I. Tổng quan về xúc tác MgO ZrO2 kết tủa nung thiêu kết năm 2025
Nghiên cứu tổng hợp xúc tác MgO–ZrO2 bằng phương pháp đồng kết tủa và nung thiêu kết là công trình nổi bật tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM năm 2025. Đề tài được thực hiện bởi kỹ sư Nguyễn Đoàn Thanh Trúc dưới sự hướng dẫn của các tiến sĩ chuyên ngành. Mục tiêu cốt lõi là phát triển vật liệu xúc tác base dị thể tiên tiến. Vật liệu này phục vụ cho phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt điều chế chalcone. Chalcone là tiền chất sinh học quan trọng trong công nghiệp dược phẩm và hóa chất tinh vi. Vật liệu lai hóa MgO–ZrO2 mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với từng oxit đơn lẻ. Magie oxit cung cấp các tâm base Lewis mạnh. Zirconia đóng vai trò là chất mang bền nhiệt và cơ học cao. Sự kết hợp hai oxit tạo nên hiệu ứng hiệp đồng cấu trúc. Cấu trúc vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn và độ phân tán hạt đồng đều. Quy trình tổng hợp đồng kết tủa kết hợp nung thiêu kết sở hữu tính đơn giản, chi phí nguyên liệu thấp và thân thiện môi trường. Nghiên cứu khẳng định tiềm năng to lớn của vật liệu trong xu thế hóa học xanh hiện đại.
1.1. Xuất xứ đề tài tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
Đề tài được hoàn thành tại Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Công trình do tác giả Nguyễn Đoàn Thanh Trúc nghiên cứu trong năm học 2025. Hai giảng viên hướng dẫn trực tiếp là TS. Ngô Hoàng Long và TS. Nguyễn Linh Nhâm. Nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tiễn về việc nội địa hóa các xúc tác rắn chất lượng cao. Đồ án tập trung giải quyết bài toán kỹ thuật từ khâu chọn hóa chất tiền chất đến khâu tối ưu hóa điều kiện phản ứng tổng hợp. Kết quả đạt được đánh dấu bước tiến quan trọng trong định hướng nghiên cứu xúc tác dị thể tại nhà trường.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu xúc tác MgO ZrO2 cho phản ứng chalcone
Mục tiêu chính của đề tài là chế tạo thành công xúc tác oxit hỗn hợp MgO–ZrO2 có hoạt tính cao. Quá trình chế tạo sử dụng phương pháp đồng kết tủa và nung thiêu kết ở nhiệt độ cao. Nhóm nghiên cứu khảo sát chi tiết ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa magie và zirconi. Hoạt tính xúc tác được kiểm chứng trực tiếp qua phản ứng tổng hợp chalcone từ acetophenone và benzaldehyde. Phản ứng được thực hiện trong điều kiện xanh không sử dụng dung môi hữu cơ. Nghiên cứu kỳ vọng đạt hiệu suất chuyển hóa cao và độ chọn lọc chalcone vượt trội, mở ra giải pháp công nghệ sạch cho tổng hợp hữu cơ.
II. Phân tích hạn chế base đồng thể và ưu thế xúc tác MgO ZrO2
Phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt truyền thống thường dùng các xúc tác base đồng thể mạnh như NaOH, KOH hoặc natri ethoxide. Các hệ base lỏng này bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng trong quy trình sản xuất quy mô công nghiệp. Dung dịch kiềm ăn mòn thiết bị kim loại rất mạnh. Quá trình trung hòa dung dịch sau phản ứng tiêu tốn lượng axit lớn. Hỗn hợp tạo ra lượng muối thải và nước thải ô nhiễm khổng lồ. Việc tách rửa và tinh chế sản phẩm chalcone gặp rất nhiều trở ngại kỹ thuật. Sự xuất hiện của xúc tác base dị thể MgO–ZrO2 giải quyết triệt để các tồn tại này. Vật liệu rắn này không gây ăn mòn hệ thống phản ứng. Sản phẩm thô được thu hồi dễ dàng bằng thao tác lọc cơ học đơn giản. Xúc tác rắn có thể rửa sạch, sấy khô và tái sử dụng nhiều chu kỳ liên tiếp. Ngoài ra, việc phối trộn ZrO2 giúp mạng lưới MgO bền vững hơn dưới tác động nhiệt và cơ. Độ bền cấu trúc ngăn chặn hiện tượng rửa trôi pha hoạt tính vào dòng sản phẩm. Đây là bước đột phá kỹ thuật đáp ứng các tiêu chí sản xuất bền vững.
