Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành vật liệu rây phân tử mao quản trung bình trật tự SBA - 15 - Lê Thanh Sơn

698 T¹p chÝ Hãa häc, T. 47 (6), Tr. 698 - 703, 2009 NGHI£N CøU MéT Sè YÕU Tè ¶NH H¦ëNG §ÕN Sù H×NH THμNH VËT LIÖU R¢Y PH¢N Tö MAO QU¶N TRUNG B×NH TRËT Tù SBA-15 §Õn Tßa so¹n 5-6-2008 Lª Thanh S¬n1 vμ §inh Quang KhiÕu2 1§¹i häc HuÕ 2Tr−êng §¹i häc Khoa häc-§¹i häc HuÕ Abstract The effect of some factors on the formation of mesoporous structures of SBA-15 was investigated. SBA-15 materials were prepared by using block copolymer EO20PO70EO20 (P123) as structure-directing-agent, tetraethoxysilane (TEOS) as silica source, and concentrated HCl aqueous solution as acid source. Three series of samples were prepared to study the change trend of mesoporous structure by the variations of ratios of HCl/TEOS, P123/TEOS, H2O/TEOS. The resulting SBA-15 materials were characterized by TG-DSC, XRD, N2 physical sorption isotherms. The experiments shows that HCl/TEOS, P123/TEOS, and H2O/TEOS in the range of 7.74 - 15.5; 0.32 - 0.43; 122.93 - 159.81, respectively could provide a highly ordered mesoporous material with high surface areas. I - §ÆT VÊN §Ò Hä vËt liÖu mao qu¶n trung b×nh trËt tù SBA ®· hÊp dÉn nhiÒu nhμ nghiªn cøu v× thμnh mao qu¶n dμy, kÝch th−íc mao qu¶n lín h¬n, bÒn nhiÖt h¬n, dÔ dμng lo¹i bá chÊt ®Þnh h−íng cÊu tróc kh«ng ion h¬n hä M41S [1]. NhiÒu nghiªn cøu biÕn tÝnh bÒ mÆt oxit silic b»ng c¸c kim lo¹i nh− Ti, Fe, V.. [1, 2] nh»m thu ®−îc c¸c vËt liÖu xóc t¸c kh¸c nhau ®· ®−îc c«ng bè. Tuy nhiªn ®a sè c¸c nghiªn cøu nμy ®Òu dùa trªn chÊt nÒn vËt liÖu SBA-15 ®ßi hái l−îng tØ lÖ mol P123/nguån silic cao (P123/SiO2 = 1,3 - 2,1 theo khèi l−îng) vμ ®−îc tæng hîp trong m«i tr−êng axit m¹nh [2,3]. RÊt Ýt c«ng tr×nh nghiªn cøu vÒ tèi −u ho¸ c¸c thμnh phÇn trong gel tæng hîp SBA-15 vμ ®Æc biÖt, lμm thÕ nμo ®Ó gi¶m thiÓu l−îng P123 sö dông lμ vÊn ®Ò cã ý nghÜa lín vÒ mÆt kinh tÕ, còng nh− gi¶m thiÓu l−îng axit ®Ó dÔ kiÓm so¸t cÊu tróc cña vËt liÖu. D. Li vμ céng sù [4] ®· gi¶i quyÕt vÊn ®Ò nμy b»ng c¸ch sö dông ®ång thêi c¸c chÊt ®Þnh h−íng cÊu tróc (§HCT) d¹ng anion cïng víi P123 trong SBA- 15. Kleitz vμ céng sù [5] ®· dïng butanol lμm chÊt ®ång