Lưu trữ electron từ hydro cho phản ứng hóa học sạch
của Đại học Kyushu
Hợp chất gốc iridi được đề xuất có thể lưu trữ hiệu quả "electron" từ hydro và giữ chúng ở trạng thái rắn ở nhiệt độ phòng trong nhiều tháng. Các electron được lưu trữ này sau đó có thể được giải phóng để xúc tác các phản ứng cyclopropan hóa không tạo ra chất thải kim loại. Nguồn: Đại học Kyushu/Seiji Ogo
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Kyushu đã phát triển một chất mang năng lượng hydro để giải quyết một số rào cản lớn nhất trên con đường hướng tới nền kinh tế hydro bền vững. Như đã giải thích trong một bài báo được công bố trên JACS Au, hợp chất mới này có thể "lưu trữ hiệu quả các electron" từ hydro ở trạng thái rắn để sử dụng trong các phản ứng hóa học sau này.
Hydro là nguồn năng lượng sạch đầy hứa hẹn với nhiều ứng dụng tiềm năng chưa được khai thác trong công nghiệp và cuộc sống hàng ngày. Không giống như nhiên liệu thông thường, hydro có thể được sử dụng để tạo ra điện mà không tạo ra khí nhà kính. Nó cũng có thể được sử dụng trong nhiều phản ứng hóa học khác nhau như hydro hóa, tức là làm nguồn ion hydride hoặc electron nguyên tử hydro.
Tuy nhiên, việc lưu trữ và vận chuyển hydro ở trạng thái khí hoặc lỏng là vô cùng khó khăn, đòi hỏi thiết bị và hệ thống làm mát đắt tiền.
Giáo sư Seiji Ogo từ Viện Năng lượng Trung hòa Carbon Quốc tế (WPI-I2CNER) của Đại học Kyushu đã phát triển các giải pháp sáng tạo cho những vấn đề này. Trong nghiên cứu gần đây nhất của mình, Ogo và đồng nghiệp của ông từ Đại học Kindai đã lấy cảm hứng từ thiên nhiên để phát triển một hợp chất gốc iridi có các đặc tính đặc biệt và cực kỳ hữu ích.
"Chúng tôi đã tích cực khám phá các chất mang năng lượng hydro có thể dễ dàng tổng hợp và sử dụng nguyên trạng. Các hợp chất này dựa trên enzyme hydrogenase có trong tự nhiên, có thể xúc tác hydro thành proton và electron ở nhiệt độ phòng", Ogo giải thích. "Một ý tưởng cốt lõi trong phương pháp tiếp cận của chúng tôi dẫn đến bước đột phá là xem hydro không phải là nguồn ion hydride tích điện âm hoặc nguyên tử hydro, mà là electron".
Sau khi kiểm tra cẩn thận nhiều sự kết hợp của các ion kim loại và phối tử hữu cơ, nhóm nghiên cứu đã chế tạo ra một hợp chất gốc iridi, khi tiếp xúc với hydro, hợp chất này sẽ kết hợp với trung tâm kim loại sau khi mất một ion iodide. Theo cách này, hợp chất được đề xuất có thể trích xuất và lưu trữ hiệu quả các electron từ hydro.
Những thay đổi này dễ dàng đảo ngược trong điều kiện thích hợp và các electron được lưu trữ có thể dễ dàng được trích xuất và sử dụng trong các phản ứng hóa học để tổng hợp các phân tử có giá trị. Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng các electron được lưu trữ trong hợp chất để xúc tác các phản ứng cyclopropan hóa.
Cyclopropan là các phân tử có cấu trúc vòng cacbon ba thành phần và đại diện cho các đơn vị cấu trúc quan trọng trong nhiều loại thuốc dược phẩm và hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên, các phản ứng cyclopropan hóa thông thường đã tạo ra một lượng lớn kim loại thải dưới dạng sản phẩm phụ. Chất mang năng lượng hydro được đề xuất hoàn toàn tránh được vấn đề này.
"Các phản ứng cyclopropan hóa được thực hiện trong nghiên cứu của chúng tôi sử dụng hydro thay vì kim loại làm chất khử và do đó không tạo ra chất thải kim loại. Đây là một lợi thế lớn của hợp chất được đề xuất so với các kỹ thuật đã được thiết lập", Ogo nhận xét.
Đáng chú ý, nghiên cứu này cũng đánh dấu lần đầu tiên phản ứng giữa hydro và anken—hydrocacbon chứa liên kết đôi cacbon—tạo ra cyclopropan thay vì ankan đơn giản hơn nhiều.
Sau khi thử nghiệm rộng rãi, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng chất mang năng lượng được đề xuất có thể thu được electron từ hydro và lưu trữ chúng trong hơn ba tháng ở trạng thái rắn ở nhiệt độ phòng.
Trong tương lai, Ogo và các đồng nghiệp có kế hoạch tập trung vào việc phát triển một chất mang năng lượng tương tự bằng cách sử dụng các nguyên tố nhóm sắt, rẻ hơn và dồi dào hơn iridi. Bằng cách thúc đẩy sự hợp tác giữa ngành công nghiệp và học viện, những nỗ lực tiếp theo của họ sẽ hướng tới mục tiêu phát triển các giải pháp có thể mở rộng quy mô cho các vấn đề thực tế xung quanh nền kinh tế hydro sắp tới.
"Chúng tôi thực sự tin rằng thành tựu hiện tại sẽ góp phần hiện thực hóa một xã hội trung hòa carbon", Ogo kết luận.
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
