Thiết kế vi môi trường liên kết hydro để thúc đẩy quá trình điện phân khử CO₂
của Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc
Cơ chế phản ứng được đề xuất của CO2RR trên các đơn vị Co(salen) hoạt động xúc tác, trong đó pyridine là vi môi trường thuận lợi cho quá trình ổn định *COOH thông qua tương tác liên kết hydro trong quá trình xúc tác. Nguồn: Biên bản báo cáo của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (2025). DOI: 10.1073/pnas.2419434122
Việc chuyển đổi xúc tác CO2 thải thành nhiên liệu và hóa chất có giá trị gia tăng mang lại cơ hội chưa từng có cho cả bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế. Phản ứng điện phân khử CO2 (CO2RR) đã thu hút được sự chú ý đáng kể vì khả năng chuyển đổi hiệu quả CO2 thành năng lượng hóa học sạch trong điều kiện nhẹ nhàng. Tuy nhiên, rào cản năng lượng tương đối cao đối với quá trình hình thành chất trung gian *COOH thường trở thành bước quyết định trong CO2RR, hạn chế đáng kể hiệu quả phản ứng.
Lấy cảm hứng từ xúc tác enzyme, một nhóm do Giáo sư Jiang Hai-Long và Giáo sư Jiao Long từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) đứng đầu đã phát triển một chiến lược mới để ổn định chất trung gian *COOH và tăng cường quá trình khử CO2 điện hóa bằng cách xây dựng và điều chỉnh vi môi trường liên kết hydro xung quanh các vị trí xúc tác. Công trình của họ được công bố trên Biên bản báo cáo của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia.
Trong công trình này, nhóm nghiên cứu đã ghép đồng thời các đơn vị Co(salen) hoạt động xúc tác và các axit cacboxylic alkyl thay thế pyridyl gần (X-PyCn) lên các tấm nano MOF gốc Hf (MOFN) thông qua một tuyến đường trang trí sau, tạo ra vật liệu Co&X-PyCn/MOFN (X = o, m hoặc p biểu thị vị trí ortho-, meta- hoặc para- của pyridine N so với chuỗi alkyl; n = 1 hoặc 3 biểu thị số nguyên tử cacbon của chuỗi alkyl).
Co&X-PyCn/MOFN đạt được khả năng kiểm soát chính xác vị trí không gian của các nguyên tử N trong các nhóm pyridine so với Co(salen), cung cấp một phương pháp tiếp cận mới và dễ dàng để điều chế vi môi trường xung quanh các vị trí xúc tác ở quy mô nguyên tử.
Trong số các chất xúc tác, Co&p-PyC3/MOFN được tối ưu hóa thể hiện hoạt động xúc tác và tính chọn lọc được tăng cường đáng kể trong quá trình khử CO2 điện hóa, vượt trội hơn Co/MOFN không có đơn vị pyridine và các đối tác Co&X-PyCn/MOFN khác.
Hơn nữa, quá trình khử pyridine tại chỗ thành gốc pyridinyl (PyrH•) được quan sát thấy trong quá trình khử CO2 điện hóa và các loài PyrH• hình thành tại chỗ được xác nhận là vi môi trường thực sự xung quanh Co(salen) để tăng cường hiệu suất.
Các nghiên cứu về cơ chế cho thấy PyrH• có thể hợp tác với các phân tử trifluoroethanol (TFE) trong chất điện phân để ổn định chất trung gian *COOH bằng cách tạo ra chất trung gian bộ ba *COOH···TFE···PyrH• thông qua tương tác liên kết hydro, giúp giảm thiểu đáng kể rào cản năng lượng phản ứng. Điều này cung cấp một bức tranh rõ ràng về chế độ làm việc của môi trường vi mô để tối ưu hóa hiệu suất trong quá trình xúc tác.
Công trình này chứng minh rõ ràng tầm quan trọng của việc điều chế môi trường vi mô xung quanh các vị trí xúc tác để tăng cường xúc tác, mở ra một cách mới để hiểu cơ chế trong các nghiên cứu xúc tác trong tương lai.
