Các nhà hóa học thiết kế phương pháp mới để tạo ra nhiên liệu bền vững
Sơ đồ cấu trúc giao diện. Nhà cung cấp: Chất xúc tác tự nhiên (2024). DOI: 10.1038/s41929-024-01190-9
Các nhà hóa học đã nghiên cứu tổng hợp các vật liệu có giá trị cao từ các phân tử chất thải trong nhiều năm. Giờ đây, sự hợp tác quốc tế của các nhà khoa học đang tìm cách sử dụng điện để hợp lý hóa quy trình.
Trong nghiên cứu của họ, được xuất bản trong Nature Catalysis, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng carbon dioxide, một khí nhà kính, có thể được chuyển đổi thành một loại nhiên liệu lỏng gọi là metanol theo cách hiệu quả cao.
Quá trình này xảy ra bằng cách lấy các phân tử coban phthalocyanine (CoPc) và trải đều trên các ống nano carbon, những ống giống như graphene có đặc tính điện độc đáo. Trên bề mặt của chúng là dung dịch điện phân, bằng cách cho một dòng điện chạy qua dung dịch này, cho phép các phân tử CoPc nhận electron và sử dụng chúng để biến carbon dioxide thành metanol.
Bằng cách sử dụng một phương pháp đặc biệt dựa trên quang phổ tại chỗ để hình dung phản ứng hóa học, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã thấy những phân tử đó tự chuyển đổi thành metanol hoặc carbon monoxide, đây không phải là sản phẩm mong muốn. Họ phát hiện ra rằng con đường phản ứng diễn ra được quyết định bởi môi trường nơi phân tử carbon dioxide phản ứng.
Việc điều chỉnh môi trường này bằng cách kiểm soát cách phân bổ chất xúc tác CoPc trên bề mặt ống nano carbon cho phép carbon dioxide có khả năng tạo ra metanol cao gấp 8 lần, một phát hiện có thể làm tăng hiệu quả của các quá trình xúc tác khác và có tác động rộng rãi đến các quá trình khác. Robert Baker, đồng tác giả của nghiên cứu và là giáo sư hóa học và hóa sinh tại Đại học bang Ohio cho biết.
Ông nói: “Khi bạn lấy carbon dioxide và chuyển nó thành một sản phẩm khác, bạn có thể tạo ra rất nhiều phân tử khác nhau. "Manol chắc chắn là một trong những loại được ưa chuộng nhất vì nó có mật độ năng lượng cao và có thể được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu thay thế."
Mặc dù việc biến các phân tử chất thải thành sản phẩm hữu ích không phải là một hiện tượng mới, nhưng cho đến nay, các nhà nghiên cứu thường không thể theo dõi phản ứng thực sự diễn ra như thế nào, một hiểu biết sâu sắc quan trọng để có thể tối ưu hóa và cải thiện quy trình.
Baker, người chuyên về hóa học bề mặt, nghiên cứu về cách thức hóa học, cho biết: “Chúng tôi có thể tối ưu hóa theo kinh nghiệm cách thức hoạt động của một thứ gì đó, nhưng chúng tôi không thực sự hiểu điều gì khiến nó hoạt động hoặc điều gì khiến một chất xúc tác hoạt động tốt hơn chất xúc tác khác”. phản ứng thay đổi khi chúng xảy ra trên bề mặt của các vật thể khác nhau. "Đây là những điều rất khó trả lời."
Nhưng với sự trợ giúp của các kỹ thuật đặc biệt và mô hình máy tính, nhóm nghiên cứu đã tiến gần hơn đáng kể đến việc nắm bắt được quy trình phức tạp. Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một loại quang phổ rung động mới, cho phép họ xem cách các phân tử hoạt động trên bề mặt, Quansong Zhu, tác giả chính của nghiên cứu và cựu Học giả Tổng thống bang Ohio, người có các phép đo đầy thách thức rất quan trọng đối với khám phá này cho biết.
Zhu cho biết: “Dựa vào dấu hiệu rung động của chúng, chúng tôi có thể biết rằng đó là cùng một phân tử nằm trong hai môi trường phản ứng khác nhau”. “Chúng tôi có thể liên hệ rằng một trong những môi trường phản ứng đó chịu trách nhiệm sản xuất metanol, một loại nhiên liệu lỏng có giá trị.”
Theo nghiên cứu, phân tích sâu hơn cũng cho thấy các phân tử này tương tác trực tiếp với các hạt siêu tích điện gọi là cation giúp tăng cường quá trình hình thành metanol.
Baker cho biết cần có nhiều nghiên cứu hơn để tìm hiểu thêm về những khả năng khác mà các cation này có thể mang lại, nhưng phát hiện như vậy là chìa khóa để đạt được phương pháp tạo ra metanol hiệu quả hơn.
Baker cho biết: “Chúng tôi đang thấy những hệ thống rất quan trọng và đang tìm hiểu những điều mà chúng tôi đã thắc mắc từ lâu”. "Hiểu được tính chất hóa học độc đáo xảy ra ở cấp độ phân tử thực sự quan trọng để kích hoạt các ứng dụng này."
Ngoài việc là nhiên liệu chi phí thấp cho các phương tiện như máy bay, ô tô và tàu vận tải, metanol được sản xuất từ điện tái tạo còn có thể được sử dụng để sưởi ấm và phát điện cũng như thúc đẩy các khám phá hóa học trong tương lai.
Baker cho biết: “Có rất nhiều điều thú vị có thể xảy ra tiếp theo dựa trên những gì chúng tôi đã học được ở đây và một số trong số đó chúng tôi đã bắt đầu thực hiện cùng nhau”. "Công việc đang diễn ra."
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
