Acrylic acid (CH2=CHCOOH) là một hợp chất hóa học quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Một phương pháp sản xuất acrylic acid đầy hứa hẹn là phản ứng aldol hóa giữa acid acetic (CH3COOH) và formaldehyde (HCHO). Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng các xúc tác VPO/SiO2 (vanadium phosphorus oxide trên nền silica) được biến tính bằng các kim loại kiềm và đất hiếm (Cs, Ce, Nd) để tăng hiệu quả của quá trình này.
Phản ứng aldol hóa Hcho Ra Ch3cooh để tạo ra acrylic acid đòi hỏi xúc tác có cả tính acid và base. Các kim loại kiềm và đất hiếm được thêm vào VPO/SiO2 nhằm điều chỉnh các tính chất này, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác.
Các xúc tác được điều chế bằng phương pháp tẩm ướt, sau đó được nung ở nhiệt độ cao để tạo thành các oxide kim loại. Thành phần và cấu trúc của xúc tác được phân tích bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD) và quang phổ hấp thụ nguyên tử (XPS).
Kết quả XRD cho thấy sự hiện diện của các pha VOPO4 và (VO)2P2O7 trong xúc tác VPO/SiO2. Khi thêm Cs, Ce, và Nd, các pha mới như Cs4P2O7, CePO4, và NdPO4 được hình thành. Điều này cho thấy sự tương tác giữa các kim loại và VPO, ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của xúc tác.
Phân tích XPS cho thấy sự thay đổi về tỷ lệ V5+/V4+ trên bề mặt xúc tác khi có mặt các kim loại. Tỷ lệ này có ảnh hưởng quan trọng đến hoạt tính xúc tác.
Tính acid và base của xúc tác được đánh giá bằng phương pháp hấp phụ nhiệt có lập trình (TPD) với CO2 và NH3. Kết quả cho thấy, việc thêm kim loại kiềm và đất hiếm làm tăng tính base của xúc tác. Tính acid cũng thay đổi, đạt giá trị cực đại ở một tỷ lệ kim loại nhất định.
Phản ứng aldol hóa giữa acid acetic và formaldehyde được thực hiện trong lò phản ứng ống dòng cố định. Hiệu suất của phản ứng được đánh giá dựa trên độ chuyển hóa của formaldehyde và độ chọn lọc tạo thành acrylic acid.
Kết quả cho thấy, các xúc tác VPO/SiO2 được biến tính bằng kim loại có hoạt tính xúc tác cao hơn so với xúc tác VPO/SiO2 không biến tính. Đặc biệt, xúc tác Ce-VPO/SiO2 cho thấy hiệu quả vượt trội trong việc chuyển hóa formaldehyde và tạo thành acrylic acid.
Ngoài acrylic acid, methyl acrylate cũng được tạo thành như một sản phẩm phụ. Tuy nhiên, độ chọn lọc đối với methyl acrylate là không đáng kể.
Acetone và CO2 cũng được tạo thành do sự phân hủy của acid acetic. Lượng acetone và CO2 tạo thành tăng lên khi tăng nhiệt độ phản ứng và tỷ lệ kim loại trong xúc tác.
Nghiên cứu này đã chứng minh rằng việc biến tính xúc tác VPO/SiO2 bằng kim loại kiềm và đất hiếm có thể cải thiện hiệu quả của phản ứng aldol hóa giữa acid acetic và formaldehyde để tạo ra acrylic acid. Xúc tác Ce-VPO/SiO2 cho thấy tiềm năng lớn cho ứng dụng công nghiệp.
