Vật liệu mao quản trung bình MCM-41
và ứng dụng trong lọc hóa dầu

. Vật liệu MCM-41 là đại diện tiêu biểu của họ
vật liệu mao quản trung bình, có nhiều ứng dụng trong nhiều quy trình công nghệ
hoá học, hoá dầu.
MCM-41 có hệ mao quản đồng đều kích thước mao quản cỡ 4-5nm, hình lục lăng,
một chiều, xắp sếp xít nhau tạo nên cấu trúc tổ ong, diện tích bề mặt lớn nên được
áp dụng cho các quá trình chuyển hoá phân tử kích thước lớn thường gặp trong
tổng hợp hữu cơ mà các vật liệu cấu trúc mao quản nhỏ như zeolit tỏ ra không phù
hợp.
Cho đến nay, nhiều nghiên cứu về vật liệu MCM-41 đã được tiến hành, cung cấp
nhiều thông tin quan trọng về phương pháp tổng hợp, cấu trúc và tính chất không
gian của hệ mao quản…Đặc biệt, các phương pháp biến tính vật liệu nhằm thu
được các hệ xúc tác có tính chất phù hợp cho các phản ứng nhất định là hướng
nghiên cứu thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học[6,7]. Một số vật liệu mới
tổng hợp phương pháp thay thế đồng hình các nguyên tử Si trong khung cấu trúc
bằng nguyên tử Al, Ti, Fe, Ga…tạo thành các hệ xúc tác đa chức năng, vừa có tính
chất xúc tác cho quá trình oxi hoá gây nên bới các tâm kim loại, vừa có tính chất
xúc tác của axít rắn, phù hợp với các quá trình đòi hỏi độ axít phù hợp.
Ví dụ điển hình của các xúc tác loại này là Ti-MCM-41 cho quá trình epoxi hoá
nối đôi các hợp chất không no, an ken hay các phân tử hợp chất tự nhiên, ví dụ
như hợp chất α-pinen. Trong vật liệu Ti-MCM-41, nguyên tử Ti thay thế đồng
hình vào vị trí của Si trên khung cấu trúc, tạo nên vật liệu có tính oxi hoá nhẹ, có
tính axít yếu, phù hợp với quá trình oxi hoá êm dịu tạo sản phẩm trung gian là
epoxi. Do vậy, đây là xúc tác đã được điều chế và ứng dụng cho các quá trình oxi
hoá êm dịu trong thực tế.
Bằng nhiều phương pháp điều chế khác nhau như: phân huỷ- kết tủa, phương pháp
sol gel, đồng kết tủa, phương pháp trao đổi…các kim loại được mang trên chất nền
với các kích thước khác nhau. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, nếu kim loại càng được

Al, nhưng khi đó hoạt tính xúc tác cũng giảm xuống.
Khuynh hướng tương tự đối với Al-MCM-48. Do vậy, độ bền thuỷ nhiệt của Al-
MCM-41 và Al-MCM-48 cần phải được cải thiện trước khi có thể áp dụng rộng
trong quá trình xúc tác chẳng hạn như cracking phân đoạn dầu chân không. Có vài
phương pháp có thể sử dụng để nâng cao độ bền nhiệt của xúc tác, một trong
những cách đó là tăng độ dày thành của vật liệu xốp, cách khác là đưa tinh thể vào
thành lỗ (hoặc cố gắng chuyển thành lỗ dạng vô định hình sang tinh thể), bằng
cách đó có thể tăng được độ bền của vật liệu xốp lên tương đương với zeolit. Tuy
nhiên quá trình tinh luyện lại không yêu cầu loại xúc tác phải có tính bền nhiệt và
có độ axit cao như xúc tác cho quá trình cracking. Chẳng hạn quá trình
hydrocracking, tách kim loại, hydro đồng phân hoá và olefin oligome hoá. Do vậy
loại vật liệu xốp mao quản trung bình rất phù hợp cho các quá trình này.
Xúc tác hai chức năng Pt/Al-MCM-41 tỏ ra có hiệu quả cao cho phản ứng đồng
phân hoá parafin thành isoparafin. Đầu tiên phản ứng xảy ra trên các tâm kim loại
Pt, quá trình này parafin bị tách hydro tạo thành olefin. Các phân tử olefin này có
hoạt tính cao và tâm axit trung bình Al-MCM-41 cho phép quá trình đồng phân
hoá tạo ra isoolefin. Isoolefin lại được hydro hoá ở tâm kim loại tạo thành
isoparafin. Do sự phân tán của Pt trên bề mặt của Al-MCM-41 tốt hơn trên
aluminosilicat vô định hình nên quá trình cracking xảy ra ít hơn, sản phẩm thu
được tốt hơn.
2. Xúc tác oxy hoá – khử
Xúc tác oxy hoá chọn lọc parafin, olefin và alcol thu được thành công lớn với xúc
tác titansilicat. Do đó để có thể tiến hành được với những phân tử lớn thì phải cố
gắng mở rộng kích thước lỗ đối với loại xúc tác này. Trước kia phải sử dụng xúc
tác Ti-β-zeolit, thì đến năm 1994 đã tổng hợp được Ti-MCM-41 [13] có thể oxy
hoá olefin thành epoxy sử dụng H
2
O
2
hoặc hydropeoxit hữu cơ làm tác nhân oxy

2
/g) nên chúng là đối tượng
rất hấp dẫn để làm chất nền cho các chất có hoạt tính hoá học khác. Cấu trúc xốp
meso được sử dụng làm chất mang cho axit, bazơ và các nano kim loại hoặc oxit
kim loại. Như vậy khi kết hợp một oxit hoặc một kim loại có hoạt tính xúc tác cao
với một khung có diện tích bề mặt lớn có thể làm các chất xúc tác ở trạng thái
phân tán cao nên có thể phát huy tối đa tác dụng của chúng. Ngoài ra do có diện
tích bề mặt lớn mà các vật liệu xốp cũng được sử dụng để chế tạo các chất hấp
phụ.
4. Ứng dụng trong sắc ký lỏng hiệu suất cao (HPLC)
Al-MCM-41 được sử dụng làm pha tĩnh trong sắc ký lỏng hiệu năng cao: do nó có
cả tính axit và bazơ nên thích hợp cho việc sắc ký phân tách các hợp chất axit,
trung hoà và hợp chất bazơ. Các vật liệu xốp họ M41S được gắn với (R)-
naphtylethylamin và được sử dụng như là chất mang trong sắc ký lỏng hiệu năng
cao bất đối xứng
5. Các lĩnh vực ứng dụng khác
Ngoài ra các vật liệu xốp còn rất nhiều những ứng dụng thú vị như: Sử dụng vật
liệu xốp để điều khiển chọn lọc hình học trong quá trình polime hoá styren,
metylmetacrylat và vinyl axetat; dùng các vật liệu xốp trong chế tạo vật liệu cảm
biến, tế bào năng lượng, điện cực nano, trong các thiết bị quang học, pin, tế bào
nhiên liệu… trong một số công trình nghiên cứu gần đây người ta đã thông báo sử
dụng ưu điểm về lỗ xốp của vật liệu mao quản trung bình để tổng hợp các phần tử
nano nằm trong những lỗ xốp này, đây cũng là thông tin thú vị và nó sẽ mở ra một
hướng nghiên cứu mới thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học.