báo cáo các phương pháp tổng hợp và ứng dụng của vật liệu oxit nano sio2 trong lĩnh vực xúc tác hấp phụ

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.44 MB, 17 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI---

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Mục Lục

I.Tổng quan...3

1.1. Đặc tính và cấu trúc của vật liệu silica (

SiO

2)...3

1.2 Cấu trúc của vật liêu nanosilica...3

2. Ứng dụng của vật liệu nanosilica...4

2.1 Hạt nano

SiO

2 làm chất kết dính và chất làm kín...4

2.2 Các hạt nano

SiO

2 trong ngành dệt may...4

2.3 Các hạt nano

SiO

2 trong xúc tác...5

2.4 Các hạt nano

SiO

2 trong lĩnh vực diệt khuẩn...5

2.5 Ứng dụng y sinh học của hạt nano

SiO

2...5

2.6 Ứng dụng trong ngành dược phẩm...5

2.7 Trong nông nghiệp và thực phẩm...6

3. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nanosilica

SiO

2...6

3.1 Phương pháp thủy nhiệt...6

3.2 Phương pháp sol-gel...10

3.3 Phương pháp đồng kết tủa...13

Tài liệu tham khảo:...17

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

I.Tổng quan

1.1. Đặc tính và cấu trúc của vật liệu silica (

SiO2

).

Hình 1. Vật liệu silica (

SiO2

)

Đioxit silic hay còn gọi là silicon dioxide là một hợp chất hóa học cịn có têngọi khác là silica, là một oxit của silic có cơng thức hóa học là SiO có độ cứng2

cao được biết đến từ thời cổ đại.

Silica có hai dạng cấu trúc là dạng tinh thể và dạng vơ định hình. Trong tựnhiên, silica tồn tại chủ yếu ở dạng tinh thể hoặc vi tinh thể (thạch anh, tridimit,cristobalit, cancedoan, đá mã não), đa số silica tổng hợp nhân tạo đều được tạora ở dạng bột hoặc dạng keo và có cấu trúc vơ định hình (silica colloidal). Mộtsố dạng silica có cấu trúc tinh thể có thể được tạo ra ở áp suất và nhiệt độ caonhư coesit và stishovit. Trong điều kiện áp suất thường, silica tinh thể có 3 dạngthù hình chính đó là thạch anh, tridimit và cristobalit. Mỗi dạng thù hình này lạicó 2 hoặc 3 dạng thứ cấp: dạng thứ cấp α bền ở nhiệt độ thấp và dạng thứ cấp βbền ở nhiệt độ cao. Ba dạng tinh thể silica có cách sắp xếp khác nhau của cácnhóm tứ diện SiO ở trong tinh thể. Ở thạch anh α, góc liên kết Si-O-Si bằng4

150o , ở tridimit và cristobalit cần chuyển góc Si-O-Si từ 150 thành 180 , trongoo

khi đó để chuyển thành α-tridimit thì ngồi việc chuyển góc này cịn phải quaytứ diện SiO quanh trục đối xứng một góc bằng 180 .4 o

1.2 Cấu trúc của vật liêu nanosilica

Cấu trúc của nanosilica là một mạng lưới ba chiều đặc trưng bởi các nhómsiloxan (Si-O-Si) hình thành bên trong cấu trúc và các nhóm silanol (SiOH)được tạo ra trên bề mặt vật liệu. Các nhóm silanol trên bề mặt của các hạt silicaliền kề được liên kết với nhau bằng các liên kết hydro và có xu thế liên kết cáchạt silica tạo thành tinh thể có kích thước lớn hơn. Bên cạnh đó, các nhómsilanol trên bề mặt silica là cơ sở thuận tiện cho việc liên kết với các nhóm chứcamino, cacboxyl, mercaptos (các nhóm chức đặc trưng của tế bào cơ thể). Đây

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

là đặc tính quan trọng giúp nanosilica được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực ysinh, giúp hạt silica có thể liên kết với các tế bào sinh học trong cơ thể.

