PHÁP LUẬT — Các nhà hóa học tại Đại học Kansas và Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã thực hiện một bước tiến lớn trong việc tách các phân tử hydro và oxy để tạo ra hydro tinh khiết — mà không sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Kết quả từ các thí nghiệm phân giải phóng xạ xung đã vạch ra cơ chế phản ứng hoàn chỉnh cho một nhóm chất xúc tác “tách nước” quan trọng. Công việc của KU và Brookhaven có nghĩa là các nhà khoa học đang tiến gần hơn đến việc tạo ra hydro tinh khiết từ năng lượng tái tạo, một nguồn năng lượng có thể đóng góp vào một tương lai xanh hơn cho quốc gia và thế giới.
Phát hiện của họ xuất hiện trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia trong tuần này.
James Blakemore, phó giáo sư hóa học, đồng tác giả cho biết: “Hiểu được cách thức các phản ứng hóa học tạo ra nhiên liệu sạch như hydro hoạt động là một thách thức - bài báo này đại diện cho đỉnh cao của một dự án mà tôi đã bắt đầu trong năm đầu tiên tại KU. nghiên cứu ở Lawrence tạo thành cơ sở của khám phá.
Ông nói: “Bài báo của chúng tôi trình bày dữ liệu đã khó giành được từ các kỹ thuật chuyên ngành để hiểu cách thức một chất xúc tác nhất định để tạo ra hydro thực hiện công việc. “Các kỹ thuật đã được sử dụng ở cả KU và Brookhaven đều khá chuyên biệt. Việc triển khai những điều này cho phép chúng tôi có được bức tranh toàn cảnh về cách tạo ra hydro từ các bộ phận cấu thành của nó, proton và electron.”
Nghiên cứu của Blakemore tại KU là nền tảng của bước đột phá. Anh ấy đã mang công việc của mình đến Brookhaven để nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích phóng xạ xung, cũng như các kỹ thuật khác, tại Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Máy gia tốc của họ. Brookhaven là một trong hai nơi duy nhất trên toàn quốc có thiết bị cho phép thực hiện các thí nghiệm phóng xạ xung.
“Rất hiếm khi bạn có thể hiểu đầy đủ về một chu trình xúc tác đầy đủ,” nhà hóa học Dmitry Polyansky của Brookhaven, đồng tác giả của bài báo cho biết. “Những phản ứng này trải qua nhiều bước, một số trong đó diễn ra rất nhanh và không thể dễ dàng quan sát được.”
Blakemore và các cộng tác viên của ông đã khám phá ra điều này bằng cách nghiên cứu một chất xúc tác dựa trên phức hợp pentametylcyclopentadienyl rhodium, viết tắt là [Cp*Rh]. Họ tập trung vào phối tử Cp* (phát âm là CP-“sao”) được ghép nối với kim loại hiếm rhodium vì gợi ý từ công việc trước đó cho thấy rằng sự kết hợp này sẽ phù hợp với công việc.
Blakemore nói: “Hệ thống rhodium của chúng tôi hóa ra là một mục tiêu tốt cho quá trình phân tích bức xạ xung. “Các phối tử Cp*, như tên gọi của chúng, quen thuộc với hầu hết các nhà hóa học cơ kim, và thực sự là các nhà hóa học thuộc mọi lĩnh vực. Chúng được sử dụng để hỗ trợ nhiều chất xúc tác và có thể ổn định nhiều loại tham gia vào các chu trình xúc tác. Một phát hiện quan trọng của bài báo này mang lại cái nhìn sâu sắc mới về cách phối tử Cp* có thể liên quan mật thiết đến hóa học của quá trình tiến hóa hydro”.
Nhưng Blakemore nhấn mạnh những phát hiện này có thể dẫn đến các quy trình hóa học cải tiến khác bên cạnh việc sản xuất hydro sạch.
Nhà nghiên cứu của KU cho biết: “Trong công việc của mình, chúng tôi hy vọng rằng các nhà hóa học sẽ thấy một nghiên cứu về cách phối tử thông thường, Cp*, có thể tạo ra phản ứng bất thường”. “Phản ứng bất thường này có liên quan đến câu chuyện hydro, nhưng nó thực sự lớn hơn thế này vì Cp* được tìm thấy trong rất nhiều chất xúc tác khác nhau. Các nhà hóa học thường nghĩ về chất xúc tác dựa trên kim loại. Theo cách suy nghĩ này, nếu bạn đang tạo ra một phân tử mới, thì kim loại là tác nhân chính mang các bộ phận cấu thành lại với nhau. Bài báo của chúng tôi cho thấy rằng điều này không phải lúc nào cũng đúng. Cp* có thể tham gia vào việc ghép các mảnh lại với nhau để tạo thành sản phẩm.”
Blakemore cho biết ông hy vọng bài báo này có thể là một sự mở đầu dẫn đến những cải tiến trong các chất xúc tác và hệ thống khác dựa trên các phối tử Cp*. Bước đột phá, được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia và Văn phòng Khoa học DOE, có thể áp dụng rộng rãi hơn cho hóa học công nghiệp. Blakemore hiện đang nghiên cứu áp dụng các kỹ thuật giống như những kỹ thuật được sử dụng trong nghiên cứu này để phát triển các phương pháp tiếp cận mới để tái chế nhiên liệu hạt nhân và xử lý các loài actinide.
Sinh viên KU ở bậc sau đại học và sau đại học cũng tham gia vào nghiên cứu tạo nền tảng cho bước đột phá.
“Dự án này là một phương tiện đào tạo rất quan trọng cho sinh viên,” Blakemore nói. “Sinh viên tốt nghiệp Wade Henke, tác giả đầu tiên, hiện đang làm việc tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne với tư cách là một postdoc. Sinh viên tốt nghiệp Yun Peng là tác giả thứ hai và bắt đầu công việc chung với Brookhaven; cả hai hiện đã hoàn thành bằng Tiến sĩ. Các sinh viên cũng đã đóng góp cho dự án này trong nhiều năm, cung cấp những phức hợp và hiểu biết mới mà chúng tôi đã sử dụng để định hình câu chuyện xuất hiện trong bài báo này.
“Nói chung, tôi coi đây là một dự án thành công và là nỗ lực thực sự của nhóm trong nhiều năm.”
Đại học Kansas là một trường đại học nghiên cứu và giảng dạy toàn diện lớn. Nhiệm vụ của trường đại học là nâng cao sinh viên và xã hội bằng cách giáo dục các nhà lãnh đạo, xây dựng cộng đồng lành mạnh và thực hiện những khám phá làm thay đổi thế giới. KU News Service là văn phòng quan hệ công chúng trung tâm của cơ sở Lawrence.
