Các kỹ sư hóa học phác thảo lộ trình nghiên cứu 'bọt biển' kim loại để sản xuất hydro sạch
Phim hoạt hình về cấu trúc khung hữu cơ kim loại, mang lại hiệu quả tăng cường cho cả quá trình sản xuất hydro và oxy sạch. Nhà cung cấp hình ảnh: Polyoxometalates, Nhà xuất bản Đại học Thanh Hoa
Khung kim loại hữu cơ (MOF) có thể mang lại hiệu quả lớn cho quá trình sản xuất hydro sạch bằng xúc tác quang. Các kỹ sư hóa học đã phác thảo một cái nhìn tổng quan toàn diện về tình trạng lĩnh vực của họ và kế hoạch về lĩnh vực cần tập trung.
Sản xuất hydro sạch vẫn là một đề xuất tiêu tốn nhiều năng lượng và do đó tốn kém, cản trở cuộc chiến chống lại sự nóng lên toàn cầu. Các khung hữu cơ kim loại – thực chất là các 'bọt biển' phân tử cực nhỏ - có vẻ sẽ cải thiện triệt để hiệu quả sản xuất hydro bằng xúc tác quang nhờ các đặc tính cấu trúc độc đáo của chúng, nhưng nghiên cứu về chủ đề này phải đối mặt với những thách thức đáng kể. Một nhóm kỹ sư hóa học đã đưa ra cái nhìn tổng quan về hiện trạng của lĩnh vực này cùng với lộ trình về những lĩnh vực cần tập trung điều tra để có nhiều khả năng đạt được tiến bộ nhất.
Bài đánh giá của họ đã được xuất bản trên tạp chí Polyoxometalates vào ngày 4 tháng 8 năm 2023.
Hydro sẽ cần thiết cho quá trình chuyển đổi sạch khỏi nhiên liệu hóa thạch, dù là cơ chế lưu trữ năng lượng, đầu vào cho nhiên liệu sạch hay nhiên liệu sạch trực tiếp hay để sản xuất thép đã khử cacbon và amoniac. Nhưng bản thân hydro phải được sản xuất sạch, từ việc tách nước thành các bộ phận cấu thành.
Thật không may, việc tách nước như vậy tiêu tốn nhiều năng lượng, làm tăng chi phí sản xuất hydro sạch. Nếu hydro sạch sẽ cạnh tranh với việc sản xuất hydro bẩn – thường thông qua quá trình phân tách khí metan, một loại khí nhà kính – thì quá trình phân tách nước cần phải đạt được một số mức tăng đáng kể về hiệu quả.
Một giải pháp nâng cao hiệu quả được thảo luận rộng rãi đến từ việc tách nước bằng quang xúc tác với sự hỗ trợ của khung hữu cơ kim loại hay MOF.
Đầu tiên, năng lượng từ ánh sáng mặt trời sẽ kích hoạt chất xúc tác quang – một vật liệu khởi động và tăng tốc độ phản ứng tách nước. Tiếp theo, hãy tưởng tượng một cấu trúc giống Lego, nhưng thay vào đó, các viên gạch Lego được làm từ các cụm kim loại—một nhóm lớn các nguyên tử kim loại—và các đầu nối (hoặc "trình liên kết") giữa chúng là các phân tử hữu cơ.
Những cấu trúc này tạo thành mạng lưới 3D xốp hoạt động giống như cách bọt biển hấp thụ chất lỏng vào lỗ chân lông của chúng. Nhưng những 'bọt biển' hữu cơ kim loại này hay nói đúng hơn là các khung hữu cơ kim loại (MOF) nhỏ đến mức chúng hoạt động ở cấp độ phân tử, cho phép các nhà khoa học bẫy, lưu trữ hoặc tách các loại khí và hóa chất khác nhau bên trong.
MOF có thể là tác nhân thay đổi cuộc chơi trong quá trình phân tách nước bằng quang xúc tác do các đặc tính độc đáo của chúng, đặc biệt là về khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời, khởi động toàn bộ quá trình phân tách nước bằng quang xúc tác.
Nghiên cứu về vai trò của MOF đối với quá trình phân tách nước bằng quang xúc tác đã bùng nổ trong những năm gần đây và vì vậy các tác giả cảm thấy đã đến lúc phải đưa ra một bài báo đánh giá khoa học về chủ đề này. Các bài báo đánh giá khoa học giống như những album nhạc "hay nhất" dành cho khoa học, tập hợp tất cả những khám phá và hiểu biết nổi bật về một chủ đề thành một tổng quan toàn diện. Chúng đóng vai trò như la bàn cho cộng đồng khoa học, tóm tắt các nghiên cứu trước đây để định hướng cho những khám phá trong tương lai và giúp các nhà nghiên cứu xây dựng dựa trên kiến thức hiện có thay vì phát minh lại bánh xe.