2. Ứng dụng của vật liệu nanosilica

Bột nano silica (SiO ) được sử dụng để làm kính phẳng, các sản phẩm thủy tinh,2

cát nóng chảy, xi măng, sợi thủy tinh, men gooma, phun cát để chống oxy hóa,cát lọc, chất trợ dung, vật liệu chịu lửa và xi măng nhẹ. Các hạt nano silicondioxide (SiO ) được sử dụng rộng rãi trong nhiều sản phẩm công nghiệp. Các2

tinh thể quý hiếm trong tự nhiên có thể được sử dụng để tạo ra các bộ phận quantrọng cho ngành công nghiệp điện tử, dụng cụ quang học và hàng thủ công. Bộtnano silic đioxit (SiO ) là nguyên liệu quan trọng để sản xuất sợi quang học.2

Một số ứng dụng và cách sử dụng chính của hạt nano silica được nêu dưới đây:

2.1 Hạt nano SiO2 làm chất kết dính và chất làm kín

Bột nano silica (SiO ) là vật liệu được ưa chuộng trong lĩnh vực chất kết dính và2

chất bịt kín. Thêm nó vào chất làm kín có thể nhanh chóng tạo thành cấu trúclưới, ức chế chất lỏng keo, tăng tốc độ, cải thiện hiệu quả của liên kết, và vì cáchạt nhỏ nên độ kín của chất kết dính tăng lên.

2.2 Các hạt nano SiO2 trong ngành dệt may

Bột nano silica (SiO ) đã đóng một vai trị quan trọng trong hàng dệt may. Hiện2

nay, nó đã được sử dụng để ngăn tia cực tím và hoạt động như một chất khửmùi, chống lão hóa và chống khuẩn. Ví dụ, tỷ lệ thích hợp của các hạt nanosilicon dioxide (SiO ) là một chất phụ gia quan trọng trong việc chống lại bức2

xạ tia cực tím.

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

2.3 Các hạt nano SiO2 trong xúc tác

Do diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp cao và hoạt động bề mặt tốt, bột nanosilicon dioxide (SiO ) có các ứng dụng tiềm năng trong xúc tác. Bột nano SiO22

hoạt động như một chất mang xúc tác. Nó cho thấy hiệu suất phản ứng độc đáocho nhiều phản ứng nhạy cảm.

2.4 Các hạt nano SiO 2trong lĩnh vực diệt khuẩn

Bột nano silica (SiO ) được sử dụng làm chất mang trong điều chế thuốc diệt2

nấm, trong đó việc kháng khuẩn có thể được hấp thụ và đạt được mục tiêu khửtrùng. Ứng dụng này được sử dụng để sản xuất các mặt hàng như vỏ tủ lạnh,bàn phím máy tính...

2.5 Ứng dụng y sinh học của hạt nano SiO2

Các hạt nano silica (SiO ) có thể được sử dụng trong các chức năng của tế bào.2

Bột nano silic đioxit có tính tương hợp sinh học tốt và do đó, được sử dụng rộngrãi làm chất mang sinh học. Người ta đã phát hiện ra rằng bột nano SiO can2

thiệp vào việc truyền tín hiệu Wnt, ảnh hưởng đến các quá trình sinh học nhưbiệt hóa tế bào mỡ, di cư của tế bào ung thư và sự phát triển của phôi cá ngựavằn.

2.6 Ứng dụng trong ngành dược phẩm

Bột nano silica (SiO ) vơ cùng cần thiết trong ngành dược phẩm. Nó đã trở2

thành một trong những tá dược phẩm quan trọng nhất và được sử dụng thườngxuyên. Việc cải thiện tính chất dòng chảy của các vật liệu cần thiết cho việc sản

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

xuất viên nén và viên nang, chính là một ưu điểm nổi bật khi sử dụng bột nanoSiO .2

2.7 Trong nông nghiệp và thực phẩm

Trong nông nghiệp, hạt nano silica (SiO ) được sử dụng để xử lý hạt giống, có2

thể làm cho các loại rau củ quả tăng năng suất, cũng có thể sử dụng trong thuốcdiệt cỏ và thuốc trừ sâu. Trong công nghiệp thực phẩm, trong túi và bao bì cóthành phần bột nano silica (SiO ) sẽ giúp rau quả luôn tươi ngon. Nó cũng được2

dùng làm chất chống đơng máu, chống tạo bọt, chất làm đặc, bộ lọc phụ và chấtlàm lắng...

Ứng dụng trong trồng trọt

3. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nanosilica SiO

2

3.1 Phương pháp thủy nhiệt

Kỹ thuật tổng hợp vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt là quá trình một vậtliệu

được kết tinh lại hoặc tổng hợp hóa học từ dung dịch trong một bình phản ứngkín ở nhiệt độ và áp suất cao hơn điều kiện thường. Quá trình tổng hợp nàyđược gọitổng quát là phương pháp nhiệt dung mơi. Khi dung mơi là nước thìđược gọi là phương pháp tổng hợp thủy nhiệt. Phương pháp thủy nhiệt thường

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

được dùng để tổng hợp các oxit hoặc oxit phức hợp. Diễn biến của quá trìnhtổng hợp này xảy ra theo hai bước: sự thủy phân nhanh của các dung dịch muốikim loại tạo các hydroxit kim loại và hydroxit bị dehydrat hóa, tạo ra các oxitmong muốn.

