Gửi bình luận
Các chất xúc tác để biến đổi khí nhà kính CO2, thường làm từ vàng hay bạch kim rất đắt đỏ. Nhưng giờ, các nhà nghiên cứu đã khám phá ra cơ chế tạo chất xúc tác rẻ tiền hơn.
Carbon dioxide (CO2), một loại khí nhà kính tích tụ trong khí quyển, đóng một vai trò quan trọng trong biến đổi khí hậu. Để giảm thiểu tác động của nó, việc chuyển đổi CO2 thành các sản phẩm carbon có lợi là một chiến lược khả thi. Một nghiên cứu gần đây đã khám phá phương pháp này bằng 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 này đẩy nhanh quá trình chuyển đổi CO2 thành carbon monoxide (CO), một loại khí có giá trị có thể được sử dụng để sản xuất các hợp chất quan trọng khác.
CO2 là một phân tử rất ổn định, khiến cho việc chuyển đổi nó thành các phân tử khác rất khó khăn. Chất xúc tác có thể được sử dụng trong các phản ứng hóa học nhằm giảm lượng năng lượng cần thiết để hình thành hoặc phá vỡ liên kết hóa học và được sử dụng trong phản ứng dịch chuyển khí nước ngược (RWGS) để chuyển CO2 và khí hydro (H2) thành CO và nước (H2O). Điều quan trọng là khí CO tạo ra từ phản ứng được gọi là khí tổng hợp khi kết hợp với H2 và có thể được sử dụng làm nguồn carbon để tạo ra các hợp chất quan trọng khác.
Những tiến bộ trong công nghệ xúc tác
Chất xúc tác truyền thống trong phản ứng RWGS tường được làm từ kim loại quý, gồm bạch kim (Pt), palladium (Pd) và vàng (Au), hạn chế hiệu quả của phản ứng vì giá thành đắt đỏ. Do đó, các vật liệu xúc tác và phương pháp hình thành mới được phát triển theo hướng giúp tăng tính thực tiễn của phản ứng RWGS. Chỉ khi giá thành giảm thì mới có thể coi đó một biện pháp hữu hiệu giảm lượng CO2 trong khí quyển và tạo ra khí tổng hợp.
Để giải quyết vấn đề chi phí của chất xúc tác RWGS truyền thống, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Illinois ở Urbana-Champaign đã nghiên cứu sự hình thành và hoạt tính xúc tác của chất xúc tác β-Mo2C dạng hạt nano trộn với chất phụ gia SiO2 giúp tạo phản ứng RWGS. Nhóm đã công bố nghiên cứu của họ trên tạp chí Carbon Future vào ngày 30 tháng 4.
Hong Yang, giáo sư chủ nhiệm Alkire tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử tại Đại học Illinois và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Xã hội đang hướng tới một nền kinh tế trung hòa carbon. Carbon dioxide là một loại khí nhà kính, do đó bất kỳ công nghệ nào có thể phá vỡ liên kết carbon-oxide trong phân tử này và biến carbon thành một hóa chất có giá trị đều đáng được quan tâm. Một hóa chất C1 quan trọng là carbon monoxide, là nguyên liệu thiết yếu để sản xuất nhiều loại sản phẩm, chẳng hạn như nhiên liệu tổng hợp và vitamin A”.
Cấu trúc và hiệu quả xúc tác
Cụ thể, các nhà nghiên cứu đã tổng hợp được chất xúc tác hạt nano β-Mo2C được hấp thụ trên nền chất phụ gia SiO2 (β-Mo2C/SiO2). Cấu trúc vô định hình của SiO2 rất quan trọng đối với sự hình thành, hoạt động và độ ổn định của hạt nano β-Mo2C/SiO2. Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm thêm các oxit Caesium (Ce), magie (Mg), titan (Ti) và nhôm (Al) làm chất dẫn tiềm năng, nhưng chất xúc tác với phụ gia SiO2 tạo ra hiệu suất tốt nhất ở nhiệt độ 650°C.
Siying Yu, nghiên cứu sinh tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử tại Đại học Illinois, cũng là đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Có vẻ như bản chất hỗn loạn của silica vô định hình, hoạt động giống như keo với các hạt nano xúc tác, là yếu tố then chốt dẫn đến thành công của chúng tôi trong việc đạt được tải lượng kim loại cao và hoạt tính cao tương ứng”.
Điều quan trọng là cấu trúc của chất phụ gia SiO2 cải thiện hoạt tính xúc tác của β-Mo2C gấp 8 lần so với chỉ dùng β-Mo2C số lượng lớn. Ngay cả khi hoạt tính xúc tác của β-Mo2C đơn thuần được đẩy lên tối đa, bộ đôi chất xúc tác β-Mo2C/SiO2 vẫn thể hiện khả năng chuyển đổi CO cao và độ ổn định cao hơn trong các phản ứng RWGS.
Andrew Kuhn, cựu sinh viên tốt nghiệp Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử tại Đại học Illinois, cũng là tác giả của nghiên cứu cho biết: “Một khám phá quan trọng trong công việc của chúng tôi là một quy trình mới để sản xuất chất xúc tác chứa nhiều kim loại làm từ hạt nano cacbua molypden. Các chất xúc tác cacbua kim loại như vậy được phát triển để chuyển đổi carbon dioxide thành carbon monoxide với tốc độ nhanh và độ chọn lọc cao”.
Các nhà nghiên cứu đã thực hiện nghiên cứu của họ trong điều kiện phản ứng thuận lợi cho việc chuyển đổi thành khí CO, với tỷ lệ H2:CO2 bằng 1:1. Tỷ lệ này khác với tỷ lệ được thử nghiệm phổ biến hơn là 3:1. Phản ứng cũng được thực hiện ở nhiệt độ từ 300 đến 600 độ C. Trong những điều kiện này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra CO đậm đặc hơn, hiệu quả hơn cho quá trình tổng hợp hợp chất tiếp theo.
Nhóm nghiên cứu coi nghiên cứu này là điểm khởi đầu cho các chất xúc tác khác để tăng cường hoạt động chuyển đổi khí nhà kính. Yang cho biết: “Khả năng tổng hợp vật liệu nano cacbua kim loại nguyên chất pha ở mức tải cao của chúng tôi mở ra cơ hội phát triển các chất xúc tác mới cho quá trình hấp thụ CO2. Tôi hy vọng thông qua nghiên cứu chuyên sâu về mối quan hệ tổng hợp-cấu trúc-tính chất của chất xúc tác này, chúng tôi sẽ sớm có thể khám phá những ứng dụng quan trọng mới để chuyển đổi CO2 và giúp nền kinh tế của toàn cầu phát triển bền vững”.
