Ngày nay, trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ, nhất là trong công nghệ hóa học, người ta thường gặp một loại vật liệu cơ có cấu trúc mao quản được gọi chung là vật liệu mao quản. Nhờ một hệ thống mao quản bên trong khá phát triển mà vật liệu mao quản có nhiều tính chất hóa lý rất đặc biệt, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học và công nghệ thuộc nhiều ngành khác nhau như hóa học, vật lý, hóa lý, hóa dầu, luyện kim, sinh học,…

Trong những ứng dụng hiện tại, vật liệu mao quản tương đối hạn chế do diện tích bề mặt thấp và kích thước mao quản không đồng nhất. Trong khi đó có rất nhiều nghiên cứu về tổng hợp, đặc trưng của các hai loại vật liệu có mao quản nhỏ và trung bình để tìm kiếm ứng dụng trong xúc tác, hấp phụ và tách chất.

Vì vậy, trong lĩnh vực xúc tác, cấu trúc vật liệu mao quản là hết sức quan trọng, chúng đảm bảo cho chất xúc tác có thể đạt được hoạt tính cao và độ chọn lọc cao. Chẳng hạn, ở nhiệt độ thấp phản ứng xúc tác có thể xảy ra trong các vật liệu có mao quản nhỏ. Ngược lại, ở nhiệt độ cao phản ứng xúc tác chỉ có thể tiến hành trên bề mặt các mao quản trung bình và mao quản lớn.

Như vậy, việc sử dụng một chất xúc tác hoặc một chất hấp phụ nào đó phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc mao quản bên trong của vật liệu. Xuất phát từ những lý do đó, Cơ quan chủ trì đề tài Quỹ phát triển khoa học và công nghệ quốc gia đã nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu tổng hợp chất xúc tác tiên tiến đa năng mới trên cơ sở vật liệu mao quản nano sử dụng cho quá trình chế tạo nhiên liệu sinh học, hóa dược và bảo vệ môi trường” nhằm mục tiêu Sử dụng những kỹ thuật trong công nghệ nano tổng hợp, đặc trưng xúc tác tiên tiến có chức năng đa dạng trên cơ sở vật liệu mao quản nano với những tính chất và chức năng mong muốn cho những ứng dụng đặc thù: Xúc tác để chuyển hóa các phân tử lignocellulo có trong rơm rạ thành nhiên liệu sinh học, phân hủy chất hữu cơ độc hại phân tử lớn, chế tạo chất mang chuyên dụng cho những enzym riêng biệt sử dụng trong công nghiệp dược và hóa chất tinh vi.

Trên cơ sở mục tiêu đề và nội dung cần nghiên cứu, nhóm tác giả đã tham khảo tài liệu và kết quả nghiên cứu về lĩnh vực này của các nhà khoa học trong và ngoài nước kết hợp với kinh nghiệm và năng lực chuyên môn của bản thân, nhóm tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật phù hợp với từng nội dung của đề tài nhằm đạt được mục tiêu của đề tài đề ra: Nghiên cứu tổng hợp và biến tính các vật liệu mao quản nano có độ xốp và có khả năng biến tính bề mặt bằng các dị nguyên tố, nhóm chức, tế bào hoặc enzym… tạo nên chất xúc tác có chức năng chuyên dụng cho từng loại phản ứng đặc thù. Vật liệu nano với kích thước mao quản rộng là vật liệu lý tưởng để chuyển hóa các phân tử có kích thước lớn, kồng kềnh như làm xúc tác cho quá trình chuyển hóa sinh khối (biomass) thành nhiên liệu sinh học, tái sinh dầu cặn dầu thải, hoặc phân hủy những hợp chất hữu cơ độc hại trong môi trường nước, cố định enzym cho quá trình chuyển hóa sinh học, tổng hợp kháng sinh.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Đã tổng hợp và biến tính thành công các vật liệu MCM-41, SBA-15, SBA-16, MCF và OMCs mong muốn từ nguồn hóa chất tinh khiết và thủy tinh lỏng của Việt Nam. Kết quả phân tích XRD, TEM, SEM, BET, UV-Vis, IR, XPS,… chứng tỏ vật liệu thu được có cấu trúc mao quản nano với kích thước mao quản lớn và phân bố đồng đều, diện tích bề mặt và độ xốp cao, trạng thái và sự tồn tại của các tác nhân biến tính như Al, Fe, Ni, Cu và enzym trong vật liệu cũng đã được chứng minh. Những vật liệu này có tiềm năng ứng dụng làm chất xúc tác, hấp phụ và chất mang đối với những phân tử kích thước lớn cồng kềnh:

- Vật liệu Al-SBA-15 được sử dụng như là một xúc tác axit rắn mới làm tăng khả năng phản ứng phân hủy lignoxenlulo trong rơm rạ và giảm được nhiệt độ phản ứng đi 100oC (từ 550oC xuống còn 450oC), tiết kiệm năng lượng và tăng tính khả thi khi áp dụng thực tế khi chuyển hóa phế thải rơm rạ sẵn có ở nước ta thành bio-oil đẻ làm nhiên liệu sinh học.

- Xúc tác Fe-SBA-15 có các tâm hoạt tính oxi hóa khử Fe được dị thể hóa trên chất mang SBA-15 với kích thước mao quản lớn (6,5 nm), có khả năng oxi hóa hoàn toàn chất hữu cơ có kích thước phân tử lớn và cồng kềnh, có thể thu hồi và tái sử dụng trong các phản ứng hóa học tinh vi và bảo vệ môi trường.

- Fe-OMCs với bản chất cacbon, các tâm Fe được phân bố đồng đều là vật liệu lưỡng chức năng: xúc tác và hấp phụ, là vật liệu có tính năng vượt trội so với than hoạt tính truyền thống trong quá trình oxi hóa hoàn toàn chất hữu cơ độc hại khó phân hủy có kích thước phân tử lớn và cồng kềnh, đồng thời tự tái sinh, có thể thu hồi và tái sử dụng, tránh ô nhiễm môi trường thứ cấp, là vật liệu mới có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường.

- Xúc tác Ni-Cu/SBA-15 được sử dụng trong phản ứng loại bỏ oxi HDO (hydro đề oxi hóa) trong điều kiện phản ứng mềm mại hơn, hiệu quả hơn và khả thi hơn so với xúc tác kim loại quý (Pt). Kết quả này mở ra triển vọng sử dụng xúc tác mới chứa kim loại chuyển tiếp rẻtiền (Ni, Cu) có khả năng thay thế xúc tác chứa kim loại quý đắt tiền cho quá trìnhHDO nhằm nâng cấp dầu sinh học bio-oil thành nhiên liệu lỏng có chất lượng và độ bền cao.

- Xúc tác sinh học enzym (DAAO, lipase và keratinase) được cố định trên vật liệu lai vô cơ-hữu cơ mao quản trung bình (chức năng hóa), đặc biệt là MCF-Glu được liên kết đủ mạnh với nhóm chức trên bề mặt vật liệu trong không gian mao quản đủ rộng, làm tăng tính ưu hữu cơ, giảm sự trôi enzym ra môi trường, do vậy làm tăng hoạt tính xúc tác đồng thời có thể thu hồi và tái sử dụng được nhiều lần trong khi enzym không cố định chỉ sử dụng được 1 lần. Điều đó cho thấy tính hiệu quả kinh tế và tính khả thi khi ứng dụng vào thực tế sản xuất thuốc kháng sinh cũng như chuyển hóa chất béo và protein.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 13907/2016) tại Cục Thông tin KHCNQG.

Đ.T.V (NASATI)