Kết quả phân tích hình thái học của vật liệu: Các mẫu thu được với nồng độ

CTAB khác nhau được đặt tên là S1, S2, S3 tương ứng với khối lượng CTAB sửdụng là 0,85g; 1,0g và 1,15g.

Hình 1: Ảnh FE-SEM mẫu n- SiO – S1 ở các độ phóng2

đại 50k và 100k

Ảnh SEM hình 1 cho thấy đã bắt đầu xuất hiện các hạt SiO dạng que, kích2

thước chiều dài trong khoảng 173– 430 nm, chiều rộng trong khoảng 102 – 228nm, chiều dài và chiều rộng trung bình lần lượt là 290,67±57,17 nm và142,70±21,14 nm. Tuy nhiên các hạt kích thước khơng đồng đều, vẫn xuất hiệnnhiều hạt nano- SiO dạng tròn kết tụ với nhau và kết tụ với hạt dạng que tạo2

thành từng cụm.

Ảnh SEM hình 2 cho thấy, các hạt SiO hình thành dạng que khá đồng đều, kích2

thước chiều dài trong khoảng 138 – 417 nm, chiều rộng trong khoảng76–187 nm, chiều dài và chiều rộng trung bình lần lượt là 231,34 ±48,98 nm và

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

113,05 ±16,45 nm. Ở độ phóng đại 100k lần, có thể thấy bề mặt hạt SiO khơng2

trơn nhẵn do các phần tử hạt SiO xếp gần nhau tạo thành hạt dạng que.2

Hình thái học của các hạt nano SiO tổng hợp ở mẫu S3 được trình bày trong2

hình 3. Kết quả cho thấy, các hạt SiO hình thành có dạng que, kích thước tương2

đối đồng đều hơn hai mẫu trên, với chiều dài trong khoảng 250 – 639 nm, chiềurộng trong khoảng 117 – 289 nm, chiều dài và chiều rộng trung bình lần lượt là371,0±52,27 nm và 180,36±27,0 nm.

Kết quả FT-IR

Các nhóm chức và liên kết đặc trưng trong cấu trúc phân tử mẫu bột n- SiO2

được thể hiện trong phổ FT-IR (hình 4)

Dải hấp thụ mạnh trong khoảng 3453,59 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trịcủa liên kết O – H trong phân tử nước. Bên cạnh đó, đỉnh hấp thụ ở 1634,34 cm-1 cũng được quy kết cho dao động biến dạng của nhóm O – H trong phân tử

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

nước hấp phụ trên bề mặt vật liệu. Các đỉnh hấp phụ có cường độ mạnh trên phổhồng ngoại cũng thể hiện các liên kết Si – O đặc trưng trong phân tử. Hai đỉnhhấp thụ mạnh ở 1102,20 cm và 931,48 cm lần lượt được quy kết cho dao-1-1

động hóa trị khơng đối xứng và đối xứng của liên kết Si – O trong phân tử.Đỉnh hấp thụ mạnh ở số sóng 469,45 cm đặc trưng cho dao động biến dạng của-1

liên kết Si – O.

Kết quả XRD:

Giản đồ XRD của mẫu n- SiO cho thấy sự xuất hiện của một peak duy nhất,2

đặc trưng của vật liệu SiO với cường độ cao tại vị trí 2θ khoảng 21-. Kết quả2

này cho thấy vật liệu tạo ra là các hạt nano silica tinh khiết. Trên giản đồ cịncho thấy các peak có cường độ thấp và peak có độ rộng tương đối, chứng tỏ sảnphẩm là các hạt n- SiO vơ định hình và có kích thước tương đối lớn.2

Kết quả EDX:

Các kết quả cho thấy Si, O và C là ba thành phần chính của bột SiO với hàm2

lượng tương ứng lần lượt là 7,12%, 42,29% và 50,59% (phần trăm theo nguyêntử). Sự xuất hiện của C trong mẫu kiểm tra được giải thích là C có trong băngdính để gắn mẫu. Kết quả này phù hợp với kết quả phổ FT-IR, cho thấy vật liệuSiO2 điều chế được khá tinh khiết, có nhiều nhóm silanol trên bề mặt, thích hợpsử dụng trong kỹ thuật mô xương và những ứng dụng sinh học khác.

