Oxi hóa pha lỏng stiren trên xúc tác mg0,7 xCOxAl0,3(OH)2(CO3)0,15 mh2o

Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẶNG VĂN LONG

OXI HÓA PHA LỎNG STIREN TRÊN XÚC TÁC
Mg0,7 – xCoxAl0,3(OH)2(CO3)0,15.mH2O

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI – 2012

1


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẶNG VĂN LONG

OXI HÓA PHA LỎNG STIREN TRÊN XÚC TÁCMg0,7 –
xCoxAl0,3(OH)2(CO3)0,15.mH2O

Chuyên ngành: Hóa dầu và xúc tác hữu cơ

Mã số: 60.44.35

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN TIẾN THẢO

HÀ NỘI – 2012

2


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Cấu tạo một lớp hidrotanxit

2

Hình 1.2. Cấu trúc tổng quát của hidrotanxit

3

Hình 1.3. Mẫu tia X của khoáng HT ([Mg1-xAlx(OH)2][(CO3)x/n].mH2O tƣơng
ứng với nhiệt độ khác nhau

7

Hình 1.4. Mẫu tia X của khoáng HT ([Mg1-xAlx(OH)2][(CO3)x/n].mH2O

8

Hình 1.5. DTA của khoáng HT ([Mg1-xAlx(OH)2][(CO3)x/n].mH2O

9

Hình 1.6. Cơ chế oxi hóa stiren trên xúc tác Co(II)/zeolit X

21

Hình 2.1. Hình mặt phản xạ trong nhiễu xạ tia X

25

Hình 2.2. Sơ đồ thiết bị kính hiển vi điện tử quét

27

Hình 2.3. Các kiểu đƣờng hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt theo IUPAC

31

Hình 2.4. Thiết bị phản ứng oxi hóa pha lỏng

34

Hình 2.5. Sơ đồ liên hợp GC/MS

35

Hình 2.6. Thiết bị liên hợp GC/MS

38

Hình 3.1. Phổ nhiễu xạ tia X của 4 mẫu hidrotanxit

40

Hình 3.2. Ảnh SEM của 3 mẫu hidrotanxit

41

Hình 3.3. Ảnh TEM của 2 mẫu hidrotanxit

42

Hình 3.4. Các đƣờng hấp phụ/giải hấp nitơ của 2 mẫu hiđrotanxit và sự phân
bố mao quản BJH của mẫu Mg0.5Co0.2Al0.3(OH)2(CO3)0.15.mH2O

43

Hình 3.5. Phổ hồng ngoại

45

Hình 3.6. Hoạt tính xúc tác Mg0.7-xCoxAl0.3(OH)2(CO3)0.15.mH2O (x=0 – 0,3)

đối với phản ứng oxi hóa stiren ở khoảng 850C, thời gian 4 giờ

46

3


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

Hình 3.7A. Sự phụ thuộc độ chuyển hóa stiren trên xúc tác hidrotanxit
Mg0.7-xCoxAl0.3(OH)2(CO3)0.15.mH2O (x = 0,1 – 0,3) ở 85oC theo thời gian
phản ứng
Hình 3.7B. Sự biến đổi độ chọn lọc sản phẩm trên xúc tác hidrotanxit
Mg0.7-xCoxAl0.3(OH)2(CO3)0.15.mH2O (x = 0,1 – 0,3) ở 85oC theo thời gian

48

48

phản ứng
Hình 3.7C. Sự biến đổi độ chọn lọc sản phẩm trên xúc tác hiđrotanxit
Mg0.7-xCoxAl0.3(OH)2(CO3)0.15.mH2O (x = 0,1 – 0,3) ở 85oC theo thời gian

49

phản ứng
Hình 3.8A Sự phụ thuộc độ chuyển hóa stiren trên xúc tác hidrotanxit
Mg0.7-xCoxAl0.3(OH)2(CO3)0.15.mH2O (x = 0,2– 0,3) theo nhiệt độ sau 4 giờ

50

phản ứng
Hình 3.8B. Sự biến đổi độ chọn lọc sản phẩm trên xúc tác hidrotanxit
Mg0.7-xCoxAl0.3(OH)2(CO3)0.15.mH2O (x = 0,2– 0,3) theo nhiệt độ sau 4 giờ

50

phản ứng
Hình 3.8C. Sự biến đổi độ chọn lọc sản phẩm trên xúc tác hidrotanxit
Mg0.7-xCoxAl0.3(OH)2(CO3)0.15.mH2O (x = 0,2– 0,3) theo nhiệt độ sau 4 giờ
phản ứng

4

51


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

DANH MỤC BẢNG

18

Bảng 1.1. Oxi hóa stiren trên các xúc tác khác nhau
Bảng 3.1.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ oxi hóa stiren trên m
Mg0.6Co0.1Al0.3(OH)2(CO3)0.15.mH2O

ẫu xúc tác

Bảng 3.1.2. Sự phân bố sản phẩm oxi hóa ở cùng độ chuyển hóa stiren
trên xúc tác Mg0.7-xCoxAl0.3(OH)2(CO3)0.15.mH2O (x = 0,1– 0,3)

5

52

53


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ........................................................................................ 9
1.1. Giới thiệu chung .......................................................................................... 9
1.1.1. Khái niệm về hidrotanxit ......................................................................... 9
1.1.2. Đặc điểm cấu trúc ................................................................................... 9
1.1.3. Trạng thái hydrat hóa của hidrotanxit .................................................... 11
1.1.4. Trạng thái tinh thể của hidrotanxit ......................................................... 11
1.2. Tính chất .................................................................................................... 11
1.2.1. Tính chất trao đổi anion......................................................................... 12
1.2.2. Tính hấp phụ ......................................................................................... 13
1.3. Các phƣơng pháp điều chế hidrotanxit .................................................... 17
1.3.1. Phƣơng pháp muối – bazơ ..................................................................... 17

