BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN NHO DŨNG

TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG HỆ XÚC TÁC
PHỨC KIM LOẠI TRÊN CHẤT MANG MAO
QUẢN TRUNG BÌNH CHO PHẢN ỨNG OXY HOÁ
P-XYLENE THÀNH ACID TEREPHTHALIC

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
Mã số: 62.44.01.19

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ

HUẾ, NĂM 2016


Công trình được hoàn thành tại Khoa Hóa học, trường Đại học Khoa
học, Đại học Huế.

Người hướng dẫn khoa học:

1. PGS.TS. Trần Thị Văn Thi
2. PGS. TS. Phạm Xuân Núi

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:


9.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
Nguyễn Nho Dũng, Lê Đình Sinh, Phạm Xuân Núi, Trần Thị Văn
Thi (2013), “Tổng hợp và đặc trưng vật liệu chứa phức Mn(II)
base Schiff”, Tạp chí Hóa học, 6ABC(51), Tr 689-694.
Trần Thị Văn Thi, Nguyễn Nho Dũng, Nguyễn Thị Ngọc Diệp,
Phạm Xuân Núi (2014), “Tổng hợp và hoạt tính của xúc tác “giả dị
thể” chứa phức cobalt-base Schiff”, Tạp chí Xúc tác và Hấp phụ,
T3. (No.2), Tr 83-92.
Nguyễn Nho Dũng, Phạm Xuân Núi, Trần Thị Văn Thi (2015),
“Phân tích một số đặc trưng hoá lý của vật liệu MCM-41 biến tính
bằng phức cobalt base Schiff”, Tạp chí Xúc tác và Hấp phụ, T4.
(No4A), Tr 35-43.
Nguyễn Nho Dũng, Phạm Xuân Núi, Trần Thị Văn Thi, Trần
Thanh Tâm Toàn (2015), “Tổng hợp và hoạt tính xúc tác oxy hoá
trong pha lỏng của hệ xúc tác phức manganese/cobalt-SBA-16”,
Tạp chí Xúc tác và Hấp phụ, T4. (No4A), Tr 159-166.
Nguyễn Nho Dũng, Trần Thanh Tâm Toàn, Phạm Xuân Núi, Bùi
Thu Hoài, Trần Thị Văn Thi, (2015), “Phản ứng oxy hoá p-xylene
trong pha lỏng trên hệ xúc tác dị thể chứa phức manganese hay
cobalt”, Tạp chí Xúc tác và Hấp phụ, T4. (No4B), Tr 79-87.
Nguyễn Nho Dũng, Trần Thị Văn Thi, Phạm Xuân Núi, Phan nh
Tuấn, Tôn N Huy n Thu (2015), “Nghiên cứu ảnh hư ng của
một số chất mang mao quản trung bình đến phản ứng oxy h a pxylene trên hệ xúc tác chứa phức im loại - base Schiff”, Tạp chí
Hóa học, 53(6e1,2), Tr 38-45.
Pham Xuan Nui, Nguyen Nho Dung, Tran Thi Van Thi, (2016),
“Synthesis, characterization and catalytic activity of
manganese(II)-cobalt(II) complexes anchored SBA-16 for liquid
phase oxidation of p-xylene”, Asian Journal of Chemistry, 28, pp.

mặt lớn, kích thước mao quản rộng, đồng đều, hứa hẹn nhiều tiềm năng
trong lĩnh vực xúc tác và hấp phụ. Việc nghiên cứu biến tính vật liệu
MQTB được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Một loạt xúc tác dị
thể có chứa phức manganese, cobalt và nhiều kim loại chuyển tiếp khác
nhưng vẫn hoạt động theo cơ chế xúc tác phức đồng thể đã bắt đầu được
nghiên cứu, loại xúc tác này được gọi là xúc tác “dị thể iểu i n” (pseudohetegeneous catalysis). Hệ xúc tác này đã khắc phục được những nhược
điểm của xúc tác đồng thể và tận dụng ưu điểm của xúc tác dị thể. Đã có
một số công trình nghiên cứu tổng hợp xúc tác chứa phức manganese/cobalt
1


