- Tổng hợp và đặc trưng vật liệu cacbon có cấu trúc lớp bằng cách sử dụng khoáng sét Di Linh. - ứng dụng của sét biến tính làm vật liệu chế tạo cacbon mao quản. - Tiến hành thực nghiệm: Tổng hợp sét làm chất định trúc. - Điều chế vật liệu cacbon mao quản trật tự. - Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu. - Ứng dụng vật liệu cacbon tổng hợp làm chất mang xúc tác oxi hóa stiren. - Kết quả đạt được: Đã xử lý và biến tính sét Di Linh làm chất tạo cấu trúc cho quá trình tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trật tự. - Đã nghiên cứu đặc trưng của các mẫu sét biến tính bằng CTAB và tìm được điều kiện thích hợp (nhiệt độ, dung môi, thời gian…) để điều chế sét hữu cơ. - Đã tổng hợp thành công 3 mẫu cacbon từ glucozơ bằng cách sử dụng khoáng sét Di Linh làm chất tạo cấu trúc. - Các mẫu cacbon thu được có diện tích bề mặt riêng lớn (80-275 m2/g), cấu trúc lớp cacbon tùy thuộc vào bản chất và cấu tạo của mẫu sét biến tính mà cho ra các mẫu cacbon có cấu trúc khác nhau. - Đã tiến hành tẩm 5% CoO/vật liệu cacbon và 5% CoO/than hoạt tính ở cùng điều kiện và ứng dụng làm xúc tác oxi hóa stiren ở nhiệt độ thấp.. - Keywords: Vật liệu cacbon. - Năm 1999, vật liệu mesoporous cacbon ra đời mang lại nhiều ứng dụng trong công nghiệp và đời sống. - Tuy nhiên, họ vật liệu mesoporous cacbon (CMK-n, n = 1-9) được điều chế bằng từ hợp chất cơ nguyên tố tetraethyl orthosilicate (TEOS) và sucozơ, fructozơ, mantozơ. - Ưu điểm của phương pháp này là vật liệu CMK-n có độ tinh khiết cao, cấu trúc mao quản đồng đều, có trật tự sắp xếp ngược so với hệ thống mao quản của chất tạo khung meso silica. - Tuy nhiên, để điều chế 1 gam CMK-n có cấu trúc mao quản phải cần đến 10-12 gam TEOS nên phương pháp tổng hợp này là không kinh tế. - Do vậy đã có nhiều phương pháp tổng hợp mới được đề xuất nhằm tìm kiếm phương pháp điều chế vật liệu cacbon có cấu trúc mao quản xốp hiệu quả hơn . - Do khoáng sét Việt Nam có trữ lượng lớn, giá thành thấp nên được ứng dụng làm vật liệu hấp phụ xúc tác cho nhiều quá trình chuyển hóa hóa học [24]. - Tuy nhiên, việc nghiên cứu sử dụng khoáng sét làm chất định khung để điều chế các vật liệu cacbon chưa được thực hiện nhiều. - Do vậy nhóm nghiên cứu của chúng tôi đặt vấn đề dùng khoáng sét biến tính Việt Nam làm chất tạo khung cho quá trình tổng hợp vật liệu cacbon xốp. - So sánh với các chất định trúc chế tạo vật liệu cacbon trước đây sét có cấu trúc khác biệt như cấu trúc lớp, chứa các oxit kim loại dễ hòa tan (Mg, Al, Na…) nên có thể dự đoán họ vật liệu cacbon điều chế có những tính chất mới (mao quản hẹp, tồn tại cả hệ mao quản trung bình và vi mao quản. - Các mẫu vật liệu tổng hợp giầu nhóm oxi bề mặt có thể ứng dụng làm chất hấp phụ, chất mang xúc tác cho các quá trình chuyển hóa hữu cơ, hóa dầu [8, 12-20]. - Do vậy, chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu “Tổng hợp và đặc trưng vật liệu cacbon có cấu trúc lớp bằng cách sử dụng khoáng sét Di Linh làm chất tạo khung”.. - Khoáng sét được hình thành trong tự nhiên do sự phong hóa lâu đời đá mẹ như: felspart, magma… Tuy nhiên, thành phần đá mẹ ban đầu và điều kiện khí hậu nơi phân hóa đã khiến thành phần sét và cấu trúc sét có thể bị thay đổi. - Nó có cấu trúc lớp bao gồm lớp nhôm oxit và lớp silic oxit. - đã được biến tính bằng CTAB nhằm năng. - cao khoảng cách giữa các lớp sét để dùng làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp vật liệu xúc tác. - Sét biến tính. - Lý do biến tính sét. - Các kiểu biến tính:. - Biến tính bằng các cation kim loại đa hóa trị. - Biến tính bằng polioxocation kim loại (tạo sét chống) 1.2.2.3. - Biến tính bằng cation hữu cơ (hữu cơ hóa sét). - Như vậy, bằng phản ứng