Các nhà nghiên cứu tại Đại học Bonn và Đại học Montreal đã phát triển một loại chất xúc tác mới và sử dụng nó trong nghiên cứu của họ để sản xuất khí mê-tan từ carbon dioxide và nước theo cách hiệu quả cao bằng cách sử dụng điện. Ví dụ, khí mê-tan có thể được sử dụng để sưởi ấm căn hộ hoặc làm nguyên liệu đầu vào trong ngành công nghiệp hóa chất. Nó cũng là thành phần chính của khí đốt tự nhiên.
giữ các phân tử H 2 O trong bình điện phân (phía trên) tránh xa trung tâm hoạt động. Đồng thời, nó loại bỏ các nguyên tử hydro khỏi các phân tử nước và vận chuyển chúng đến trung tâm hoạt động, nơi chúng phản ứng với nguyên tử carbon để tạo thành mêtan. Tín dụng: Nikolay Kornienko
Tuy nhiên, nếu được sản xuất bằng điện xanh, thì nó phần lớn là trung hòa khí hậu. Những hiểu biết thu được từ hệ thống mô hình do các nhà nghiên cứu nghiên cứu có thể được chuyển giao cho các chất xúc tác kỹ thuật quy mô lớn. Hệ thống này cũng có thể được sử dụng để sản xuất các hợp chất hóa học quan trọng khác. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Chemistry .
Nhiều phản ứng hóa học cần năng lượng để bắt đầu và năng lượng này có thể được bổ sung bằng cách, ví dụ, làm nóng các đối tác phản ứng hoặc chịu áp suất cao. "Chúng tôi sử dụng điện làm động lực thay thế", Giáo sư Tiến sĩ Nikolay Kornienko giải thích. "Bằng cách sử dụng điện thân thiện với khí hậu, chúng tôi có thể sản xuất, ví dụ, khí mê-tan không góp phần vào hiện tượng nóng lên toàn cầu".
Nhà nghiên cứu này gần đây đã chuyển từ Đại học Montreal đến Viện Hóa học vô cơ tại Đại học Bonn. Ông bắt đầu nghiên cứu mới nhất của mình khi vẫn còn ở Canada và kết thúc tại ngôi nhà mới của mình. "Việc sản xuất mêtan—có công thức hóa học CH 4 —là một thách thức vì cần phải thực hiện phản ứng giữa khí và chất lỏng", Kornienko nói.
Trong trường hợp này, chúng ta đang nói về carbon dioxide (CO 2 ) và nước (H 2 O). Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một điện cực khuếch tán khí để đưa hai đối tác này lại với nhau. Trong phản ứng, cần phải tách hai nguyên tử oxy khỏi nguyên tử carbon và thay thế chúng bằng bốn nguyên tử hydro. Hydro có nguồn gốc từ nước.
Ngăn ngừa phản ứng phụ
Vấn đề với quá trình này là nước sẽ trải qua một phản ứng khác và sẽ phân tách thành hydro và oxy ngay khi tiếp xúc với dòng điện. "Đây là một phản ứng cạnh tranh mà chúng ta phải tránh", trợ lý của Kornienko, Morgan McKee, người đã thực hiện phần lớn các thí nghiệm, nhấn mạnh.
"Nếu không, nó sẽ ngăn chúng ta sản xuất bất kỳ khí mê-tan nào. Do đó, chúng ta phải ngăn không cho nước tiếp xúc với điện cực. Đồng thời, chúng ta vẫn cần nước làm đối tác phản ứng."
Đây là nơi chất xúc tác mới được phát triển—được lắng đọng trên điện cực—phát huy tác dụng. Trên hết, nó đảm bảo rằng carbon dioxide phản ứng dễ dàng và nhanh hơn để tạo ra mêtan. Nó đạt được điều này với cái gọi là "trung tâm hoạt động" giữ carbon dioxide và—nói một cách đơn giản—cũng làm yếu liên kết giữa nguyên tử carbon và hai nguyên tử oxy.
Các nguyên tử oxy này sau đó dần dần được thay thế bằng bốn nguyên tử hydro trong bước tiếp theo. Chất xúc tác cần nước ở giai đoạn này của quá trình. Tuy nhiên, nó cũng phải giữ nước ở một khoảng cách nhất định để tránh bất kỳ phản ứng phụ không mong muốn nào. "Để đạt được điều này, chúng tôi liên kết các chuỗi bên phân tử dài với trung tâm hoạt động", Giáo sư Kornienko, người cũng là thành viên của Khu vực nghiên cứu liên ngành "Vật chất" tại Đại học Bonn, giải thích. "Cấu trúc hóa học của chúng đẩy nước hoặc nói cách khác, chúng kỵ nước".
Chuỗi phân tử sợ nước
Các chuỗi bên không chỉ giữ các phân tử H 2 O tránh xa trung tâm hoạt động và điện cực mà còn hoạt động như một loại băng tải.
Nói theo nghĩa bóng, chúng lấy các nguyên tử hydro từ các phân tử nước và vận chuyển chúng đến trung tâm hoạt động, nơi chúng phản ứng với nguyên tử carbon. Theo cách này, CO 2 được chuyển đổi thành CH 4 theo nhiều bước.
Quá trình này có hiệu suất hơn 80% và phản ứng hầu như không tạo ra bất kỳ sản phẩm phụ không mong muốn nào. Tuy nhiên, chất xúc tác này không thực sự phù hợp để sản xuất mêtan trên quy mô lớn. "Tuy nhiên, các nguyên tắc phản ứng mà chúng tôi đạt được với chất xúc tác này có thể được hiện thực hóa trong các vật liệu xúc tác khác để sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật quy mô lớn", Kornienko cho biết.
Nhà nghiên cứu tin rằng sản xuất mêtan không phải là lĩnh vực ứng dụng duy nhất của phương pháp này. Theo ông, nó có thể sinh lợi hơn trong việc sản xuất các hợp chất hóa học khác như ethylene, được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào cho nhiều loại nhựa.
Về trung hạn, phương pháp xúc tác mới có thể được sử dụng ở bất cứ nơi nào có thể để giúp sản xuất nhựa thân thiện hơn với môi trường.
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
