Trong thời gian gần đây, đ có một số công trình công bố về việc l'm tăng tính axit, bền nhiệt của vật liệu aluminosilicat mao quản chuyển tiếp [3 - 6].. ở đây chúng tôi sẽ trình b'y một
Trang 1Tạp chí Hóa học, T 44 (4), Tr 490 - 494, 2006
TổNG HợP Và ĐặC TRƯNG VậT LIệU SAPO BềN NHIệT
Có MAO QUảN CHUYểN TIếP
Đến Tòa soạn 21-11-2005
Võ Viễn, Nguyễn Phi Hùng
Khoa Hóa học, Tr ờng Đại học Quy Nhơn
SUMMARY
Mesoporous silicoaluminophosphate (SAPO) samples were synthesized by the procedure involving two steps: the first one is to prepare seeds of silicoaluminophosphate molecular sieves
in the presence of triethylammine as a template agent and the second one is to assemble the seeds using cetyltrimethylammonium bromide surfactant The results of powder X-ray diffraction, transmission electron microscopy, isotherms of nitrogen and thermogravimetric-differential thermal analysis experiments show that the materials obtained have ordered hexagonal mesoporous structure, improved thermal stability and acidity as compared with the mesoporous SAPO synthesized by the conventional procedure without preparing seeds
I - Mở ĐầU Zeolit đ đóng một vai trò quan trọng trong
công nghiệp lọc, hóa dầu v' tổng hợp các hóa
chất tinh khiết Hai tính chất quan trọng đ l'm
nổi bật loại vật liệu n'y v' thu hút rất nhiều nh'
khoa học nghiên cứu l' tính xúc tác axit v' chọn
lọc hình dạng [1] Do kích th?ớc mao quản chỉ
nằm trong khoảng 3 - 15 Å nên chúng bị hạn
chế trong việc sử dụng đối với các hợp chất có
kích th?ớc phân tử lớn V'o năm 1992, các nh'
khoa học của h ng Mobil Oil đ phát minh ra
một họ vật liệu mới có kích th?ớc mao quản từ
20 - 200 Å (mao quản chuyển tiếp) bằng việc sử
dụng các chất hoạt động bề mặt để tạo cấu trúc
[2] Song, chúng có nh?ợc điểm l' tính axit, bền
nhiệt, thủy nhiệt kém hơn nhiều so với zeolit
Kết quả không mong muốn n'y do t?ờng của
mao quản có cấu trúc vô định hình Để ứng
dụng chúng nh? những chất xúc tác, hấp phụ,
một vấn đề đ?ợc đặt ra l' cải thiện tính axit, bền
nhiệt Trong thời gian gần đây, đ có một số
công trình công bố về việc l'm tăng tính axit,
bền nhiệt của vật liệu aluminosilicat mao quản
chuyển tiếp [3 - 6]
Các silicoaluminophotphat có mao quản chuyển tiếp (viết tắt l' m-SAPO) mới đ?ợc phát hiện trong những năm gần đây [7] Nh? những vật liệu có mao quản chuyển tiếp khác, m-SAPO
có tính axit v' bền nhiệt kém Nh?ng cho đến nay vẫn có rất ít b'i báo đề cập về vấn đề n'y [8] ở đây chúng tôi sẽ trình b'y một ph?ơng pháp tổng hợp m-SAPO có tính bền nhiệt hơn so với các ph?ơng pháp thông th?ờng
II - THựC NGHIệM Các hóa chất đ?ợc sử dụng trong các thí nghiệm ở đây l' [(CH3)2CHO]3Al (Aldrich),
