Từ ngày sang giờ: Một cách nhanh hơn để tạo ra một xúc tác hứa hẹn mới
Các nhà khoa học đã khám phá ra một phương pháp nhanh hơn, bền vững hơn để tạo ra cac vật liệu khung hữu cơ cộng được bọc kim loại (COFs), loại vật liệu có tiềm năng đóng vai trò trung tâm trong xúc tác, lưu trữ năng lượng và cảm niến hóa học.
Quá trình một bước ở nhiệt độ phòng mới của họ, được phát triển thông qua nỗ lực hợp tác giữa trường đại học Clark Atlanta và Xưởng phân tử tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), đã loại được việc sử dụng các chất hòa tan độc hại và giảm thiểu đáng kể thời gian chế tạo từ nhiều ngày xuống còn chỉ một giờ.
Các vật liệu COFs bọc kim loại được nghiên cứu rộng rãi bởi chúng được sử dụng nhiều như các chất xúc tác, vật liệu thúc đẩy các phản ứng hóa học mà không bị tiêu hao trong quá trình này. COFs được tổ chức chặt chẽ, các cấu trúc dạng Lego tí hon được sắp xếp trong một tinh thể với vô số lỗ rỗng hoặc các cửa mở. Khi kim loại được nén vào trong các lỗ rỗng để hình thành COFs bọc kim loại, vật liệu này có thể gia tốc các phản ứng và cải thiện hiệu suất tổng thể của chúng.
Các COFs bọc kim loại được làm một cách truyền thống bằng việc sử dụng một quá trình nhiều bước, diễn ra trong nhiều ngày mà trong đó, COFs được tạo ra đầu tiên, và các kim loại được tích hợp vào sau đó. Phương pháp này đòi hỏi các chất tan độc hại, nhiệt độ cao và điều kiện chân không.
Trái lại, phương pháp mới do các nhà nghiên cứu của trường đại học Clark Atlanta và xưởng Phân tử là quá trình một bước xuất hiện ở một điểm – giống như công thức pasta trong một nồi nấu trong dịp cuối tuần – và chỉ diễn ra trong một giờ ở nhiệt độ phòng mà không cần đến các chất tan độc hại hoặc điều kiện chân không.
Các kết quả được xuất bản trong bài báo trên tạp chí ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
“Chúng tôi đã có thể tiến hành tổng hợp COF trong khi có thể khiến quá trình này ngày càng trở nên bền vững hơn”, theo giải thích của Normanda Brown, một thành viên của trường đại học Clark Atlantavà là tác giả thứ nhất của nghiên cứu. Cải thiện hiệu suất và sự bền vững của quá trình này có thể cho phép sử dụng rộng hơn các vật liệu động đáo đó.
Cách mới, rút ngắn thời gian tạo ra các COFs bọc kim loại trở nên có thể bằng cơ hóa, quá trình mà lực cơ học được sử dụng để tạo ra các phản ứng hóa học xuất hiện. “Cơ hóa đơn giản là khởi động một phản ứng hóa học bằng lực cơ học”, Brown giải thích. “dù đó là cắt, mài hay xay”.
Trong phương pháp cụ thể này, một máy xay bóng – một thiết bị mà các vật liệu được nghiền vỡ bằng các quả bóng thép không rỉ – được sử dụng để kết hợp các thành phần cần thiết để tạo ra các COFs bọc kim loại.
Để xác nhận các COFs bọc kim loại chính xác được tạo ra và đánh giá các đặc tính của nó, nhóm nghiên cứu ở ĐH Clark Atlanta đã làm việc với các nhà khoa học ở Phân xưởng Phân tử Jeff Urban và Yi Liu. “Xưởng này đã phát triển các công cụ rất hữu dụng và hướng đến các vật liệu có cấu trúc lỗ rỗng để hỗ trợ việc tạo các các đặc tính cần thiết mà chúng tôi sử dụng”, Liu nói.
Thông qua cả trao đổi trực tiếp và từ xa, Xưởng phân tử bắt đầu cùng với các nhà nghiên cứu Clark Atlanta hiểu được các phương pháp cần thiết để cho các COFs bọc kim loại của mình. Các COFs bọc kim loại được đánh giá để xem các lỗ rỗng và tinh thể của chúng như thế nào và cần bao nhiêu kim loại được đưa vào cấu trúc này. Thêm vào đó, kính hiển vi điện tử truyền qua đã hiển thị cấu trúc COF và sự phân bố của kim loại trong đó.
Và như một chứng minh khái niệm, các vật liệu COFs bọc kim loại được phát triển thông qua cách tiếp cận một bước mới của nhóm nghiên cứu đã thành công khi xúc tác cho phản ứng kết cặp Suzuki-Miyaura, một phương pháp được sử dụng rộng rãi trong hóa hữu cơ để hình thành các liên kết carbon-carbon. Nhìn về tương lai, phương pháp tổng hợp cơ hóa một điểm này có thể được ứng dụng cho nhiều kim loại khác nhau và các COFs bọc kim loại khac nhau với một loạt các ứng dụng khắp các xúc tác, lưu trữ năng lượng, lưu trữ khí, cảm biến hóa học và hấp phụ cũng như chia tách.