cho quá trình oxy hóa một số hợp chất hydrocarbon thơm. Tuy nhiên, hiệu
suất của quá trình là chưa cao, còn tồn tại nhiều vấn đề cần giải quyết.
Vì vậy, mục tiêu của luận án là nghiên cứu tổng hợp một hệ xúc mới,
tận dụng được những ưu điểm của xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể để làm
xúc tác cho quá trình oxy hóa p-xylene thành acid terephthalic đạt hiệu suất
cao, theo định hướng chung của thế giới về “dị thể hóa các quá trình xúc
tác đồng thể” trong lĩnh vực xúc tác.
Xuất phát từ ý nghĩa về mặt khoa học cũng như về mặt thực tiễn, đề
tài luận án được lựa chọn là: “Tổng hợp và đặc trƣng hệ xúc tác phức
kim loại trên chất mang mao quản trung bình cho phản ứng oxy hoá pxylene thành acid terephthalic”.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Phần tổng quan giới thiệu chung về vật liệu mao quản trung bình, chất
mang MCM-41, SBA-15, SBA-16. Phức chất base Schiff, chức năng hóa
phức chất base Schiff lên bề mặt chất mang mao quản trung bình, ứng dụng
làm chất xúc tác cho phản ứng oxy hóa các hydrocarbon thơm, đặc biệt oxy
hóa p-xylene định hướng acid terephthalic.
CHƢƠNG 2. NỘI UNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. MỤC TIÊU
Tổng hợp được vật liệu xúc tác chứa phức chất base Schiff gắn lên bề

3.1.1. Xác định tỉ lệ hợp thức của phối tử và phức chất base Schiff MeSal-APTES
Phản ứng tạo phối tử Sal-APTES có dạng:
o-HO-C6H4-CHO + H2N-(CH2)3-Si(OC2H5)3
→ o-HO-C6H4-CH=N-(CH2)3-Si(OC2H5)3 + H2O

(3.1)

Phản ứng tạo phức Me-Sal-APTES:
2o-HO-C6H4-CH=N-(CH2)3-Si (C2H5)3 + Me(CH3COO)2
→ Me[O-C6H4-CH=N-(CH2)3-Si(OC2H5)3]2 + 2 CH3COOH
3

(3.2)


Cả hai phức chất Co-Sal-APTES và Mn-Sal-APTES tạo thành đều
tồn tại dạng tinh thể màu xanh oliu (màu của phức Co-Sal- PT S đậm hơn
màu của Mn-Sal-APTES). Nhiệt độ nóng chảy của Co-Sal-APTES là 84,7 ±
0,2 oC, Mn-Sal-APTES là 126,8 ± 0,2 oC. Kết quả này có thể cho thấy có sự
hình thành phối tử và phức nên nhiệt độ nóng chảy của chúng khác với các
muối ban đầu.

Hình 3.2. Phổ UV-Vis của: (a) phối tử Sal-APTES, (b) Me(OAc)2,
(c) phức Me-Sal-APTES, Me là Co (A) hay Mn (B)
3.1.2. Phổ tử ngoại - khả ki n (UV-Vis)
Phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) của muối cobalt acetate
Co(OAc)2.4H2O, manganese acetate Mn(OAc)2.4H2O, phối tử base Schiff
Sal-APTES và sản phẩm phức chất Co-Sal-APTES, Mn-Sal- PT S được
đo trong dung môi ethanol, kết quả trình bày ở hình 3.2. Kết quả cho thấy
Me-Sal-APTES có màu xanh oliu, hình dạng phổ và các cực đại hấp thụ

hiệu m/z = 708 ứng với ion [C32H52O8N2Si2Co]+H+, kết quả này phù hợp
với kết quả tính theo lý thuyết cho phân tử C32H52O8N2Si2Co là 707 và phức
Mn-Sal-APTES

cho

tín

hiệu

m/z

=

704

ứng

với

ion

[C32H52O8N2Si2Mn]+H+, kết quả tính theo lý thuyết cho phân tử
C32H52O8N2Si2Mn là 703.
3.1.5. Phân tích thành phần nguyên tố của phối tử và phức Me-SalAPTES
Kết quả thành phần các nguyên tố giữa lý thuyết và thực nghiệm
tương đồng nhau. ó thể kết luận thành phần phối tử và phức chất tổng hợp
được phù hợp với công thức giả định theo lý thuyết là Sal-APTES
(C16H27O4NSi); Co-Sal-APTES (C32H52O8N2Si2Co) và Mn-Sal-APTES
(C32H52O8N2Si2Mn).

