Dùng đội quân nano trên chip, tìm ra phương pháp đột phá kiếm chất xúc tác

Trong nhiều năm, các nhà khoa học khắp thế giới đã tìm cách thay thế iridi - thứ kim loại quý hiếm và cực kỳ đắt đỏ, giữ vai trò then chốt trong quá trình sản xuất nhiên liệu hydro sạch.

Gần đây, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc xác định chất thay thế nhờ một công cụ mang tính đột phá, và họ chỉ mất một buổi để làm điều đó. Công trình nghiên cứu được công bố ngày 19.8 trên tạp chí Journal of the American Chemical Society (JACS).

Cuộc truy tìm chất thay thế iridi

Công cụ này được phát triển tại Đại học Northwestern, gọi là “megalibrary”. Được miêu tả như “nhà máy dữ liệu” vật liệu nano đầu tiên trên thế giới, một megalibrary chứa hàng triệu hạt nano được thiết kế tinh vi, sắp xếp gọn trên một con chip nhỏ không lớn hơn đầu ngón tay.

Phối hợp cùng Viện Nghiên cứu Toyota (TRI), nhóm nghiên cứu Northwestern đã dùng nền tảng này để xác định những chất xúc tác tiềm năng cho việc tạo hydro. Sau khi tìm được ứng viên sáng giá, họ nhanh chóng mở rộng quy mô và chứng minh rằng chất này hoạt động hiệu quả trong thiết bị thực tế, tất cả chỉ trong thời gian ngắn đáng kinh ngạc.

Megalibrary cho phép các nhà khoa học thử nghiệm vô số sự kết hợp của 4 loại kim loại phổ biến, rẻ và vốn đã được biết đến với khả năng xúc tác. Từ quá trình sàng lọc khổng lồ này, họ đã tìm ra một vật liệu hoàn toàn mới.

Trong các thử nghiệm, vật liệu này không chỉ sánh ngang mà trong một số trường hợp còn vượt trội hơn so với các chất xúc tác thương mại dựa trên iridi, trong khi chi phí chỉ bằng một phần nhỏ.

Ý nghĩa của phát hiện này không chỉ dừng lại ở việc hạ giá thành hydro xanh. Thành công ấy còn khẳng định tiềm năng của phương pháp megalibrary, có thể cách mạng hóa quy trình khám phá vật liệu mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Cách mới để tìm vật liệu tối ưu

Chad A. Mirkin - tác giả chính, nhà phát minh nền tảng megalibrary cho biết: “Trong dự án này, chúng tôi tập trung giải quyết một bài toán lớn của ngành năng lượng: Làm thế nào để tìm ra chất thay thế iridi vừa dồi dào, vừa dễ tiếp cận, lại rẻ hơn nhiều? Công cụ mới này đã giúp chúng tôi tìm ra ứng viên tiềm năng một cách nhanh chóng”.

Khi thế giới chuyển mình từ nhiên liệu hóa thạch sang khử carbon, hydro xanh giá rẻ nổi lên như một mảnh ghép quan trọng. Để sản xuất hydro sạch, các nhà khoa học thường dùng phương pháp điện phân nước, tách phân tử nước thành hydro và oxy.

Phản ứng tạo oxy (OER) trong quá trình này lại rất khó và kém hiệu quả. Nó chỉ thực sự tối ưu khi dùng xúc tác từ iridi, nhưng đây lại là kim loại cực hiếm, cực đắt, thường chỉ thu được phụ phẩm từ khai thác bạch kim. Trị giá của iridi còn cao hơn cả vàng, lên tới gần 5.000 USD/ounce.

Sargent nói: “Trữ lượng iridi trên thế giới hoàn toàn không đủ đáp ứng nhu cầu trong tương lai, Nếu muốn tạo hydro bằng cách tách nước, chỉ riêng yếu tố nguồn cung đã là rào cản lớn”.

Một “đạo quân” hạt nano trên chip

Mirkin, người giới thiệu megalibrary vào năm 2016, cùng Sargent đã chọn ứng dụng công cụ này để tìm chất thay thế iridi. Trước đây, khám phá vật liệu vốn là công việc chậm chạp, đầy thử - sai. Với megalibrary, quá trình ấy được rút ngắn chóng mặt.