1.3.2. Phƣơng pháp muối – oxit ...................................................................... 18
1.3.3. Phƣơng pháp đồng kết tủa ..................................................................... 18
1.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến cấu trúc hidrotanxit ...................................... 19
1.4.1. Ảnh hƣởng của pH thay đổi................................................................... 19
1.4.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ........................................................................ 21
1.4.3. Già hóa kết tủa ...................................................................................... 21
1.4.4. Tách kết tủa ra khỏi sản phẩm phụ ........................................................ 21
1.4.5. Làm khô chất kết tủa và gel ................................................................... 22
1.5. Ứng dụng của hidrotanxit ......................................................................... 22
1.5.1. Ứng dụng hidrotanxit làm xúc tác ......................................................... 22
1.5.2. Ứng dụng hidrotanxit làm chất ức chế ................................................... 22
1.5.3. Ứng dụng hidrotanxit làm chất hấp phụ và trao đổi ion ......................... 23
1.6. Phản ứng oxi hóa ankylbenzen ................................................................. 23
1.6.1. Phản ứng oxi hóa chọn lọc ankylbenzen ................................................ 23
1.6.2. Oxi hóa pha lỏng stiren ......................................................................... 26
1.6.3. Ứng dụng của sản phẩm benzanđehit .................................................... 28
Chƣơng 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ............................................ 29
2.1. Điều chế xúc tác ......................................................................................... 29

6


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

2.1.1 Hoá chất ................................................................................................. 29
2.1.2 Quy trình tổng hợp ................................................................................. 29
2.2. Nghiên cứu đặc trƣng xúc tác bằng các phƣơng pháp vật lý .................. 30
2.2.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ...................................................... 30

2.2.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ............................................... 32
2.2.3. Phƣơng pháp hiể n vi điê ̣n tử truyề n qua (TEM) .................................... 33
2.2.4. Phƣơng pháp xác định diện tích bề mặt riêng ....................................... 34
2.2.5. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (IR) ......................................................... 39
2.3. Phản ứng oxi hóa pha lỏng stiren ............................................................. 40
2.3.1. Hóa chất ................................................................................................ 40
2.3.2. Các bƣớc tiến hành................................................................................ 40
2.3.3. Phân tích sản phẩm............................................................................... 41
2.3.3.1 Phân tích sản phẩm bằng phƣơng pháp sắc ký ..................................... 41
2.3.3.2 Điều kiện làm việc .............................................................................. 42
2.3.3.3. Định lƣợng sản phẩm phản ứng .......................................................... 42
2.4. Độ chuyển hóa và độ chọn lọc sản phẩm .................................................. 43
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 45
3.1. Đặc trƣng của hidrotanxit Mg-Co-Al-O ................................................... 45
3.1.1. Nghiên cứu đặc trƣng xúc tác bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X ........... 45
3.1.2 Hình ảnh SEM ....................................................................................... 46
3.1.3 Hình ảnh TEM ....................................................................................... 47
3.1.4. Đặc trƣng bằ ng phƣơng pháp hấ p phu ̣ - giải hấp phụ nitơ (BET) ........... 48
3.1.5. Phổ hồng ngoại ..................................................................................... 50
3.2. Phản ứng oxi hóa pha lỏng stiren ............................................................. 52
3.2.1. Ảnh hƣởng của thời gian phản ứng đến hoạt tính xúc tác...................... 53
3.2.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ phản ứng ......................................................... 56
3.2.3. Đánh giá khả năng chọn lọc sản phẩm của xúc tác hidrotanxit ở độ
chuyển hóa xác định ....................................................................................... 59
KẾT LUẬN....................................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................ 61

7

Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

MỞ ĐẦU
Hidrotanxit (HT) là khoáng vật hiếm trong tự nhiên có màu trắng, thuộc họ
khoáng sét anion. Khoáng sét anion tổng hợp đã đƣợc các nhà khoáng học (Aminoff
và Broomi) công bố vào khoảng năm 30 của thế kỉ 20, với nhiều tên gọi khác nhau
nhƣ: hidrotanxit, pyroaucite, takovite... Đến năm 1987 Drits đã đề nghị một hệ
thống danh pháp để thống nhất tên gọi. Những năm sau này khái niệm “Hydrocite
đan xen” (Lamellar Double Hydrocite - LDH) đƣợc dùng để giải thích sự hiện diện
của hai cation kim loại khác nhau trong hợp chất này [1, 13].
Hidrotanxit là một loại vật liệu lớp tồn tại nhƣ các khoáng vật cũng nhƣ
trong các pha tổng hợp. Tính đa dạng của vật liệu này thể qua việc có thể điều
chế bằng một dãy các hidrotanxit có tỷ lệ các cation kim loại và anion trong các
lớp xen kẽ khác nhau. Đây là những đặc tính thuận lợi để điều chế các chất xúc
tác có hoạt tính và độ chọn lọc sản phẩm mong muốn cao [5]. Hidrotanxit đƣợc
điều chế chủ yếu bằng phƣơng pháp đồng kết tủa ở những pH khác nhau, từ dung
dịch hỗn hợp muối chứa các cation kim loại cần thiết, các vật liệu hidrotanxit có
bề mặt lớn, có cấu trúc lỗ xốp, có khả năng trao đổi ion.., và các tính chất khác
nhƣ: hóa học, quang học, xúc tác, điện tử. Do đó nó đƣợc ứng dụng nhiều trong
các lĩnh vực khác nhau nhƣ: chất mang, chấp hấp phụ, xúc tác màng chọn lọc ion
…. Gần đây các nhà nghiên cứu đã cho thấy một số kim loại chuyển tiếp nhƣ:
Ru, Cu, Fe, Mn, V, Ti… tẩm/mang trên chất xúc tác hidrotanxit để có các hoạt
tính tốt đối với các phản ứng oxi hóa pha lỏng ancol benzylic, stiren, toluen [4 7]. Trong số các kim loại kể trên, Cu và Ru tỏ ra hiệu quả với stiren nhƣng
không thể oxi hóa ankylbenzen khác. Ni và Fe, Ti, Mn mang trên silicat, zeolit…
có hoạt tính thấp với ankylbenzen [4, 5, 22, 26, 40]. Ngoài ra, phản ứng tạo
thành hỗn hợp nhiều sản phẩm nên gặp khó khăn trong việc phân tích. Vì vậy, để
đánh giá xác thực vai trò hoạt động xúc tác hidrotanxit trong phản ứng oxi hóa
ankylbenzen nói chung và stiren nói riêng, chúng tôi thực hiện đề tài nghiên cứu

“Oxi hóa pha lỏng stiren trên xúc tác Mg 0,7 – xCoxAl0,3(OH)2(CO3)0,15.mH2O”.

8


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1.

