Vật liệu nano trong lĩnh vực xúc tác – hấp phụ và cuộc sống

Bài viết trình bày tính chất hóa lý quan trọng của vật liệu nano đã và đang ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học, công nghệ bảo vệ môi trường và nhiều lĩnh vực khác. Công nghệ nano là một lĩnh vực khoa học – công nghệ hết sức đa dạng, nhiều thách thức và cũng đầy triển vọng. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Vật liệu nano trong lĩnh vực xúc tác – hấp phụ và cuộc sống VẬT LIỆU NANO TRONG LĨNH VỰC XÚC TÁC – HẤP PHỤ VÀ CUỘC SỐNG Hoàng Thị Yến, Trần Thị Ngọc Mai Viện Khoa học ứng dụng, trường Đại học Công nghệ TP.Hồ Chí Minh (HUTECH)TÓM TẮTỞ Việt Nam cũng như trên thế giới, từ lâu các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực xúc tác – hấp phụ đều quantâm đến việc chế tạo các vật liệu có tâm hấp phụ và xúc tác dễ tiếp cận nhất với các phân tử, nguyên tửtham gia phản ứng. Đó chính là các vật liệu có cấu trúc nano. Nhiều tính chất hóa lý quan trọng của vậtliệu này đã và đang ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học, công nghệ bảo vệ môi trường và nhiềulĩnh vực khác. Công nghệ nano là một lĩnh vực khoa học – công nghệ hết sức đa dạng, nhiều thách thức vàcũng đầy triển vọng.Từ khóa: Vật liệu nano, vật liệu xúc tác – hấp phụ, zeolit, xúc tác cho phản ứng dị thể, vật liệu xúc tácnano, vật liệu zeolit.1. GIỚI THIỆUCuộc cách mạng nano được khởi xướng từ những năm 1970 – 1980 đã và đang đem lại nhiều thành tựukhoa học – công nghệ to lớn, thú vị và mới mẻ. Vật liệu nano đóng vai trò quan trọng trong hầu hết cáclĩnh vực vật lý, hóa học, sinh học … Đối với hóa học, vật liệu nano chủ yếu sử dụng và chế tạo dưới dạngchất rắn, vì hầu hết (80 – 90%) các quá trình hóa học công nghiệp đều là phản ứng xúc tác dị thể [1]. Hiệnnay, người ta rất quan tâm đến việc chế tạo các vật liệu nano xúc tác (nano catalytic materials) hoặc cácchất xúc tác nano (nano catalysts dưới hai dạng: (1) Vật liệu dạng hạt có kích thước nanomet(nanoparticle); (2) Vật liệu có cấu trúc nano mao quản (nano structured materials ỏ nanoporous materials).Bởi vì, với hai dạng vật liệu đó, các phản ứng xúc tác dị thể mới có thể đạt được tốc độ lớn nhất và hiệusuất sản phẩm cao nhất.2. ĐIỀU GÌ LÀM NÊN SỰ KHÁC BIỆT CỦA VẬT LIỆU NANO2.1. Hiệu ứng bề mặtXúc tác dị thể là một quá trình, trong đó chất tham gia phản ứng thường ở pha khí (hơi) hoặc lỏng đượcxúc tác bởi các vật liệu rắn (kim loại, oxyt kim loại, zeolit ...). Như vậy, sự tiếp xúc và khả năng tiếp cậngiữa các phân tử (nguyên tử) chất phản ứng và các tiểu phân (nguyên tử, phân tử, cụm nguyên tử - kíchthước hạt nano) của chất xúc tác càng thuận lợi (về mặt hình học, năng lượng, tỉ lượng ...) thì phản ứngxúc tác càng dễ xảy ra. Rõ ràng khi kích thước hạt nano càng nhỏ thì số nguyên tử lộ ra trên bề mặt cànglớn, tạo điều kiện thuận lợi cho các phân tử tham gia phản ứng được tiếp cận dễ dàng với chất xúc tác, dođó, phản ứng xảy ra một cách hiệu quả nhất.Người ta nhận thấy rằng, các cụm kim loại có số nguyên tử càng ít thì % số nguyên tử bề mặt càng lớn.734 Bảng 1. Mối quan hệ giữa số nguyên tử Au trong 1hạt nano và % số nguyên tử Au nằm trên bề mặt [2] Số nguyên tử Au trong 1 hạt % số nguyên tử bề nano mặt 13 92 55 76 147 63 309 52 561 45 1415 35Mặt khác, khi kích thước hạt nano thay đổi, cấu trúc tinh thể của vật liệu (kim loại và oxyt kim loại) có thểbiến đổi làm cho số nguyên tử nằm ở bề mặt thay đổi. Thực vậy, yếu tố ―thuận lợi hình học‖ được nói đếnở trên là rất quan trọng, nhưng vấn đề là ở chỗ thay đổi hình học đã kéo theo nhiều hiệu ứng khác [3].2.2. Hiệu ứng electronNgười ta nhận thấy rằng, mật độ electron trên các tâm xúc tác (nguyên tử bề mặt) thay đổi theo kích thướccủa hạt nano [4]. Do đó tính chất axit – bazơ của chất mang sẽ thay đổi phụ thuộc vào bản chất và kíchthước của hạt nano kim loại được đưa lên chất mang. Hạt nano kim loại càng nhỏ thì mật độ electron củacác nhóm chức trên chất mang càng bị ảnh hưởng và do đó tính chất xúc tác của các tâm kim loại có kíchthước khác nhau trên chất mang thể hiện một cách rất khác nhau.Ví dụ, các chất xúc tác Au/α-Fe2O3, Au/Co3O4 và Au/NiO (hạt Au nano cỡ 10nm) có thể thực hiện phảnứng xúc tác CO +1/2O2  CO2 ở nhiệt độ -70oC, trong khi vàng kim loại dạng khối không tham gia vàoquá trình xúc tác phản ứng oxy hóa [5].Hiệu ứng eleectron còn được thể hiện ở nhiều tính chất của vật liệu nano (nhiệt nóng chảy, từ tính, tínhchất quang học…) rất khác so với vật liệu khối.2.3. Hiệu ứng bảo toàn độ phân tánNhư chúng ta đã biết, một quá trình tự nhiên đều xảy ra theo chiều làm giảm năng lượng (thế năng, nănglượng tự do G, năng lượng bề mặt…) của hệ.Do việc tạo ra các loại vật liệu nano là không hề đơn giản vì đó là một quá trình ngược lại với chiều giảmnăng lượng của hệ. Tuy nhiên, việc bảo toàn trạng thái nano của vật liệu được tạo ra (bảo toàn độ phântán) lại là vấn đề nan giải hơn. Bởi vì trong các phản ứng xúc tác, dưới tác dụng của nhiệt độ, áp suất, tácnhân phản ứng … các hạt nano xúc tác sẽ có khuynh hướng tự nhiên tụ tập lại thành các hạt (tổ hợp) cókích thước lớn, và do đó làm suy giảm hoạt tính xúc tác một cách nhanh chóng.Vì thế trong xúc tác – hấp phụ người ta rất quan tâm chế tạo các vật liệu có cấu trúc mao quản nano.Thực ra, ý tưởng và sử dụng các vật liệu nano đã có từ lâu, cách đây khoảng 4 – 5 thập kỷ [6]. Songngày nay, với quan điểm ―vật liệu nano‖ người ta càng thấy rõ ý nghĩa thực tiễn và giá trị khoa học củaloại vật liệu đó.Các vật liệu mao quản nano (zeolit, aluminophotphat, M41S, MCM-48, MCM-50, HMS, FMS-16 ..) cócấu trúc tinh thể (hoặc giả tinh thể), bên trong vật liệu chứa các hệ mao quản đồng nhất (từ 0,4 đến hàngchục nm, tùy thuộc từng loại cấu trúc) nên hệ vật liệu này có bề mặt riêng rất lớn, cỡ hàng trăm đến h ...