Xếp lớp chính xác trong các chất xúc tác để xây dựng hóa học bền vững
Các kỹ sư hóa học EPFL đã phát triển một cách xây dựng các cụm kim loại – với độ chính xác ở mức gần nguyên tử - trong một phương pháp có tiềm năng cải thiện các chất xúc tác và gia tốc các phản ứng hóa học, trong đó có chuyển đổi carbon dioxide thành những hóa chất giá trị cao.
Chuyển đổi từ các khí nhà kính như carbon dioxide thành các hóa chất có giá trị cao như methanol, các kỹ sư hóa học EPFL đã phát triển một cách mới để tạo ra các chất xúc tác. Các chất xúc tác là những công cụ chính trong ngàn công nghiệp hóa học và được sử dụng rộng rãi để tạo ra các hóa chất dầu mỏ. Trong phương pháp này, họ đã phát triển một cách để xây dựng các cụm kim loại trên các giá đỡ vững chắc có tiềm năng cải thiện độ hoạt hóa của chất xúc tác. Kết quả được xuất bản trên tạp chí Nature Catalysis.
“Bạn muốn tạo ra càng nhiều sản phẩm trên mỗi lần sử dụng các chất xúc tác càng tốt, và chúng tôi đã tìm thấy khi một chất xúc tác được chuẩn bị với độ chính xác gần mức nguyên tử, bạn có thêm vật liệu có mức hoạt hóa nhiều hơn”, theo Jeremy Luterbacher, giáo sư Phòng thí nghiệm Bền vững và Xử lý xúc tác của EPFL. “Kỹ thuật này được quan tâm bởi những phản ứng khó mà carbon dioxide với khí hydrogen để sản xuất methanol tái tạo”.
Một chút về các chất xúc tác
Dẫu chất xúc tác được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp nhưng chúng ta vẫn thường tương tác với các chất xúc tác rắn ở xe ô tô nhiều nhất. Ở đó, một bộ chuyển đổi chất xúc tác nhận khí thải từ quá trình đốt nhiên liệu và giúp chuyển đổi để giảm thiểu lượng chất ô nhiễm phát thải vào không khí. Động cơ của một ô tô nổi tiếng vì tạo ra carbon monoxide (CO), một loại khí độc hại không màu không mùi mà với nồng độ cao, có thể là nguyên nhân gây bệnh và thậm chí là chết nếu hít phải. Bên trong buồng động cơ là một xúc tác, thông thường được tạo ra từ các hạt platinum nhỏ hoặc palladium trên một chất rắn rẻ hơn. Kim loại này kết hợp không khí và chất ô nhiễm như carbon monoxide, và giúp chúng tương tác để tạo ra khí carbon dioxide (CO2) ít độc hại hơn trong không khí”.
“Một phản ứng có thể xảy ra mà không cần đến chất xúc tác tại mức nhiệt độ cao. Ví dụ, đốt carbon monoxide trong một ngọn lửa khiến có thể carbon monoxide và oxygen có thể gặp nhau để hình thành carbon dioxide bởi vì chúng không đủ nóng cho việc va chạm nhau đủ mạnh”, Luterbacher giải thích. “Với một chất xúc tác, carbon monoxide và oxygen đã gắn với một bề mặt metal và chúng có thể tái tương tác bất chấp va chạm ở mức nhiệt độ thấp hơn. Nó giống như chúng đang trượt băng trên bề mặt của chất xúc tác và bề mặt này giúp sự chuyển đổi giữa chất ô nhiễm và chất phản ứng”.
Các chất phản ứng của tương lai này cần có khả năng chuyển đổi carbon dioxide, một chất khí nhà kính là nguồn lớn nhất của carbon tái tạo trên hành tinh của chúng ta, thành các khí nhà kính giá trị cao như methanol. Quá trình này được thực hiện trong một phản ứng hóa học mà người ta gọi là sự hydro hóa, một phản ứng khó vì nó có thể tạo ra nhiều chất khác chứ không chỉ methanol. Tạo một chất xúc tác có hoạt độ đủ mạnh để chuyển đổi carbon dioxide đủ nhanh để có được methanol mà không tạo ra các sản phẩm khác là một thách thức đáng kể.