Quá trình một bước ở nhiệt độ phòng mới của họ, được phát triển thông qua nỗ lực hợp tác giữa trường đại học Clark Atlanta và Xưởng phân tử tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), đã loại được việc sử dụng các chất hòa tan độc hại và giảm thiểu đáng kể thời gian chế tạo từ nhiều ngày xuống còn chỉ một giờ.
Các vật liệu COFs bọc kim loại được nghiên cứu rộng rãi bởi chúng được sử dụng nhiều như các chất xúc tác, vật liệu thúc đẩy các phản ứng hóa học mà không bị tiêu hao trong quá trình này. COFs được tổ chức chặt chẽ, các cấu trúc dạng Lego tí hon được sắp xếp trong một tinh thể với vô số lỗ rỗng hoặc các cửa mở. Khi kim loại được nén vào trong các lỗ rỗng để hình thành COFs bọc kim loại, vật liệu này có thể gia tốc các phản ứng và cải thiện hiệu suất tổng thể của chúng.
Các COFs bọc kim loại được làm một cách truyền thống bằng việc sử dụng một quá trình nhiều bước, diễn ra trong nhiều ngày mà trong đó, COFs được tạo ra đầu tiên, và các kim loại được tích hợp vào sau đó. Phương pháp này đòi hỏi các chất tan độc hại, nhiệt độ cao và điều kiện chân không.
Trái lại, phương pháp mới do các nhà nghiên cứu của trường đại học Clark Atlanta và xưởng Phân tử là quá trình một bước xuất hiện ở một điểm – giống như công thức pasta trong một nồi nấu trong dịp cuối tuần – và chỉ diễn ra trong một giờ ở nhiệt độ phòng mà không cần đến các chất tan độc hại hoặc điều kiện chân không.
Các kết quả được xuất bản trong bài báo trên tạp chí ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
“Chúng tôi đã có thể tiến hành tổng hợp COF trong khi có thể khiến quá trình này ngày càng trở nên bền vững hơn”, theo giải thích của Normanda Brown, một thành viên của trường đại học Clark Atlantavà là tác giả thứ nhất của nghiên cứu. Cải thiện hiệu suất và sự bền vững của quá trình này có thể cho phép sử dụng rộng hơn các vật liệu động đáo đó.
Cách mới, rút ngắn thời gian tạo ra các COFs bọc kim loại trở nên có thể bằng cơ hóa, quá trình mà lực cơ học được sử dụng để tạo ra các phản ứng hóa học xuất hiện. “Cơ hóa đơn giản là khởi động một phản ứng hóa học bằng lực cơ học”, Brown giải thích. “dù đó là cắt, mài hay xay”.
Trong phương pháp cụ thể này, một máy xay bóng – một thiết bị mà các vật liệu được nghiền vỡ bằng các quả bóng thép không rỉ – được sử dụng để kết hợp các thành phần cần thiết để tạo ra các COFs bọc kim loại.
Để xác nhận các COFs bọc kim loại chính xác được tạo ra và đánh giá các đặc tính của nó, nhóm nghiên cứu ở ĐH Clark Atlanta đã làm việc với các nhà khoa học ở Phân xưởng Phân tử Jeff Urban và Yi Liu. “Xưởng này đã phát triển các công cụ rất hữu dụng và hướng đến các vật liệu có cấu trúc lỗ rỗng để hỗ trợ việc tạo các các đặc tính cần thiết mà chúng tôi sử dụng”, Liu nói.
Thông qua cả trao đổi trực tiếp và từ xa, Xưởng phân tử bắt đầu cùng với các nhà nghiên cứu Clark Atlanta hiểu được các phương pháp cần thiết để cho các COFs bọc kim loại của mình. Các COFs bọc kim loại được đánh giá để xem các lỗ rỗng và tinh thể của chúng như thế nào và cần bao nhiêu kim loại được đưa vào cấu trúc này. Thêm vào đó, kính hiển vi điện tử truyền qua đã hiển thị cấu trúc COF và sự phân bố của kim loại trong đó.
Và như một chứng minh khái niệm, các vật liệu COFs bọc kim loại được phát triển thông qua cách tiếp cận một bước mới của nhóm nghiên cứu đã thành công khi xúc tác cho phản ứng kết cặp Suzuki-Miyaura, một phương pháp được sử dụng rộng rãi trong hóa hữu cơ để hình thành các liên kết carbon-carbon. Nhìn về tương lai, phương pháp tổng hợp cơ hóa một điểm này có thể được ứng dụng cho nhiều kim loại khác nhau và các COFs bọc kim loại khac nhau với một loạt các ứng dụng khắp các xúc tác, lưu trữ năng lượng, lưu trữ khí, cảm biến hóa học và hấp phụ cũng như chia tách.
Nguyễn Thanh dịch từ Lawrence Berkeley National Laboratory
