Luận Văn Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí h2 của vật liệu MOF-5 VÀ IRMOF-3

Đề tài nghiên cứu khoa học năm 2012
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí h2 của vật liệu MOF-5 VÀ IRMOF-3




Mục lục . i
Danh mục hình iv
Danh mục bả ng vi
Danh mục sơ đồ . vii
Danh mục viết tắt viii
Mở đầu . 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU MOFs 3
1.1. Khái niệm .3
1.2. Cấu trúc vật liệu MOFs . 3
1.2.1. Đơn vị cấu trúc cơ bản SBUs 4
1.2.2. Sự kết chuỗi 7
1.2.3. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến cấu trúc 8
1.3. Tổng hợp MOFs 11
1.3.1. Sơ lược về cấu trúc vật li ệu MOFs . 11
1.3.2 Phương pháp tổ ng hợp vật li ệu MOFs 12
1.3.2.1. Phương pháp nhiệt dung môi . 13
1.3.2.2 Phương pháp vi sóng 13
1.3.2.3 Phương pháp siêu âm . 13
1.3.2.4 Phương pháp không dung môi 13
1.4. Tính chất c ủa MOFs 13
1.4.1 Độ xốp và diện tích bề mặt lớn 13
1.4.2 Kích thước lỗ xốp 15
1.5 Ứng dụng của vật li ệu MOFs 15
1.5.1 Lưu trữ khí 16
1.5.1.1 Lưu trữ khí H2 16
1.5.1.2 Lưu trữ khí CO2 18
1.5.2 Tinh chế khí . 20
1.5.3 Xúc tác 21
1.5.4 Khả năng phát quang 26
1.5.5 Thiết bị cảm biến . 27
1.6 Các phương trình nghiên cứu sự hấp phụ 27
1.6.1 Phương trình hấp phụ Langmuir . 27
1.6.2 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 28
1.6.3 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt BET 29
CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC 32
CỦA VẬT LIỆU MOFs
2.1 Vật li ệu IRMOF-3 . 32
2.1.1 Tổng hợp IRMOF-3 32
2.1.2 Kết quả và bàn luận . 34
2.1.3 Phân tích cấu trúc của vật liệu IRMOF-3 . 35
2.1.2.1 Phổ XRD . 35
2.1.2.2 Phổ hồng ngoại IR . 35
2.1.2.3 Hình SEM 36
2.1.2.4 Hình TEM 37
2.1.2.5 Phân tích TGA . 37
2.2 Vật Liệu MOF-5 . 38
2.2.1 Tổng hợp MOF-5 38
2.2.2 K ết quả và bàn luận . 41
2.2.3 Phân tích cấu trúc vật liệu MOF-5 . 41
2.2.3.1 Phổ XRD 41
2.2.3.2 Phổ hồng ngoại IR . 42
2.2.3.3 Hình SEM 43
2.2.3.4 Hình TEM . 44
2.2.3.5 Phân tích nhiệt TGA . 45
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KHÍ H2 . 46
CỦA CÁC VẬT LIỆU MOFs TỔNG HỢP ĐƯỢC
3.1 Nghiên cứu khả hấp phụ khí H2 của IRMOF-3 . 47
3.2 Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí H2 của MOF-5 . 50
3.3 Khảo sát khả năng hấp phụ khí H2
của các vật li ệu MOFs theoPhương trình Langmuir 52
3.4 Khảo sát khả năng hấp phụ khí H2
của các vật li ệu MOFs theo phương trình Freundlich 53
CHƯƠNG 4: KIẾN NGHỊ VÀ KẾT LUẬN
Tài liệu tham khảo . 56




MỞ ĐẦU
Khí hydro, một trong những nguyên tố phong phú nhất trên Trái Đất, từng được
coi là câu trả lời cho nguồn năng lượng ―xanh‖ thay thế cho các loại ô tô chạy xăng
truyền thống, nhờ dễ sản xuất, sẵn có và không gây ô nhiễm khi đốt cháy. Hoạt động giao
thông vận tải hàng năm đã thải thêm 13% khí CO
2
vào bầu khí quyển, trong khi hydro
không hề tạo ra khí thải khi đốt cháy. Mặt khác, người ta có thể tạo ra hydro từ nước
thông qua phản ứng điện phân, hoặc thu giữ hydro như một phế phẩm từ phản ứng hạt
nhân và các nhà máy hóa chất.
