Tích hợp từ trường mới giúp tăng cường sản xuất hydro peroxide xanh
bởi Đại học Tohoku
Minh họa sơ đồ cho thấy chất xúc tác CoPc/CB-Mag với các hạt nano từ tính được bảo vệ bằng polyme, cho phép thao tác trạng thái spin của các trung tâm coban. Nguồn: Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202408461
Các nhà nghiên cứu đã đạt được bước đột phá trong việc cải thiện hiệu quả của phản ứng điện hóa tạo ra hydro peroxide—một hóa chất quan trọng cho các ứng dụng công nghiệp bao gồm khử trùng, tẩy trắng và xử lý nước thải. Phản ứng này, được gọi là phản ứng khử oxy (ORR), đã được cải thiện bằng cách phát triển một loại chất xúc tác phân tử không đồng nhất mới với từ trường tích hợp. Nghiên cứu được công bố trên Advanced Materials.
Các phương pháp thông thường để sản xuất hydro peroxide (H2O2) có những nhược điểm đáng tiếc. Quá trình này tiêu tốn nhiều năng lượng và sản phẩm cuối cô đặc khó vận chuyển an toàn. Để giải quyết những vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã tìm đến một phương pháp điện hóa không chỉ hiệu quả hơn mà còn thân thiện với môi trường.
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một chất xúc tác mới bằng cách neo các phân tử coban phthalocyanine (CoPc) trên cacbon đen (CB), sau đó tích hợp nó với các hạt nano từ tính (Mag) được bảo vệ bằng polyme. Cấu trúc độc đáo này cho phép thao tác trạng thái spin hiệu quả của các vị trí hoạt động coban, tăng cường đáng kể hiệu suất xúc tác.
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng chất xúc tác CoPc/CB-Mag đạt hiệu suất sản xuất H2O2 đáng kinh ngạc là 90%. Đáng chú ý, chất xúc tác chỉ cần một lượng vật liệu từ tính tối thiểu—ít hơn tới bảy cấp độ so với các phương pháp trước đây—làm cho nó an toàn hơn và thiết thực hơn cho các ứng dụng quy mô lớn.
"Phương pháp từ trường tích hợp của chúng tôi có thể chuyển tâm coban từ trạng thái spin thấp sang trạng thái spin cao mà không làm thay đổi cấu trúc nguyên tử của nó", Di Zhang thuộc Viện nghiên cứu vật liệu tiên tiến (WPI-AIMR) cho biết, "Sự chuyển đổi spin này cải thiện đáng kể các hoạt động nội tại của chất xúc tác trong cả phản ứng khử oxy và phản ứng tiến hóa".
Cải thiện hiệu suất xúc tác: Kết quả so sánh cho thấy hiệu quả sản xuất hydro peroxide được cải thiện và hiệu suất phản ứng giải phóng oxy với chất xúc tác tích hợp từ trường. Nguồn: Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202408461
Để hiểu cơ chế cơ bản đằng sau chất xúc tác mới này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật gọi là tính toán lý thuyết hàm mật độ toàn diện (DFT). Việc hiểu lý do và cách thức hoạt động của nó rất quan trọng đối với các nghiên cứu trong tương lai. "Chúng tôi phát hiện ra rằng vị trí Co spin cao thể hiện sự liên kết mạnh hơn với các chất trung gian chứa oxy, điều này rất quan trọng đối với quá trình xúc tác hiệu quả", Phó giáo sư Hao Li giải thích, "Phân cực spin do từ trường tạo ra cũng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển electron và chuyển đổi spin trong các bước phản ứng, thúc đẩy động học xúc tác".
"Sự kết hợp giữa các kết quả thực nghiệm và hiểu biết lý thuyết cung cấp một bức tranh toàn diện về cách từ trường có thể tăng cường hiệu suất xúc tác", Li nói thêm, "Điều này có thể đóng vai trò hướng dẫn khi thiết kế các chất xúc tác mới trong tương lai".
Những phát hiện này có thể dẫn đến việc thiết kế hợp lý các vật liệu hoạt tính xúc tác, hướng đến các con đường hiệu quả hơn và thân thiện hơn với môi trường để sản xuất hydro peroxide và các hóa chất có giá trị gia tăng khác, góp phần vào các nỗ lực toàn cầu trong các quy trình công nghiệp bền vững và công nghệ năng lượng trung hòa carbon.
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