đều thuộc loại IV theo sự phân loại của IUPAC, với sự phân bố kích thước
mao quản hẹp, đặc trưng cho vật liệu mao quản trung bình. Đặc điểm của
đường cong trễ và các đường hấp phụ và giải hấp tương đối ở trong khoảng
7


0,4 - 0,8 P/P0 có thể cho thấy sự ngưng tụ của khí nitơ trong mao quản. Sự
kết hợp của phức Mn-Sal-APTES trên chất mang MCM-41 gây ra hiện
tượng giảm thể tích nitơ hấp phụ, giảm độ sắc nét của đường trễ và giảm thể
tích của mao quản.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 và đường cong phân bố
đường kính mao quản của MCM-41 trình bày ở (hình 3.10a, a’) cho thấy
đường hấp phụ và khử hấp phụ gần như trùng nhau và nằm trong khoảng
0,45 – 0,9 P/P0, đường cong phân bố đường kính mao quản chỉ có một peak
nhọn và sắc nét chứng tỏ vật liệu có cấu trúc mao quản trung bình dạng lục
lăng đều đặn.

Hình 3.10. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 của (a) MCM-41,
(b) Mn-Sal-APTES-MCM-41-(A), (c) Mn-Sal-APTES-MCM-41-(B) và
đường cong phân bố đường kính mao quản của (a’) MCM-41, (b’) Mn-SalAPTES-MCM-41-(A), (c’) Mn-Sal-APTES-MCM-41-(B)
8


3.2.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) và hàm lượng im loại trong vật liệu
xác định ằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

Hình 3.11. Giản đồ XRD và hàm lượng kim loại trong vật liệu đo bằng AAS
của: (A) Co-Sal-APTES-MCM-41, (B) Mn-Sal-APTES-MCM-41, với (a) 0,
(b) 2, (c) 4, (d) 8 và (e) 10% kim loại
Kết quả XRD của các hệ vật liệu Me-Sal-APTES-MCM-41 cho

Hình ảnh hiển vi điện tử quét của MCM-41 đo ở các độ phóng đại khác
nhau (hình 3.15 (a), (a’)) tồn tại dạng hình cầu và phiến có kích thước hạt
khác nhau
10


(a)

Hình 3.15. nh

(b)

M của mẫu Si-MCM-41ở các độ phân giải khác nhau

Khi đưa phức Co-Sal-APTES, Mn-Sal-APTES với hàm lượng 1%
lên bề mặt MCM-41, hình thái của vật liệu hầu như không thay đổi so với
hình thái của chất mang ban đầu (hình 3.16 (a), (b)) . Tuy nhiên, khi tăng
hàm lượng phức lên 12% (hình 3.16 (a’), (b’)) thì xuất hiện nhiều phiến nhỏ
to bám trên các hạt dạng cầu của MCM-41, thậm chí thay đổi hình thái bề
mặt của chất mang.
3.2.4. Xác định năng lượng liên

t giữa phức ase Schiff Me-Sal-

APTES với chất mang MCM-41 ằng phương pháp phân tích nhiệt TGDTA
Giản đồ TG-DTA của vật liệu Me-Sal-APTES-MCM-41 được đo
trong môi trường khí argon, kết quả thể hiện ở hình 3.20.

