Đường ăn có thể thay vàng trong phản ứng duy trì sự thịnh vượng bền vững

Trong bài viết trước về "Khám phá ra hợp chất thay vàng trong cuộc chiến ngăn Trái đất nóng lên", chúng tôi có đề cập đến cách sử dụng các hạt nano cacbua molypden pha beta (β-Mo2C) trộn với chất phụ gia silicon dioxide (SiO2), làm chất xúc tác. Phương pháp của nhóm các nhà nghiên cứu Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử tại Đại học Illinois giúp đẩy nhanh quá trình chuyển đổi carbon dioxide thành carbon monoxide, một loại khí có giá trị có thể được sử dụng để sản xuất các hợp chất quan trọng khác.

Cũng trên nguyên tác này còn có thêm một cách khác cũng dùng các hạt nano cacbua molypden để giải quyết việc chuyển đổi carbon dioxide thành carbon monoxide của nhóm nghiên cứu tại Đại học Northwestern ở Mỹ và Đại học Calgary ở Canada.

Công trình này là một bước đột phá giàu tiềm năng tiến tới việc sản xuất hóa chất công nghiệp có giá trị từ carbon thu được trong các nhà máy lọc hóa chất tương lai.

Khí tổng hợp – hỗn hợp carbon monoxide và hydro – rất quan trọng để sản xuất nhiều hóa chất công nghiệp như amoniac, metanol và các chất có phân tử hydrocacbon lớn hơn. Ngày nay, nó thường được tạo ra từ quá trình phản ứng khí metan với hơi nước hoặc từ quá trình cracking hydrocacbon nặng mà cả hai đều là quá trình thu nhiệt cao và có lượng khí thải carbon lớn. Một giải pháp thay thế là sự chuyển dịch ngược nước-khí, trong đó carbon dioxide bị hydro khử thành carbon monoxide, trong khi hydro bị oxy hóa thành nước. Sử dụng lượng hydro dư thừa có thể tạo ra khí tổng hợp.

Hầu hết hydro công nghiệp thực sự là sản phẩm của quá trình biến đổi khí metan bằng hơi nước, sau đó là phản ứng chuyển dịch nước-khí thuận để tạo ra nhiều hydro hơn từ carbon monoxide. Tuy nhiên, mối quan tâm đến hydro tái tạo được tạo ra bằng quá trình điện phân nước đang ngày càng tăng.

Nhà hóa học Milad Ahmadi Khoshooei tại Đại học Northwestern, Mỹ cho biết: “Hàng chục nguồn CO2 như các công ty thép và công ty xi măng sẽ tiếp tục sản xuất CO2 bất kể chu kỳ sản xuất hydro và ai đó cần phải giải quyết vấn đề này”, đồng thời Khoshooei cho rằng: ‘Phần thu giữ cao hơn nhiều so với phần chuyển đổi, vì vậy hãy giả sử chúng ta thu được CO2. Chúng ta cần sử dụng nó thay vì chỉ chôn nó dưới lòng đất”.

Khoshooei và các đồng nghiệp tại Đại học Northwestern và Đại học Calgary ở Canada, do Omar Farha của Northwestern dẫn đầu, đã tìm kiếm một chất xúc tác hiệu quả có tính chọn lọc để tạo ra sản phẩm phả ứng hóa học là carbon monoxide, thay vì metan, khi lượng hydro dư thừa. Trước đây, chất xúc tác cacbua molypden đã cho thấy nhiều hứa hẹn, nhưng chúng thường cho thấy độ chọn lọc không đủ hoặc bị phân hủy nhanh chóng ở nhiệt độ cao mà phản ứng sử dụng.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện từ phân tích quang phổ và mô phỏng lý thuyết chức năng mật độ rằng cấu trúc lập phương siêu bền của cacbua molypden hoạt động mạnh hơn và chọn lọc hơn cấu trúc đóng kín hình lục giác ổn định. Họ phát hiện ra rằng, chỉ bằng cách cacbon hóa đường ăn với amoni molybdat, họ đã tạo ra chất xúc tác bao gồm các khối tinh thể nano tinh khiết của cacbua molypden được bảo vệ bởi một lớp cacbon và các nguyên tử xen kẽ ngăn chặn sự kết tinh lại. Ở 500°C, chất xúc tác cho thấy sự chuyển đổi nhanh chóng, hiệu suất tối đa và có độ chọn lọc 100% đối với carbon monoxide. Quan trọng hơn, chất xúc tác đã duy trì được quá trình chuyển đổi trong 500 giờ. Các nhà nghiên cứu đang tiếp tục phát triển chất xúc tác theo hướng thương mại hóa.

Bert Weckhuysen tại Nhóm xúc tác và hóa học vô cơ tại Đại học Utrecht ở Hà Lan, cùng với đồng nghiệp Eelco Vogt, tuần này đã công bố một phân tích chi tiết về những thách thức của việc tạo ra các nhà máy lọc dầu không sử dụng nhiên liệu hóa thạch vào năm 2050. Weckhuysen nói rằng công việc hiện tại là 'một sự tỉ mỉ về mặt cơ học' trong nghiên cứu về chất xúc tác có nguồn gốc đặc biệt. Chất xúc tác này đóng vai trò quan trọng với các phản ứng trong tương lai giúp thế giới trung hòa carbon – hoặc giảm lượng khí thải carbon – trong các quá trình chuyển đổi CO2.'

Weckhuysen đặc biệt ấn tượng với lời giải thích mang tính cơ học củng cố tính ổn định của chất xúc tác molypden đặc biệt này cũng như sự xác nhận của các nhà nghiên cứu về nó thông qua thí nghiệm và lý thuyết. Nhà hóa học người Hà Lan nói: ‘Tôi nghĩ họ cần xem xét ảnh hưởng của tạp chất, bởi vì nhiều nguồn phát CO2 từ những nơi như luyện kim không chỉ là CO2: chúng còn chứa các nguyên tố khác, gồm kim loại. Câu hỏi đặt ra là liệu chất xúc tác có thực sự hoạt động ổn định trong những điều kiện vận hành thực tế khắc nghiệt hay không”.