Tuy nhiên, năng lượng hydro đang đối m ặt với không ít thách thức vì những trở
ngại như nguy cơ cháy nổ cao, bình chứa hydro cho ô tô vẫn lớn và nặng nề, đồng thời
thi ếu hụt m ạ ng lưới ti ếp nhiên liệu.
Do đó, ngoài nguồn năng lượng sạch đã biết đến từ lâu như: năng lượng gió, năng
lượng Mặt Trời thì một nguồn năng lượng mới đã được phát hiện và ngày càng được
ứng dụng nhiều trong thực tiễn, không gây ô nhiễm môi trường, đó chính là nguồn năng
lượng từ khí hydro.
Để có thể sử dụng khí hydro trong đời sống thì cần phải dùng bình để chứa nó.
Nhưng dùng bình chứa thì chỉ được một lượng vừa phải, v ấn đề đặt ra là phải có một lo ại
nguyên vật liệu nào đó có thể chứa được thể tích của khí hydro lớn hơn gấp nhiều lần thể
tích c ủa nó, khi đó các nhà khoa học đã nghĩ đến những vật li ệu có kích thước lỗ xốp như
zeolit, silica, than hoạt tính,
Bên cạnh những vật liệu xốp truyền thống đã được ứng dụng nhiều trong kỹ thu ật
đời sống như: Than hoạt tính d ụng trong xử lý khí thải và nước thải; Z eolite dùng nhiều
trong khoa học kỹ thuật xúc tác, hấp phụ; Silica dùng làm chất hấp phụ trong k ỹ thu ật
phân riêng sắc ký như sắc ký lớp mỏng, cột sắc ký điều chế, làm sạch không khí ẩm
Hiện nay, vật liệu khung cơ kim (Material Organic Frameworks - MOFs) được
khám phá ra bởi nhà khoa học Omar M. Yaghi đang trở thành đề tài hấp dẫn trong nhiều
ngành khoa học với nhiều ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác, tách và dự trữ khí . so vớ i
các vật li ệu truyền thống có độ xốp cao. Tuy vậy, vật liệu MOFs vẫn chưa được nghiên
cứu nhiều ở nước ta và đây là một hướng đi còn rất mới cho các nhà khoa học Việt Nam.
MOFs được xác định là vật liệu có cấu trúc tinh thể đồng đều nhất, diện tích bề
mặt riêng lớ n, cấu trúc vách ngăn ở dạng phân tử khác biệt với nh ững vách ngăn dày
trong cấu trúc vật liệu xốp vô cơ thông thường. Cấu trúc không gian của vật liệu MOFs
rất đa dạng như: hình que, hình xoắn, hình khối đa diện . với kích thước khác nhau là do
cấu tạo các phân tử hữu cơ liên kết với các tâm kim loại. MOFs có diện tích bề mặt riêng
từ vài trăm đến gần 10.000 m2/g.Nhờ những tính chất vượt trội đó, vật li ệu MOFs đạng được nghiên cứu và ứng






TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Jeongyong Lee, Synthesis and gas sorption study of microporous metal
organic frameworks for hydrogen and methane storage, The State University of
New Jersey, 2007.
[2] Ly Tu Uyen, Synthesis and Characteriztion of High Porous Metal-Organic
Frameworks: MOF-199 and ZIF-8, 2009, thesis, HCMC University of
Technology
[3] Xueyu Zhang, Hydrogen storage and carbon dioxide capture by highly
porous Metal-Organic Frameworks, 2010.
[4] Mohamed Eddaoudi, D.B.M., Hailian Li, Banglin Chen, Theresa M.
Reineke, Michael Okeeffe, And Omar M. Yaghi, Acc. Chem. Res. 2001. 34: p.
319-330.
[5] R Saravanakumar and S Sankararaman, ―Molecule Matters: Metal Organic
Frameworks (MOFs)‖, Feature Article, 2007.