H3PO4 85% (Trung Quốc) v' Si(OC2H5)4 (Aldrich) nh? những nguồn cung cấp Al, P v' Si t?ơng ứng; chất hoạt động bề mặt
C16H33(CH3)3NBr (cetyltrimetylammoni bromua
- CTABr) (Aldrich) đ?ợc dùng nh? một chất
điều khiển cấu trúc; v' một số hợp chất khác nh? (CH3)4NOH (TMAOH) (dung dịch 25% trong n?ớc, Aldrich), (C2H5)3N (TEA) (Trung Quốc) Một quy trình điển hình hai b?ớc để tổng hợp các mẫu m-SAPO nh? sau Đối với mẫu M1, b?ớc thứ nhất, trộn nguồn cung cấp Al,
Trang 2P, Si, TEA với một l?ợng n?ớc thích hợp v' sau
đó khuấy trong v'i giờ để đ?ợc gel đồng nhất
(có thể tham khảo chi tiết hơn trong phần tổng
hợp SAPO-5 [9]) Gel n'y đ?ợc xử lý thuỷ nhiệt
trong một autoclave ở 80oC trong 24 giờ B?ớc
thứ hai, cho chất hoạt động bề mặt v' TMAOH
v'o gel v' khuấy thêm 72 giờ ở nhiệt độ phòng
Sản phẩm cuối cùng đ?ợc lọc, rửa bằng n?ớc cất
v'i lần sau đó sấy ở 80oC trong 24 giờ Đối với
mẫu M2, quy trình nh? với mẫu M1 chỉ khác l'
không có phần xử lý thuỷ nhiệt ở 80oC v' không
dùng hóa chất TEA (ph?ơng pháp tổng hợp
thông th?ờng)
Các mẫu tổng hợp đ?ợc đặc tr?ng bởi nhiễu
xạ tia X trên máy Rigaku, ảnh kính hiển vi điện
tử truyền qua đ?ợc ghi trên JEM 1010 Các dữ
liệu về hấp phụ nitơ ở 77 K đ?ợc phân tích trên
ASAP 2010 Đo hấp phụ v' giải hấp phụ sau khi
các mẫu đ?ợc tách loại chất hoạt động bề mặt ở
500oC trong 5 giờ với dòng không khí Tính axit của các mẫu đ?ợc đo bằng ph?ơng pháp nh? đ trình b'y trong t'i liệu tham khảo [10] Trong
đó, các chất đ?ợc hấp phụ b o hòa TEA ở nhiệt
độ phòng, sau đó giải hấp trên các thiết bị phân tích nhiệt (DTA-50 v' TGA-50H, Shimadzu) III - KếT QUả V THảO LUậN
1 Nhiễu xạ tia X
Trong b'i báo n'y chúng tôi chọn trình b'y
2 mẫu sản phẩm Mẫu M1 đ?ợc tổng hợp bằng ph?ơng pháp hai b?ớc Mẫu M2 đ?ợc tổng hợp bằng ph?ơng pháp thông th?ờng Th'nh phần gel của hai mẫu tổng hợp đ?ợc trình b'y trong bảng 1
Bảng 1: Th'nh phần gel của các mẫu tổng hợp
Mẫu Th'nh phần gel
M1 1,0Al2O3: 1,5P2O5: 0,1SiO2: 1,0TEA : 0,7CTABr : 2,8TMAOH : 260H2O
M2 1,0 Al2O3: 1,5 P2O5: 0,1SiO2: 0,7CTABr : 2,8TMAOH : 260H2O
Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu ở dạng tổng
hợp (dạng ch?a xử lý nhiệt) v' sau khi nung
đ?ợc trình b'y ở hình 1 Cả hai mẫu ở dạng tổng
hợp đều có hai pic ở góc thấp đặc tr?ng cho kiểu
cấu trúc hexagonal của hệ thống mao quản
chuyển tiếp [2] Pic thứ nhất có c?ờng độ lớn, có
góc 2è nằm trong khoảng 2,6 - 2,8o t?ơng ứng
với mặt 100, pic thứ hai có c?ờng độ bé hơn
t?ơng ứng với mặt 110 So sánh vị trí các pic của
cả hai mẫu cho thấy rằng các pic của mẫu M2
chuyển dịch 0,2ovề phía góc lớn hơn so với mẫu
M1 Hằng số mạng đ?ợc tính từ vị trí của pic
thứ nhất l' 39,5 Å ứng với mẫu M1 v' 36,6 Å