mixen (Co-miceller) ®Ó gi¶m hμm l−îng axit trong SBA-16. Trong nghiªn cøu nμy chóng t«i tr×nh bμy kÕt qu¶ nghiªn cøu kiÓm so¸t c¸c thμnh phÇn cña hÖ kinh ®iÓn TEOS-P123-H2O-HCl th«ng qua viÖc kh¶o s¸t c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng quan träng nh− c¸c tØ lÖ HCl /TEOS, H2O/TEOS, P123/TEOS ®Õn qu¸ tr×nh t¹o pha mao qu¶n trung b×nh lôc l¨ng SBA-15 ®Ó t×m ra ®iÒu kiÖn tèi −u tæng hîp chóng, mμ kh«ng sö dông thªm ho¸ chÊt nμo kh¸c. II - THùC NGHIÖM Nguån silic lμ tetraethoxysilane (TEOS, Aldrich, 99 %). ChÊt §HCT lμ P123 [poly (etylen glycol)-poly (propylene glycol)-poly 699 (ethylene glycol)] (Aldrich, 99%).VËt liÖu SBA- 15 ®−îc tæng hîp theo bμi b¸o tr−íc ®©y [6]. §Ó tèi −u ho¸ c¸c thμnh phÇn hÖ H2O-P123-TEOS, chóng t«i tæng hîp c¸c mÉu xóc t¸c cã thμnh phÇn nh− b¶ng 1. Qui tr×nh tæng qu¸t nh− sau: hoμ tan P123 vμo 30 mL n−íc ®Õn khi dung dÞch trong suèt. Sau ®ã thªm dung dÞch axit, khuÊy cho ®Õn khi thu ®−îc dung dÞch 1. Thªm tõ tõ TEOS vμo dung dÞch 1, khuÊy c¬ m¹nh ë 40oC trong 2 giê. ChuyÓn toμn bé gel vμo b×nh Teflon vμ khuÊy nhÑ trªn m¸y khuÊy tõ trong 24 giê ®Ó t¹o thªm mÇm kÕt tinh. Sau ®ã chuyÓn b×nh Teflon vμo tñ lμm giμ trong 24 giê. Läc röa kÕt tña cho ®Õn khi n−íc cÊt kh«ng cßn ion Cl- (thö b»ng AgNO3). SÊy kh« thu ®−îc tiÒn chÊt SBA- 15. Nung tiÒn chÊt SBA-15 ë 550oC trong 10 giê thu ®−îc s¶n phÈm. Sù thay ®æi cña tiÒn chÊt theo nhiÖt ®é ®−îc nghiªn cøu b»ng ph−¬ng ph¸p TG-DSC (Setaram, §øc). Thμnh phÇn pha mao qu¶n trung b×nh ®−îc ®Æc tr−ng b»ng nhiÔu x¹ tia X ë gãc nhá (XRD, D8, Advance, Brucker, Ph¸p). TÝnh chÊt xèp cña vËt liÖu ®−îc nghiªn cøu b»ng ®o ®¼ng nhiÖt hÊp phô vμ gi¶i hÊp nit¬ ë 77 K (Micromeritics, Hoa kú). ThÓ tÝch rçng toμn bé (Vt) ®−îc x¸c ®Þnh tõ l−îng nit¬ hÊp phô ë 77 K vμ ë ¸p suÊt t−¬ng ®èi 0,99. ThÓ tÝch mao qu¶n trung b×nh ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch lÊy tÝch ph©n ®−êng cong ph©n bè kÝch th−íc mao qu¶n trong kho¶ng 2 - 50 nm. ThÓ tÝch vi mao qu¶n ®−îc x¸c ®Þnh tõ hiÖu sè thÓ tÝch toμn bé (Vt) vμ thÓ tÝch mao qu¶n trung b×nh (Vmic) [7]. Thμnh mao qu¶n (tw) ®−îc x¸c ®Þnh tõ c«ng thøc w o pt a d= − , trong ®ã tham sè tÕ bμo 100 2 3o da = (víi d100 lμ kho¶ng c¸ch kh«ng gian cña mÆt 