trao đổi cation, mạch hydrocacbon dài được gắn lên bề mặt làm tăng khoảng cách giữa các lớp sét được mô tả bởi mô hình cấu trúc của sét hữu cơ dưới đây (hình 1.12).. - Hình 1.12 Mô hình cấu trúc của sét hữu cơ (organo clay). - Xuất phát từ những tính chất và cấu trúc riêng của sét, chúng tôi đặt vấn đền ứng dụng sét chống làm khung tổng hợp cacbon. - Thành phần sét được loại bỏ bằng phương pháp hóa học để thu được vật liệu cacbon xốp có cấu trúc xác định.. - Ứng dụng của sét biến tính làm vật liệu chế tạo cacbon mao quản 2.1 Vật liệu cacbon mao quản. - Vật liệu cacbon được biết từ rất sớm và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, hấp phụ, tách chất, điện cực cho pin, tế bào nhiên liệu, chất hấp phụ chất mang cho các quá trình xúc tác. - Sự ứng dụng phong phú của họ vật liệu này không chỉ vì các tính chất hóa lý ưu việt của chúng như độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, bền hóa học, khối lượng riêng nhỏ, diện tích bề mặt riêng lớn, trơ về mặt hóa học và độ bền nhiệt cao, chịu môi trường axit bazơ, mà còn do tính chất sẵn có của chúng [23-26]. - Có nhiều cải tiến chế tạo vật liệu cacbon trong những năm gần đây mặc dù quá trình chế tạo vật liệu cacbon vẫn còn đang tiếp tục nghiên cứu bên cạnh những phương pháp tổng hợp mới được đề xuất gần đây.. - Các loại vật liệu cacbon mao quản từ các chất tạo cấu trúc khác nhau Vật liệu. - cacbon Chất tạo cấu trúc Tiền chất cacbon Đƣờng kính mao quản (nm). - Chiều mao quản. - 2.3 Đặc trƣng vật liệu mesoporous cacbon. - Cấu trúc của vật liệu mesoporous cacbon được nghiên cứu bởi nhiều phương pháp vật lý hóa nhau như kính hiển vi điện tử quét, truyền qua, nhiễu xạ tia X, hấp phụ nitơ. - [26] đã điều chế vật liệu mesoporous cacbon CMK-1 và CMK-3 (cấu trúc lập phương và lục lăng tương ứng) bằng cách cacbon hóa sucozơ bên trong các mao quản của MCM-48 cấu trúc lập phương và SBA-16 cấu trúc lục lăng. - CMK-1 có hai sự phân bố đường kính mao quản ở vùng nanoporous từ 0,5 đến 0,8 nm và vùng mesoporous gần 3,0 nm.. - Hình 1.15 Đường hấp phụ/giải hấp và phân bố mao quản của vật liệu porous cacbon [23]. - Yu và cộng sự [32] tổng hợp vật liệu mesoporous cacbon sử dụng compoit của MCM-48 silica/chất hoạt động bề mặt như là chất tạo cấu trúc. - Vật liệu mesoporous cacbon thu được trong trường hợp này không phải tổng hợp bằng cách chuyển chất tạo cấu trúc hữu cơ thành vật liệu cacbon. - Thay vào đó, poli(đivinylbenzen) được tổng hợp bên trong khoảng không gian rỗng của composit silica/chất hoạt động bề mặt trước khi thực hiện quá trình cacbon hóa.. - 2.3 Biến tính vật liệu cacbon mao quản trung bình. - Như đã trình bày ở trên, vật liệu cacbon mao quản trung bình với hàng loạt cấu trúc khác nhau đã được tổng hợp từ các chất tạo cấu trúc vô cơ hoặc hữu cơ khác nhau, tiền chất cacbon và phương pháp tổng hợp. - Các ứng dụng của vật liệu mao quản trung bình trật tự này trong tách chất, xúc tác, điện hóa… đòi hỏi phải biến tính bề mặt. - Tuy nhiên, các phương pháp biến tính hóa học bề mặt cacbon thường rất khó khăn do hoạt tính của cacbon rất thấp.. - Tuy nhiên, nhược điểm của các phương pháp này là có thể phá vỡ bề mặt cacbon hoặc cấu trúc mao quản trong quá trình xử lý oxi hóa.. - Xuất phát từ những đặc điểm và tính chất của các họ vật liệu cacbon khác nhau, chúng tôi tiến hành tổng hợp nanoporous cacbon từ khung khoáng sét Di Linh biến tính. - Kết quả. - nghiêm cứu góp phần tìm kiếm con đường tổng hợp cacbon mao quản xốp thông qua việc dùng khoáng sét là chất tạo cấu trúc ban đầu.. - THỰC NGHIỆM 2.1 Tổng hợp sét làm chất định trúc. - 2.2 Điều chế vật liệu cacbon mao quản trật tự. - Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng vật