[6] David J. Tranchemontagne, Z.N., Michael O Keeffe, and Omar M. Yaghi,
Angew. Chem. Int. Ed. 2008. 47: p. 5136 -5147.
[7] Hiroyasu Furukawa, J.K., Nathan W. Ockwig, Michael O Keeffe, Omar M.
Yaghi, J. Am. Chem. Soc. 2008. 130: p. 11650 -11661.
[8] David J. Tranchemontagne, J.L.M.-C.s., Michael O’Keeffe and a.O.M. Yaghi,
Chem. Soc. Rev. 2009. 38: p. 1257–1283.
[9] Jesse L. C. Rowsell and Omar M. Yaghi, ―Strategies for Hydrogen storage
in Metal-Organic Frameworks‖, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 4670-4679.
[10] Omar M. Yaghi, ―Porous crystals for carbon dioxide storage‖.
[11] Steven S. Kaye, A.D., Omar M. Yaghi et al., J. Am. Chem. Soc. 2007. 129:
p. 14176-14177.
[12] Claudia Prosenjak, Experimental and theoretical adsorption studies in
tuneable organic-inorganic materials, The University of Edinburgh Institute for
Materials and Processes, USA, 2009
[13] Leonard R. MacGillivray, Metal-Organic Frameworks: Design and
Application, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, Canada.
56
[14] Ryan J.K, Daren J.T, Qian-Rong Fang, Jian-Rong Li, Trevor A.Makal,
―Potential application of metal-organic frameworks‖, Coodination Chemistry
Reviews, 2009, 253, 3042 -3066.
[15] Antek G. Wong-Foy, A.J.M., Omar M. Yaghi, J. Am. Chem. Soc. 2006.
128: p. 3494-3495.
[16] Jesse L. C. Rowsell, A.R.M., Kyo Sung Park, Omar M. Yaghi, J. Am.
Chem. Soc. 2004. 126: p. 5666 -566
[17] Insilicotech Co. Ltd, Metal Organic Frameworks: Rational Design to
Materialization for Hydrogen Storage, 2008, Accelrys Korea
[18] Andrew R. Millward, O.M.Y., J. Am. Chem. Soc. 2005. 127: p. 17998-17999.
[19] Alexander U. Czaja, N.T., Ulrich Muller, Chem. Soc. Rev. 2009. 38: p.
1284–1293.
[20] Jeong Yong Lee, Omar K. Farha, John Roberts, Karl A. Scheidt, Son Binh
T. Nguyen and Joseph T. Hupp, ―Metal-Organic Frameworks Materials as
catalysts‖, Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 1450 -1459.
[21] Shilun Qiu, G.Z., Coordination Chemistry Reviews. 2009.
[22] M. D. Allendorf, C.A.B., R. K. Bhakta, R. J. T. Houk, Chem. Soc. Rev.
2009. 38: p. 1330–1352.
[23] Sabine Achmann, Gunter Hagen, Jaroslaw Kita, Itamar M. Malkowsky,
Christoph Kiener and Ralf Moos, ―Metal-Organic Frameworks for Sensing
Applications in the Gas Phase‖, Sensors., 2009, 9, 1574 -1589.
[24] William G. Schulz, Lauren K. Wolf, ―Size-Selective acid catalysis‖, C&EN
News of the week, 2008.
[25] David J. Tranchemontagne, Joseph R. Hunt, Omar M. Yaghi ― Room
temperature synthesis of metal-organic frameworks: MOF-5, MOF-74,MOF-177,
MOF-199, and IRMOF-0‖, Tetrahedron 64,2008, P.8553–8557
[26] Nam T.S. Phan, Ky K.A. Le, Tuan D. Phan, ―MOF-5 as an efficient
heterogeneous catalyst for Friedel–Crafts alkylation reactions‖, Elsevier, 2010
[27] U. Mueller,* M. Schubert, F. Teich, H. Puetter, K. Schierle-Arndt and J.
Pastre ―Metal organic frameworks—prospective industrial applications‖, Journal of
Materials Chemistry, 2005