Hình 3.20. Giản đồ TG-DTA của: (A) Co-Sal-APTES-MCM-41(2%), (B)
Mn-Sal-APTES-MCM-41(2%)


bình (5 kcal/mol), điều này chứng tỏ liên kết giữa phức Co-Sal-APTES với
chất mang MCM-41 là liên kết hoá học.
3.2.5. Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR của vật liệu
Phổ FT-IR của chất mang MCM-41 (a), phức chất Co-Sal-APTES
(b), Co-Sal-APTES-MCM-41 (c), Mn-Sal-APTES (d) và Mn-Sal-APTESMCM-41(e) được trình bày ở hình 3.23.
Trong vùng sóng 3350 cm-1 đến 3500 cm-1, trên cả 5 mẫu đều có các peak
tương ứng với dao động hoá trị của các nhóm -OH có liên kết hydro, còn tại
số sóng 1639 cm-1 là dao động biến dạng của nhóm -OH trong MCM-41.
Có thể quan sát thấy dao động hoá trị đặc trưng của nhóm imine
(C=N) ở 1627 cm-1 trong phức chất Co-Sal-APTES và vật liệu Co-SalAPTES-MCM-41. Trong khi đó đối với phức Mn-Sal-APTES và vật liệu
Mn-Sal-APTES-MCM-41, các dao động của nhóm imine là 1653 cm-1 và
1627 cm-1.

Hình 3.23. Phổ FT-IR của: (a) MCM-41, (b) Co-Sal-APTES,
(c) Co-Sal-APTES-MCM-41, (d) Mn-Sal-APTES và (e) Mn-Sal-APTESMCM-41
13


3.2.6. Trạng thái oxi hóa của kim loại Mn, Co trong phức và vật liệu
3.2.6.1. Đặc trưng phổ UV-Vis-DRS
Các dải hấp thụ của phức Co-Sal- PT S (258 và 387 nm) cũng hiện
diện trên phổ UV-Vis-DRS của vật liệu Co-Sal-APTES-MCM-41 (2, 4, 8
và 10%) trong vùng 250-260 (-*) và 300-400 nm (n-*) nhưng có sự
dịch chuyển về 270 nm và 402-408 nm. Sự dịch chuyển này cho thấy có sự
tương tác phối trí giữa chất mang MCM-41 với phức Co-Sal-APTES.
3.2.6.2. Đặc trưng phổ quang điện tử tia X (XPS) của vật liệu
Kết quả cho thấy phổ XPS thu được từ mẫu đồng thể tinh khiết ban
đầu của Mn(OAc)2 và Co(OAc)2 và các mẫu vật liệu chứa Co, Mn electron
phát ra từ 2p1/2 và 2p3/2 đặc trưng cho tính chất điện tử của các hợp phần

phân bố kích thước của (a) BA-15; (b) APTES-SBA-15; (c) Mn-SalAPTES-SBA-15 (1%); (d) Co-Sal-APTES-SBA-15 (1%) và (e) Mn-Co-SalAPTES -SBA-15 (1%)
Độ giảm diện tích bề mặt BET của các mẫu vật liệu sau khi biến tính,
chứng tỏ phức đã được gắn lên bề mặt của vật liệu. Vấn đề này một lần nữa
được khẳng định bởi kết quả đường kính phân bố kích thước mao quản
được thể hiện trên hình 3.33B. Đường phân bố kích thước mao quản hẹp,
nhọn, sắc nét và có cường độ lớn chứng tỏ hệ thống mao quản đồng đều.
Khi đưa

PT S và phức chất lên SBA-15, các peak dịch chuyển về vùng
15


nhỏ hơn và điều này chứng tỏ có sự thu hẹp đường kính mao quản. Kết quả
này khẳng định phức base Schiff Me-Sal- PT S đã gắn lên thành mao
quản và phân bố một cách đều đặn và phù hợp với kết quả XRD ở trên.
3.3.2. Tổng hợp và đặc trưng vật liệu Me-Sal-APTES-SBA-16
Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của các mẫu đã tổng hợp được trình bày ở
hình 3.37. Kết quả cho thấy các mẫu vật liệu SB -16, Mn-Sal-APTESSBA-16 (1%), Co-Sal-APTES-SBA-16 (1%) và Co-Mn-Sal-APTES-SBA16 (1%) đều có peak nhiễu xạ mạnh nhất ở mặt (110) ứng với 2θ là
0,820; 0,750; 0,780 và 0,760o theo thứ tự tương ứng với khoảng cách mạng
d110 là 109,6 Å;112,3 Å; 113,5 Å và 111,4 Å. Như vậy, sau khi phân tán
phức chất lên bề mặt, các mẫu vật liệu vẫn giữ được kích thước mao quản
trung bình, thế nhưng vị trí của peak dịch chuyển về phía góc nhỏ hơn, chỉ
ra rằng có sự nới rộng của tế bào đơn vị, khoảng cách d 110 tăng lên khoảng
0,3 – 0,4 Å do sự kết hợp của phức với nhóm silanol trên bề mặt trong lòng
mao quản.

