Phát hiện vai trò 'ông trùm' điều khiển chất xúc tác trong phản ứng hóa học

Chất xúc tác đóng một vai trò quan trọng trong nhiều công nghệ hóa học, điển hình như làm sạch khí thải và sản xuất các chất mang năng lượng và hóa chất có giá trị. Thông thường, một lượng nhỏ các chất khác, được gọi là “chất xúc tiến” hay còn gọi là “chất gia tốc lưu hóa”, được thêm vào chất xúc tác để nâng cao hiệu quả của chúng. Những chất xúc tiến này, mặc dù đóng vai trò quan trọng trong công nghệ, nhưng lại vô cùng khó nghiên cứu.

Trong hầu hết các trường hợp, việc xác định lượng chất xúc tiến nào có tác dụng gì lên chất xúc tác là một quá trình phải thử kiểu mò mẫm nhiều lần và ít khi ra được ngay đáp án như kỳ vọng. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại TU Wien đã quan sát được trực tiếp vai trò của chất xúc tiến lanthanum trong quá trình oxy hóa hydro. Sử dụng phương pháp kính hiển vi công nghệ cao, họ đã hình dung được vai trò của từng nguyên tử La.

Nghiên cứu của họ tiết lộ rằng diện tích bề mặt của chất xúc tác đóng vai trò tương tự như là máy điều hòa nhịp tim, hay như nhạc trưởng trong một dàn nhạc. Còn chất xúc tiến lại đóng vai trò quan trọng hơn là điều khiển luôn cả "máy điều hòa nhịp tim" hay "nhạc trưởng". Kết quả của nghiên cứu này hiện đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Xem phản ứng trực tiếp

Giáo sư Günther Rupprechter từ Viện Hóa học Vật liệu tại TU Wien cho biết: “Nhiều quá trình hóa học sử dụng chất xúc tác ở dạng hạt nano nhỏ. Mặc dù hiệu suất của chất xúc tác có thể được xác định dễ dàng thông qua việc phân tích sản phẩm nhưng không thể thu được những hiểu biết sâu sắc của phương pháp này”.

Nhưng điều này bây giờ đã thay đổi. Trong nhiều năm, Günther Rupprechter và nhóm của ông đã phát triển các phương pháp tinh vi cho phép quan sát trực tiếp từng hạt nano trong một phản ứng hóa học. Điều này cho phép chúng ta xem hoạt động thay đổi như thế nào ở mỗi vị trí khác nhau trên các hạt nano này trong quá trình phản ứng.

Günther Rupprechter cho biết: “Chúng tôi sử dụng các nano rhodium trong thí nghiệm. Chúng có thể đóng vai trò là chất xúc tác, chẳng hạn như khi hydro và oxy kết hợp để tạo thành các phân tử nước - phản ứng mà chúng tôi đang kiểm tra chi tiết”.

Trong những năm gần đây, nhóm TU Wien đã chứng minh rằng các vùng khác nhau của bề mặt hạt nano thể hiện các “hành vi” khác nhau: chúng dao động giữa trạng thái hoạt động và trạng thái không hoạt động. Đôi khi, phản ứng hóa học mong muốn xảy ra ở một số vị trí nhất định, trong khi ở những thời điểm khác thì không.

Sử dụng kính hiển vi chuyên dụng, nhóm đã chứng minh rằng nhiều dao động như vậy xảy ra song song trên mỗi hạt nano và tất cả chúng đều ảnh hưởng lẫn nhau. Một số vùng nhất định trên bề mặt hạt nano, thường chỉ rộng cỡ vài đường kính nguyên tử, đóng vai trò quan trọng hơn những vùng khác. Nói tóm lại, chúng hoạt động như những “máy điều hòa nhịp tim” hiệu quả cao, thậm chí còn kiểm soát các dao động hóa học của các vùng khác.

Giờ đây, các chất xúc tiến có thể can thiệp vào hành vi của “máy điều hòa nhịp tim” này và đó chính xác là những gì mà phương pháp được phát triển tại TU Wien đang được các nhà nghiên cứu sử dụng để khám phá. Khi rhodium được sử dụng làm chất xúc tác, lanthanum có thể đóng vai trò là chất xúc tiến cho các phản ứng xúc tác.

Các nguyên tử lanthanum riêng lẻ được đặt trên bề mặt nhỏ bé của hạt nano rhodium. Cùng một phương pháp, thử nghiệm được tiến hành cả khi có và không có chất xúc tiến. Cách tiếp cận này tiết lộ chi tiết tác động cụ thể của từng nguyên tử lanthanum đến tiến trình phản ứng hóa học.

Lanthanum thay đổi mọi thứ

Maximilian Raab, Johannes Zeininger và Carla Weigl đã thực hiện các thí nghiệm này. Maximilian Raab nói: “Sự khác biệt là rất lớn. Một nguyên tử lanthanum có thể liên kết với oxy và điều đó làm thay đổi động lực của phản ứng xúc tác”. Lượng lanthanum nhỏ làm thay đổi sự liên kết giữa các khu vực khác nhau của hạt nano.

Johannes Zeininger giải thích: “Lanthanum có thể vô hiệu hóa một cách có chọn lọc một số “máy tạo nhịp tim nhất định”. Hãy tưởng tượng một dàn nhạc có hai nhạc trưởng - chúng ta sẽ nghe thấy những bản nhạc khá hỗn độn. Khi xuất hiện người trong ban tổ chức đảm bảo rằng chỉ còn lại một nhạc trưởng, tình hình trở nên đơn giản và trật tự hơn” (xem hình trên).

Nhóm nghiên cứu còn được hỗ trợ bởi Alexander Genest và Yuri Suchorski, những người đã phát triển một phần mềm toán học để mô phỏng sự kết hợp giữa các vùng riêng lẻ của hạt nano. Cách tiếp cận này giúp mô tả mạnh mẽ hơn vai trò xúc tác hóa học so với trước đây.

Không chỉ dựa trên đầu vào và đầu ra của một phản ứng, mà trong một mô hình phức tạp, nó còn xem xét các khu vực khác nhau của chất xúc tác chuyển đổi giữa hoạt động và không hoạt động cũng như được kiểm soát bởi các chất xúc tiến và tác động ảnh hưởng qua lại lẫn nhau .