Xếp lớp chính xác trong chất xúc tác
Để tạo ra một chất xúc tác rắn, một hạt kim loại được gắn lên đỉnh một kim loại với một khu vực bề mặt cao như một hạt bột xốp, để tối đa hóa tiếp xúc với chất phản ứng.
Luterbacher và nhóm nghiên cứu ao ước là họ có thể kiểm soát và tăng tốc các phản ứng bằng việc kiểm soát chính xác thành phần của chất xúc tác, chọn đúng lượng vật chất để chỉnh các chất phản ứng một cách chặt chẽ để gắn với chất xúc tác. Họ cũng phát hiện ra trong nghiên cứu trước đây là mình có thể đặt các đảo kim loại với độ chính xác gần mức nguyên tử trên chất rắn mang, một phương pháp gọi là lắng lớp nguyên tử pha lỏng (ALD), hoàn hảo cho tạo ra các điểm hoạt hóa chất xúc tác chính xác cho tăng cường một phản ứng.
Thậm chí, việc lắng đọng các đảo nhỏ hay các cụm của nhiều kim loại với độ chính xác gần nguyên tử cho phép nhóm nghiên cứu EPFL để hydro hóa carbon dioxide tại các tỉ lệ mà hơn gấp mười lần với một chất xúc tác cùng thành phần nhưng xây dựng không có sự kiểm soát này. Họ sử dụng magnesium oxide như chất mang, với những liên kết carbon dioxide thông thường quá chặt chẽ để phản ứng, và họ cho lắng đọng các đảo kẽm nhỏ, vốn là một vật liệu có liên kết carbon dioxide quá chặt chẽ. Sau đó, họ đưa đồng vào để liên kết với hydrogen. Khi đặt cạnh nhau với một tỉ lệ đúng, chúng dường như được trộn với tỉ lệ đúng để tạo ra nhiều methanol một cách nhanh chóng và tạo ra ít sản phẩm kèm theo.
“Magnesium oxide được ghi nhận rộng rãi là vật liệu bền cho giữ CO2, nhưng sự tương đồng mạnh của nó với CO2 có giới hạn để sử dụng nó như một chất mang xúc tác. Chúng tôi đưa giới hạn này thành cơ hội để gắn nó với kẽm. Việc phát hiện cân bằng tối ưu sự tương đồng CO2 bằng kết hợp MgO và ZrO2 với những đặc tính khác nhau chỉ đạt được với một công cụ vô cùng hiệu quả của lắng đọng lớp nguyên tử pha lỏng”, Seongmin Jin, cựu nghiên cứu postdoct tại LPDC và là tác giả đầu của nghiên cứu, nói.
“Nếu chúng tôi so sánh lượng vật liệu xúc tác chứa cả đồng của nó, sau đó chất xúc tác của chúng tôi hoạt động mạn hơn các chất xúc tác đã được thương mại hóa. Hoạt độ của chúng tôi trên mỗi vị trí vô cùng siêu việt. Đáng lưu ý là hoạt động của chúng tôi trên mỗi khối lượng vật liệu xúc tác vẫn còn thấp hơn nhiều so với xúc tác đang được bán trên thị trường bởi vì chúng tôi cần xác định được cách tạo ra nhiều cụm hơn nữa trên bề mặt. Nhưng chúng tôi đã chứng tỏ là có thể đạt được mức kiểm soát cao hơn ngay cả khi ở cấp độ nguyên tử, và việc có được khả năng kiểm soát này rất quan trọng. Nó mở ra những đại lộ để khám phá ra nhiều kết hợp nhiều kim loại hoặc các khả năng,” Luterbacher kết luận.
Anh Vũ dịch từ EPFL
Nguồn: https://actu.epfl.ch/news/precise-layering-in-catalysts-for-building-sustain/
