2.2.5. Chất tạo cấu trúc (Template hay SDA, Structure Directing Agent

Hình 48. Ảnh hưởng của nhiệt độ kết tinh đến cấu trúc mao quản của VLMQTB

2.2.5. Chất tạo cấu trúc (Template hay SDA, Structure Directing Agent)

2.2.5.1. Khái niệm chất tạo cấu trúc (hay chất định hướng cấu trúc) Tạo cấu trúc là quá trình các tiền chất (như SiO2) tổ chức thành mạng lưới tinh thể xung quanh các cấu trúc trung tâm tạo ra bởi các chất template hữu cơ. Trong trường hợp đơn giản nhất là vật liệu mao quản có cấu trúc tương tự như dạng hình học của phân tử template hữu cơ (thường là các muối amin phân tử lượng thấp dùng trong tổng hợp zeolit), ví dụ TPABr để tổng hợp ZSM-5. Trường hợp khác là các phân tử template hữu cơ tổ hợp thành các cấu trúc khác nhau (các phân tử hữu cơ này là các chất hoạt động bề mặt có phân tử lượng lớn dùng trong tổng hợp vật liệu MQTB). Hai trường hợp này được minh hoạ trên Hình 49.

(a)

(b)

Hình 49. Sự hình thành nên mạng lưới vi mao quản sử dụng tác nhân tạo cấu trúc amin bậc bốn có chuỗi alkyl ngắn (a) và sự hình thành mạng lưới vật liệu MQTB sử dụng chất định hướng cấu trúc (HĐBM) có chuỗi alkyl dài (b)

2.2.5.2. Vai trò của chất tạo cấu trúc - Tạo nên hình thái cấu trúc cho các kênh mao quản thông qua hình dạng, kích thước, tính chất của chúng; - Tổ chức mạng lưới thông qua việc lấp đầy các lỗ xốp, làm cân bằng điện tích; - Làm giảm thế hoá học của mạng lưới hình thành nhờ tạo nên các tương tác với các chất vô cơ (liên kết hydro, tương tác tĩnh điện,...). Chất tạo cấu trúc trong vật liệu MQTB là các chất hoạt động bề mặt (có một đầu phân cực ưa nước và một đuôi hydrocacbon kị nước), chúng cần phải thoả mãn các điều kiện sau: - bền dưới các điều kiện tổng hợp; - có khả năng hoà tan tốt trong dung dịch; - có khả năng làm bền mạng lưới mao quản được hình thành; - tách khỏi vật liệu mà không phá hủy khung. 2.2.5.3. Phân loại chất tạo cấu trúc Có ba loại chất HĐBM thường dùng định hướng cấu trúc MQTB: - Loại cation: thường là các muối amin, ví dụ xetyl trimetyl amoni bromua (C16H33(CH3)3NBr) - Loại anion: các hợp chất hữu cơ chứa nhóm -SO3

- Loại không ion: các alkylpoly(etylen oxit), như C16H33(CH2CH2O)20, hay các copolyme chứa các chuỗi polyetylen oxit và polypropylen oxit. Trong ba loại trên thì loại không ion được chú ý nhiều nhất vì đây là loại polyme mới có tiềm năng ứng dụng rất cao, giá thành thấp hơn so với các loại khác, khả năng phân hủy sinh học cao, không độc hại. Bên cạnh đó, khi sử dụng loại polyme này làm chất tạo cấu trúc người ta có thể điều chỉnh được năng lượng hình thành và cấu trúc của vật liệu, tổng hợp được vật liệu có thành dày hơn so với chất tạo cấu trúc khác. Các copolyme có thể sắp xếp tạo ra các hình dạng khác nhau, do đó có thể hình thành nên các cấu trúc khác nhau (Hình 50). Trong đó chất tạo cấu trúc copolyme dạng ABA được sử dụng nhiều nhất. Ở đây A là phần ưa nước (polyetylen oxit PEO hoặc polyacrylic axit PAA) và B là phần kị nước (polystyrene PS, polypropylene oxit PPO, polyisopren PI hay polyvinylpyridin PVP).

Hình 50. Một số dạng hình học chính của VLMQTB sử dụng các mixen chất HĐBM (dạng diblock): lớp (LAM), dạng lớp uốn (HML), lớp có lỗ hình trụ (HPL), gyroid (DG) , lập phương (BBC), các hình trụ sắp xếp có trật tự (HEX) 2.2.5.4. Các phương pháp tách loại chất tạo cấu trúc Chúng ta biết rằng VLMQTB được tổng hợp từ chất ĐHCT và nguồn silic. Các mixen ống của chất ĐHCT được bao phủ bởi các lớp oxit silic dày khoảng vài nm tạo thành bộ khung oxit silic bao bọc các mixen. Khi cấu trúc oxit silic đã ổn định thì chất ĐHCT cần được loại bỏ để thu được hệ mao quản của vật liệu. Sự loại bỏ chất ĐHCT có thể được thực hiện bằng một trong các phương pháp sau:

- nung vật liệu (sẽ trình bày thêm bên dưới); - chiết bằng dung môi [68]; - chiết bằng chất lỏng siêu tới hạn [69];

- dùng lò vi sóng [70], dùng UV/ozon [71], UV/H2O2 [72]. Hình 51 minh họa mặt cắt cấu trúc mao quản của SBA-15 trước và sau khi loại bỏ chất ĐHCT.

Hình 51. Cấu trúc mao quản của SBA-15 trước và sau khi loại bỏ chất ĐHCT