Bài đánh giá trước tiên nêu ra những ưu điểm chính của MOF ở đây. Một số MOF có thể hấp thụ ánh sáng mặt trời và sau đó có thể truyền năng lượng sang các vật liệu khác hoặc sử dụng trực tiếp để thúc đẩy phản ứng tách nước.
Hơn nữa, hiệu suất của chất xúc tác quang phần lớn phụ thuộc vào khả năng kích thích các electron để nhảy một 'khoảng trống' từ mức hóa trị của nguyên tử lên mức dẫn của nó – nơi mà các electron bị kích thích này hiện có thể chảy tự do trong dòng điện. MOF có thể được thiết kế và sửa đổi để tối ưu hóa khoảng trống dải tần, khiến chúng phù hợp hơn cho việc hấp thụ ánh sáng khả kiến.
Huan Pang, một trong những tác giả của bài báo và là kỹ sư hóa học tại Trường Hóa học và Kỹ thuật Hóa học, Đại học Dương Châu, cho biết: “MOF cũng có diện tích bề mặt lớn do tính chất xốp của chúng”. "Hãy nghĩ đến tất cả diện tích bề mặt bên trong bao bọc các lỗ chân lông."
Diện tích bề mặt tăng thêm này có nghĩa là MOF cung cấp nhiều vị trí hơn để các phản ứng hóa học phân tách nước có thể diễn ra – những vị trí được gọi là “các vị trí hoạt động”. Nhiều nơi hơn cho những phản ứng đó có nghĩa là hiệu quả tách nước cao hơn.
MOF cũng có thể đóng vai trò hỗ trợ cho các vật liệu xúc tác quang khác, đảm bảo chúng vẫn ổn định và phân tán. Điều này có thể ngăn chặn sự kết tụ (kết tụ lại với nhau) của các hạt quang xúc tác, có thể làm giảm hiệu quả của chúng.
Yang An, đồng tác giả của bài báo tại Viện Vật liệu và Năng lượng Đổi mới tại Đại học Dương Châu, cho biết thêm: “Và một trong những lợi thế lớn nhất của MOF là tính linh hoạt tuyệt đối của chúng”. "Các kỹ sư hóa học có thể tùy chỉnh cấu trúc MOF bằng cách chọn các đáp ứng khác nhau
và các chất liên kết hữu cơ, cho phép thiết kế MOF được thiết kế đặc biệt để tách nước bằng quang xúc tác hiệu quả."
Các tác giả cũng đưa ra một số hướng hứa hẹn nhất để cải thiện việc sử dụng MOF cho quá trình tách nước bằng quang xúc tác, đặc biệt là phát triển MOF với các vị trí hoạt động kép—các vị trí cho cả hai phần của phản ứng hóa học tách nước—“phản ứng tiến hóa hydro”. và "phản ứng tạo oxy."
Các vị trí hoạt động kép có thể cung cấp nhiều vị trí hoạt động hơn cho quá trình hấp phụ (quá trình trong đó các phân tử của một chất tự gắn vào bề mặt của một chất khác) và kích hoạt các phân tử nước. Bài báo đề xuất rằng có thể đạt được vị trí hoạt động kép bằng cách đưa hai loại ion kim loại hoặc chất liên kết hữu cơ khác nhau vào cấu trúc MOF hoặc bằng cách đưa chất đồng xúc tác (vật liệu được sử dụng kết hợp với chất xúc tác quang để nâng cao hiệu suất của nó, trong trường hợp này chẳng hạn như kim loại quý) lên bề mặt MOF.
Tuy nhiên, bài báo cũng lưu ý rằng việc thiết kế và tổng hợp MOF với các vị trí hoạt động kép vẫn là một nhiệm vụ đầy thách thức. Điều này là do nó đòi hỏi phải kiểm soát chính xác cấu trúc và thành phần của MOF.
Ngoài ra, việc đưa hai loại ion kim loại hoặc liên kết hữu cơ khác nhau vào cấu trúc MOF hoặc đưa chất đồng xúc tác lên bề mặt MOF có thể ảnh hưởng đến tính ổn định và hoạt động của MOF. Các tác giả kết luận rằng việc thúc đẩy sự phát triển của MOF với các vị trí hoạt động kép đòi hỏi phải xem xét cẩn thận các yếu tố như kích thước và hình dạng của tinh thể MOF, cũng như sự sắp xếp của các nguyên tử xung quanh ion kim loại trung tâm của MOF và sự tương tác giữa MOF và chất đồng xúc tác.
Cuối cùng, bài báo gợi ý rằng hiệu suất của MOF với các vị trí hoạt động kép có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như lượng tải và sự phân bố của chất đồng xúc tác, diện tích bề mặt và độ xốp của MOF cũng như các điều kiện phản ứng.
