tự

Zr-SBA-16 sở hữu nhiều ưu điểm, bao gồm diện tích bề mặt cao, cấu trúc lỗ rỗng có trật tự, khả năng phân tán Zr tốt, và tính chất xúc tác có thể điều chỉnh. Những ưu điểm này làm cho nó trở thành một chất xúc tác hiệu quả cho nhiều loại phản ứng, bao gồm cả phản ứng Alkyl hóa. Trong tài liệu gốc, chất xúc tác này có thể được tái sử dụng nhiều lần với mức hao hụt hoạt tính xúc tác tối thiểu.

5.2. Hướng Nghiên cứu Tương lai 31 ký tự

Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp và biến tính tiên tiến hơn để tăng cường tính chất xúc tác và độ ổn định của Zr-SBA-16. Nghiên cứu cũng nên tập trung vào việc khám phá các ứng dụng mới của vật liệu trong các phản ứng hóa học khác, cũng như quy trình mở rộng quy mô sản xuất Zr-SBA-16. Theo tài liệu gốc, cần có thêm nghiên cứu để hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng và ảnh hưởng của các thông số khác nhau đến hiệu suất phản ứng.