Giới thiệu chung

1.1.1. Khái niệm về hidrotanxit
Hidrotanxit là hỗn hợp các hydroxit của các kim loại hóa trị II và kim loại
hóa trị III có công thức tổng quát là [1, 8, 15, 32]:
[M2+1-x M3+x(OH)2]x+[An-x/n].mH2O,
trong đó: - M2+: Kim loại hóa trị II nhƣ Mg, Ni, Zn, Ca, ...
 M3+: Kim loại hóa trị III nhƣ Al, Fe, Cr, Co...
 An- : anion nhƣ: F-, Cl-, NO3-, SO42-, CO32-,...
 Giá trị x từ 0.2 – 0.33, với x=M3+/(M2+ + M3+).
Các ion kim loại tạo thành lớp đa diện mang điện tích dƣơng. Để cấu trúc
trung hòa về điện, các anion đƣợc xen vào các khoảng trống giữa hai lớp đa diện.
1.1.2. Đặc điểm cấu trúc
Cấu trúc của hidrotanxit gồm những lớp hydroxit [M2+1-x M3+x(OH)2]x+ đƣợc
tạo thành từ các hydroxit của kim loại hóa trị 2 và 3. Trong đó, một phần kim loại
hóa trị 2 đƣợc thay thế bằng kim loại hóa trị 3 lớp đa diện nên mang điện tích
dƣơng. Đa diện có đỉnh là các nhóm OH, tâm là các kim loại. Do đó, hidrotanxit có
cấu trúc tƣơng tự nhƣ cấu trúc của brucite trong tự nhiên (hình 1.2) [15, 32].

Lớp xen giữa [An-x/n].mH2O là các anion mang điện tích âm và các phân tử
nƣớc nằm xen giữa lớp hydroxit để trung hòa lớp điện tích dƣơng [1].

Hình 1.1. Cấu tạo một lớp hidrotanxit

9


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

Lớp hydroxit liên kết với lớp xen giữa bằng lực hút tĩnh điện. Liên kết giữa
các phân tử nƣớc và các anion trong lớp xen giữa là liên kết hidro. Do vậy, các
anion và phân tử nƣớc sẽ giải phóng ra nếu xử lý hidrotanxit ở nhiệt độ cao. Ví dụ:
Hidrotanxit [Mg1-xAlx(OH)2](CO3)x/n.mH2O sau khi nung giải phóng CO2 và H2O
tạo thành các oxit có diện tích bề mặt cao:
[Mg1-xAlx(OH)2](CO3)x/n.mH2O  Mg1-xAlxO1+x/2 + x/2 CO2 + H2O
Các oxit này có thể kết hợp với các anion để tái tạo cấu trúc hidrotanxit [32 ]
Mg1-xAlxO1+ x/2 + x/n An- + (1+x/2) H2O  [Mg1-xAlx(OH)2]Ax/n.mH2O
Với A là anion cần hấp phụ nhƣ: H2AsSO4-, HAsSO42-, AsSO43- ....
Trong đó kim loại hóa trị II (M2+) phối trí bát diện với những ion hydroxit
xung quanh (hình 1.2). Những bát diện này dùng chung cạnh kế cận để hình thành
những miếng, lớp. Trong hidrotanxit, một vài nguyên tử (M2+) đƣợc thay thế bởi ion
hóa trị (III) (M3+). Sự thay thế M3+ bởi M2+ làm xuất hiện điện tích dƣơng trên
những lớp hydroxit kim loại, bởi vì M3+ vẫn phối trí bát diện với những nhóm
hydroxit [32].

Hình 1.2. Cấu trúc tổng quát của hidrotanxit
Phần điện tích dƣơng trong hidrotanxit đƣợc trung hòa bởi anion (An-) ở lớp

trung gian. Do đó, hidrotanxit có khả năng trao đổi anion ở lớp trung gian. Ngoài

10


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

những anion, các phân tử nƣớc cũng đƣợc định vị ở lớp trung gian giữa những lớp
hydroxit kim loại.
1.1.3. Trạng thái hydrat hóa của hidrotanxit
Ở nhiệt độ nhất định, khi áp suất hơi bão hòa của nƣớc đạt cân bằng,
hidrotanxit chứa một lƣợng nƣớc xác định trong cấu trúc. Phân tử nƣớc kết tinh hấp
phụ trên bề mặt của tinh thể. Khi độ ẩm khoảng 50% hidrotanxit có từ 3-5 lớp nƣớc,
tinh thể và khi độ ẩm đạt đến 95% hidrotanxit có khoảng 20 lớp nƣớc tinh thể..
Những phân tử nƣớc phân bố giữa các lớp hydroxit đƣợc gọi là nƣớc cấu trúc (nƣớc
trong mạng), những phân tử nƣớc này đóng góp vào tổng thành phần hóa học của
sản phẩm.
Tổng số phân tử nƣớc trong một đơn vị công thức chứa nhóm kép hydroxit
có giá trị cực đại là (1-x). Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất nhƣ trên, tồn tại cân bằng
giữa độ ẩm của áp suất ngoài và trạng thái hydrat hóa giữa các lớp đơn và các lớp
kép M(OH)n.
Nhƣ vậy, trạng thái hydrat hóa của hidrotanxit khác với trạng thái tinh thể
của chúng. Sự hydrat hóa ngoài mạng có thể quan sát sự thay đổi kích thƣớc tinh
qua kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HTEM).
1.1.4. Trạng thái tinh thể của hidrotanxit
Với những loại khoáng sét anion tổng hợp, ta thu đƣợc hợp chất vi tinh thể
có độ mỏng khoảng 0.3-0.6 µm, các tinh thể lớn chỉ có ở các hợp chất tự nhiên. Ví
dụ hệ [Zn-Cr-Cl] có kích thƣớc tinh thể trung bình là 2000 x 2000 x 200 Å (xác

định bởi hình ảnh TEM).
Sau khi nung hidrotanxit xuất hiện một số tâm bazơ nhƣ O2- trên về mặt O2- gần
nhóm hydroxyl. Độ mạnh của nhóm OH- phụ thuộc vào cation kim loại hóa trị III.
1.2. Tính chất
Khoảng không gian giữa các lớp hidroxi chứa các anion và các phân tử nƣớc
sắp xếp một cách hỗn độn. Điều này đã tạo ra một số tính chất đặc trƣng của các
dạng hidrotanxit [15].

