Chất xúc tác hai vị trí chuyển đổi CO₂ thành methanol tái tạo
Tác giả: Steve Lundeberg, Đại học Tiểu bang Oregon
Chất xúc tác hai vị trí. Tín dụng: Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01866-8
Methanol, quan trọng đối với việc sản xuất nhiều hàng hóa hàng ngày và tiềm năng năng lượng xanh của nó, có thể sớm được sản xuất nhanh hơn và hiệu quả hơn nhờ sự hợp tác bao gồm hai nhà nghiên cứu của Đại học Tiểu bang Oregon.
Zhenxing Feng và Alvin Chang của Cao đẳng Kỹ thuật OSU đã giúp mô tả một chất xúc tác điện mới do các cộng sự tại Đại học Yale phát triển và giúp giải thích hiệu quả cải thiện trong việc tạo ra methanol từ carbon dioxide, một loại khí nhà kính chịu trách nhiệm chính cho biến đổi khí hậu toàn cầu.
Những phát hiện của nghiên cứu đã được công bố ngày hôm nay trên tạp chí Nature Nanotechnology.
Chất xúc tác hai vị trí của các nhà nghiên cứu là kết quả của việc kết hợp hai vị trí xúc tác khác nhau tại các vị trí liền kề, cách nhau khoảng 2 nanomet, trên các ống nano cacbon và thể hiện sự cải tiến đáng kể so với các chất xúc tác một vị trí trước đây.
Thiết kế mới làm tăng tốc độ sản xuất methanol và tạo ra hiệu suất Faradaic cao hơn 50%, nghĩa là ít điện năng được sử dụng để xúc tác phản ứng bị lãng phí hơn. Phiên bản một vị trí trước đây hoạt động ở mức dưới 30%.
"Methanol là nguyên liệu hóa học linh hoạt được sử dụng cho hàng trăm sản phẩm thông thường bao gồm nhựa, hóa chất và dung môi", Chang, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại OSU cho biết. "Đây cũng là một loại nhiên liệu xanh đầy hứa hẹn có thể được sản xuất từ khí thải carbon có hại bằng cách sử dụng năng lượng điện tái tạo thông qua một quy trình gọi là khử CO2 điện hóa, đồng thời giúp giải quyết các thách thức về môi trường và nhu cầu năng lượng".
Methanol, còn được gọi là cồn gỗ, là một hợp chất đốt cháy tương đối sạch có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu, thay thế cho xăng trong động cơ đốt trong và làm nhiên liệu cho tàu thuyền và sản xuất điện.
Ngoài carbon dioxide, được thải ra khí quyển chủ yếu thông qua quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch, methanol có thể được sản xuất từ các nguồn như chất thải nông nghiệp và đô thị - nghĩa là nó có tiềm năng giúp giảm phát thải khí nhà kính và hỗ trợ quá trình chuyển đổi sang các nguồn năng lượng thân thiện với môi trường hơn, các nhà nghiên cứu lưu ý.
Chất xúc tác là bất kỳ thứ gì có thể đẩy nhanh tốc độ phản ứng hóa học mà không bị phản ứng tiêu thụ, và chất xúc tác điện là vật liệu đẩy nhanh phản ứng điện hóa bằng cách giảm năng lượng hoạt hóa của nó.
Các phân tử coban phthalocyanine được hỗ trợ trên các ống nano carbon là một trong số rất ít phân tử có thể xúc tác quá trình khử điện hóa carbon dioxide thành methanol, Feng, phó giáo sư tại OSU cho biết. Một nhược điểm của thế hệ chất xúc tác trước đây, chỉ chứa các phân tử coban tetraaminophthalocyanine là các vị trí hoạt động duy nhất, là tính chọn lọc tương đối thấp đối với methanol.
Chang cho biết phản ứng khử carbon dioxide điện hóa diễn ra theo hai phần. Đầu tiên, carbon dioxide được chuyển đổi thành carbon monoxide, sau đó được chuyển đổi thành methanol.
"Chất xúc tác tại một vị trí bị hạn chế bởi sự đánh đổi", ông cho biết. "Ở tiềm năng tối ưu để xúc tác bước chuyển đổi carbon monoxide thành methanol, nó không hiệu quả trong việc chuyển đổi carbon dioxide thành carbon monoxide".
Nhóm nghiên cứu đã đưa niken tetramethoxyphtyalocyanine vào hệ thống và phát hiện ra rằng nó có thể giúp xúc tác bước chuyển đổi carbon dioxide thành carbon monoxide, dẫn đến cải thiện sản xuất methanol.
"Chất xúc tác lai được phát hiện có hiệu suất xúc tác cao chưa từng có, cao hơn gần 1,5 lần so với trước đây", Feng cho biết. "Phổ học rung động và tia X tiên tiến cho thấy sự cải thiện này là do sự chuyển đổi carbon monoxide từ vị trí niken sang vị trí coban trên cùng một ống nano carbon".
Hailiang Wang của Đại học Yale đã dẫn đầu nghiên cứu, trong đó cũng có sự tham gia của các nhà nghiên cứu từ Đại học bang Ohio và Đại học Khoa học và Công nghệ miền Nam tại Thâm Quyến, Trung Quốc.
