Nghiên cứu tổng hợp xúc tác dị thể siêu axit HPA cố định trên các chất mang vô cơ mao quản xốp cho phản ứng tổng hợp chất tạo hương fructon trong môi trường phân cực

Nghiên cứu tổng hợp xúc tác dị thể siêu axit HPA cố định trên các chất mang vô cơ mao quản xốp cho phản ứng tổng hợp chất tạo hương fructon trong môi trường phân cực

Để có thể tổng hợp các hệ xúc tác dị thể HPA phân tán và cố định trên các chất mang vô cơ xốp như vật liệu oxit silic MQTB biến tính Al-SBA-15, vật liệu zeolit/MQTB dạng ZSM-5/SBA-15, Y/SBA-15 và graphen oxit có hoạt tính và độ bền cao trong phản ứng tổng hợp chất tạo hương fructon trong môi trường phân cực cũng như đánh giá được các yếu tố về tính chất của vật liệu xúc tác và điều kiện phản ứng ảnh hưởng tới độ chuyển hóa nguyên liệu và độ chọn lọc sản phẩm của phản ứng, nhóm thực hiện đề tài của Viện Hóa Học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam do TS. Trần Quang Vinh đứng đầu đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp xúc tác dị thể siêu axit HPA cố định trên các chất mang vô cơ mao quản xốp cho phản ứng tổng hợp chất tạo hương fructon trong môi trường phân cực” với các nội dung chính bao gồm: (i) Nghiên cứu tổng hợp đặc trưng các chất mang Al-SBA-15, zeolit/MQTB dạng ZSM-5/SBA-15, Y/SBA-15 và graphen oxit; (ii) Nghiên cứu tổng hợp đặc trưng các hệ xúc tác HPA cố định trên chất mang vô cơ xốp; và (iii) Nghiên cứu phản ứng tổng hợp chất tạo hương fructon trong môi trường phân cực sử dụng các vật liệu xúc tác HPA/Chất mang.

Để giải quyết vấn đề đặt ra, nhóm nghiên cứu đã đưa ra cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng phù hợp với từng nội dung của đề tài. Nhóm tác giả đề tài đã đạt được một số kết quả thành công trong nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu xúc tác mới trên cơ sở các chất mang Al-SBA-15, zeolite/MQTB, graphen oxit và đánh giá ảnh hưởng cấu trúc, tâm HPA đến phản ứng tổng hợp Fructon. Cụ thể:

- Đã tổng hợp thành công vật liệu Al-SBA-15 với các tỷ số Si/Al khác nhau: 10, 15, 20, 25, 30.

- Đã tổng hợp thành công vật liệu zeolit/MQTB dạng ZSM-5/SBA-15, Y/SBA-15 với hệ thống vi mao quản của zeolite và hệ thống mao quản trùng (MQTB) của vật liệu SBA-15 được hình thành hoàn thiện bằng phương pháp kết tinh và các điều kiện tổng hợp được tối ưu hóa. Các mẫu chế tạo được có diện tích bề mặt riếng lớn 473,2 m²/g với mẫu ZSM5/SBA-15 và 484,93 m²/g với mẫu Y/SBA-15.

- Vật liệu graphen biến tính sử dụng làm chất mang xúc tác HPA đã được tổng hợp thành công từ bột graphit. Vật liệu Graphen oxit với cấu trúc lớp đặc trưng được chế tạo thành công. Sau đó bằng cách biến tính với APTES tạo cầu nối là nhóm chức NH2 nhằm đưa HPA lên vật liệu một cách dễ dàng

- Tổng hợp thành công các hệ xúc tác HPA cố định trên chất mang vô cơ xốp. Các hệ vật liệu được chế tạo theo các phương pháp khác nhau: Sử dụng các nhóm chức khác nhau (OH, NH4 + , NH2) để cố định HPA và dạng HPA khác nhau (HAP thương mại (HPAtm) và HPA trực tiếp (HPAtt)). Kết quả đặc trưng đã cho thấy các vật liệu HPA/Al-SBA-15, HPA/ZSM-5/SBA-15, HPA/Y-MCM-41 và HPA/graphen oxit tổng hợp được vẫn giữ nguyên được cấu trúc chất mang trước khi đưa HPA lên bề mặt.

- Đã thực hiện phản ứng tổng hợp chất tạo hương fructon với các xúc tác dị thể đã tổng hợp được: axit dị đa HPA gắn lên trên các chất mang mao quản Al-SBA-15 và ZSM-5/SBA-15, Y/SBA-15 và graphen oxit. Kết quả cho thấy vật liệu Al-SBA-15 và ZSM-5/SBA-15 phù hợp làm chất mang gắn HPA làm xúc tác cho phản ứng tổng hợp fructon hơn là vật liệu Y/SBA-15 và graphen oxit.

Từ các kết quả thu được, đề tài đã tìm ra quy trình tổng hợp tối ưu đưa HPA lên chất mang để có hoạt tính tốt nhất và độ bền cao, đó là đưa HPA gắn lên trên chất mang thông qua các ion bù trừ điện tích NH4+ và Cs+. Các xúc tác dị thể này có hiệu quả tốt như các xúc tác đồng thể hay dùng trước đây là các axit như H₂SO₄, PTSA. Có hiệu quả tốt, độ bền cao và khắc phục được các nhược điểm của xúc tác đồng thể nên các xúc tác dị thể tổng hợp được hoàn toàn có thể thay thế được các xúc tác dị thể trong phản ứng tổng hợp fructon, và có thể ứng dụng trong các phản ứng có môi trường phân cực. Đề tài đã tối ưu được điều kiện thực hiện phản ứng để có hiệu quả cao nhất. Điều kiện thực hiện phản ứng tốt nhất là thực hiện phản ứng giữa etyl acetoacetat với EG, với tỉ lệ mol các chất phản ứng là 1:1,5; phản ứng thực hiện ở nhiệt độ 130^oC với dung môi iso-octan, lượng chất xúc tác 3% khối lượng các chất phản ứng.