ứng với hai mẫu M2 Đây cũng chính l' khoảng
cách giữa hai tâm của hai mao quản cạnh nhau
Khoảng cách n'y phù hợp với nhiều t'i liệu
công bố về vật liệu mao quản chuyển tiếp sử
dụng chất hoạt động bề mặt CTABr nh? l' một
tác nhân điều khiển cấu trúc [2] Hình 1 còn cho
thấy sau khi nung ở 550oC, phổ nhiễu xạ tia X
của mẫu M1 vẫn giữ đ?ợc pic ở góc thấp tuy có
giảm về c?ờng độ Với mẫu M2, không có pic
n'o tồn tại Điều n'y có nghĩa mẫu đ?ợc tổng
hợp bằng ph?ơng pháp hai b?ớc bền nhiệt hơn
so với mẫu đ?ợc tổng hợp bằng ph?ơng pháp thông th?ờng Nếu quan sát một cách chi tiết, pic thứ nhất t?ơng ứng với các mẫu M1 sau khi nung chuyển dịch về phía góc lớn hơn khoảng 0,4oso với dạng tổng hợp (hình 1B) Những kết quả n'y có thể do mao quản bị biến dạng v' co lại sau khi nung
2 Kính hiển vi điện tử truyền qua
Một trong những tính chất đặc tr?ng nhất để nhận dạng vật liệu mao quản chuyển tiếp l' hình
ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua, bởi chúng cho hình ảnh trực tiếp của mao quản Hình 2 cung cấp hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua của các mẫu ở dạng tổng hợp v' sau xử lý nhiệt Hình ảnh mặt cắt ngang của các hệ thống mao quản của các mẫu ở dạng tổng hợp có dạng lục giác Đ?ờng kính mao quản v' bề d'y t?ờng cũng đ?ợc định l?ợng một cách gần đúng từ những hình ảnh n'y v' t?ơng ứng bằng 22 Å v'
18 Å đối với mẫu M1; 22 Å v' 15 Å đối với mẫu M2 Kết quả n'y ho'n to'n phù hợp với những tính toán thu đ?ợc từ phổ nhiễu xạ tia X
Trang 32 ,o 2 ,o
Hình 1: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu M1 (a1, b1) v' mẫu M2 (a2, b2),
trong đó A v' B t?ơng ứng tr?ớc v' sau nung ở 550oC
Hình 2: Hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua của M1 (a1, b1) v' M2 (a2, b2),
trong đó a, b t?ơng ứng tr?ớc v' sau nung ở 550oC v' cho thấy một sự khác biệt về bề d'y t?ờng
mao quản giữa các sản phẩm thu đ?ợc từ hai
quy trình Với những sản phẩm đ?ợc tổng hợp
theo quy trình hai b?ớc có t?ờng mao quản d'y
hơn ảnh kính hiển vi điện tử của các mẫu sau
khi nung cũng đ?ợc trình b'y trên hình 2 v' một
lần nữa cho thấy tính bền nhiệt t?ơng đối giữa
các mẫu Mẫu M1 vẫn còn có thể quan sát đ?ợc
hệ thống mao quản tuy có biến dạng so với ban
đầu Riêng mẫu M2, hệ thống mao quản không còn thấy rõ r'ng Có thể chúng bị phá vỡ sau khi nung Những kết quả n'y ho'n to'n phù hợp với những dữ liệu thu đ?ợc từ phổ nhiễu xạ tia X Mẫu M1 có tính bền nhiệt tốt hơn có thể do
Trang 4t?ờng mao quản của chúng d'y hơn v' lại đ?ợc
xây dựng từ các mầm tinh thể Các mầm tinh thể
n'y có thể đ?ợc sinh ra trong quá trình xử lý
thuỷ nhiệt của b?ớc thứ nhất T?ờng mao quản
của M1 d'y hơn, có thể chúng đ?ợc xây dựng từ