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

3.2 Phương pháp sol-gel

Kết quả thu được:

Phương pháp sol-gel được áp dụng cho tổng hợp các vật liệu sạch và có độ đồngnhất cao vì q trình trộn lẫn cho phép đạt đến quy mơ phân tử, nguyên tử. Quátrình hình thành các hệ phi dị thể sol và gel trong dung dịch là các muối hoặcoxit kim loại qua các phản ứng thủy phân và ngưng tụ, các hạt rắn tạo thànhkhung ba chiều, pha lỏng nằm trong lỗ trống của các khung ba chiều đó. Kỹthuật sol-gel được nghiên cứu và phát triển rất phong phú, nhưng có thể quy vềba hướng chính: thủy phân các muối kim loại, thủy phân các alkoxyde và tạophức với các phối tử khác nhau.

Ảnh SEM của các hạt nano SiO được thể hiện trong Hình 7 (A) – (G), cung cấp2

thơng tin về kích thước và hình dạng của hạt và lỗ rỗng. Từ các bức ảnh SEM,có thể thấy rằng các mẫu bao gồm hạt nhỏ và hạt lớn. Tuy nhiên, các mẫu đượcchuẩn bị với SDS (cả 3% và 2%) cho thấy các vi cấu trúc với kích thước hạtthấp (70 – 90 nm). Sự hiện diện của các hạt lớn các mẫu có thể là do sự kết tụtrong q trình xử lý ở nhiệt độ cao (600oC).

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

Các mẫu XRD thu được trên các hạt nano silica được chuẩn bị mà khơng có bấtkỳ chất hoạt động bề mặt nào và với việc bổ sung 10% CTAB, 5% CTAB, 10%PVP, 5% PVP, 3% SDS và 2% SDS được thể hiện trong Hình 2 (A) – (G) tươngứng. Các đỉnh XRD của tất cả các mẫu cho thấy một đỉnh có rộng điển hình, rõràng là SiO vơ định hình. Các đỉnh nhiễu xạ XRD rộng có thể do kích thước2

nhỏ và cấu trúc bên trong của các hạt khơng hồn chỉnh.

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Hình 9. XRD của SiO2 (A) khơng có chất hoạt động bề mặt; (B) 2 mL CTAB10%; (C) 2 mL

CTAB 5%; (D) 2 mL PVP 10%; (E) 2 mL PVP 5%; (F) 2 mL SDS 3%; (G) 2mL SDS 2%

Phổ FTIR cho thấy dải hấp thụ ở khoảng 470 cm tương ứng với dao động của-1

Si-O mà nguyên tử oxy chuyển động vng góc với mặt phẳng Si-O-Si. Dảixuất hiện ở khoảng 800 cm có thể là dao động biến dạng của Si-O, nơi oxy di-1

chuyển tại vng góc với các đường Si-Si trong mặt phẳng Si-O-Si. Đỉnh xuấthiện ở khoảng 3400 cm liên quan đến dao động hóa trị O-H của H O trong-1

mẫu.

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Hình 10. Phổ FTIR của SiO (A) khơng có chất hoạt động bề mặt; (B) 2 mL2

10%; (C) 2 mL CTAB 5%; (D) 2 mL PVP 10%; (E) 2 mL PVP 5%; (F) 2 mLSDS 3%; (G) 2

mL SDS 2%.

3.3 Phương pháp đồng kết tủa

Kết quả nhiễu xạ tia X của mẫu bột nano SiO nhận được sau quá trình tổng hợp2

từ vỏ trấu được nung ở nhiệt độ 500 C (đường 1), 600 C (đường 2) và 700 Cooo

(đường 3) được trình bày trên Hình. Dựa vào Hình, giản đồ nhiễu xạ tia X được

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

đặc trưng bởi một đỉnh nhiễu xạ có độ rộng bán phổ lớn nằm ở giữa 22 và 23(2θ), chứng tỏ những hạt có kích thước nhỏ và cường độ yếu cho thấy rằng mẫugần như vơ định hình. Độ rộng bán phổ của những đỉnh nhiễu xạ (đường 1)(đường 2) và (đường 3) có giá trị gần như nhau, không thay đổi nhiều lắm, chothấy rằng những hạt nano SiO nhận được của 3 mẫu có kích thước gần giống2

Mẫu 3 được đo phổ tán sắc năng lượng (EDS), kết quả được biểu diễn trênHình. Từ đây cho thấy các nguyên tố thành phần xuất hiện trong mẫu gồm cácnguyên tố như Silic (Si), oxy (O) là các thành phần chính của các hạt nano SiO .2

Thành phần nguyên tố ôxy chiếm tỉ lệ phần trăm trọng lượng (57%) lớn hơnSilic (43%) trong mẫu

Ảnh hiển vi điện tử quét của mẫu bột nano SiO được tách chiết từ vỏ trấu được2

nung ở nhiệt độ 500 C trong thời gian 4 h (mẫu 1) có kích thước trung bình của o

các hạt nano SiO này khoảng 10 nm. Ảnh FESEM của mẫu bột nano SiO được22

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

chế tạo bằng phương pháp kết tủa từ vỏ trấu được nung ở nhiệt độ 600 C (mẫu2) và ở nhiệt độ 700 C (mẫu 3) trong thời gian 4 h. Hình thái học của những o

hạt nano SiO của hai mẫu trên đều có dạng hạt, kích thước trung bình gần như2

nhau, khoảng 10 - 15 nm.