Hình 3.37. Giản đồ XRD của Si-SBA-16; Mn-Sal-APTES-SBA-16 (1%);
Co-Sal-APTES-SBA-16 (1%) và Mn-Co-Sal-APTES-SBA-16
3.4. NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG PHẢN OXY HÓA P-XYLENE
húng tôi đã tổng hợp 20 mẫu vật liệu xúc tác Me-Sal-APTES-MCM-41

Điều kiện phản ứng (2): p- lene chất o

h a dung m i

1

5

(mol/mol/mol); p-xylene: khối lượng xúc tác Mn(1) = 1: 6 (mol/g); tỉ lệ mol
Br: Mn = 6: 1 (mol/mol); nhiệt độ phản ứng 100 oC; thời gian phản ứng 72
giờ; tốc độ nhỏ giọt chất o

h a 25 (L/phút).
17


Kết quả khảo sát các yếu tố đơn biến bao gồm: ảnh hưởng của dung
môi phản ứng, ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng, tỷ lệ p-xylene:H2O2
(mol/mol) và cách đưa H2O2 vào phản ứng, ảnh hưởng của chất oxy hóa,
ảnh hưởng của chất xúc tiến, ảnh hưởng của kim loại lên xúc tác và hàm
lượng kim loại. Từ các điều kiện khảo sát các yếu tố đơn biến, chúng tôi có
các kết quả sau:
- Tỉ lệ mol p-xylene:H2O2:dung môi acid acetic = 1:9:5 (mol/mol/mol)
- Tỉ lệ p-xylene:khối lượng xúc tác Mn-Co(1) = 1:6 (mol/g)
- Nhiệt độ phản ứng: 100 oC
- Thời gian phản ứng: 72 giờ
- Tốc độ đưa H2O2 vào hệ phản ứng: 25 µL/phút
- Tỉ lệ kim loại Mn : Co = 8 : 2 (mol/mol)
3.4.2. Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến phản ứng oxy hóa p-xylene bằng
phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm


Sai số

0,028

5

0,006

-

-

2,788

13

-

-

-

0,186

12

-

-

19


Vì vậy, ngoài hàm mục tiêu là hiệu suất tạo acid terephthalic còn phải quan
tâm đến nồng độ của 4-CBA (tính theo hỗn hợp của acid terephthalic và 4CBA), kết quả được thể hiện ở hình 3.54.
3.5. KHẢO SÁT TÍNH DỊ THỂ, KHẢ NĂNG THU HỒI VÀ TÁI SỬ
DỤNG XÚC TÁC
3.5.1. Kết quả khảo sát tính dị thể của xúc tác Mn-Co-Sal-APTESMCM-41

Hình 3.58. Kiểm tra tính dị thể của úc tác Mn-Co-Sal-APTES-MCM-41
(1%)
Sau một thời gian thực hiện phản ứng, hỗn hợp phản ứng được ly tâm, gạn
lọc để tách loại xúc tác. Hỗn hợp phản ứng (không còn xúc tác) được tiếp
tục khuấy và gia nhiệt ở 100

o

thêm 81 giờ, mẫu được lấy tại các khoảng

thời gian khác nhau để phân tích độ chuyển hóa p-xylene bằng HPL . Kết
quả cho thấy độ chuyển hóa p-xylene không thay đổi sau 81 giờ phản ứng
và phức base Schiff không bị hòa tan (leaching) ra khỏi xúc tác trong quá
trình phản ứng. Điều này một lần nữa được chứng minh bằng cách xác định
hàm lượng kim loại trong dung dịch sau phản ứng. Bằng phương pháp phân
tích quang phổ hấp thụ nguyên tử

S đo các mẫu hỗn hợp sau phản ứng,
20