các mầm có kích th?ớc lớn thay vì các cluster có
kích th?ớc bé trong tr?ờng hợp tổng hợp bằng
ph?ơng pháp thông th?ờng Việc t?ờng mao
quản đ?ợc tinh thể hóa một phần v' có bề d'y
tăng cũng đ?ợc cho l' lý do chính l'm tăng độ
bền thuỷ nhiệt của các vật liệu aluminosilicat
mao quản chuyển tiếp [3 - 6]
3 Hấp phụ đẳng nhiệt nitơ
Hấp phụ đẳng nhiệt nitơ l' một trong những
công cụ đặc tr?ng xác định cấu trúc mao quản
Để chứng minh thêm tính bền nhiệt của các mẫu
đ?ợc tổng hợp theo quy trình hai b?ớc, mẫu M1
sau khi nung ở 550oC đ?ợc đo hấp phụ v' giải
hấp phụ N2ở 77 K Hình 3 cho thấy kích th?ớc
mao quản phân bố khá tập trung ở khoảng 21 Å
Kết quả n'y ho'n to'n phù hợp với hình ảnh
kính hiển vi điện tử truyền qua nh? đ đ?ợc đề
cập ở trên Diện tích bề mặt BET đo đ?ợc ở đây
l' 800 m2/g Đây l' những kết quả nằm trong
khoảng giới hạn đặc tr?ng của vật liệu mao quản
chuyển tiếp
Đ?ờng kính mao quản, Å
Hình 3: Phân bố kích th?ớc mao quản của mẫu
M1 sau khi nung ở 550oC
4 Phân tích nhiệt
Một trong những lý giải cho việc bền nhiệt
của mẫu M1 l' bề d'y của t?ờng mao quản Nh?
đ đề cập ở trên, kết quả n'y do sự đóng góp của các mầm tinh thể đ?ợc hình th'nh trong quy trình tổng hợp hai b?ớc Để l'm sáng tỏ thêm
điều n'y, các mẫu M1 v' M2 ở dạng tổng hợp
đ?ợc đặc tr?ng bởi phân tích nhiệt v' kết quả
đ?ợc trình b'y trong hình 4 Mỗi đ?ờng cong
đều chỉ ra ba giai đoạn mất trọng l?ợng ứng với P1, P2 v' P3 Theo t'i liệu [11], ba giai đoạn n'y
đ?ợc cho l' giải hấp H2O (P1), phân huỷ TMA+ (P2) v' chất hoạt động bề mặt (P3) Điều đáng l?u ý ở đây l' giai đoạn mất trọng l?ợng thứ hai (P2) của mẫu M1 đ?ợc thể hiện th'nh một pic rõ r'ng (xem hình 4a) Có thể, trong giai đoạn n'y
có sự đóng góp của TEA Amin TEA đ?ợc sử dụng nhiều nh? một chất tạo cấu trúc cho các vật liệu aluminophosphat mao quản nhỏ Do vậy, việc dùng hợp chất n'y trong giai đoạn thứ nhất của ph?ơng pháp hai b?ớc với hy vọng góp phần tạo mầm tinh thể SAPO mao quản nhỏ ở
đây, việc tồn tại TEA v' bị phân huỷ trên 200oC
có thể l' một bằng chứng cho các mầm tinh thể SAPO đ?ợc hình th'nh trong quá trình xử lý ở
80oC của giai đoạn một
Nhiệt độ, oC
Hình 4: Giảm khối l?ợng vi sai của hai mẫu M1
(a) v' M2 (b) khi nung trong dòng N2với tốc độ
nâng nhiệt độ 10oC/phút
5 Tính axit
Tính axit của hai mẫu M1 v' M2 đ đ?ợc đo bởi hấp phụ v' giải hấp amin TEA Hình 5 chỉ ra hai đ?ờng cong nhiệt của quá trình giải hấp TEA trên M1 v' M2 từ nhiệt độ phòng đến 500oC với tốc độ nâng nhiệt độ 10oC/phút trong dòng N2 Trên đ?ờng cong a của hình 5 có thể thấy ba quá trình thu nhiệt Quá trình thứ nhất xảy ra ở xung
3 /g
Trang 5quanh 100C đ?ợc xem l' do giải hấp H2O Hai
