Vật liệu ZIFs (Zeolitic Imidazolate Frameworks) và những triển vọng ứng dụng trong tương lai

Gần đây nhóm nghiên cứu của giáo sư O. M. Yaghi thuộc trường Đại học California ở Los Angeles đã tổng hợp thành công một loại vật liệu mới có khả năng lưu giữ một lượng đáng kể CO₂-loại khí chủ yếu gây nên hiệu ứng nhà kính, phát thải ra do quá trình sử dụng nhiên liệu hóa thạch của các ngành công nghiệp và các phương tiện giao thông.

Vật liệu này được nhóm tác giả đặt tên là ZIFs được tạo thành từ mạng lưới là các nguyên tử kim loại chuyển tiếp (M) (đặc biệt là kẽm và coban) liên kết với nhau bằng các cầu nối là các phân tử hữu cơ imidazol (IM).

Các nguyên tử kim loại và imidazol liên kết với nhau theo kiểu liên kết tứ diện,  tạo thành góc liên kết M-IM-M gần bằng 145^o, tương tự như góc liên kết Si-O-Si thường thấy trong các zeolit.

Đã có 25 loại tinh thể ZIFs được tổng hợp, tất cả chúng đều có cấu trúc khung tứ diện mở. Do có cấu trúc như thế nên ZIFs có độ xốp rất lớn với diện tích bề mặt riêng lên đến 1970 m²/gam và đường kính mao quản lên đến 10Å . Một số ZIFs thể hiện khả năng lưu giữ đặc biệt đối với khí CO₂, một lít vật liệu ZIF-69 có thể lưu giữ được 83 lít CO₂ ở nhiệt độ 0^oC dưới áp suất thường.

Theo giáo sư Yaghi, sở dĩ ZIFs có khả năng lưu giữ được một lượng lớn CO₂ là do các vòng benzen trong cấu trúc giống như những chiếc van khóa lấy các phân tử CO₂ trong mao quản. Mặt khác, các nguyên tử cacbon của phân tử CO₂ một phần mang điện tích dương dễ dàng kết hợp với nguyên tử nitơ của imidazol trong cấu trúc mang diện tích âm

Hình 1: Các phân tử imidazol được sử dụng để tổng hợp ZIFs

Ngoài ra, do độ bền nhiệt của ZIFs có thể lên đến 390 ^oC và là loại vật liệu rắn, dễ thu hồi và tái sử dụng sau khi dùng nên ZIFs còn có nhiểu triển vọng ứng dụng như: dùng để tách hỗn hợp các hydrocacbon khác nhau, lưu trữ hydrogen và các ứng dụng khác.

Như vậy, với những tính chất này ZIFs sẽ là vật liệu được dùng để xử lý khí CO₂ góp phần làm giảm hiệu ứng nhà kính nguyên nhân gây nên sự ấm dần lên của khí hậu trái đất. Ngoài ra, nó còn có nhiều triển vọng ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác, hóa dầu và nhiều lĩnh vực liên quan khác.

Hình 2: Cấu trúc của vật liệu ZIFs khi hấp phụ CO₂

KTT (Bài đăng trên hoahocvietnam.com)