liệu 2.3.1. - 2.4 Ứng dụng vật liệu cacbon tổng hợp làm chất mang xúc tác oxi hóa stiren 2.4.1 Các bước tiến hành. - Tổng hợp bent.DL-CTAB và nghiên cứu tính chất của bent.DL-CTAB 3.1.1. - 3.2.5 Xác định thành phần nguyên tố hóa học bề mặt sét chống CTAB bằng phương pháp EDX. - 3.3 Kết quả tổng hợp vật liệu cacbon trật tự. - Bảng 3.5 Mẫu sét sử dụng điều chế vật liệu cacbon tương ứng Mẫu sét ban đầu Khoảng cách. - Mẫu vật liệu cacbon. - Diện tích bề mặt riêng, BET (m 2 /g). - 3.4 Kết quả đặc trƣng vật liệu cacbon tổng hợp 3.4.1 Kết quá nhiễu xạ tia X. - Hình 3.12 Phổ nhiễu xạ tia X góc lớn của các vật liệu cacbon tổng hợp 3.4.2 Kết quả hấp phụ nitơ. - Để khảo sát độ xốp và diện tích bề mặt riêng của mẫu cacbon thu được, chúng tôi tiến hành xác định diện tích bề mặt riêng BET của ba mẫu xúc tác cũng như sét tạo cấu trúc ban đầu. - Hình 3.13 Đường hấp phụ/giải hấp nitơ của các mẫu cacbon 3.4.3 Hình ảnh SEM của mẫu cacbon tổng hợp. - TDC-04 Hình 3.15a Ảnh SEM của các mẫu vật liệu cacbon tổng hợp. - 3.4.4 Hình ảnh TEM của mẫu vật liệu cacbon tổng hợp. - mẫu vật liệu cacbon tổng hợp. - Hình 3.17 đưa ra kết quả phân tích thành phần nguyên tố bề mặt.. - 3.4.6 Ứng dụng của vật liệu cacbon tổng hợp. - Các mẫu cacbon tổng hợp được sử dụng làm chất mang điều chế xúc tác CoO/nanoporous carbon. - Bảng 3.6 Phản ứng oxi hóa stiren trên xúc tác 5 CoO/vật liệu cacbon tổng hợp Thời gian. - Hình 3.17 Hình ảnh SEM (A) ghi phổ tán xạ tia X (B) và kết quả phân tích thành phần nguyên tố bề mặt. - Đã xử lý và biến tính sét Di Linh làm chất tạo cấu trúc cho quá trình tổng hợp vật liệu cacbon mao quản trật tự. - Các mẫu sét được xử lý hóa học và biến tính bằng cetytrimetyl amoni bromua nhằm nâng cao khoảng cách không gian cơ sở d 100 . - Kết quả nhận được mẫu sét biến tính đã tăng khoảng cách không gian cơ sở tăng từ 14 lên 26Ǻ.. - Đã nghiên cứu đặc trưng của các mẫu sét biến tính bằng CTAB và tìm hiểu điều kiện thích hợp (nhiệt độ, dung môi, thời gian…) để điều chế sét hữu cơ. - Các mẫu sét xử lý và sét hữu cơ được sử dụng làm chất tạo khung để điều chế vật liệu cacbon.. - Hàm lượng Si và Al có mặt không đáng kể trong mẫu cacbon tổng hợp (<5%).. - Các mẫu cacbon thu được có diện tích bề mặt riêng khá lớn (80-275 m 2 /g), cấu trúc lớp cacbon tùy thuộc vào bản chất và cấu tạo của mẫu sét biến tính mà cho ra các mẫu cacbon có cấu trúc khác nhau. - Với mẫu sét biến tính cho phép điều chế phiến cacbon phẳng, diện tích bề mặt dao động từ 80-170 m 2 /g, có hệ thống mao quản micro và mesopores. - Mao quản hình thành từ các khe hở do các phiến cacbon xếp chồng lên nhau. - Đường kính mao quản từ 1-2,5 nm.. - Đã tiến hành tẩm 5 %CoO/vật liệu cacbon và 5 %CoO/than hoạt tính ở cùng điều kiện và ứng dụng làm xúc tác oxi hóa stiren ở nhiệt độ thấp. - %CoO/vật liệu cacbon chuyển hóa 23% stiren thành benzanđehit và stiren oxit với độ chọn lọc cao trong khi mẫu %CoO/than hoạt tính hầu như không thể hiện khả năng oxi hóa stiren.. - [1] Lê Thanh Sơn, Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xốp mao quản trung bình tiên tiến biến tính bề mặt bằng các kím loại hoặc oxit kim loại chuyển tiếp để chuyển hóa hydrocacbon và xử lý môi trường, Đề tài cấp ĐHQGHN, QG - 09-16. - [2] Phan Văn Tường (1998)Vật liệu vô cơ, nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội.. - [3] Nguyễn Hữu Phú (1999), Vật liệu vô cơ mao quản trung bình trong hấp phụ và xúc tác, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội.. - Patarin (2003), Journal of Materials Chemistry, 13, pp.2535. - Prikhod’ko (2006), Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 86, pp.109. - Kyotani (2000), “Control of pore structure in carbon”, Carbon 38, pp.269