2.1. Nhược điểm môi trường của các base đồng thể truyền thống
Các xúc tác base đồng thể kinh điển gây áp lực nặng nề lên hệ thống xử lý môi trường. Sau phản ứng, toàn bộ lượng kiềm tan biến thành muối thải vô giá trị qua quá trình trung hòa. Nước thải chứa hàm lượng muối vô cơ cao và vết hợp chất hữu cơ độc hại. Quy trình xử lý dòng thải này đòi hỏi chi phí hóa chất và năng lượng rất tốn kém. Bên cạnh đó, hiệu suất thu hồi sản phẩm hữu cơ thường bị suy giảm do phản ứng phụ trong giai đoạn axit hóa. Môi trường kiềm mạnh cũng làm giảm tuổi thọ của các thiết bị cơ khí trong nhà xưởng.
2.2. Lợi thế kỹ thuật của hệ xúc tác base rắn MgO ZrO2
Hệ xúc tác base dị thể MgO–ZrO2 sở hữu các ưu điểm vượt bậc về mặt công nghệ chế biến. Bề mặt vật liệu chứa các tâm base Lewis O2- và tâm base Bronsted OH-. Sự kết hợp với oxit zirconi giúp ổn định mạng tinh thể và ngăn ngừa hiện tượng kết tụ hạt ở nhiệt độ cao. Xúc tác rắn dễ dàng phân tách khỏi dung dịch sản phẩm bằng phễu lọc hoặc ly tâm. Khả năng tái sử dụng nhiều lần giúp hạ giá thành sản xuất thương mại. Quy trình phản ứng diễn ra êm dịu, giảm thiểu tạo thành các sản phẩm phụ không mong muốn.
III. Quy trình điều chế xúc tác MgO ZrO2 bằng kết tủa và thiêu kết
Quy trình tổng hợp xúc tác dị thể MgO–ZrO2 gồm các giai đoạn kỹ thuật chuẩn xác. Nguyên liệu ban đầu sử dụng muối magie nitrat và zirconi oxynitrat có độ tinh khiết cao. Tác nhân kết tủa là dung dịch kiềm được bổ sung từ từ dưới điều kiện khuấy trộn liên tục. Độ pH của hỗn hợp được kiểm soát nghiêm ngặt nhằm đảm bảo hai cation kết tủa đồng thời. Kết tủa hydroxide hỗn hợp được lọc, rửa sạch ion tạp chất bằng nước cất và sấy khô hoàn toàn. Giai đoạn tiếp theo là nung thiêu kết ở nhiệt độ cao trong môi trường không khí. Quá trình xử lý nhiệt kích thích sự biến đổi pha và hình thành liên kết oxit kép bền vững. Cấu trúc và đặc tính hóa lý của vật liệu được phân tích bằng các công nghệ hiện đại. Phổ XRD xác định độ kết tinh và kích thước tinh thể của pha MgO và ZrO2. Ảnh SEM thể hiện hình thái học bề mặt xốp mịn. Phổ FT-IR và EDS chứng minh thành phần nguyên tố đồng nhất. Phép đo CO2-TPD định lượng chính xác mật độ các tâm base hoạt tính trên bề mặt.
3.1. Các bước thực nghiệm đồng kết tủa và xử lý nhiệt
Quy trình thực nghiệm bắt đầu bằng việc hòa tan Mg(NO3)2 và tiền chất Zr theo tỉ lệ mol định sẵn. Dung dịch kết tủa được nhỏ giọt đều đặn vào bình phản ứng dưới lực khuấy cơ học mạnh. Kết tủa gel hình thành được ủ già hóa để cấu trúc hạt ổn định hoàn toàn. Sau đó, khối bột được lọc rửa nhiều lần để loại bỏ gốc nitrat dư thừa. Bột ẩm được sấy ở 105 °C trong 12 giờ rồi nghiền mịn. Giai đoạn nung thiêu kết diễn ra ở nhiệt độ cao để chuyển hóa hoàn toàn hydroxide thành mạng oxit tinh thể MgO–ZrO2 có hoạt tính xúc tác mạnh.