100); dp lμ ®−êng kÝnh mao qu¶n, lÊy gi¸ trÞ cùc ®¹i cña ®−êng cong ph©n bè kÝch th−íc mao qu¶n [1]. B¶ng 1: Ký hiÖu vμ thμnh phÇn cña c¸c mÉu trong gel tæng hîp ban ®Çu ¶nh h−ëng cña tØ sè HCl/TEOS Tªn mÉu TEOS, mL P123, g N−íc hoμ tan P123, mL 70 ml HCl, M TØ sè HCl/TEOS (mol/mol) S1 10 4 30 1,00 15,5 S2 10 4 30 0,50 7,74 S3 10 4 30 0,05 0,77 S4 10 4 30 0,00 0,00 ¶nh h−ëng cña tØ sè P123/TEOS Tªn mÉu TEOS P123 N−íc hoμ tan P123, mL 70 ml HCl TØ sè P123/TEOS (g/g) S1 10 4 30 1,00M 0,43 S5 10 3 30 1,00M 0,32 S6 10 2 30 1,00M 0,21 S7 10 1 30 1,00 M 0,11 ¶nh h−ëng cña tØ sè H2O/TEOS Tªn mÉu TEOS P123 N−íc hoμ tan P123 Axit HCl 1M TØ sè H2O/TEOS (mol/mol) S5 10 ml 3 30 70 ml 122,93 S8 10 ml 3 30 100 ml 159,81 S9 10 ml 3 30 150ml 221,28 S10 10 ml 3 30 200 ml 282,74 S11 10 ml 3 30 250 ml 344,20 700 Iii - KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN 1. Qu¸ tr×nh ph©n huû nhiÖt cña tiÒn chÊt SBA-15 TiÒn chÊt SBA-15 lμ chÊt r¾n sau khi kÕt tinh chøa bªn trong nã chÊt ho¹t ®éng bÒ mÆt. Nung tiÒn chÊt nμy sÏ thu ®−îc SBA-15. H×nh 1 tr×nh bμy gi¶n ®å ph©n tÝch nhiÖt cña TG-DSC cña P123 vμ tiÒn chÊt SBA-15. Gi¶n ®å TG-TSC cña P123 cho thÊy cã mét pic to¶ nhiÖt tï trong kho¶ng nhiÖt ®é tõ 150 ®Õn 400oC víi ®Ønh pic trung t©m ë 273 vμ 358oC. Pic to¶ nhiÖt nμy cã thÓ lμ do sù ch¸y hoÆc (vμ ph©n huû) chÊt ®Þnh h−íng cÊu tróc P123. §é tï cña pic to¶ nhiÖt chøng tá polymer P123 cã ph©n tö l−îng kÐm ®ång nhÊt. Gi¶n ®å TG-DSC cña tiÒn chÊt SBA- 15 còng quan s¸t thÊy 2 pic to¶ nhiÖt. Pic to¶ nhiÖt s¾c, nhän ë 230oC vμ pic h¬i tï ë 360oC. Hai pic to¶ nhiÖt nμy cã thÓ liªn quan ®Õn sù ch¸y hoÆc (vμ ph©n huû) cña P123. Gi¶n ®å TG cho thÊy ë trªn 500oC toμn bé P123 ®· bÞ lo¹i bá hoμn toμn. Tõ kÕt qu¶ ph©n tÝch nhiÖt, chóng t«i ®Ò nghÞ chÕ ®é nung nh− sau: tèc ®é nung 10oC/phót; khi nhiÖt ®é nung ®¹t 250oC, gi÷ nhiÖt ®é trong 1 giê ®Ó lo¹i bá phÇn lín P123; sau ®ã n©ng nhiÖt ®é lªn 550oC trong 8 giê th× thu ®−îc SBA-15. H×nh 1: Gi¶n ®å TG-DSC cña P123 (A) vμ cña tiÒn chÊt SBA-15 (B) 200 400 600 800 0 10 20 30 40 NhiÖt ®é (oC) M Êt k hi n un g (% ) -100 -80 -60 -40 -20 0A 358oC 273oC D ßn g nh iÖ t DSC TG T áa n hi Öt ( μV ) 0 200 400 600 800 1000 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 