Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, sự gia tăng nhanh chóng của các hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và làng nghề truyền thống đã làm phát sinh khối lượng lớn chất thải chưa qua xử lý triệt để, gây suy thoái nghiêm trọng chất lượng môi trường không khí và nguồn nước. Trong đó, nước thải từ ngành dệt nhuộm được xác định là một trong những nguồn gây ô nhiễm đáng lo ngại nhất trên toàn cầu. Quy trình nhuộm công nghiệp thường không thể cố định hoàn toàn lượng hóa chất màu vào sợi vải, dẫn đến việc lượng thuốc nhuộm tồn dư thất thoát vào môi trường nước có thể lên đến 50% tổng lượng sử dụng ban đầu. Sự hiện diện của các chất màu hữu cơ khiến nước thải có độ màu rất cao, ngăn cản sự thâm nhập của ánh sáng mặt trời, làm giảm khả năng hòa tan của oxy trong nước và phá hủy hệ sinh thái thủy sinh.

Methylene blue (MB, công thức phân tử $\text{C}{16}\text{H}{18}\text{ClN}_3\text{S}$) là chất màu hữu cơ cation dị vòng được ứng dụng phổ biến trong dệt may, y học, sinh học phân tử và nuôi trồng thủy sản. Với hệ số hấp thụ mol rất lớn ($\sim 8{,}4 \times 10^4\text{ L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{cm}^{-1}$ tại bước sóng $664\text{ nm}$), MB tạo màu xanh lam đậm ngay cả ở nồng độ vết. Về mặt sinh học và y tế, tiếp xúc lâu dài hoặc nuốt phải MB có thể gây kích ứng niêm mạc hô hấp, bỏng rát da, đau bụng, nôn mửa, rối loạn thần kinh, tăng huyết áp, tím tái, vàng da và nguy cơ tổn thương gan, thận. Các phương pháp xử lý MB truyền thống bao gồm oxy hóa hóa học, phân hủy sinh học, các quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) và hấp phụ. Trong số đó, phản ứng khử methylene blue về dẫn xuất leucomethylene blue (LMB) — một trạng thái trung tính, không màu và có độc tính thấp — bằng tác nhân khử natri borohydrua ($\text{NaBH}_4$) kết hợp xúc tác dị thể đang là hướng tiếp cận nhận được sự chú ý lớn.

Vật liệu khung hữu cơ - kim loại (Metal-Organic Frameworks - MOFs) là phân lớp vật liệu xốp tinh thể tiên tiến được cấu tạo từ các ion/cụm kim loại liên kết với phối tử hữu cơ đa càng, sở hữu diện tích bề mặt riêng vượt trội ($1000 - 10000\text{ m}^2/\text{g}$), kích thước lỗ xốp điều chỉnh được và mật độ tâm hoạt tính cao. Trong hệ vật liệu này, khung hữu cơ nickel (Ni-MOF) nổi bật nhờ cấu trúc chứa ion kim loại chuyển tiếp hoạt động. Tuy vậy, các công bố khoa học về Ni-MOF chủ yếu tập trung vào ứng dụng siêu tụ điện và cảm biến điện hóa, trong khi tiềm năng xúc tác dị thể xử lý chất màu hữu cơ chưa được khảo sát đầy đủ. Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Phan Thị Thanh Tuyền được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống nghiên cứu này.

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Tổng hợp thành công vật liệu khung hữu cơ - kim loại Ni-MOF sử dụng phối tử 2-methylimidazole bằng phương pháp nhiệt dung môi trên đế bọt nickel.
  2. Đánh giá hoạt tính xúc tác dị thể của vật liệu Ni-MOF trong phản ứng khử chất màu hữu cơ methylene blue bằng tác nhân $\text{NaBH}_4$ trong môi trường kiềm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu khung hữu cơ - kim loại Ni-MOF và chất màu hữu cơ methylene blue (MB).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thực nghiệm tổng hợp, phân tích đặc trưng lý hóa của vật liệu (XRD, EDX, SEM), khảo sát động học và các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng khử MB trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập nền tảng lý thuyết dựa trên hóa học vật liệu phối trí, hóa học môi trường và động học xúc tác dị thể:

  • Lý thuyết về vật liệu MOFs và Ni-MOF: Cấu trúc tổ hợp từ các đơn vị thứ cấp SBUs (Secondary Building Units) kim loại và phối tử hữu cơ (carboxylate, imidazolate). Khái quát độ bền nhiệt, độ bền hóa học, độ ổn định trong môi trường nước/acid/base và các hướng ứng dụng điển hình (lưu trữ khí $\text{H}_2, \text{CO}_2, \text{CH}_4$, phân tách sắc ký, y sinh, cảm biến, xúc tác).
  • Lý thuyết về chất màu methylene blue: Cấu trúc hóa học, tính chất quang phổ tử ngoại - khả kiến (hấp thụ cực đại tại bước sóng $\lambda_{\max} = 664\text{ nm}$), độc tính và cơ chế chuyển hóa khử thành leucomethylene blue ($\text{C}{16}\text{H}{19}\text{N}_3\text{S}$).
  • Lý thuyết động học xúc tác dị thể: Cơ chế ba giai đoạn (khuếch tán chất phản ứng đến bề mặt xúc tác, hấp phụ tạo phức hoạt động làm giảm năng lượng hoạt hóa, biến đổi hóa học bề mặt và giải hấp sản phẩm); phương trình định luật tác dụng khối lượng và mô hình phản ứng giả bậc một.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

  • Phương pháp nhiệt dung môi (Solvothermal method): Sử dụng tiền chất $\text{Ni(NO}_3)_2\cdot6\text{H}_2\text{O}$ và phối tử 2-methylimidazole trong dung môi methanol, có sự hỗ trợ của đế bọt nickel (Ni foam) đã được tiền xử lý tẩy oxit bề mặt bằng dung dịch $\text{HCl } 2\text{ M}$. Phản ứng nhiệt dung môi diễn ra trong bình phản ứng Teflon lót thép không gỉ ở nhiệt độ $180^\circ\text{C}$ trong $8\text{ giờ}$.
  • Phương pháp xác định đặc trưng lý hóa:
    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc pha tinh thể, kiểm tra sự hình thành mạng lưới Ni-MOF và đối chiếu với cơ sở dữ liệu chuẩn JCPDS.
    • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX): Định lượng tỷ lệ phần trăm số mol của các nguyên tố cấu thành ($\text{Ni, C, N, O}$).
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Quan sát hình thái bề mặt và cấu trúc vi mô ở các độ phóng đại $5000\times$ và $10000\times$.
  • Phương pháp trắc quang phổ hấp thụ phân tử tử ngoại - khả kiến (UV-Vis): Sử dụng thiết bị Perkin Elmer Lambda 365 để đo mật độ quang $A$ tại $\lambda = 664\text{ nm}$. Định lượng nồng độ chất màu dựa trên định luật Bouguer - Lambert - Beer ($A = \varepsilon l C$).
  • Phương pháp khảo sát động học xúc tác: Thiết lập quá trình hấp phụ - giải hấp trong bóng tối ($60\text{ phút}$) để đạt cân bằng pha trước khi bổ sung dung dịch hỗn hợp tác nhân khử $\text{NaBH}_4$ và chất ổn định $\text{NaOH}$. Lấy mẫu định kỳ mỗi $10\text{ phút}$ trong tổng thời gian $60\text{ phút}$ để xác định hằng số tốc độ phản ứng $k$.
Tên hóa chất Công thức hóa học Độ tinh khiết Xuất xứ Vai trò trong nghiên cứu
Nickel(II) nitrate hexahydrate $\text{Ni(NO}_3)_2\cdot6\text{H}_2\text{O}$ AR, 98,5% Trung Quốc Tiền chất kim loại
2-Methylimidazole $\text{C}_4\text{H}_6\text{N}_2$ AR, 98,0% Trung Quốc Phối tử hữu cơ
Methanol $\text{CH}_3\text{OH}$ AR, 99,5% Trung Quốc Dung môi phản ứng
Methylene blue $\text{C}{16}\text{H}{18}\text{ClN}_3\text{S}$ AR, 98,0% Trung Quốc Chất màu ô nhiễm mô hình
Sodium hydroxide $\text{NaOH}$ AR, 99,0% Trung Quốc Chất làm bền $\text{NaBH}_4$ / chỉnh môi trường
Hydrochloric acid $\text{HCl}$ AR, 37,0% Trung Quốc Xử lý bề mặt bọt nickel
Sodium borohydride $\text{NaBH}_4$ AR, 99,0% Trung Quốc Tác nhân khử

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 1 hệ thống hóa các tài liệu khoa học liên quan đến vật liệu khung hữu cơ - kim loại, chất màu methylene blue và lý thuyết xúc tác:

  • Lịch sử phát triển và phân loại MOFs: Khái quát từ các công trình đặt nền móng của Omar M. Yaghi thập niên 1990 (tổng hợp phức Co, Ni, Zn với acid 1,3,5-BTC) đến các họ MOFs tiêu biểu (MOF-5, HKUST-1, UiO-66, MIL-101, ZIF-8). Phân tích chi tiết cấu trúc lưỡng phần gồm các cụm SBUs vô cơ và cầu nối hữu cơ, cùng các đặc tính vượt trội về diện tích bề mặt (có thể đạt trên $6000\text{ m}^2/\text{g}$ như MOF-210), độ xốp và khả năng biến đổi hóa học.
  • Tổng quan vật liệu Ni-MOF: Tổng hợp các thành tựu nghiên cứu về Ni-MOF với nhiều dạng phối tử khác nhau như 1,3,5-BTC, 2,5-dihydroxybenzene-1,4-dicarboxylate (Ni-MOF-74), p-benzodicarboxylic acid (Ni-MOF-24) và 2-methylimidazole. Đánh giá tiềm năng của Ni-MOF trong lưu trữ khí methane/hydrogen, siêu tụ điện, xúc tác quang hóa và xúc tác điện hóa.
  • Đặc điểm của methylene blue và các giải pháp xử lý: Trình bày cấu trúc không gian, tính chất lý hóa, phổ hấp thụ đặc trưng, độc tính đối với cơ thể sống và hệ sinh thái. Điểm luận các phương pháp xử lý nước thải chứa MB, nhấn mạnh tính ưu việt của phản ứng khử hóa học chọn lọc tạo dẫn xuất không màu ít độc leucomethylene blue.
  • Cơ sở lý thuyết xúc tác: Phân tích cơ chế hạ thấp năng lượng hoạt hóa của xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể. Làm rõ thuyết hấp phụ nhiều giai đoạn trên bề mặt chất rắn trong xúc tác dị thể.

Chương 2: Hóa chất, dụng cụ và thiết bị

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục trang thiết bị, quy trình kỹ thuật tổng hợp vật liệu và các phương pháp phân tích thực nghiệm:

  • Quy trình nhiệt dung môi chế tạo Ni-MOF: Hòa tan $0{,}376\text{ mmol}$ $\text{Ni(NO}_3)_2\cdot6\text{H}_2\text{O}$ ($0{,}109\text{ g}$) và $2{,}632\text{ mmol}$ 2-methylimidazole ($0{,}216\text{ g}$) trong $25\text{ mL}$ methanol (tỷ lệ mol muối:phối tử = $1:7$), khuấy từ $50\text{ phút}$. Bổ sung hai miếng bọt Ni ($2\text{ cm} \times 1{,}5\text{ cm}$) đã làm sạch oxit bằng $\text{HCl } 2\text{ M}$ trong $15\text{ phút}$. Thực hiện phản ứng nhiệt dung môi trong bình Teflon ở $180^\circ\text{C}$ trong $8\text{ giờ}$. Bóc tách vật liệu khỏi bọt Ni bằng bể siêu âm, ly tâm, rửa và sấy khô ở $60^\circ\text{C}$ trong $2\text{ giờ}$, thu được sản phẩm bột màu nâu đen.
  • Thiết bị và kỹ thuật đo đặc trưng: Sử dụng máy XRD để nhận diện pha tinh thể, phổ EDX để xác định thành phần nguyên tố, kính hiển vi điện tử quét SEM để khảo sát hình thái vi cấu trúc tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng.
  • Xây dựng đường chuẩn trắc quang MB: Thiết lập dãy dung dịch chuẩn MB từ $0{,}5\text{ ppm}$ đến $10\text{ ppm}$, quét phổ UV-Vis trong dải bước sóng $400 - 700\text{ nm}$ để xác định mối tương quan tuyến tính giữa độ hấp thụ quang tại cực đại $664\text{ nm}$ và nồng độ chất màu.
  • Quy trình khảo sát phản ứng xúc tác khử: Cho $m\text{ mg}$ xúc tác Ni-MOF vào $25\text{ mL}$ dung dịch MB, khuấy tối $60\text{ phút}$ để đạt cân bằng hấp phụ. Sau đó cho thêm $2\text{ mL}$ hỗn hợp chứa $\text{NaBH}_4$ và $\text{NaOH}$. Lấy mẫu định kỳ $10\text{ phút/lần}$ trong $60\text{ phút}$ đo UV-Vis để tính toán động học.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm về tính chất hóa lý của vật liệu và khảo sát có hệ thống các thông số ảnh hưởng đến phản ứng khử:

