Nghiên cứu được thực hiện nhằm tổng hợp và đặc trưng hai dạng vật liệu khung cơ kim (Metal–Organic Frameworks, MOFs) gồm khung sườn đơn (MT-1) và khung sườn đan xen (int-MT-1), từ đó đánh giá các đặc tính cấu trúc, độ bền nhiệt và độ xốp của chúng. Trong khoa học vật liệu hiện đại, MOFs là nhóm vật liệu tinh thể lai giữa ion kim loại và ligand hữu cơ, nổi bật nhờ diện tích bề mặt rất lớn, cấu trúc lỗ xốp điều chỉnh được và tiềm năng ứng dụng rộng trong hấp phụ khí, lưu trữ năng lượng, xúc tác, cảm biến và tách chọn lọc phân tử. Vì vậy, việc phát triển thành công các cấu trúc MOFs mới hoặc tối ưu hóa các biến thể cấu trúc như khung sườn đơn và khung sườn đan xen có ý nghĩa quan trọng trong mở rộng khả năng ứng dụng của nhóm vật liệu này.

Trong nghiên cứu, vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi (solvothermal synthesis), sử dụng muối kẽm nitrate làm nguồn ion kim loại và 1,4-benzenedicarboxylic acid (BDC) làm phối tử hữu cơ trong dung môi N,N’-dimethylformamide (DMF). Đây là một phương pháp phổ biến trong tổng hợp MOFs nhờ khả năng kiểm soát tốt quá trình tự lắp ghép tinh thể, tạo điều kiện hình thành cấu trúc có độ kết tinh cao. Việc lựa chọn cùng hệ tiền chất nhưng thu được hai dạng cấu trúc khác nhau – khung sườn đơn và khung sườn đan xen – cho thấy khả năng điều chỉnh kiến trúc vật liệu thông qua điều kiện tổng hợp, mở ra cơ hội tinh chỉnh tính chất vật liệu theo mục tiêu ứng dụng.

Hình thái vật liệu sau tổng hợp được khảo sát bằng kính hiển vi kỹ thuật số NHV-CAM, giúp xác định sơ bộ hình dạng tinh thể và sự hình thành vật liệu ở cấp độ quan sát trực tiếp. Tuy nhiên, giá trị cốt lõi của nghiên cứu nằm ở phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD). Kết quả PXRD xác nhận rằng cả MT-1 và int-MT-1 đều được tổng hợp thành công đúng theo cấu trúc mong đợi, đồng thời cho thấy vật liệu có độ kết tinh tốt. Độ kết tinh cao là yếu tố rất quan trọng đối với MOFs vì nó phản ánh sự sắp xếp trật tự của mạng lưới không gian, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất hấp phụ, độ ổn định và hiệu suất ứng dụng.

Bên cạnh cấu trúc, độ bền nhiệt của hai vật liệu được đánh giá bằng phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), cho thấy cả hai đều sở hữu độ ổn định nhiệt cao. Đây là một đặc tính đặc biệt quan trọng vì nhiều ứng dụng công nghiệp của MOFs như lưu trữ khí, xúc tác nhiệt hoặc tách chọn lọc yêu cầu vật liệu duy trì cấu trúc trong điều kiện nhiệt độ tương đối cao. Việc chứng minh được sự khác nhau về độ bền nhiệt giữa khung sườn đơn và khung sườn đan xen cũng góp phần cung cấp hiểu biết sâu hơn về mối liên hệ giữa kiến trúc cấu trúc và tính chất vật liệu.

Độ xốp của vật liệu được xác định thông qua phương pháp BET dựa trên hấp phụ đẳng nhiệt N₂ ở 77 K. Kết quả cho thấy cả hai vật liệu đều có diện tích bề mặt riêng lớn, đồng nghĩa với khả năng hấp phụ cao và tiềm năng ứng dụng mạnh trong các lĩnh vực yêu cầu tương tác bề mặt lớn. Trong nghiên cứu MOFs, diện tích bề mặt riêng là một trong những chỉ số quan trọng nhất vì nó quyết định trực tiếp đến khả năng lưu trữ khí, hấp phụ phân tử và hiệu quả xúc tác.

Tổng thể kết quả cho thấy cả MT-1 và int-MT-1 đều được tổng hợp thành công với các đặc tính nổi bật gồm độ kết tinh cao, độ bền nhiệt tốt và cấu trúc xốp phát triển. Điều này khẳng định tiềm năng của cả hai vật liệu trong các ứng dụng công nghệ cao. Đồng thời, việc so sánh giữa khung sườn đơn và khung sườn đan xen cung cấp thêm cơ sở khoa học cho thiết kế vật liệu MOFs theo định hướng cấu trúc – tính chất, giúp tối ưu hóa vật liệu cho từng mục tiêu sử dụng cụ thể.

Từ góc độ khoa học vật liệu, nghiên cứu không chỉ góp phần phát triển quy trình tổng hợp MOFs hiệu quả mà còn mở rộng hiểu biết về ảnh hưởng của kiến trúc khung sườn đến đặc tính chức năng. Đây là nền tảng quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng trong hấp phụ khí, xúc tác, cảm biến và các công nghệ vật liệu tiên tiến.