11


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

1.2.1. Tính chất trao đổi anion
Đây là một trong những tính chất quan trọng của hợp chất hidroxi kép, dạng
cấu trúc này có thể trao đổi một lƣợng lớn anion bên trong bằng những anion khác ở
các trạng thái khác nhau.
Thực hiện phản ứng trao đổi anion có thể dẫn đến thay đổi giá trị của khoảng
cách lớp trung gian giữa hai lớp hydroxyl kế cận. Sự thay đổi phụ thuộc vào hình
dạng và điện tích của các anion trao đổi [28]. Do cấu trúc lớp và sự đan xen anion,
hidrotanxit có khả năng phân tán và trao đổi anion.
Phản ứng trao đổi anion thƣờng ở dạng cân bằng sau:
[M2+M3+A] + A’ = [M2+M3+A’] + A
A: anion ở lớp xen giữa
A’: anion cần trao đổi
Hoặc có thể trao đổi ở dạng sau:
HT-A’ + A- = HT-AA’
HT-A: HT có 1 anion xen giữa A’

HT-AA’: HT có 2 anion xen giữa cùng tồn tại, lúc này quá trình trao đổi xảy
ra không hoàn toàn, A không trao đổi hết với A’.
Sự trao đổi thuận lợi với các anion có mật độ điện tích cao. Sự trao đổi anion
trong hidrotanxit phụ thuộc vào các yếu tố sau:
-

Sự tƣơng tác tĩnh điện của lớp hidrotanxit tích điện dƣơng với anion xen giữa
và năng lƣợng tự do các anion cần trao đổi.

-

Ái lực trao đổi của lớp hydroxit với các anion cần trao đổi trong dung dịch
và ái lực của lớp hydroxit với anion trong lớp xen giữa.

-

Cấu tạo của ion cần trao đổi (A).

-

Hằng số cân bằng trao đổi tăng khi bán kính anion trao đổi giảm, trao đổi ion

12


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

sẽ thuận lợi với các anion trong dung dịch có nồng độ cao.

-

Anion hóa trị II đƣợc ƣu tiên hơn anion hóa trị I, và thời gian trao đổi cũng
nhanh hơn.

-

Sự trao đổi ion tiên với các ion có trong mạng lƣới tinh thể vật liệu có cấu
tạo giống với những ion trao đổi.

-

Khả năng trao đổi anion còn phụ thuộc vào pH. Điều kiện lọc, rửa và sấy khô
cũng ảnh hƣởng đến quá trình trao đổi anion. pH luôn luôn phải nằm trong
vùng tồn tại bền của hydroxit và các anion bù trừ điện tích.

1.2.2. Tính hấp phụ
Sự hấp phụ các anion có thể dẫn đến sự tái tạo lại cấu trúc lớp của
hidrotanxit sau khi xử lý hidrotanxit ở nhiệt độ cao. Tính chất hấp phụ thể hiện rất
tốt đối với HT/CO32-. HT/CO32- sau khi nung ở nhiệt độ nhất định sẽ có khả năng
hấp phụ tốt hơn lúc chƣa nung. Khi đó HT/CO32- bị mất các phân tử nƣớc lớp xen
giữa và khí CO2 thoát ra để hình thành tâm bazơ O2- có cấu trúc kiểu M2+13+
xM x(O)1+x/2.

Hỗn hợp oxit này có khả năng tái tạo lại cấu trúc lớp khi tiếp xúc với

dung dịch các anion khác [15].
Điển hình cho tính hấp phụ HT/CO 32- là hidrotanxit đƣợc điều chế từ
nhôm và magie có công thức cụ thể nhƣ sau: [Mg 1-xAlx(OH)2][(CO3)x/n].mH2O
(HT/[Mg-Al-CO3]). Phƣơng trình tái tạo cấu trúc lớp nhƣ sau: Mg 1-xAlx(O)1+x/2 +

x/nAn- + (1+x/2)H2O ---> [Mg1-xAl x(OH)2][Ax/n].mH2O với A là anion cần hấp
phụ có thể là halogen, hợp chất hữu cơ, anion vô cơ (CrO 42-, HPO42-, SiO32-,
HVO42-, Cl-, MnO4-...).
Hidrotanxit chỉ hấp phụ với các anion hình thành lớp xen giữa, hidrotanxit
không có khả năng trao đổi cation với Mg và Al ở các tấm bát diện do lực liên kết
tạo phức lớn. Các hidrotanxit hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc nên chịu nhiều tác
động của yếu tố ngoại cảnh nhƣ pH, các ion và hợp chất lạ.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ cũng giống nhƣ các yếu tố ảnh
hƣởng đến quá trình trao đổi ion.

13


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ
a) Ảnh hƣởng của nhiệt độ nung
Hidrotanxit có khả năng tạo thành oxit khi nung từ 400 – 8000C. Các oxit tạo
thành có thể hydrat hóa và hấp dẫn các anion khác để tái tạo lại cấu trúc.
Tùy theo nhiệt độ nung mà hidrotanxit/[CO32-] hình thành các chất khác nhau
và có tính chất khác nhau. Có thể là Mg1-xAlx(O)1+x/2 hoặc các spinel và MgO (hình 1.3).

Hình 1.3. Mẫu tia X của khoáng HT ([Mg1-xAlx(OH)2][(CO3)x/n].mH2O)
ở nhiệt độ nung khác nhau.
Ở 3500C, hidrotanxit bắt đầu chuyển thành các oxit [Mg – Al – O], nhóm OH
của nhóm brucite bị phá vỡ và giải phóng khí CO2 [18].
0

[Mg1-xAlx(OH)2](CO3)x/n.mH2O

600 C

14

Mg1-xAlxO1+x/2 + x/2 CO2 + H 2O


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

Trên 4000C MgO bắt đầu hình thành. Trên 6000C ion Al có bán kính nhỏ hơn bán
kính của Mg, sẽ khuếch tán vào MgO và bắt đầu xuất hiện spinel.
0

Mg1-xAlxO1+x/2

600 C

MgO

+ MgAl2O4 (spinel)

Hình 1.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của khoáng hidrotanxit
([Mg1-xAlx(OH)2][(CO3)x/n].mH2O) [15]
Phân tích TG và DTA để xem xét quá trình đehidroxit của mẫu khoáng
hidrotanxit /[CO3] (hình 1.5).
Quá trình giảm khối lƣợng thu nhiệt đặc trƣng cho sự cắt đứt các liên kết:

-

Ở 2100C và 2200C peak thu nhiệt: đó là sự mất nƣớc xen giữa hai lớp

hydroxit.
-

Ở 3050C và 3200C peak thu nhiệt: cắt đứt liên kết giữa nhóm OH và Al

(đehydroxit).
-

Ở 3750C và 4000C peak thu nhiệt: cắt đứt liên kết giữa nhóm OH và Mg,

kèm theo sự đecacbonat thành khí CO2.

15


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

-

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

Ba giai đoạn giảm khối lƣợng quan sát đƣợ trên hình ứng với 3 quá trình:

mất nƣớc, phản ứng dehydroxit và quá trình đecacbonat (hình 1.5).