  • Đặc trưng lý hóa của vật liệu Ni-MOF:
    • Phổ XRD ghi nhận pic nhiễu xạ lớn đặc trưng cho khung mạng Ni-MOF tại góc $2\theta = 13{,}9^\circ$, cùng các đỉnh phụ tại $19{,}4^\circ; 22{,}5^\circ$ và $34{,}0^\circ$, hoàn toàn trùng khớp với công bố của A. Kale và cộng sự (2021). Không xuất hiện pic tạp chất của kim loại Ni (JCPDS 65-2865) hay NiO (JCPDS 65-5745). Vật liệu có độ kết tinh tương đối thấp.
    • Phổ EDX xác nhận sự có mặt đồng thời của bốn nguyên tố $\text{Ni, C, N, O}$.
    • Ảnh SEM chỉ ra vật liệu Ni-MOF sở hữu hình thái xốp dạng mạng nhện (spider-web-like framework), tạo mạng lưới không gian mở thuận lợi cho việc khuếch tán và tiếp xúc của chất phản ứng.
  • Đường chuẩn định lượng methylene blue: Phương trình hồi quy tuyến tính thu được có dạng: $$A = 0{,}1179 C - 0{,}0069 \quad (R^2 = 0{,}9993)$$ Hệ số tương quan $R^2$ xấp xỉ 1 khẳng định độ tin cậy và độ chính xác cao của phương pháp đo quang.
  • Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến phản ứng khử:
    • Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác ($0{,}08 - 0{,}40\text{ g/L}$): Tốc độ khử tăng dần khi nâng hàm lượng từ $0{,}08\text{ g/L}$ và đạt cực đại tại $0{,}32\text{ g/L}$. Khi tăng tiếp lên $0{,}40\text{ g/L}$, tốc độ phản ứng giảm mạnh do lượng tâm hoạt tính dư thừa làm tiêu hao các gốc hoạt động tự do trước khi chúng kịp tác kích vào phân tử MB. Giá trị tối ưu được chọn là $0{,}32\text{ g/L}$.
    • Ảnh hưởng của nồng độ $\text{NaOH}$ ($0{,}04 - 0{,}20\text{ M}$): $\text{NaOH}$ đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn phản ứng tự phân hủy của $\text{NaBH}_4$ trong nước ($\text{NaBH}_4 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NaBO}_2 + 4\text{H}_2\uparrow$). Tốc độ khử đạt giá trị cao nhất tại $\text{NaOH } 0{,}04\text{ M}$ và giảm nhẹ khi nồng độ kiềm tăng. Tuy nhiên, ở nồng độ kiềm thấp hơn $0{,}12\text{ M}$ (dung dịch pha ban đầu $< 1{,}5\text{ M}$), $\text{NaBH}_4$ bị phân hủy sinh bọt khí mạnh và mất hoạt tính nhanh chóng. Nồng độ $\text{NaOH}$ tối ưu được cố định là $0{,}12\text{ M}$.
    • Ảnh hưởng của nồng độ tác nhân khử $\text{NaBH}_4$ ($0{,}007 - 0{,}035\text{ M}$): Hằng số tốc độ phản ứng $k_1$ tỷ lệ tuyến tính bậc nhất với nồng độ $\text{NaBH}_4$ theo phương trình hồi quy $y = 0{,}003x + 0{,}0241$ ($R^2 = 0{,}9869$). Khẳng định phản ứng tuân theo quy luật động học bậc hai tổng thể với hằng số tốc độ $k_2 = 0{,}003\text{ M}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$.
    • Ảnh hưởng của nồng độ chất màu MB ban đầu ($5 - 15\text{ ppm}$): Tốc độ khử trung bình trong $60\text{ phút}$ tỷ lệ tuyến tính với nồng độ cân bằng hấp phụ của MB theo phương trình $y = 0{,}0093x + 0{,}0217$ ($R^2 = 0{,}9924$), xác lập hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến giả bậc một $k' = 0{,}0093\text{ min}^{-1}$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng chính

