Tự nhiên truyền cảm hứng cho thành công đột phá: tạo chất huỳnh quang không độc hại
Một nhóm các nhà hóa học đã phát triển một phương pháp hoàn toàn mới cho để làm ra những chất huỳnh quang vô cùng có giá trị mà không đi kèm khí hydrogen fluoride độc hại (HF).
Phát hiện này, xuất bản trên Science, có thể dẫn đến một tác động lớn lao để cải thiện sự an toàn và vết carbon cho nền công nghiệp toàn cầu đang tăng trưởng này. Bài báo mang tên “Fluorochemicals from fluorspar via a phosphate-enabled mechanochemical process that bypasses HF” 1.
Các chất huỳnh quang là một nhóm hóa chất có một phạm vi rộng các ứng dụng quan trọng – bao gồm các polymer, hóa chất nông nghiệp, và các pin lithium-ion trong điện thoại thông minh và các xe điện – với thị trường toàn cầu lên đến 21,4 tỷ USD vào năm 2018. Hiện tại tất cả các chất huỳnh quang đều được tạo ra từ khí độc hại và dễ ăn mòn hydrogen fluoride (HF) trong quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng. Bất chấp những quy định nghiêm ngặt về an toàn, việc để lọt khí HF ra ngoài đã xảy ra nhiều lần trong các thập kỷ gần đây, thi thoảng gây ra những tai nạn khủng khiếp và thiệt hại về môi trường.
Để phát triển một cách tiếp cận an toàn hơn, một nhóm các nhà hóa học tại ĐH Oxford trong sự hợp tác với các đồng nghiệp ở một công ty spinoff của Oxford là FluoRok, ĐH College London, ĐH bang Colorado, đã lấy cảm hứng từ quá trình khoáng hóa sinh học của tự nhiên hình thành xương và răng hóa thạch. Thông thường, HF tự nó được tạo ra bởi phản ứng với một khoáng chất tinh thể hóa gọi là fluorspar (CaF2) với a xít sulfuric trong những điều kiện rất khắt khe trước khi được dùng để tạo ra chất huỳnh quang. Trong phương pháp mới, các chất huỳnh quang được tạo ra trực tiếp từ CaF2, hoàn toàn không tạo ra HF: một thành công mà các nhà hóa học tìm kiếm hàng thập kỷ.
Trong phương pháp mới, CaF2 ở trạng thái rắn hoạt hóa bằng một quá trình được truyền cảm hứng từ quá trình khoáng hóa sinh học, vốn bắt chước cách các khoáng chất calcium phosphate hình thành xương hóa thạch và răng hóa thạch về mặt sinh học. Nhóm nghiên cứu đã đặt CaF2 với muối potassium phosphate dạng bột trong một thiết bị nghiền trong nhiều giờ, sử dụng một quá trình cơ hóa đã được cải tiến từ cách truyền thống mà chúng ta vẫn xay gia vị bằng chày và cối.
Kết quả là tạo ra sản phẩm dạng bột gọi là Fluoromix, có thể tổng hợp thành hơn 50 loại huỳnh quang khác nhau từ CaF2 , đạt hiệu suất tới 98%. Phương pháp này có thể có tiềm năng tham gia vào chuỗi cung cấp hiện hành và giảm yêu cầu về năng lượng nên có thể giúp đạt những mục tiêu bền vững trong tương lai cũng như vết carbon thấp hơn cho ngành công nghiệp này.
Thú vị hơn, quá trình ở trạng thái rắn phát triển cũng hiệu quả với acid grade fluorspar (> 97%, CaF2) giống như với chất tổng hợp CaF2. Quá trình này tái hiện một mô thức chuyển cho ngành sản xuất chất huỳnh quang trên toàn cầu và dẫn đến sự ra đời của FluoRok, công ty spinoff tập trung vào thương mại hóa công nghệ này và phát triển flo hóa an toàn, bền vững và hiệu quả về chi phí. Các nhà nghiên cứu hy vọng nghiên cứu này sẽ khuyến khích các nhà khoa học khắp thế giới tìm ra những giải pháp phá bỏ những thách thức về vấn đề hóa chất độc hại để đem lại nhiều hơn lợi ích cho xã hội.
Calum Patel, Khoa Hóa học, ĐH Oxford, và là một trong những người dẫn dắt nghiên cứu này, cho rằng, “Sự hoạt hóa cơ hóa của CaF2 với một muối phosphate là một sáng chế rất thú vị bởi vì dường như quá trình rất đơn giản này lại thể hiện một giải pháp hiệu quả cao ở một vấn đề rất phức tạp; tuy nhiên, những câu hỏi lớn về cách phản ứng diễn ra như thế nào vẫn còn tồn tại. Việc hợp tác là chìa chóa để trả lời những câu hỏi như vậy và để sự gia tăng hiểu biết của chúng ta về lĩnh vực mới chưa được khám phá của hóa học fluor. Những giải pháp thành công cho những thách thức lớn sẽ đến từ những cách tiếp cận liên ngành và tri thức liên ngành, tôi nghĩ công trình này thực sự nắm bắt được tầm quan trọng đó”.
Tác giả chính của nghiên cứu là giáo sư Véronique Gouverneur FRS, từ Khoa Hóa học, ĐH Oxford, người cũng tham gia dẫn dắt nghiên cứu, nói, “Việc sử dụng trực tiếp CaF2 cho quá trình fluor hóa là chén thánh trong lĩnh vực này và một giải pháp cho vấn đề này đã được tìm kiếm trong hàng thập kỷ. Việc chuyển đổi sang các phương pháp bền vững để sản xuất hóa chất, với việc giảm thiểu hoặc không để tác động có hại với môi trường là mục tiêu được ưu tiên ngày nay, có thể có sẽ được gia tốc bằng những chương trình đầy tham vọng và một sự suy nghĩ tổng thể về các quá trình sản xuất hiện hành.
“Nghiên cứu này là một bước quan trọng cho hướng đi này bởi vì phương pháp do Oxford phát triển có tiềm năng được sử dụng ở cả ngành công nghiệp lẫn khối hàn lâm, tối thiểu phát thải carbon…, bằng cách rút ngắn các chuỗi cung cấp và tăng cường sự tin cậy cho các chuỗi cung cấp toàn cầu vốn rất đỗi mong manh”.
Thanh Hương tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2023-07-nature-breakthrough-hazard-free-production-fluorochemicals.html
——————————-
1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi1557