Hình 1.5. DTA của khoáng HT ([Mg1-xAlx(OH)2][(CO3)x/n].mH2O)

Tùy theo tỉ lệ M2+/M3+ trong hidrotanxit mà hỗn hợp sản phẩm nung có thành phần
khác nhau. Ví dụ M2+:M3+ = 4:1 thì lƣợng spinen tạo ra khi nung ở nhiệt độ cao là
lớn nhất và M2+:M3+ = 2:1 lƣợng spinel sinh ra là nhỏ nhất. Kích thƣớc của spinel
nhỏ hơn kích thƣớc của các oxit [Mg – Al – O], lƣợng spinel sẽ tăng lên khi tái tạo lại
cấu trúc hidrotanxit nhiều lần.
b) Ảnh hƣởng của tỉ lệ Mg/Al
Khi tăng tỉ lệ Mg trong hỗn hợp 2 muối dẫn đến sự thay đổi về tính chất. Tùy
theo tỷ lệ Mg/Al mà lƣợng H2O và CO2 thoát ra ở nhiệt độ nhất định sẽ khác nhau.
Trong lớp hydroxit một phần kim loại hóa trị 2 đƣợc thay thế bằng kim loại hóa trị
3 nên mạng cấu trúc mang điện tích dƣơng. Do đó, tỷ lệ giữa Mg/Al càng nhỏ thì khả
năng thay thế kim loại hóa trị 3 sẽ càng lớn và mật độ điện tích dƣơng càng nhiều dẫn
đến lƣợng anion trung hòa điện càng nhiều. Vậy với tỉ lệ Mg:Al = 2:1, hidrotanxit sau
khi nung thành hidrotanxit oxit sẽ hấp phụ tái tạo lại cấu trúc tốt nhất [29].

16


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

c) Ảnh hƣởng của pH
pH có ảnh hƣởng rất lớn đến quá trình hấp phụ. hidrotanxit đƣợc tổng hợp
trong môi trƣờng bazơ có pH trong khoảng: 9 – 10. Ở pH thấp sẽ phá các liên kết
trong oxit, các oxit sẽ bị hòa tan trong dung dịch khi có pH quá thấp. Ở pH cao
nồng độ OH- lớn tạo điều kiện cho các anion dễ dàng hấp phụ tái tạo lại cấu trúc
mới. Lƣợng Mg trong [Mg – Al – O] trƣớc khi hấp phụ và sau khi hấp phụ anion tái
tạo lại cấu trúc lớp sẽ khác nhau, trong dung dịch Mg bị tan một phần tạo kết tủa
Mg(OH)2 làm giảm nồng độ OH-, ảnh hƣớng đến khả năng hấp phụ. Tuy nhiên, quá
trình giảm này pH không ảnh hƣởng đáng kể. Lƣợng Al trong hidrotanxit trƣớc và

sau khi hấp phụ vẫn giữ nguyên. pH = 9 – 11 thƣờng là khoảng hấp phụ tối ƣu nhất
cho hidrotanxit.
1.3. Các phƣơng pháp điều chế hidrotanxit
Do có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, nên hidrotanxit đƣợc
nghiên cứu nhiều nhằm điều chế các hợp chất kiểu hidrotanxit. Hidrotanxit có thể
điều chế trực tiếp từ các dung dịch muối kim loại, oxit kim loại này hay biến tính
các khoáng chất tự nhiên bằng cách trao đổi anion, phƣơng pháp đồng kết tủa hay
nung để sắp xếp lại cấu trúc.
1.3.1. Phương pháp muối – bazơ
Năm 1992 Feikenecht và Geber lần đầu tiên tổng hợp hỗn hợp 2 hydroxit
[Mg – Al – CO3] bởi phản ứng hỗn hợp muối của hai kim loại trên với một dung
dịch bazơ của một kim loại kiềm. Đây là phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến nhất
để điều chế hidrotanxit cacbonat (HTC) của hai (hoặc lớn hơn) cation kim loại hóa
trị II và kim loại hóa trị III. Phƣơng pháp tổng hợp này dựa trên sự kết tủa đồng thời
các hydroxit của hai (hay nhiều hơn) cation kim loại hóa trị II và kim loại hóa trị III
(phƣơng pháp đồng kết tủa). Sau Feitkenecht và Geber phƣơng pháp này đƣợc tiếp
tục phát triển dựa trên sự thay đổi các thông số nhƣ: nồng độ các chất, điều kiện lọc,
rửa và điều chỉnh pH. Đây chính là những yếu tố quyết định sự hình thành của
hidrotanxit cacbonat (HTC).

17


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

Ưu điểm phương pháp muối – bazơ:
 Có thể điều chế đƣợc trực tiếp sản phẩm HTC có cấu tạo xác định;
 Sự đồng kết tủa trong dung dịch anion chọn lọc;

 Có thể điều chỉnh tỷ lệ giữa kim loại hóa trị II, kim loại hóa trị III thông
qua tỷ lệ ion kim loại trong dung dịch ban đầu.
Tuy nhiên, cấu trúc và tính chất hóa lý của sản phẩm phụ thuộc vào nhiều
yếu tố nhƣ: phƣơng pháp kết tủa, nhiệt độ và thời gian già hóa, độ tinh khiết, lọc,
rửa ion và sấy khô.
1.3.2. Phương pháp muối – oxit
Phƣơng pháp này đƣợc Boehm, Steinle và Vieweger sử dụng lần đầu tiên
năm 1977 để điều chế [Zn – Cr – Cl]. Quá trình thực nghiệm bao gồm việc tạo
thành một huyền phù của ZnO từ một lƣợng dƣ dung dịch muối CrCl3 trong vài
ngày ở nhiệt độ phòng. Năm 1981 cũng với những tiền chất trên Lal và Howe đã
điều chế hidrotanxit [Zn – Cr – Cl] bằng cách cho ZnO (ở dạng bột nhão) vào dung
dịch CrCl3 và khuấy trong 10 giờ. Tuy nhiên, kết quả là không thu đƣợc sản phẩm
tinh khiết do vẫn còn lại một lƣợng ZnO dƣ. Phản ứng tổng quát của phƣơng pháp
này là: M2+O + xM3+An-3/n + (m + 1) H2O = M2+1-xM3+x(OH)2.mH2O + xMeIIXn2/n.
Phƣơng pháp muối – oxit còn đƣợc dùng điều chế các loại HTC khác nhƣ [Zn – Al
– Cl]; [Zn – Cr – Cl]; [Zn – Cr – NO3]; [Zn – Al – NO3]... Ví dụ, hệ [Zn – Cr – Cl]
đƣợc điều chế bởi phản ứng:

3ZnO + CrCl3 + (n + 3)H2O

Zn 2Cr(OH)6.nH2O + ZnCl2

1.3.3. Phương pháp đồng kết tủa
Phƣơng pháp này đƣợc tổng hợp từ hai muối kim loại hóa trị 2 và 3. Cho hỗn
hợp muối của hai kim loại trên vào dung dịch muối của kim loại kiềm có tính bazơ.
Hỗn hợp dung dịch đƣợc giữ ở pH không đổi trong quá trình điều chế. Các chất
tham gia phản ứng đƣợc khuấy trộn với tốc độ không đổi trong suốt quá trình phản
ứng xảy ra. Phƣơng pháp đồng kết tủa điều chế hidrotanxit có kích thƣớc nhỏ

18

Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

(nanomet, micromet), độ đồng nhất cao, ít tạp chất, diện tích bề mặt lớn, tỉ trọng
nhỏ. Tuy nhiên cấu trúc và tính chất hóa lý của sản phẩm còn phụ thuộc vào nhiều
yếu tố nhƣ: phƣơng pháp kết tủa, bản chất và nồng độ của chất phản ứng, pH kết
tủa, nhiệt độ và thời gian già hóa, độ tinh khiết, rửa sạch và sấy khô [15].
1.3.3.1. Phương pháp kết tủa trong dung dịch đồng thể
Phƣơng pháp này dựa trên cơ sở kết tủa dần một chất trong quá trình phản
ứng trong thể tích dung dịch. Phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng trong trƣờng hợp tạo
thành các tinh thể có hình dáng hoàn thiện.
1.3.3.2. Phương pháp kết tủa trong chế độ chu kì và liên tục
Phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng rộng rãi trong điều chế xúc tác và chất
mang trong phòng thí nghiệm, trong công nghiệp. Kết tủa ở pH cố định đƣợc thực
hiện bằng cách cho đồng thời các tác chất vào lò phản ứng và trộn mạnh theo hai
chế độ chu kì và liên tục. Trong chế độ chu kì thì quá trình kết tủa có giá trị pH cố
định, còn nồng độ chất kết tủa và dung dịch muối thay đổi. Còn chế độ liên tục thì
tất cả các thành phần đƣợc giữ cố định trong toàn bộ tiến trình.
1.3.3.3. Phương pháp xây dựng lại cấu trúc
Đƣợc đề nghị năm 1983 bởi Miyata, dung dịch rắn Mg1-3x/2 AlxO đƣợc điều
chế bằng cách nung hidrotanxit [Mg – Al – CO3] ở khoảng nhiệt độ 500-700oC. Sau
đó hỗn hợp đƣợc hydrat hóa bằng dung dịch nƣớc chứa cation khác tạo thành một
hidrotanxit cacbonat (HTC) mới. Bên cạnh một số hidrotanxit cũng đƣợc điều chế
bằng phƣơng pháp trao đổi anion hữu cơ, anion dạng polyoxometalic.
1.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến cấu trúc hidrotanxit
1.4.1. Ảnh hưởng của pH thay đổi
Kết tủa với pH tăng:

pH đƣợc điều chỉnh bằng cách chuẩn độ điện thế một dung dịch hỗn hợp
muối kim loại bằng dung dịch bazơ của kim loại kiềm hoặc muối cacbonat của kim
loại kiềm. Hệ [Zn – Cr – Cl] đã đƣợc điều chế bằng cách thêm dung dịch NaOH với
nồng độ không đổi vào hỗn hợp dung dịch ZnCl2 và CrCl3.

19


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

Kết tủa với pH giảm:
Thêm hỗn hợp dung dịch muối kim loại có tính axit vào dung dịch muối
NaOH. Phƣơng pháp này đƣợc Bish và Brinley (năm 1977) dùng để điều chế [Ni –
Al – CO3] bằng cách thêm vào hỗn hợp dung dịch NaOH đã bão hòa CO2 một
lƣợng xác định hỗn hợp dung dịch muối NiCl2 và AlCl3 [17]. Phƣơng pháp này cho
sản phẩm có độ tinh khiết thấp. Trong cả hai trƣờng hợp trên đều phải xử lý thủy
nhiệt để hoàn thiện cấu trúc.
Điều chế ở pH không đổi:
Đây là một trong những phƣơng pháp thông dụng để điều chế những loại
khoáng sét anion tổng hợp khác nhau. Dung dịch hỗn hợp hai muối kim loại hóa trị
II và hóa trị III, đƣợc thêm vào dung dịch tính kiềm đƣợc giữ ở pH không đổi với
tốc độ xác định. Các chất tham gia phản ứng hòa trộn với tốc độ không đổi. Có thể
điều chỉnh đồng thời các yếu tố: tốc độ thêm dung dịch hỗn hợp hai muối kim loại,
pH và nhiệt độ kết tủa.
Với hợp chất [Zn – Al – Cl] khoảng pH để thu đƣợc sản phẩm có cấu trúc
dạng hidrotanxit là từ 6,0 đến 10,0 trong đó pH tối ƣu là 7,0 đến 9,0. Ở pH thấp
hơn, ta thu đƣợc một hợp chất vô định hình, trong khi pH cao hơn, những tinh thể
Zn(OH)2 dạng brucite tồn tại cùng pha với HTC.

Với hợp chất [Mg – Al – Cl] khoảng pH để thu đƣợc sản phẩm có cấu trúc
dạng hidrotanxit là từ 8,0 đến 10,0. pH tối ƣu có thể thay đổi tùy theo điều kiện bền
của hỗn hợp hidrotanxit của kim loại hóa trị II và kim loại hóa trị III. Điều chế
hidrotanxit bằng phƣơng pháp đồng kết tủa (pH không đổi), cho sản phẩm có một
số ƣu điểm nhƣ:
- Độ kết tinh, mức độ đồng nhất và pha tinh khiết hơn;
- Phân bố kích thƣớc hạt và bán kính trung bình của hạt ít bị ảnh hƣởng bởi
xử lý thủy nhiệt;
- Diện tích bề mặt và đƣờng kính mao quản cao hơn phƣơng pháp điều chế
hidrotanxit ở pH thay đổi.