Nghiên cứu đã xác lập các thông số thành phần và dữ liệu động học thực nghiệm cụ thể cho hệ xúc tác Ni-MOF:

Thông số / Đại lượng phân tích Giá trị thực nghiệm Phương pháp / Mô hình xác định
Phần trăm mol Nickel ($\text{Ni}$) $4{,}05%$ Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
Phần trăm mol Carbon ($\text{C}$) $45{,}97%$ Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
Phần trăm mol Nitrogen ($\text{N}$) $34{,}09%$ Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
Phần trăm mol Oxygen ($\text{O}$) $15{,}89%$ Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
Góc nhiễu xạ đặc trưng chính ($2\theta$) $13{,}9^\circ$ ($19{,}4^\circ; 22{,}5^\circ; 34{,}0^\circ$) Nhiễu xạ tia X (XRD)
Phương trình đường chuẩn methylene blue $A = 0{,}1179 C - 0{,}0069$ ($R^2 = 0{,}9993$) Quang phổ UV-Vis tại $\lambda = 664\text{ nm}$
Hàm lượng xúc tác Ni-MOF tối ưu $0{,}32\text{ g/L}$ Khảo sát thực nghiệm động học
Nồng độ $\text{NaOH}$ tối ưu $0{,}12\text{ M}$ Khảo sát độ bền $\text{NaBH}_4$ và tốc độ khử
Hằng số tốc độ phản ứng bậc hai ($k_2$) $0{,}003\text{ M}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ ($R^2 = 0{,}9869$) Hồi quy phụ thuộc $k_1$ theo $[\text{NaBH}_4]$
Hằng số tốc độ biểu kiến giả bậc một ($k'$) $0{,}0093\text{ min}^{-1}$ ($R^2 = 0{,}9924$) Hồi quy tốc độ trung bình theo $C_0$ MB

Đóng góp học thuật và thực tiễn

  1. Mở rộng hướng ứng dụng của vật liệu Ni-MOF: Đã chứng minh khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu nickel 2-methylimidazole trong vai trò xúc tác dị thể khử chất màu hữu cơ, mở rộng phạm vi nghiên cứu ngoài các ứng dụng quen thuộc như siêu tụ điện và cảm biến.
  2. Quy trình tổng hợp ổn định: Xây dựng quy trình chế tạo Ni-MOF cấu trúc xốp dạng mạng nhện trên đế bọt nickel bằng phương pháp nhiệt dung môi ở $180^\circ\text{C}$ trong $8\text{ giờ}$ với các tiền chất sẵn có, chi phí hợp lý.
  3. Làm sáng tỏ bản chất động học phản ứng: Chứng minh cơ chế phản ứng khử methylene blue bằng $\text{NaBH}_4$ khi có mặt Ni-MOF tuân theo động học bậc hai (bậc một theo MB và bậc một theo $\text{NaBH}_4$), đồng thời là phản ứng giả bậc nhất trong điều kiện dư thừa chất khử.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra một số điểm hạn chế trong phạm vi nghiên cứu và đề xuất các định hướng phát triển tiếp theo:

  • Hạn chế:
    • Vật liệu Ni-MOF tổng hợp có độ kết tinh tương đối thấp.
    • Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm trên đối tượng đơn chất màu (methylene blue), chưa thử nghiệm trên nền nước thải dệt nhuộm thực tế với thành phần nền phức tạp.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Đánh giá độ bền hóa học, khả năng thu hồi, tái sinh và hiệu suất xúc tác của Ni-MOF qua nhiều chu kỳ tái sử dụng.
    • Mở rộng thử nghiệm hoạt tính xúc tác khử của vật liệu đối với các hợp chất màu hữu cơ và chất ô nhiễm khó phân hủy khác (Rhodamine B, Methyl Orange, 4-nitrophenol...).
    • Biến tính cấu trúc hoặc tạo vật liệu composite trên cơ sở Ni-MOF nhằm cải thiện độ kết tinh, độ bền cơ - nhiệt và nâng cao hiệu tính xúc tác.

Giá trị tham khảo

Công trình là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên và nhà nghiên cứu chuyên ngành Sư phạm Khoa học tự nhiên, Sư phạm Hóa học, Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Vật liệu và Công nghệ Môi trường.
  • Quy trình thực nghiệm đáng chú ý: Quy trình chi tiết tổng hợp vật liệu MOF trên đế kim loại xốp bằng kỹ thuật nhiệt dung môi (Chương 2); phương pháp xử lý số liệu quang phổ UV-Vis để thiết lập mô hình động học phản ứng xúc tác dị thể bậc hai và giả bậc nhất (Chương 3).

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ mol giữa tiền chất nickel và phối tử hữu cơ được sử dụng để tổng hợp Ni-MOF là bao nhiêu?
Phản ứng tổng hợp sử dụng $0{,}376\text{ mmol}$ $\text{Ni(NO}_3)_2\cdot6\text{H}_2\text{O}$ ($0{,}109\text{ g}$) và $2{,}632\text{ mmol}$ 2-methylimidazole ($0{,}216\text{ g}$) trong $25\text{ mL}$ methanol, tương ứng với tỷ lệ số mol muối nickel : phối tử là $1:7$.

2. Cấu trúc hình thái bề mặt và thành phần nguyên tố của Ni-MOF có đặc điểm gì?
Hình ảnh SEM ở độ phóng đại $5000\times$ và $10000\times$ cho thấy vật liệu có cấu trúc dạng khung xốp giống hình mạng nhện. Phân tích phổ EDX xác định thành phần nguyên tố trên bề mặt gồm: $\text{Ni}$ ($4{,}05%$), $\text{O}$ ($15{,}89%$), $\text{C}$ ($45{,}97%$) và $\text{N}$ ($34{,}09%$) tính theo phần trăm số mol.

3. Vì sao cần bổ sung $\text{NaOH}$ vào hệ phản ứng khử MB bằng $\text{NaBH}_4$?
Trong môi trường nước không có kiềm, $\text{NaBH}_4$ kém bền và tự phân hủy nhanh chóng tạo khí hydrogen ($\text{NaBH}_4 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NaBO}_2 + 4\text{H}_2\uparrow$), làm mất tác dụng khử. Thêm $\text{NaOH}$ (nồng độ tối ưu trong hệ phản ứng là $0{,}12\text{ M}$) giúp làm bền hóa dung dịch $\text{NaBH}_4$, duy trì hoạt tính khử MB thành công.

4. Phản ứng khử methylene blue bằng $\text{NaBH}_4$ xúc tác Ni-MOF tuân theo quy luật động học nào?
Phản ứng là phản ứng bậc hai tổng thể (bậc một theo MB và bậc một theo $\text{NaBH}_4$) với hằng số tốc độ $k_2 = 0{,}003\text{ M}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$. Khi nồng độ $\text{NaBH}_4$ dư lớn so với MB, phản ứng chuyển thành dạng giả bậc nhất với hằng số tốc độ biểu kiến $k' = 0{,}0093\text{ min}^{-1}$.

5. Hàm lượng xúc tác Ni-MOF tối ưu cho phản ứng là bao nhiêu và điều gì xảy ra nếu dùng lượng xúc tác quá cao?
Hàm lượng xúc tác tối ưu là $0{,}32\text{ g/L}$. Khi nâng hàm lượng lên mức $0{,}40\text{ g/L}$, tốc độ phản ứng giảm đột ngột do lượng tâm hoạt tính dư thừa làm các gốc tự do bị tiêu hao và mất hoạt tính trước khi kịp tương tác khử phân tử methylene blue.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Phan Thị Thanh Tuyền đã tổng hợp thành công vật liệu khung hữu cơ - kim loại Ni-MOF từ tiền chất nickel nitrate và phối tử 2-methylimidazole bằng phương pháp nhiệt dung môi trên đế bọt nickel ở $180^\circ\text{C}$ trong $8\text{ giờ}$. Các phân tích hóa lý (XRD, EDX, SEM) đã chứng minh cấu trúc khung xốp dạng mạng nhện đặc trưng của vật liệu. Nghiên cứu xác lập hoạt tính xúc tác dị thể của Ni-MOF trong phản ứng khử methylene blue bằng $\text{NaBH}_4$ với điều kiện tối ưu đạt hàm lượng xúc tác $0{,}32\text{ g/L}$ và nồng độ $\text{NaOH } 0{,}12\text{ M}$. Kết quả thực nghiệm đã làm sáng tỏ động học phản ứng bậc hai với hằng số tốc độ $k_2 = 0{,}003\text{ M}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$ và hằng số tốc độ biểu kiến giả bậc nhất $k' = 0{,}0093\text{ min}^{-1}$, cung cấp cơ sở khoa học tin cậy cho việc ứng dụng vật liệu Ni-MOF trong xử lý chất màu môi trường.