Chất xúc tác mới để cải tiến quá trình sản xuất metanol bằng phương pháp khử hydro dioxit

Các nhà khoa học tại Tokyo Tech đã chứng minh rằng việc đóng gói các hạt nano đồng bên trong các tinh thể silicat xốp kỵ nước có thể tăng cường đáng kể hoạt tính xúc tác của các chất xúc tác oxit đồng-kẽm được sử dụng trong tổng hợp metanol thông qua quá trình hydro hóa CO ₂  .

Nguồn:  Tạp chí Kỹ thuật Hóa học  (2024). DOI: 10.1016/j.cej.2024.149896

Cấu trúc bao bọc cải tiến ngăn chặn hiệu quả sự kết tụ nhiệt của các hạt đồng, dẫn đến tăng cường hoạt động hydro hóa và tăng sản lượng metanol. Bước đột phá này mở đường cho việc tổng hợp metanol từ CO2 hiệu quả hơn.

Lượng khí thải carbon dioxide (CO2) là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu, làm nổi bật nhu cầu cấp thiết về các biện pháp giảm phát thải. Do đó, các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các giải pháp thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, nguồn phát thải CO2 chính.

Manol nổi lên như một loại nhiên liệu linh hoạt và tiết kiệm chi phí, mang đến sự thay thế đầy hứa hẹn cho nhiên liệu vận tải thông thường. Hơn nữa, trong nỗ lực giảm thiểu tác động của những phát thải này, đã có sự chú ý đáng kể hướng tới các công nghệ thu giữ và sử dụng CO2.

Những phương pháp tiếp cận sáng tạo này liên quan đến việc thu giữ CO2 từ khí quyển và chuyển đổi nó thành các sản phẩm có giá trị gia tăng. Tổng hợp metanol thông qua quá trình hydro hóa CO2 nổi bật là một phương pháp đặc biệt hứa hẹn trong số các công nghệ này.

Để tổng hợp metanol thông qua quá trình hydro hóa CO2, nhiệt độ phản ứng thấp hơn là thích hợp hơn vì nhiệt được giải phóng trong quá trình phản ứng. Theo đó, các nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển các chất xúc tác có hoạt tính cao ở nhiệt độ thấp.

Các chất xúc tác dựa trên oxit đồng-kẽm (Cu-ZnO) đặc biệt thuận lợi cho mục đích này do khả năng hình thành bề mặt Cu-ZnO liên kết và chuyển đổi CO2 thành chất trung gian formate, từ đó thúc đẩy sản xuất metanol. Tăng diện tích bề mặt của giao diện này là một cách hiệu quả để cải thiện sản xuất, điều này có thể đạt được bằng cách tăng độ phân tán của hạt nano Cu.

Tuy nhiên, hạt nano Cu không ổn định về nhiệt, chúng kết tụ trong quá trình chuẩn bị và phản ứng xúc tác, do đó làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc. Hơn nữa, sự hình thành nước như một sản phẩm phụ của quá trình tổng hợp metanol làm tăng tốc độ kết tụ Cu và ức chế sự hình thành formate.

Để giải quyết những vấn đề này, một nhóm các nhà nghiên cứu, dẫn đầu bởi Giáo sư Teruoki Tago từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hóa học, Trường Vật liệu và Công nghệ Hóa học tại Viện Công nghệ Tokyo, đã phát triển tiểu thuyết Silicalite-1 (S-1) bọc Cu-ZnO chất xúc tác.

"Nghiên cứu chỉ ra rằng việc bao bọc kim loại trong các chất mang xốp như silica hoặc zeolit ​​giúp giảm thiểu hiệu quả quá trình kết tụ nhiệt. Do đó, trọng tâm của chúng tôi chuyển sang phát triển chất xúc tác dựa trên Cu mới và hiệu quả để sản xuất metanol thông qua quá trình hydro hóa CO2, đặc biệt chú trọng đến việc bao bọc các hạt nano Cu trong vật liệu xốp ", Tago giải thích.

Nghiên cứu của họ đã được công bố trên Tạp chí Kỹ thuật Hóa học, vào ngày 1 tháng 4 năm 2024.

Các nhà nghiên cứu đã chế tạo được hai loại chất xúc tác, một loại bao gồm chất xúc tác Cu/S-1 trong đó đồng được nạp vào S-1 kỵ nước bằng cách ngâm tẩm, và loại chất xúc tác Cu@S-1 khác, trong đó bột Cu phyllosilicate (CuPS) được được sử dụng làm nguồn kim loại để bao bọc các hạt Cu trong zeolite S-1.

Cu@S-1 được điều chế bằng cách khử bột CuPS hòa tan. Các nhà nghiên cứu đã điều tra thời gian hòa tan của tiền chất CuPS dựa trên đặc tính xúc tác, cho thấy thời gian hòa tan không phù hợp ảnh hưởng đáng kể đến kích thước của hạt Cu.

Sự hòa tan tối ưu của tiền chất dẫn đến chất xúc tác có các hạt Cu khoảng 2,4 nanomet được bao bọc trong S-1, thể hiện hoạt tính xúc tác tối ưu. Chất xúc tác này thể hiện hoạt tính hydro hóa và sản xuất metanol cao hơn Cu/S-1.

Để cải thiện hơn nữa việc sản xuất metanol, ZnO đã được thêm vào Cu@S-1 bằng cách ngâm tẩm, tạo thành chất xúc tác ZnO/Cu@S-1 với các hạt Cu mịn. Chất xúc tác này thậm chí còn thể hiện hoạt tính cao hơn, cho thấy sự hình thành bề mặt phân cách Cu-ZnO.

Tago nhận xét: “Phát hiện của chúng tôi chỉ ra rằng cấu trúc bao bọc với S-1 ngăn chặn hiệu quả sự kết tụ nhiệt của các hạt Cu, đồng thời tạo điều kiện loại bỏ nhanh chóng sản phẩm phụ nước khỏi vùng lân cận của bề mặt Cu-ZnO, do đó tăng cường tổng hợp metanol”.

Nhìn chung, nghiên cứu này chứng minh tính hiệu quả của phương pháp đóng gói cải tiến để điều chế các chất xúc tác có hoạt tính cao, mang lại một hướng đi đầy hứa hẹn để sản xuất metanol hiệu quả từ CO2.