Tổng hợp ZIF-8 và ứng dụng trong hấp phụ khí CO2

Bài viết Tổng hợp ZIF-8 và ứng dụng trong hấp phụ khí CO2 trình bày kết quả nghiên cứu tổng hợp ZIF-8 và khả năng hấp phụ khí CO2 của vật liệu. Vật liệu được đặc trưng bằng các phương pháp hóa lý như XRD, TEM, BET,… ZIF-8 thu được là vật liệu vi mao quản, có độ kết tinh cao và diện tích bề mặt 1480 m2 /g. ZIF-8 tổng hợp được có khả năng hấp phụ khí CO2 cao với dung lượng 11,176 mmol/g.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tổng hợp ZIF-8 và ứng dụng trong hấp phụ khí CO2 TỔNG HỢP ZIF -8 VÀ ỨNG DỤNG TRONG HẤP PHỤ KHÍ CO2 Mai Thị Thanh1 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu tổng hợp ZIF-8 và khả năng hấp phụ khí CO2 của vật liệu. Vật liệu được đặc trưng bằng các phương pháp hóa lý như XRD, TEM, BET,… ZIF-8 thu được là vật liệu vi mao quản, có độ kết tinh cao và diện tích bề mặt 1480 m2/g. ZIF-8 tổng hợp được có khả năng hấp phụ khí CO2 cao với dung lượng 11,176 mmol/g. Dữ liệu của quá trình hấp phụ CO2 trên ZIF-8 phù hợp với mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. Từ khóa: Hấp phụ, CO2, ZIF-8, BET. 1. Mở đầu Carbon dioxide (CO2) là một trong các khí hiện hữu trong không khí. Song song với những ứng dụng mà khí CO2 mang lại trong công nghiệp thực phẩm, y học, sinh học,… thì tác hại của CO2 đến môi trường cũng không thể không kể đến. Sự gia tăng lượng CO2 trong khí quyển có xu hướng làm trầm trọng thêm hiệu ứng nhà kính, có thể khiến con người phải hứng chịu nắng nóng nghiêm trọng vào mùa Hè và lạnh giá hơn vào mùa Đông. Đáng chú ý, Cuộc cách mạng công nghiệp ở các nước đang phát triển đã tiêu thụ lượng lớn nhiên liệu hóa thạch, thải vào môi trường một lượng khí CO2 đáng kể. Do đó, các giải pháp cụ thể nhằm hạn chế lượng khí thải CO2 ra môi trường đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Sự lưu giữ CO2 bằng chất hấp phụ rắn là một phương pháp hiệu quả thay thế các phương pháp truyền thống như dùng kiềm hay các hợp chất amin. Để hấp phụ hiệu quả và khả năng hấp phụ lâu dài, chất hấp phụ phải có hai đặc trưng sau: cấu trúc khung mềm dẻo và tuần hoàn nhằm đạt sự hấp phụ - phóng thích CO2 hoàn toàn thuận nghịch. Vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) là loại vật liệu có những đặc tính thuận lợi hơn so với các vật liệu thường dùng silicate, carbon,… Đã có hơn 23 loại vật liệu MOFs được tạo ra với mục đích hấp phụ và lưu trữ CO2. Điều đáng chú ý, một số loại zeolite imidazole frames (ZIFs) thể hiện khả năng lưu giữ đặc biệt đối với CO2. Trong họ ZIFs, vật liệu ZIF-8 được nghiên cứu rộng rãi nhất, do có ưu điểm về bộ khung uyển chuyển, tính ổn định nhiệt và độ bền hoá học [1, 2, 3],... ZIF-8 được tạo thành từ ion Zn2+ liên kết với 2-methylimidazole (MeIM), theo công thức Zn(MeIM)2. ZIF-8 được biết đến như một chất lưu trữ, hấp phụ và tách khí như H2, CO2, CH4, NH3, N2, các ankan mạch dài và các hợp chất khác [4, 5],… Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu về tổng hợp ZIF-8 và khả năng hấp phụ khí CO2 của vật liệu tổng hợp được. 2. Nội dung 2.1. Hóa chất Các hóa chất được dùng trong nghiên cứu: kẽm nitrate hexahydrate (Zn(NO3)2·6H2O, 1. TS., Trường Đại học Quảng Nam 87 TỔNG HỢP ZIF -8 VÀ ỨNG DỤNG TRONG HẤP PHỤ KHÍ CO2 Korea, ≥ 99%); methanol (CH3OH, Merck); 2 - methylimidazole (C4H6N2, Aldrich, 99%). 2.2. Tổng hợp ZIF-8 và hấp phụ khí CO2 Tổng hợp ZIF-8 theo tài liệu [1, 4, 6]: Cho dung dịch gồm 2,8 mmol kẽm nitrate hexahydrate hòa trong 1,4 mol methanol vào dung dịch gồm 64,4 mmol 2 - methylimidazole hòa tan trong 1,4 mol methanol, khuấy mạnh hỗn hợp trong 24 giờ, sau đó li tâm trên máy Hettich EBA 8S với tốc độ 3000 vòng/phút trong 10 phút, thu phần rắn, rửa 3 lần với methanol. Sản phẩm thu được sấy qua đêm ở nhiệt độ 120oC. Các đặc trưng hóa lý của vật liệu như XRD, TEM, BET,... được xác định tại Phòng thí nghiệm siêu cấu trúc - Khoa vi rút- Viện Vệ sinh dịch tễ Trung Ương. Khảo sát sự hấp phụ CO2 của ZIF-8 trên máy High Pressure Volumetric Analyzer - Micromeritics HPVA-100 ở 298 K và áp suất thay đổi từ 1 đến 30 bar tại khoa Kỹ thuật Hóa học - Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh. Vật liệu được hoạt hóa trong chân không ở 423 K trong 12 giờ, trước khi hấp phụ CO2. 2.3. Kết quả và thảo luận Để phân tích cấu trúc cuả vật liệu ZIF-8 thu được, chúng tôi sử dụng kỹ thuật phân tích XRD với góc 2è = 10-> 600. Giản đồ XRD của ZIF-8 được trình bày trên Hình 1. 500 Cps (011) OriginPro 8 Evaluation OriginPro 8 Evaluation OriginPro 8 Evaluation OriginPro 8 Evaluation C­êng ®é (abr) OriginPro 8 Evaluation OriginPro 8 Evaluation (112) OriginPro 8 Evaluation OriginPro 8 Evaluation (002) (222) OriginPro 8 Evaluation OriginPro 8 Evaluation (022) (013) (334) (233) OriginPro 8 Evaluation OriginPro 8 Evaluation (114) (134) 10 20 30 40 50 60 2θ (®é) Hình 1. Giản đồ XRD của mẫu ZIF-8. Giản đồ XRD cho thấy, các peak nhiễu xạ tia X của mẫu ZIF-8 phù hợp với nhiều công trình công bố trước đây [1,2,4]. Cường độ peak nhiễu xạ mạnh của các mặt (011), (002), (112), (022), (013), (222), (114), (233), (134) và (334) tại giá trị 2è tương ứng là 7,3; 10,3; 12,7; 14,9; 16,3; 22,1; 24,9; 25,5 và 26,5o trong giản đồ XRD. Kết quả cho thấy rằng tinh thể ZIF-8 có độ kết tinh cao. Hình t ...