3.2. Phương pháp phân tích đặc trưng hóa lý hiện đại
Các phương pháp phân tích tiên tiến được sử dụng để kiểm tra toàn diện phẩm chất xúc tác. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD) làm rõ pha tinh thể lập phương của MgO và tứ giác của ZrO2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh chi tiết về kích thước hạt và độ xốp bề mặt. Quang phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) kiểm tra sự phân bố đồng đều của các nguyên tố Mg, Zr và O. Kỹ thuật giải hấp CO2 theo chương trình nhiệt độ (CO2-TPD) xác nhận sự hiện diện dồi dào của các tâm base bề mặt với cường độ lực đa dạng.
IV. Đánh giá hiệu quả xúc tác MgO ZrO2 tổng hợp chalcone tại HCMUTE
Nghiên cứu tại HCMUTE đã thử nghiệm thành công xúc tác MgO–ZrO2 trong phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt tổng hợp chalcone. Quá trình phản ứng diễn ra hoàn toàn không dung môi giữa benzaldehyde và acetophenone. Khảo sát các tỉ lệ mol khác nhau cho thấy mẫu Mg20–Zr1 đạt hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc vượt trội nhất. Tỉ lệ magie cao tạo ra mật độ tâm base dồi dào, trong khi zirconi đóng vai trò phân tán và gia cố khung mang. Mẫu không có xúc tác chỉ chuyển hóa rất thấp và không tạo ra chalcone. Nhóm tác giả áp dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) theo mô hình Box-Behnken để tối ưu hóa điều kiện phản ứng. Ba thông số vận hành then chốt gồm thời gian, nhiệt độ và khối lượng xúc tác được đánh giá đa biến. Kết quả xác lập điều kiện tối ưu tại 170 °C, thời gian 10 giờ với 100 mg xúc tác Mg20–Zr1. Tại thông số này, độ chuyển hóa acetophenone đạt trên 87% cùng độ chọn lọc chalcone rất cao. Thành công của nghiên cứu khẳng định tính khả thi của quy trình sản xuất sạch trong công nghệ hóa học hiện đại.
4.1. Hiệu suất vượt trội của mẫu xúc tác tối ưu Mg20 Zr1
Dữ liệu thực nghiệm chứng minh tỉ lệ Mg:Zr ảnh hưởng mang tính quyết định đến hoạt tính xúc tác. Mẫu chứa hàm lượng magie cao như Mg20–Zr1 thể hiện hiệu năng áp đảo so với các tỉ lệ thấp hơn. Nồng độ tâm base mạnh trên bề mặt giúp kích hoạt nhanh chóng phân tử acetophenone tạo ion enolat trung gian. Phản ứng ghép đôi với benzaldehyde diễn ra thuận lợi mà không cần dung môi hỗ trợ. Sản phẩm chalcone tạo thành có độ tinh khiết cao và hạn chế tối đa các phản ứng phụ trùng hợp. Mẫu Mg20–Zr1 chứng minh tính ưu việt của việc phối trộn oxit dị thể.
4.2. Tối ưu hóa điều kiện phản ứng bằng mô hình Box Behnken
Mô hình toán học Box-Behnken hỗ trợ thiết lập chính xác các thông số phản ứng tối ưu mà không tốn kém tài nguyên. Các thí nghiệm xác định khoảng nhiệt độ 170 °C cung cấp năng lượng kích hoạt vừa đủ để phản ứng đạt cân bằng nhanh. Thời gian lưu 10 giờ đảm bảo mức chuyển hóa tối đa mà không gây phân hủy sản phẩm. Khối lượng xúc tác 100 mg cung cấp đủ diện tích tiếp xúc cho các phân tử tác chất. Mô hình hồi quy đạt độ tương thích cao với dữ liệu thực nghiệm, tạo tiền đề tin cậy cho việc mở rộng quy mô phản ứng lên mức bán công nghiệp.