20


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

1.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Trong nhiều trƣờng hợp, các yếu tố nhƣ: pH tối ƣu, thời gian già hóa thích
hợp cũng không tạo đƣợc pha HTC kết tinh tốt, khi đó xử lý nhiệt giúp cải thiện sự
kết tinh của pha vô định hình hoặc của vật liệu kết tinh không tốt.
Phản ứng đồng kết tủa chủ yếu đƣợc thực hiện ở nhiệt độ phòng. Do đó xử lý
thủy nhiệt sau khi kết tủa thƣờng có ảnh hƣởng hơn. Xử lý thủy nhiệt để cải tạo tinh
thể HTC. Nhƣng nhiệt độ của quá trình phải không quá cao để tránh HTC bị phân hủy.
1.4.3. Già hóa kết tủa
Hỗn hợp sau phản ứng chứa gel và chất kết tủa mới có năng lƣợng tự do cao.
Do đó về nhiệt động học chúng sẽ không bền theo thời gian, đặc biệt ở nhiệt độ cao,
trong HTC diễn ra nhiều quá trình khác nhau. Sản phẩm vừa mới kết tinh chƣa ổn
định, các tiểu phân mịn, nhỏ thành phần chƣa kịp liên kết lại với nhau tạo thành cấu

trúc. Vì vậy, cần phải có thời gian đủ để ổn định cũng nhƣ nhiệt độ cần thiết để các
phần tử kết hợp lại chặt chẽ dƣới dạng cấu trúc khung cứng, cấu trúc này sẽ ít bị
biến đổi.
Quá trình già hóa trên có ý nghĩa rất quan trọng trong điều chế xúc tác vì nó
quyết định thành phần hóa học, cấu trúc xốp, độ bền theo thời gian, khi già hóa gel
thể tích và bán kính lỗ xốp tăng lên đáng kể.
Thời gian già hóa để hidrotanxit có cấu trúc ổn định thƣờng trong khoảng từ
10 – 12h.
1.4.4. Tách kết tủa ra khỏi sản phẩm phụ
Chất kết tủa thƣờng dƣới dạng nhũ tƣơng, gel. Dịch huyền phù có chứa nhiều
sản phẩm phụ và một lƣợng ion kim loại thủy phân không hoàn toàn nên có ảnh
hƣởng đến tính chất của xúc tác. Do đó việc tách kết tủa và rửa đòi hỏi tốn nhiều
thời gian. Thƣờng các muối dễ hòa tan đƣợc loại bằng cách rửa nƣớc, trƣờng hợp
trong thành phần chất kết tủa có muối bazơ hoặc muối axit, không bị loại ra hết sẽ
ảnh hƣởng đến tâm hoạt động của xúc tác, gây nhiều phản ứng không mong muốn.

21


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

1.4.5. Làm khô chất kết tủa và gel
Là giai đoạn bắt buộc của phƣơng pháp kết tủa và gel. Trong giai đoạn này
có ảnh hƣởng đến sự hình thành cấu trúc và tính chất của xúc tác. Ảnh hƣởng của
điều kiện làm khô lên cấu trúc của dựa trên nhiều yếu tố nhƣ: phƣơng pháp làm
khô, khối lƣợng, bản chất của tạp chất trong vật liệu làm khô, hàm lƣợng nƣớc của
hydrogel trƣớc khi làm khô, nhiệt độ và tốc độ loại nƣớc, bản chất kết tủa và gel.
1.5. Ứng dụng của hidrotanxit

Với những tính chất trên hidrotanxit đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh
vực khác nhau nhƣ:
1.5.1. Ứng dụng hidrotanxit làm xúc tác
Hidrotanxit có thể làm xúc tác đa cấu tử do có khả năng phân tán lớn các kim
loại đa hóa trị nhƣ Co, Ni, Fe, ... Do vậy, hidrotanxit đƣợc xem nhƣ là chất xúc tác
đa cấu tử. Ví dụ, hidrotanxit tổng hợp Mg/Al/Ni đƣợc ứng dụng làm xúc tác cho
phản ứng refominh parafin có hơi nƣớc. Ngoài ra, các ứng dụng chủ yếu của
hidrotanxit là:
 Xúc tác axit-bazơ,
 Xúc tác oxy hóa-khử (phụ thuộc vào tính oxy hóa-khử của kim loại
chuyển tiếp hóa trị II, hóa trị III),
 Xúc tác quang hóa,
 Làm chất mang.
Xúc tác platin mang trên chất mang hidrotanxit hoặc hỗn hợp oxit M1-xAlxO1+x/2 làm
chất mang cho hệ xúc tác oxi hóa pha lỏng stiren, ankylbenzen.
1.5.2. Ứng dụng hidrotanxit làm chất ức chế
Hidrotanxit với cấu trúc [M1-xAlx(OH)2](CO3)x/2.nH2O sau khi nung (giải
phóng khí CO2) có thể làm chất ức chế trong các trƣờng hợp sau:
-

Sử dụng trong dƣợc và y học nhƣ: trung hòa lƣợng axit trong dịch vị, tạo
phức với các dẫn xuất của axit salixilat,

-

Để điều chế các hợp chất với thiết bị phản ứng loại nano có tính chọn lọc hóa

22

Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

học cao,
-

Sử dụng trong kỹ thuật tách, chiết và màng lọc,

-

Sử dung làm chất hấp phụ để tách đồng phân quang học, hấp phụ-giải hấp,

-

Làm vật liệu lọc, thẩm thấu và màng chọn lọc ion,

-

Làm vật liệu điện tử: điện cực, chất điện môi, chất điện dẫn trong pin, ắc
qui...

-

Vật liệu quang hóa: vật liệu phát quang, thiết bị quang học...

