Phát hiện mới về chất xúc tác

Các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Virginia, Hoa Kỳ, đã xác định được vị trí cụ thể gây ra sự kích hoạt các phân tử oxy để tạo ra một phản ứng oxy hóa trên bề mặt của chất xúc tác.

Nói đến chất xúc tác thì hầu hết mọi người sẽ nghĩ đến một thiết bị kiểm soát lượng khí thải trong hệ thống ống xả của xe ô tô nhằm cắt giảm ô nhiễm.

Hình ảnh của một vị trí xúc tác kép gây kích hoạt xúc tác của một phân tử oxy (xanh đậm) ở chu vi của một hạt nano vàng được tổ chức trên chất nền điôxít titan. Một phân tử carbon dioxide được sản xuất bởi quá trình oxy hóa của khí carbon monoxide hấp thụ được giải phóng.

Nhưng chất xúc tác cũng được sử dụng cho hàng loạt mục đích khác, bao gồm cả việc chuyển đổi dầu khí và các nguồn tài nguyên tái tạo thành nhiên liệu, cũng như trong quá trình sản xuất nhựa, phân bón, sơn, dung môi, dược phẩm… Khoảng 20% ​​tổng sản phẩm quốc nội ở Hoa Kỳ phụ thuộc vào chất xúc tác để tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng hóa học cần thiết xảy ra, nhằm tạo ra nhiều sản phẩm cho cuộc sống hàng ngày.

Chất xúc tác là nguyên vật liệu, kích hoạt phản ứng hóa học mong muốn mà không tự biến đổi trong toàn bộ quá trình. Điều này cho phép các chúng được sử dụng liên tục bởi vì chúng không dễ dàng bị hư hỏng và không bị tiêu hao trong các phản ứng hóa học này.

Lâu nay, các nhà hóa học đã phát hiện và tinh chế nhiều chất xúc tác và tiếp tục làm như vậy, mặc dù các chi tiết của các cơ chế mà họ làm việc thường không được hiểu rõ.

Trong quá trình hợp tác nghiên cứu khoa học tại Đại học Virginia, Hoa Kỳ, lần đầu tiên các nhà khoa học xác định được vị trí cụ thể gây ra sự kích hoạt các phân tử oxy để tạo ra một phản ứng oxy hóa trên bề mặt của chất xúc tác, đã làm sáng tỏ các hoạt động bên trong của quá trình xúc tác. Nghiên cứu trên được thực hiện bởi John Yates, giáo sư hóa học tại trường Cao đẳng và Trường đại học Nghệ thuật & Khoa học và Matthew Neurock, giáo sư kỹ thuật hóa học tại Trường Kỹ thuật và Khoa học ứng dụng.

Kết quả của nghiên cứu trên đã được đăng tải trên tạp chí Science, số ra ngày 5 tháng 8 năm 2011.

Yates nói rằng khám phá này có ý nghĩa to lớn đối với sự hiểu biết về chất xúc tác nhằm tận dụng khả năng tiềm ẩn của nhiều loại vật liệu, bởi vì phản ứng oxy hóa trên bề mặt của chất xúc táclà rất quan trọng trong một số ứng dụng công nghệ.

“Chúng tôi có cả hai công cụ thử nghiệm, chẳng hạn như quang phổ kế và các công cụ lý thuyết, chẳng hạn như hóa học tính toán, hiện nay cho phép chúng ta nghiên cứu chất xúc tác ở cấp độ nguyên tử,” Yates nói thêm. “Chúng tôi có thể tập trung vào và nhận ra các vị trí cụ thể mà chất xúc tác có thể tạo ra hiệu quả cao nhất. Những gì chúng tôi đã phát hiện ra, sẽ được sử dụng rộng rãi để tạo ra các chất xúc tác cho tất cả các loại phản ứng xúc tác.”

Bằng cách sử dụng một chất nền điôxít titan nắm giữ kích cỡ nanomet hạt vàng, các nhà hóa học và kỹ sư hóa học tìm thấy một vị trí đặc biệt phục vụ như một chất xúc tác và chu vi của chất nền điôxít titan và hạt vàng. “Các vị trí này đặc biệt vì nó liên quan đến các liên kết của một phân tử oxy với một nguyên tử vàng và một nguyên tử kề Titan trong chất nền điôxít titan,’ Yates nói. ‘Các hạt vàng và chất nền điôxít titan, cũng không thể hiện các hoạt động xúc tác này khi nghiên cứu chúng một cách riêng lẻ.“

Bằng cách sử dụng các phép đo quang phổ kết hợp với lý thuyết, nhóm nghiên cứu của Yates và Neurock đã có thể làm biến đổi phân tử cụ thể và xác định chính xác nơi phản ứng này xảy ra trên bề mặt các chất xúc tác.

Công việc thực nghiệm và lý thuyết, dưới sự hướng dẫn của Yates và Neurock, được thực hiện bởi Isabel Green, Tiến sĩ thực tập ngành hóa học, và Wenjie Tang, một nhà nghiên cứu trong kỹ thuật hóa học. Họ đã chứng minh rằng hoạt động xúc tác quan trọng xảy ra tại các vị trí đặc biệt được hình thành trong khu vực vành đai giữa các hạt vàng và chất nền điôxít titan.

“Chúng tôi gọi đây là vị trí xúc tác kép bởi vì có liên quan đến hai nguyên tử khác nhau“, Yates nói.

Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng một phân tử oxy liên kết hóa học với một nguyên tử vàng ở rìa của cụm hạt vàng và một nguyên tử Titan lân cận trên chất nền điôxít titan phản ứng với phân tử ôxít cácbon hút bám để tạo thành cácbon điôxít. Bằng cách sử dụng quang phổ học, các nhà nghiên cứu có thể làm tiêu hao ôxít các bon tại vị trí kép.

“Đây là vị trí cụ thể gây ra các kích hoạt các phân tử oxy để tạo ra một phản ứng oxy hóa trên bề mặt của chất xúc tác“, Yates nói.

Nghiên cứu này nhận được tài trợ từ bộ phận nghiên cứu năng lượng cơ bản thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.