Là nhiệm vụ nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Thành phố, do Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ chủ trì thực hiện, ThS. Nguyễn Thị Hồng Thắm làm chủ nhiệm, thuộc chương trình Vườn ươm Sáng tạo KH&CN Trẻ, được nghiệm thu năm 2021.
MIL (Materials Institute Lavoisier) thuộc nhóm vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs). Cấu trúc MIL gồm các cation kim loại hóa trị (III) như vanadi, crôm, sắt, nhôm, gali, indi... liên kết với các cầu hữu cơ. Các MOFs này có tâm kim loại mở, tương đối giống với cấu trúc liên kết zeolite, nhưng khác về mặt hóa học như mật độ, kích thước lỗ xốp và diện tích bề mặt. Hiện nay có rất nhiều vật liệu cùng họ MIL đã và đang được nghiên cứu như MIL−53, MIL−88, MIL−89, MIL−100 và MIL−101.
Trong các vật liệu MIL, Ti (IV) liên kết với các cầu nối hữu cơ H2BDC tạo ra một cấu trúc MIL−125 linh hoạt dễ dàng thay đổi hình dạng. Trong cấu trúc MIL-125(Ti), các cầu nối hữu cơ được coi là các ăng ten hấp thu ánh sáng và vận chuyển các hạt mang điện bị kích thích đến các cụm kim loại trung tâm khi bị kích thích bởi ánh sáng.
Có nhiều cách biến tính khác nhau trên nền vật liệu MIL−125(Ti) đã được báo cáo trong những năm gần đây. Điển hình là chiến lược ghép nhóm chức lên phối tử mới và dễ dàng, thông qua phản ứng hóa học cơ sở Schiff giữa các nhóm aldehyde và −NH2 trong NH2−MIL−125(Ti) đã được phát triển để tạo ra chất xúc tác quang MOFs ghép dị vòng thơm. Các nghiên cứu trước đã chỉ ra vật liệu NH2−MIL−125(Ti) có hoạt tính quang xúc tác phân hủy chất màu dưới chiếu xạ ánh sáng nhìn thấy.
Trong tổng hợp biến tính vật liệu khung hữu cơ – lưỡng kim loại (MOFs) bằng phương pháp nhiệt dung môi, ion kim loại là yếu tố rất quan trọng, liên quan đến quá trình hình thành và phát triển của tinh thể. Vật liệu biến tính với cấu trúc tinh thể và kích thước tinh thể được kiểm soát thể hiện hoạt tính quang hóa vượt trội. Do đó, mục tiêu chính của đề tài nêu trên là tổng hợp thành công và xác định được tính chất đặc trưng của vật liệu lưỡng kim trên nền NH2−MIL-125(Ti) bằng phương pháp nhiệt dung môi và ứng dụng trong phân hủy thuốc nhuộm hữu cơ độc hại sử dụng ánh sáng nhìn thấy.
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành các nội dung gồm tổng hợp vật liệu Ti-MOFs và M/Ti-MOFs (M: Ni, Co, Cu và Fe) bằng phương pháp nhiệt dung môi; phân tích đặc trưng cấu trúc của vật liệu biến tính tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt hỗ trợ vi sóng bằng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại như XRD, Raman, FTIR, SEM, TEM, BET, UV-Vis DRS và XPS; nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang hoá phân hủy chất màu hữu cơ của vật liệu xúc tác Ti-MOFs và M/Ti-MOFs (M: Ni, Co, Cu và Fe) dưới ánh sáng nhìn thấy.
Kết quả, vật liệu biến tính trên nền NH2−MIL−125 bằng các kim loại khác nhau (Ni, Co, Cu và Fe) được tổng hợp thành công bằng phương pháp nhiệt dung môi. Cấu trúc vật liệu được đánh giá bằng các phương pháp như XRD, FT-IR, SEM, và Raman. Đặc biệt, năng lượng Eg của 15% Ni/Ti-MOFs, 15% Co/Ti-MOFs, 15% Cu/Ti-MOFs, 15% Fe/Ti-MOFs lần lượt là 2.53 eV, 2.52 eV, 2.42 eV và 2.40 eV.
Phản ứng quang hóa phân hủy Rhodamine B (RhB) dưới ánh sáng nhìn thấy cho thấy các mẫu biến tính bằng ion kim loại chuyển tiếp có hoạt tính cao hơn mẫu ban đầu NH2−MIL−125, trong đó vật liệu 15% Fe/Ti-MOFs đạt hiệu quả phân hủy cao nhất (> 76%) sau 120 phút chiếu sáng. Cơ chế phân hủy được đề xuất bằng phản ứng bắt điện tử, kết quả chỉ ra HO• (gốc hydroxyl) và h+ (lỗ trống) đóng vai trò chính trong quá trình quang hóa phân hủy RhB. Các thí nghiệm kiểm tra độ bền đã chứng minh xúc tác 15% Fe/Ti-MOFs có độ bền cao sau 3 lần tái sử dụng (từ 76.88 % giảm xuống 71.19%).
Kết quả đề tài cũng xây dựng được quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác với hoạt tính xúc tác cao, độ bền cao ứng dụng trong xử lý nước thải ô nhiễm. Đây là cơ sở thúc đẩy phát triển một số ngành khoa học kỹ thuật liên quan đến an toàn môi trường, sinh học và y học. Đồng thời góp phần tạo ra vật liệu xúc tác khung hữu cơ tâm titan (Ti), kim loại phổ biến, dễ tìm, ít độc trong tự nhiên.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài tại Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ (CESTI).
Theo https://cesti.gov.vn/