NhiÖt ®é (oC) M Êt k hi n un g (% ) -10 0 10 20 30 40 50 60 360 oC B 230 oC D ßn g nh iÖ t DSCTG t áa n hi Öt ( μV ) H×nh 2: (A) XRD cña c¸c mÉu tæng hîp trong ®iÒu kiÖn thay ®æi tØ lÖ HCl /TEOS; (B) XRD cña c¸c mÉu tæng hîp trong ®iÒu kiÖn thay ®æi tØ lÖ P123/TEOS 0 2 4 6 8 10 A S4 S3 S2 S1 2 theta (®é) C −ê ng ® « (c ps ) 50 0 (1 10 ) (2 00 ) (1 00 ) 0 2 4 6 8 10 B 2 theta (®é) C −ê ng ® é (c ps ) S1 S5 S6 S7 (2 00 ) (1 10 ) (1 00 ) 10 00 701 2. ¶nh h−ëng cña tØ lÖ HCl/TEOS trong gel tæng hîp ban ®Çu Theo Huo [8], vËt liÖu SBA-15 ®−îc h×nh thμnh theo ®−êng ph¶n øng (reaction pathway) NoH+X-I+ trong ®ã No lμ d¹ng kh«ng ion cña P123; X- c¸c d¹ng anion (Cl-) vμ I+ lμ d¹ng silic. §−êng ph¶n øng cho thÊy qu¸ tr×nh h×nh thμnh vËt liÖu tr−íc hÕt do sù proton ho¸ bÒ mÆt PEO vμ PPO cña P123, do ®ã yÕu tè nång ®é H+ hay tØ sè HCl/TEOS sÏ rÊt quan träng trong viÖc quyÕt ®Þnh sù t¹o thμnh mao qu¶n trung b×nh. Gi¶n ®å XRD (h×nh 2 A) cho thÊy khi tØ sè mol HCl/TEOS t¨ng dÇn th× c¸c pic ®Æc tr−ng cña mao qu¶n trung b×nh d¹ng lôc l¨ng (100), (110), vμ (200) cμng xuÊt hiÖn râ nÐt (tõ mÉu S4 ®Õn mÉu S2), sau ®ã nÕu tiÕp tôc t¨ng th× c−êng ®é Ýt thay ®æi (mÉu S1). Nh− vËy cã tån t¹i mét nång ®é H+ nμo ®ã ®Ó sù h×nh thμnh cÊu tróc mao qu¶n lμ thuËn lîi nhÊt. Trong nghiªn cøu nμy chóng t«i nhËn thÊy mÉu S1 vμ S2 cho kÕt qu¶ tèt nhÊt. TØ sè HCl/H2O cña mÉu S1 ®−îc gi÷ cè ®Þnh cho nghiªn cøu tiÕp theo. 3. ¶nh h−ëng cña tØ lÖ mol P123/TEOS H×nh 2B tr×nh bμy XRD cña c¸c mÉu tæng hîp trong ®iÒu kiÖn thay ®æi tØ lÖ mol P123/TEOS. Cã thÓ thÊy r»ng khi tØ sè mol P123/TEOS t¨ng th× c−êng ®é c¸c pic ®Æc tr−ng cho hÖ mao qu¶n trung b×nh lôc l¨ng t¨ng. Tuy nhiªn khi tØ lÖ P123/TEOS = 0,43 (mÉu S1) th× c−êng ®é pic l¹i gi¶m. §iÒu nμy chøng tá cã tån t¹i mét kho¶ng tØ lÖ P123/TEOS tèi −u cho sù h×nh thμnh mao qu¶n trung b×nh, ë ®©y lμ kho¶ng 0,21 - 0,32. TØ lÖ P123/TEOS lín h¬n hay nhá h¬n gi¸ trÞ nμy ®Òu lμm cho cÊu tróc mao qu¶n kÐm trËt tù. KÕt qu¶ nμy cã thÓ ®−îc gi¶i thÝch lμ do c¸c chÊt ®Þnh h−íng cÊu tróc khi hoμ tan trong dung m«i th−êng ph¶i ®¹t mét gi¸ trÞ nång ®é nμo ®ã míi cã thÓ t¹o thμnh mixen. MÆt kh¸c sè mixen nμy ph¶i t−¬ng øng víi nguån silicat theo ®−êng ph¶n øng