1.5.3. Ứng dụng hidrotanxit làm chất hấp phụ và trao đổi ion
Hidrotanxit có cấu trúc lớp nên dễ trao đổi ion và có khả năng hấp phụ rất tốt
đƣợc ứng dụng trong công nghiệp và trong đời sống nhƣ: hấp phụ ion kim loại
chuyển tiếp, hấp phụ và xử lý các hợp chất mầu hữu cơ; hấp phụ và trao đổi ion kim

loại nặng… [21].
1.6. Phản ứng oxi hóa ankylbenzen
1.6.1. Phản ứng oxi hóa chọn lọc ankylbenzen
Các ankylbenzen là sản phẩm của các quá trình chế biến và chuyển hóa dầu
mỏ, chúng rất khó bị oxi hóa ở nhiệt độ thấp. Thực tế cho thấy các sản phẩm oxi
hóa ankylbenzen (epoxi, ancol, andehit, xeton, axit…) là nguyên liệu quý cho các
ngành công nghiệp dƣợc phẩm, thuốc nhuộm, hóa nông, hƣơng liệu, mỹ phẩm, hóa
chất, chất dẻo… [11, 18, 24]. Vì vậy, phản ứng oxi hóa chọn lọc ankylbenzen thành
các sản phẩm có giá trị luôn thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm. Hiện nay, đã có nhiều
công trình nghiên cứu, tìm kiếm các hệ xúc tác oxi hóa không hoàn toàn các ankyl
hydrocarbon thơm đƣợc công bố [5 - 8, 19, 23, 24- 27, 31]. Tuy nhiên, cho đến nay,
xúc tác oxi hóa ankylbenzen đƣợc biết đến nhiều nhất là các hệ vật liệu chứa crôm.
Ch.Subrahmanyam và cộng sự [14] tiến hành phản ứng oxi hóa pha lỏng toluen
bằng khí oxi trên hai xúc tác Cr-AlPO4 và Cr-MCM-48, kết quả cho thấy sự phân
bố sản phẩm khác nhau trên hai xúc tác nghiên cứu. Với Cr-AlPO4, quá trình oxi
hóa và đeankyl hóa xảy ra đồng thời, dẫn đến sản phẩm chủ yếu là benzanđehit và
benzen cùng với một lƣợng đáng kể CO và CO2 (36,6%). Trong khi đó, sản phẩm

23


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

chính của Cr-MCM-48 là benzanđehit cũng chỉ đạt 44,7%. Sự tạo thành benzen là
kết quả của quá trình đeankyl hóa trên tâm axit Al3+, còn benzanđehit đƣợc tạo
thành từ phản ứng oxi hóa mạch nhánh metyllbenzen trên tâm Cr6+/Cr5+. Tuy nhiên,
độ chuyển hóa toluen trên cả hai loại xúc tác trên là khá thấp (1,4 - 2,2%). Trong
khi đó, A.Sakthivel và cộng sự [9] đạt đƣợc độ chuyển hóa và độ chọn lọc sản phẩm

cao hơn trên xúc tác Cr-MCM-41.
Điều đó cho thấy cấu trúc của xúc tác và chất mang có ảnh hƣởng nhất định
đến sự phân bố sản phẩm. Đối với vinylbenzen, A.Sakthivel và cộng sự [9] thực
hiện phản ứng oxi hóa trên xúc tác Cr-MCM-41 và Cr-MCM-48 thu đƣợc sản phẩm
chủ yếu là axetophenon. Trong trƣờng hợp này, độ chuyển hóa vinylbenzen tăng
theo hàm lƣợng Cr mang trên MCM-48, nhƣng độ chọn lọc sản phẩm trên xúc tác
Cr-MCM-41 là cao hơn so với Cr-MCM-48 do có sự tạo thành sản phẩm phụ. Cả
hai trƣờng hợp sau đều cho độ chọn lọc sản phẩm không cao.
Nhìn chung, các xúc tác chứa Cr có xu hƣớng oxi hóa sâu, tạo thành hỗn
hợp sản phẩm phức tạp không mong muốn nhƣ: điol, axit cacboxylic, thậm chí CO
hoặc CO2… nên việc phân tích sản phẩm và tính toán hiệu suất phản ứng thƣờng
gặp nhiều khó khăn [14]. Do vậy, các nhà khoa học hiện nay chủ yếu tập trung
nghiên cứu các xúc tác có thể oxi hóa nhẹ ankylbenzen cho độ chọn lọc sản phẩm
mong muốn cao [9, 10]. Các ion kim loại chuyển tiếp nhƣ: V, Ni, Ti, Fe, Co,
Mn… đã đƣợc sử dụng làm xúc tác cho quá trình oxi hóa chọn lọc mạch nhánh
của ankylbenzen [12] (Bảng 1.1). Trong số này, Fe-MCM-41 tỏ ra hiệu quả đối
với quá trình oxi hóa stiren bằng H2O2 và sản phẩm chính là stiren glycol, axit
benzoic [38] hoặc stiren oxit [41]. Trong ba nguyên tố thuộc nhóm VIIIB ở trên
(Fe, Co, Ni) thì Co-MCM-41 cho độ chuyển hóa cao nhất đối với quá trình oxi hóa
stiren (Bảng 1.1) [38]. Trong khi đó xúc tác Fe và Ni/chất mang tỏ ra kém hiệu
quả đối với phản ứng oxi hóa các ankylbenzen [41]. Thực vậy, xúc tác Ni-MCM41 chỉ chuyển hóa 4,4% stiren thành stiren oxit mà không thể oxi hóa etylbenzen,
toluen [39].

24


Luận văn Thạc sĩ Khoa học

Hóa dầu và Xúc tác Hữu cơ

Bảng 1.1. Oxi hóa stiren trên các xúc tác khác nhau
TT

Chất bị oxi hóa

Xúc tác

Độ chuyển
hóa (%)

Độ chọn lọc sản phẩm (%)

1

Toluen

Cr-MCM-41

50

Axit benzoic (45)

2

o-Xylen

Cr-MCM-41

36

3

p-Xilen

Cr-MCM-41

35

4

Mesitylen

Cr-MCM-41

40

Cr-MCM-41

88

Axetophenon (85)

benzen

Mg/Al
hidrotanxit

47

Benzylic xeton (95)

7

Stiren

Mn-MCM-41

2

Stiren oxit (31)

8

Stiren

Fe-MCM-41

17

Stiren oxit (56)

9

Stiren

Ni-MCM-41

4.3

Stiren oxit (40)

10

Stiren

Co-MCM-41

45

Stiren oxit (62)

11

Stiren

TiO2/SiO2

24

Benzandehit (87)

12

Proprylbenzen

Ni/Al
hidrotanxit

44

Priophenon (99)

13

Etylbenzen

Ni/Al
hidrotanxit

47

Axetophenon (99)

5
6

Etyl
benzen
Etyl

Axit o-tolui (30)
Axit phthalic (5)
Axit o-toluic (35)
Axit terephthalic (5)
Axit dimethylbenzoic (25)
Axit Methylisophthalic (15)

Trái lại, khi Ni thay thế Mg trong mạng cấu trúc Mg-Al hidrotanxit thì hoạt
tính xúc tác Ni-Al hidrotanxit thay đổi theo chiều hƣớng ngƣợc lại. Suman K. Jana
và cộng sự [35] nhận đƣợc độ chuyển hóa etylbenzen đạt 47% và độ chọn lọc của

25