Phổ hồng ngoại của hạt nano SiO được tách chiết từ vỏ trấu được nung ở 500 ,2 o

600 o C và tro của vỏ trấu được nung 600 C trong thời gian 4 h được trình bày o

ở Hình. Kết quả, phổ FTIR cho thấy những hạt nano silica (Hình a,b) và tro củavỏ trấu (Hình c) đều có đỉnh phổ tại số sóng 801 và 1100 cm là do mode đối-1

xứng và bất đối xứng của liên kết Si-O-Si. Đỉnh phổ có tâm tại 469 cm là do-1

mode uốn của Si-O-Si, và đỉnh phổ có số sóng tại 3456 cm là do sự hiện diện-1

dao động kéo dãn nhóm O-H của nhóm silanol để duy trì sự hấp thụ nước. Vùngphổ có số sóng 1640 cm là do dao động uốn của phân tử nước (O-H) bao-1

quanh ma trận. Đỉnh có số sóng tại 2365 cm dao động của P-H của axit-1

photphoric có trong mẫu, khơng có đỉnh nào tìm thấy ở giữa số sóng 2,500 và3000 cm , chứng tỏ là khơng có hợp chất gốc hữu cơ trong bột silica. Một lần-1

nữa, cho thấy những hạt nano silica tổng hợp được có trạng thái vơ định hình.

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Đánh giá hiệu quả của các phương pháp tổng hợp SiO2:Phương pháp Ưu điểm Nhược điểmPhương pháp thủy

nhiệt - Tổng hợp dễ dàng vànhanh chóng, sử dụngcác thiết bị tương đốiđơn giản- Thành phần, cấutrúc, tính đồng nhất,độ tinh khiết cao củasản phẩm có thể đượckiểm soát

- Nhiệt độ tổng hợpcao

- Cần thiết bị đắt tiền(bình phản ứng chịunhiệt cao)

Phương pháp sol-gel - Có thể tổng hợpđược vật liệu dướidạng bột với cấphạt cỡ micromet,nanomet

- Có thể tổng hợp vậtliệu dưới dạng màngmỏng, dưới dạng sợvới đường kính < 1mm

- Nhiệt độ tổng hợpkhông cần cao

- Hiệu suất không cao- Nhiều yếu tố ảnhhưởng đến độ đồngnhất của sản phẩmnhư dung môi, nhiệtđộ, bản chất precursor,pH, xúc tác, phụ gia

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

Phương pháp đồngkết tủa

Các chất tham giaphản ứng được phântán ở mức độ phân tử,tỷ lệ các ion kim loạiđúng theo hợp thứccủa hợp chất cần tổnghợp

Có nhiều yếu tố ảnhhưởng đến khả năngkết tủa của cáchydroxit như nồng độ,pH của dung dịch, tỷlệ các chất tham giaphản ứng, nhiệt độ

Tài liệu tham khảo

[1]. " N.K. Nga., L.T.T. Tam, N.T. Ha, P.H. Viet, T.Q. Huy, RSC Adv. 10 (2020)43045-43057. https://10.1039/D0RA09432C

[4]. N.K. Nga, T.T. Hoai, J. Iran. Chem. Soci. 15 (2018) 1663-1671.

[5]. T. T. Hoai, N. K. Nga, L. T. Giang, T. Q. Huy, P. N. M. Tuan & B.T.T Binh,J. Electron. Mater. 46(8) (2017) 5064–5072. 5509-6

</div>

báo cáo các phương pháp tổng hợp và ứng dụng của vật liệu oxit nano sio2 trong lĩnh vực xúc tác hấp phụ

<b>ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI---</b>

<b>Mục Lục</b>

<b>SiO</b>

<b>SiO</b>

<b>SiO</b>

<b>SiO</b>

<b>SiO</b>

<b>SiO</b>

<b>SiO</b>

<b>I.Tổng quan</b>

SiO2

SiO2

<b>2. Ứng dụng của vật liệu nanosilica </b>

<b>3. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nanosilica SiO</b>

Tài liệu tham khảo

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về