NoH+X-I+. Do ®ã víi mét thÓ tÝch gel nhÊt ®Þnh th× hμm l−îng chÊt ®Þnh h−íng cÊu tróc sÏ dao ®éng trong mét kho¶ng nμo ®ã ®Ó cã thÓ t¹o mixen tèt nhÊt. 4. ¶nh h−ëng cña tØ lÖ mol H2O/TEOS H×nh 3A tr×nh bμy XRD cña c¸c mÉu SBA- 15 tæng hîp trong ®Òu kiÖn thay ®æi tØ lÖ H2O/TEOS. KÕt qu¶ cho thÊy c−êng ®é cña pic ®Æc tr−ng cho mao qu¶n trung b×nh (100) lμ hμm sè cña tØ lÖ mol H2O/TEOS. Khi tØ lÖ nμy trong kho¶ng 122,93-159,81 th× c¸c pic (100), (110) vμ (200) cã ®é ph©n gi¶i cao chøng tá vËt liÖu thu SBA-15 thu ®−îc cã cÊu tróc mao qu¶n trung b×nh ®é trËt tù cao. Tuy nhiªn khi tiÕp tôc t¨ng tØ lÖ nμy th× c−êng ®é vμ ®é ph©n gi¶i cña c¸c pic l¹i gi¶m chøng tá vËt liÖu thu ®−îc kÐm trËt tù. N−íc kh«ng nh÷ng ®ãng vai trß dung m«i ®Ó t¹o mixen mμ cßn lμ cÊu tö tham gia ph¶n øng thuû ph©n, c¸c d¹ng silicat sau khi kÕt tô lªn c¸c mixen sÏ tiÕp tôc ng−ng tô. C¸c ph¶n øng x¶y ra thuËn nghÞch: + H O2 H O2 + + ++ Si O R +Si O H R OH Si O R SiOH Si R O H Si O H SiOH Si SiO SiO ViÖc gia t¨ng tØ lÖ n−íc/TEOS ®ång nghÜa víi viÖc gi¶m tØ lÖ P123/TEOS, v× thÕ dÉn ®Õn lμm gi¶m ®é trËt tù cña pha mao qu¶n trung b×nh. TÝnh chÊt xèp cña mÉu S5 ®−îc nghiªn cøu b»ng c¸ch ®o ®¼ng nhiÖt hÊp phô nitrogen ë 77K vμ ®−îc chØ ra trong h×nh 3B. §−êng ®¼ng nhiÖt nμy thuéc lo¹i IV theo ph©n lo¹i IUPAC vμ cã ®−êng trÓ kiÓu H1 tiªu biÓu cho vËt liÖu mao qu¶n trung b×nh. §èi víi tr−êng hîp SBA-15 nh¸nh hÊp phô vμ khö hÊp phô gÇn nh− song song víi nhau vμ vu«ng gãc víi trôc hoμnh (kiÓu H1). §iÒu nμy cã nghÜa lμ mao qu¶n trung b×nh cña vËt liÖu kh¸ ®ång nhÊt. KÕt qu¶ nμy còng phï hîp víi kÕt qu¶ XRD cho thÊy c¶ ba pic ®Æt thuû ph©n este hãa ng−ng tô r−îu ph©n ng−ng tô thuû ph©n (1) (2) (3) 702 tr−ng (100), (110) vμ (200) cã ®é ph©n gi¶i cao. C¸c ®Æc tr−ng cña tÝnh chÊt xèp tr×nh bμy ë b¶ng 2. KÕt qu¶ XRD vμ ph©n tÝch hÊp phô ®¼ng nhiÖt nit¬ cho thÊy vËt liÖu thu ®−îc cã diÖn tÝch bÒ mÆt cao (> 600 m2/g), cÊu tróc mao qu¶n hÖ lôc l¨ng ®ång ®Òu. C¸c kÕt qu¶ vÒ tÝnh chÊt vËt lý cña SBA-15 thu ®−îc còng t−¬ng ®−¬ng víi c¸c c«ng bè gÇn ®©y cña c¸c t¸c gi¶ kh¸c [3, 4]. Tuy nhiªn ®Òu ®¸ng chó lμ b»ng c¸ch kiÓm so¸t c¸c ®iÒu kiÖn tæng hîp, chóng ta cã thÓ gi¶m thiÓu l−îng P123 vμ nång ®é axit sö dông so víi c¸c nghiªn