Mỗi megalibrary được tạo nên từ hàng trăm nghìn đầu nhọn li ti hình kim tự tháp, dùng để in các “chấm” lên bề mặt. Mỗi chấm chứa hỗn hợp muối kim loại được thiết kế có chủ đích. Khi nung nóng, muối này chuyển thành hạt nano có kích thước và thành phần chính xác.

Mirkin giải thích: “Bạn có thể tưởng tượng mỗi đầu nhọn giống như một nhà nghiên cứu tí hon trong một phòng thí nghiệm tí hon, Thay vì một người làm một cấu trúc tại một thời điểm, bạn có cả triệu người cùng lúc. Về cơ bản, bạn có một đạo quân nghiên cứu trên một con chip”.

Chất xúc tác chiến thắng xuất hiện

Trong nghiên cứu mới, con chip chứa 156 triệu hạt nano, tạo nên từ các tổ hợp khác nhau của ruthenium, cobalt, mangan và chromium. Một máy quét tự động đánh giá khả năng xúc tác phản ứng OER của từng hạt.

Cuối cùng, một hợp chất nổi bật: sự kết hợp chính xác của cả bốn kim loại (Ru52Co33Mn9Cr6 oxide). Chất xúc tác đa kim loại thường tạo ra hiệu ứng cộng hưởng, khiến chúng hoạt động mạnh hơn chất xúc tác đơn kim.

Mirkin cho biết: “Chất xúc tác của chúng tôi thậm chí còn có hoạt tính nhỉnh hơn iridi, lại ổn định tuyệt vời. Điều này hiếm có, bởi ruthenium vốn kém ổn định, nhưng nhờ sự hiện diện của các nguyên tố khác đã giúp nó bền vững hơn”.

Điểm đột phá lớn là khả năng sàng lọc hạt để kiểm chứng hiệu suất thực tế. Joseph Montoya, nhà khoa học cấp cao tại TRI, đồng tác giả nghiên cứu, nói: “Lần đầu tiên, chúng tôi không chỉ sàng lọc nhanh chất xúc tác, mà còn thấy những ứng viên tốt nhất hoạt động hiệu quả khi mở rộng quy mô”.

Trong các thử nghiệm kéo dài, chất xúc tác mới vận hành hơn 1.000 giờ với hiệu suất cao và độ ổn định vượt trội trong môi trường axit khắc nghiệt. Chi phí cũng rẻ hơn iridi đến 16 lần.

Montoya chia sẻ: “Còn nhiều việc phải làm để thương mại hóa, nhưng điều đáng mừng là chúng tôi có thể nhanh chóng xác định được chất xúc tác đầy hứa hẹn, không chỉ ở quy mô phòng thí nghiệm, mà cả trong thiết bị thực tế”.

Vượt ra ngoài hydro: bức tranh lớn hơn

Việc tạo ra bộ dữ liệu khổng lồ về vật liệu chất lượng cao từ megalibrary còn mở đường cho trí tuệ nhân tạo (AI) và máy học thiết kế thế hệ vật liệu mới. Northwestern, TRI và Mattiq – một công ty khởi nghiệp từ Northwestern – đã phát triển thuật toán máy học để quét qua megalibrary với tốc độ kỷ lục.

Mirkin cho rằng đây chỉ mới là khởi đầu. Với AI, phương pháp này có thể mở rộng ra ngoài chất xúc tác, cách mạng hóa việc tìm kiếm vật liệu cho hầu như mọi công nghệ, từ pin, thiết bị y sinh đến linh kiện quang học tiên tiến.

Mirkin lạc quan: “Chúng tôi sẽ tìm kiếm mọi loại vật liệu cho pin, năng lượng nhiệt hạch và nhiều thứ khác. Thế giới hiện không hề sử dụng những vật liệu tối ưu. Con người tìm ra vật liệu tốt nhất trong quá khứ, dựa trên công cụ họ có, rồi xây dựng cả hạ tầng khổng lồ quanh chúng. Và chúng ta bị mắc kẹt với điều đó. Chúng tôi muốn đảo ngược thực trạng ấy. Đã đến lúc thật sự tìm ra những vật liệu tốt nhất cho mọi nhu cầu – không đắn đo gì nữa”.

Bùi Tú