quá trình còn lại thể hiện ở một vai xung quanh
250oC v' một pic tù ở 400oC Hai quá trình n'y
có thể do giải hấp phụ TEA Theo một v'i t'i
liệu công bố về tính axit trên vật liệu mao quản
chuyển tiếp [12], quá trình giải hấp TEA xảy ra
xung quanh 250oC v' 400oC t?ơng ứng trên các
tâm axit Lewis v' Bronsted Với mẫu M2, hai
quá trình n'y thể hiện không rõ r'ng (xem hình
5b) Kết quả n'y cho thấy tính axit của mẫu M1
đ?ợc cải thiện hơn nhiều so với mẫu M2 Chúng
có cả những tâm axit mạnh m' bằng chứng l'
việc giải hấp TEA xung quanh 400oC
Nhiệt độ, oC
Hình 5: Các đ?ờng nhiệt của mẫu M1 (a) v' M2
(b) khi nung trong dòng N2với tốc độ nâng
nhiệt độ 10oC/phút
IV - KếT LUậN
Đây l' lần đầu tiên tổng hợp SAPO mao
quản chuyển tiếp theo quy trình hai b?ớc nh? đ
trình b'y trong phần thực nghiệm Sản phẩm đạt
chất l?ợng tốt, có hệ thống mao quản đồng đều
v' có đối xứng hexagonal cao Kết luận n'y đ
đ?ợc minh chứng bởi các đặc tr?ng nhiễu xạ tia
X, kính hiển vi điện tử truyền qua, hấp phụ v'
phân tích nhiệt Sản phẩm đ?ợc tổng hợp theo
ph?ơng pháp trên có t?ờng mao quản d'y hơn,
có tính bền nhiệt v' axit tốt hơn so với mẫu
đ?ợc tổng hợp theo ph?ơng pháp thông th?ờng
Các tác giả xin chân thBnh cảm ơn Bộ Khoa
học vB Công nghệ đG hỗ trợ kinh phí cho công
trình nBy qua đề tBi nghiên cứu cơ bản năm
2005, mG số 55.05.05
T I LIệU THAM KHảO
1 H V Bekkum, E M Flanigen, P A Jacobs,
J C Jansen (Eds.) Introduction of zeolite science and practice, 2nd Ed., Elsevier, Amsterdam (2001)
2 J S Beck, J C Vartuli, W J Rith, M E Leonowicz, C T Kresge, K D Schmitt, C
T -W Chu, D H Olson, E W Sheppard,
B McCullen, J B Higgins, J L Schlenker
J Am Chem Soc., 114, 10834 - 10843 (1992)
3 Y Liu, W Zhang, and T J Pinnavaia Chem Int Ed., 40, No 7, 1255 - 1258 (2001)
4 Z Zhang, Y Han, L Zhu, R Wang, Y Yu,
S Qiu, D Zhao, and F S Xiao Angew Chem Int Ed., 40, No 7, 1258 - 1263 (2001)
5 Z Zhang, Y Han, F.S Xiao, S Qiu, L Zhu,
R Wang, Y Yu, Z Zhang, B Zou, Y Wang, H Sun, D Zhao, and Y Wei J Am
Chem Soc., 123, 5014 - 5021 (2001)
6 D T On, D Lutic, S Kaliaguine An example of mesostructured zeolitic material: UL-TS-1, Microporous and Mesoporous Materials, 44 - 45, 435 - 444 (2001)
7 D Zhao, Z Luan, L Kevan Chem Commun., 1009 - 1010 (1997)
8 R Wang, L Xu, L Zhao, B Chu, L Hu, C Shi, G Zhu, S Qiu Microporous and Mesoporous Materials, 83, 136 - 144 (2005)
9 Võ Viễn Tạp chí Hóa học v' ứng dụng, T
44, số 8, 34 - 37 (2005)
10 H H P Yiu, D R Brown, P A Barnes Catal Lett., 59, 207 - 211 (1999)
11 Z Luan, D Zhao, H He, J Klinowski, L Kevan J Phys Chem B, 102, 1250 - 1259 (1998)
12 X S Zhao, G.Q Lu, A.K Whittaker, J Drennan, H Xu Microporous and Mesoporous Materials, 55, 51 - 62 (2002)