cøu tr−íc ®©y. H×nh 3: (A) ¶nh h−ëng cña tØ lÖ H2O/TEOS ®Õn sù t¹o thμnh pha mao qu¶n trung b×nh lôc l¨ng; (B). §−êng ®¼ng nhiÖt hÊp phô-gi¶i hÊp phô ®¼ng nhiÖt nit¬ cña mÉu S5 B¶ng 2: TÝnh chÊt xèp cña SBA-15 MÉu d100, Å ao, Å dp, Å tw, Å SBET, m2.g-1 Smes, m2.g-1 Smic, m2.g-1 Vmes, m3.g-1 Vmic, m3.g-1 SBA-15 104,40 120.60 72,20 43,40 626,00 511,90 114,10 1,17 0,05 IV - KÕT LUËN §· nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña c¸c tØ lÖ HCl/TEOS, H2O/TEOS, P123/TEOS ®Õn qu¸ tr×nh h×nh thμnh mao qu¶n trung b×nh SBA-15. B»ng c¸ch ®iÒu chØnh hîp lý c¸c tØ lÖ nªu trªn cã thÓ thu ®−îc vËt liÖu mao qu¶n trung b×nh hÖ lôc l¨ng cã ®é trËt tù vμ diÖn tÝch bÒ mÆt cao. KÕt qu¶ nghiªn cøu nμy cho phÐp hiÓu râ h¬n ¶nh h−ëng cña c¸c yÕu tè ®Õn qu¸ tr×nh h×nh thμnh vËt liÖu SBA-15 vμ lμ c¬ së lý thuyÕt ®Ó thùc hiÖn sù biÕn tÝnh bÒ mÆt SBA-15 b»ng c¸c kim lo¹i chuyÓn tiÕp víi môc ®Ých tæng hîp vËt liÖu Me-SBA-15. TμI LIÖU THAM KH¶O 1. A. Vinu, D. Hanshri, P. Sawant, K. Ariga, K. Z. Hossain, S. B. Halligudi, M. Hartmann and M. Nomura. Chem. Mater, 17, 5339 - 5345 (2005). 2. Y. Segura, P. Cool, P. Kustrowski, L. Chmielarz, R. Dziembaj and E. F. Vansant. J. Phys. Chem. B 109, 12072 - 12079 (2005). 3. Shah P. Ramaswamy A. R, Lazar K. Ramaswamy. Applied Catalysis A: General 273, 239 - 248 (2004). 4. D. Li, X. Guan, J. Song, Y. Di, D. Zhang, X. Ge, L. Zhao, F. S. Xiao. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 272, 194 - 202 (2006). 5. F. Kleitz, T. W. Kim, R. Ryoo. Bull. Korean Chem. Soc., Vol. 26(11), 1653 - 1666 (2005). 0 2 4 6 8 10 A C −ê ng ® é (c ps ) 2 theta (®é) S11 S10 S9 S8 S5 (2 00 ) (1 10 ) (1 00 )1 00 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 B T hÓ tÝ ch k hÝ h Êp p hô ( cm 3 / g, S T P) ¸p suÊt t−¬ng ®èi (p/p o ) 703 6. Dinh Quang Khieu, Dang Tuyet Phuong, Le Thanh Son, and Nguyen Huu Phu. Proceedings of SPIE on CD-ROM Smart Materials, Nano-, and Micro-Smart Systems 10-13 December 2006, Adelaide, Australia, 641519- 6 41528. 7. X. Y. Bao., X. S. Zhao, S. Z. Qiao and S. K. Bhatia. J. Phys. Chem. B, 108, 16441 - 16450 (2004). 8. Do Trong On. Recent Res. Devel. Catalysis, 2, 171-204 ISBN: 81-271-0016-1 (2003) Liªn hÖ: Lª Thanh S¬n §¹i häc HuÕ