TỔNG HỢP MESOPOROUS SILICA(MCM-41)

1. Tổng quan về MESOPOROUS SILICA2. Cấu trúc và tính chất.3. Quy trình tổng hợp4. Ứng dụng

1. Tổng quan về MESOPOROUS SILICA

Cấu trúc lục lăng

(hexagonal): MCM-41, SBA -15, ...

Cấu trúc không trật

tự (disordered)KIT-1, L3

Cấu trúc lập phương

(cubic): MCM-48, SBA -16, ..

Cấu trúc lớp

(laminar): MCM-50, ..

Hình 1 - Ảnh TEM (a) và ảnh SEM (b) của mesoporous silica MCM-41

Tính chất đặc trưng của vật liệu mesoporous silica là có cấu trúc lỗ xốp có thể điều chỉnh (tailorable), diện tích bề mặt riêng lớn, thể tích lỗ xốp lớn, hệ thống mao quản trật tự, phân bố kích thước đồng đều. Các tính chất này giúp cho chúng có lợi khi dùng để bao kín thuốc là các tác nhân điều trị và dẫn đến vị trí mong muốn. Hiện nay, kích thước, hình thái, kích thước lỗ xốp và cấu trúc của mesoporous silica có thể thiết kế một cách hợp lý và có thể kiểm soát quá trình tổng hợp.

2. Cấu trúc và tính chất.

Vật liệu MCM-41: là vật liệu đại diện tiêu biểu của họ vật liệu mao quản trung bình, có nhiều ứng dụng trong nhiều quy trình công nghệ hóa học. MCM-41 có hệ mao quản đồng đều kích thước mao quản cỡ 2.5- 5nm, hình lục lăng, một chiều, sắp xếp xít nhau tạo nên cấu trúc tổ ong, diện tích bề mặt lớn nên được áp dụng cho các quá trình chuyển hóa phân tử kích thước lớn thường gặp trong hữu cơ mà các vật liệu cấu trúc mao quản nhỏ như zeolit tỏ ra không phù hợp.

Hình 2: Vật liệu MCM-41

Hình 3: Cụm hỗn hợp kim loại neo trong MCM-41 silica để sử dụng trong xúc tác

Sự phân bố kích thước lỗ là rất hẹp chỉ ra sự trật tự cao của cấu trúc. Do mao quản chỉ bao gồm MQTB mà không có vi mao quản bên trong thành nên dẫn đến sự khuếch tán một chiều qua kênh mao quản. Chúng có diện tích bề mặt riêng lớn đến khoảng 1000-1200 m2/g. Hạn chế quan trọng nhất của vật liệu này là độ bền thủy nhiệt chưa cao do thành khá mỏng và vô định hình. Hiện nay, chúng là vật liệu hứa hẹn khả năng áp dụng rộng rãi cho nhiều lĩnh vực: vật liệu xúc tác, chất hấp phụ… MCM-41 được hình thành bằng cách thủy nhiệt silicagel trong sự có mặt của chất hoạt động bề mặt, thường là các muối amoni bậc bốn.

3.1. Cơ chế tổng hợp vật liệu mesoporous silica Để tổng hợp vật liệu MQTB cần có ít nhất 3 hợp phần:+ Chất định hướng cấu trúc đóng vai trò làm tác nhân định hướng cấu trúc vật liệu.+ Nguồn vô cơ như silic nhằm hình thành nên mạng lưới mao quản.+ Dung môi (nước, bazơ,…) đóng vai trò chất xúc tác trong quá trình kết tinh.

3. Quy trình tổng hợp MCM-41

3.2. Quy trình tổng. MCM-41 là vật liệu mesoporous silica được nghiên cứu rộng rãi nhất cho ứng dụng. Nói chúng, nó thường được tổng hợp trong môi trường kiềm. Với việc sử dụng chất HĐBM như cetyltrimethyl-ammonium bromide (CTAB) là chất định hướng tinh thể lỏng (liquid crystal templating), tetra-ethyl orthosilicate (TEOS) hay sodium metasilicate (Na2SiO3) là nguồn silica, và alkaki là xúc tác, MSNs tạo thành có hệ thống mao quản 2D trật tự, xếp khít nhau dạng lục lăng (hexagonol) và nhóm cấu trúc p6m được tổng hợp lần đầu tiên và có tên gọi là MCM-41.

Hình 4: Quy trình tổng hợp MCM-41

Qua khảo sát, người ta thấy rằng MCM-41 có diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp khác nhau khi sử dụng Na2SiO3và TEOS là nguồn cung cấp silica tương ứng với polyoxyethylene tert-octylphenyl ether (Triton X-100) và CTAB là chất đồng hoạt động bề mặt. Khi sử dụng Na2SiO3 là chất nguồn silica, MCM-41 tổng hợp được có lỗ xốp lớn hơn và diện tích bề mặt lớn hơn (diện tích bề mặt riêng là 1379 m2/g và kích thước lỗ xốp là 3.3 nm) khi sử dụng TEOS (848 m2/g và 2.8 nm). Điều này là do sự tồn tại của muối vô cơ làm tăng lượng kết tụ của mizen chất hoạt động bề mặt, làm tăng đường kính lỗ xốp của MCM-41. Người ta cũng nhận thấy rằng, thay đổi tỉ lệ Triton X-100 và CTAB có thể điều chỉnh hình thành của MCM-41.

Hình 5: Ảnh chụp TEM của MCM-41 với kích thước và cấu trúc khác nhau thông qua phương pháp thủy nhiệt (2003, American Chemical

Society).

Tuy nhiên do việc sản xuất MCM-41 thường đi từ nguồn silic tinh kiết là TEOS, quá trình tổng hợp thường đòi hỏi phải ở chế độ thủy nhiệt trong thiết bị autoclave dẫn đến chi phí sản xuất cao làm hạn chế việc sản xuất và sử dụng rộng rãi loại vật liệu này. Quy trình tổng hợp: Hòa tan 0,87g CTAB và 1,77g (NH4)2HPO4 vào trong 19,61 ml nước cất, rồi cho thêm 7,78 ml dung dịch NH4OH 25% vào, khuấy đều. Sau đó nhỏ giọt từ từ 2,57 ml dung dịch thủy tinh lỏng vào hỗn hợp trên, đồng thời khuấy dung dịch trong 4 giờ. Để già hóa hỗn hợp trong thời gian từ 18 giờ. Lọc rửa sản phẩm đến môi trường trung tính sau đó sấy ở 1000C trong 4 giờ và nung ở 5500C trong 6 giờ để lo ại hết chất ho ạt đ ộng bề mặt sẽ thu được MCM-4.

4. ỨNG DỤNG CỦA MESOPOROUS SILICA

Chất xúc tác: xúc

tác axit và xúc tác oxi hóa

khử

Chất mang-

chất hấp phụ

Ứng dụng khác: chế

tạo vật liệu cảm biến, tế

bào năng lượng,

điện cực nano,…

Ứng dụng trong sắc ký lỏng

hiệu năng cao

(HPLC)