Chất xúc tác coban nhiều lớp tái hiện sắc tố như một con đường tái chế CO₂
Sơ đồ mặt cắt ngang của cấu trúc lõi-vỏ minh họa tinh thể CoPc đa lớp trên KB (trái) và ảnh TEM độ phân giải cao tương ứng (phải). Nguồn: Applied Catalysis B: Môi trường và Năng lượng (2026). DOI: 10.1016/j.apcatb.2025.125852
Các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Vật liệu Tiên tiến (WPI-AIMR), Đại học Tohoku, đã giới thiệu một phương pháp mới để khử carbon dioxide (CO₂) bằng điện hóa. Bằng cách thiết kế cấu trúc lõi-vỏ coban phthalocyanine (CoPc)/carbon nhiều lớp, nhóm nghiên cứu đã chứng minh được một kiến trúc xúc tác giúp quá trình chuyển đổi CO₂ thành carbon monoxide (CO) vừa ổn định vừa hiệu quả.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Applied Catalysis B: Môi trường và Năng lượng.
Nghiên cứu kết hợp phân tích dữ liệu quy mô lớn và trí tuệ nhân tạo (AI) để sàng lọc 220 ứng cử viên phân tử. Coban phthalocyanine—được biết đến rộng rãi như một chất màu xanh lam—nổi lên như một lựa chọn hiệu quả nhất cho việc sản xuất CO2 chọn lọc. Khám phá này đã trở thành nền tảng cho việc chế tạo các điện cực được tối ưu hóa để sử dụng CO₂.
"Chúng tôi muốn vượt ra khỏi lối suy nghĩ thông thường rằng các phân tử riêng lẻ hoạt động tốt nhất", Hiroshi Yabu, giáo sư tại (WPI-AIMR), người dẫn đầu nghiên cứu, cho biết. "Thay vào đó, kết quả của chúng tôi cho thấy việc xếp chồng các phân tử này thành các lớp có trật tự tạo ra hiệu ứng xúc tác mạnh hơn nhiều."
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một thiết kế lai trong đó CoPc tạo thành các lớp tinh thể xung quanh các hạt carbon dẫn điện. Chất xúc tác lõi-vỏ đa lớp này cho thấy mật độ dòng điện cao và duy trì độ chọn lọc CO2 trên 90% trong quá trình hoạt động kéo dài, ngay cả trong điều kiện điện hóa khắc nghiệt.
Một hiểu biết cốt lõi từ nghiên cứu này là hiệu suất được cải thiện bắt nguồn từ sự sắp xếp đa lớp chứ không phải từ các phân tử riêng lẻ. Các thí nghiệm cho thấy việc xếp chồng có trật tự thúc đẩy quá trình truyền điện tích trên bề mặt chất xúc tác, trong khi các tính toán lý thuyết xác nhận rằng hiệu ứng điện tử này làm tăng đáng kể hoạt tính xúc tác. "Dự án này cho thấy việc kết hợp lựa chọn vật liệu dựa trên dữ liệu với thiết kế ở quy mô nano có thể mở ra những hướng đi mới cho việc tái chế CO₂", Yabu nói thêm. "Khả năng dự đoán và thử nghiệm cấu trúc một cách có hệ thống sẽ giúp chúng tôi tiến nhanh hơn đến các ứng dụng thực tế."
Những phát hiện này cho thấy kiến trúc phân tử đa lớp có thể mở ra con đường dẫn đến các chất xúc tác hiệu quả hơn, không chỉ cho quá trình chuyển đổi CO₂ thành CO mà còn cho các phản ứng khác quan trọng đối với sản xuất năng lượng sạch.
Các nhà nghiên cứu hiện đang lên kế hoạch thử nghiệm hệ thống trong điều kiện công nghiệp và tìm hiểu xem liệu các thiết kế tương tự có thể tăng cường sản xuất hydro hoặc amoniac hay không.
Bằng cách chứng minh cách một vật liệu quen thuộc - trước đây chủ yếu được sử dụng làm chất tạo màu - có thể được tái tạo cho các công nghệ bền vững, nghiên cứu này nhấn mạnh vai trò của thiết kế chất xúc tác sáng tạo trong việc thúc đẩy tái chế carbon.
Nghiên cứu này đánh dấu một bước tiến tới các hệ thống thực tế có thể giúp giảm lượng khí thải CO₂ đồng thời sản xuất nhiên liệu và hóa chất hữu ích.
