Acetaldehyde là một hóa chất quan trọng được sử dụng để sản xuất mọi thứ từ nước hoa đến nhựa. Ngày nay, sản xuất của nó chủ yếu dựa vào ethylene, một loại hóa dầu. Nhưng mối quan tâm ngày càng tăng về môi trường đang thúc đẩy ngành công nghiệp hóa chất giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, vì vậy các nhà khoa học đã tìm kiếm những cách xanh hơn để sản xuất acetaldehyde.
Chất xúc tác cụm đồng trên than hoạt tính. Tín dụng: Cedric Koolen (EPFL)
Hiện nay, acetaldehyde được sản xuất thông qua cái gọi là quy trình Wacker, một phương pháp tổng hợp hóa học sử dụng ethylene từ dầu và khí tự nhiên với các hóa chất khác như axit mạnh, ví dụ, axit clohydric. Quy trình Wacker không chỉ có lượng khí thải carbon lớn mà còn tiêu tốn nhiều tài nguyên và không bền vững trong dài hạn.
Một giải pháp đầy hứa hẹn cho vấn đề này là quá trình khử điện hóa carbon dioxide (CO2) thành các sản phẩm hữu ích. Vì CO2 là sản phẩm thải góp phần gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu, nên phương pháp này giải quyết hai vấn đề về môi trường cùng một lúc: Giảm lượng khí thải CO2 và tạo ra các hóa chất có giá trị.
Chất xúc tác cải tiến cho hiệu quả cao hơn
Các chất xúc tác gốc đồng đã cho thấy tiềm năng cho quá trình chuyển đổi này, nhưng cho đến nay, chúng vẫn gặp khó khăn do tính chọn lọc thấp—có nghĩa là chúng tạo ra hỗn hợp các sản phẩm thay vì acetaldehyde mong muốn.
Hiện nay, các nhà khoa học của một tập đoàn công tư, do Cedric David Koolen đứng đầu trong nhóm Andreas Züttel tại EPFL, Jack K. Pedersen tại Đại học Copenhagen và Wen Luo tại Đại học Thượng Hải đã phát triển một chất xúc tác mới dựa trên đồng có thể chuyển đổi chọn lọc CO2 thành acetaldehyde với hiệu suất ấn tượng lên tới 92%.
Đột phá này, được công bố trên tạp chí Nature Synthesis, cung cấp một phương pháp xanh hơn và bền vững hơn để sản xuất acetaldehyde, và có thể thay thế quy trình Wacker. Hơn nữa, chất xúc tác này có thể mở rộng quy mô và tiết kiệm chi phí, mở ra cánh cửa cho các ứng dụng công nghiệp.
"Quy trình Wacker về cơ bản không hề thay đổi trong 60 năm qua. Nó vẫn dựa trên cùng một thành phần hóa học cơ bản. Đã đến lúc cho một bước đột phá xanh", Koolen nói.
Cedric David Koolen, đồng tác giả chính của nghiên cứu, tạo dáng với thiết bị phá hủy tia lửa được sử dụng để tạo ra các cụm trong Phòng thí nghiệm Vật liệu cho Năng lượng tái tạo. Tín dụng: EPFL
'Hóa học hấp dẫn'
Các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng cách tổng hợp các cụm hạt đồng nhỏ, mỗi cụm có kích thước khoảng 1,6 nanomet, bằng phương pháp gọi là đốt cháy bằng tia lửa. Kỹ thuật này liên quan đến việc làm bay hơi các điện cực đồng trong môi trường khí trơ và cho phép các nhà khoa học kiểm soát chính xác kích thước hạt. Sau đó, các cụm đồng được cố định trên các giá đỡ carbon để tạo ra chất xúc tác ổn định và có thể tái sử dụng.
Trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm hiệu suất của chất xúc tác bằng cách chạy nó qua một loạt các phản ứng điện hóa với CO2 trong môi trường được kiểm soát. Sử dụng máy gia tốc synchrotron—một cơ sở quy mô lớn tạo ra nguồn sáng rất mạnh—nhóm nghiên cứu đảm bảo rằng các cụm đồng đang tích cực chuyển đổi CO2 thành acetaldehyde bằng một kỹ thuật gọi là quang phổ hấp thụ tia X.
Kết quả thật đáng chú ý. Các cụm đồng đạt được độ chọn lọc 92% đối với acetaldehyde ở điện áp tương đối thấp, điều này rất cần thiết cho hiệu quả năng lượng. Trong thử nghiệm ứng suất kéo dài 30 giờ, chất xúc tác đã chứng minh được độ ổn định cao, duy trì hiệu suất của nó qua nhiều chu kỳ. Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng các hạt đồng vẫn giữ được bản chất kim loại của chúng trong suốt phản ứng, góp phần vào tuổi thọ của chất xúc tác.
"Điều thực sự khiến chúng tôi ngạc nhiên là đồng vẫn giữ được tính kim loại, ngay cả sau khi loại bỏ điện thế và tiếp xúc với không khí", đồng tác giả chính Wen Luo cho biết. "Đồng thường bị oxy hóa rất nhanh, đặc biệt là đồng nhỏ như vậy. Nhưng trong trường hợp của chúng tôi, một lớp vỏ oxit hình thành xung quanh cụm, bảo vệ lõi khỏi quá trình oxy hóa tiếp theo. Điều này giải thích khả năng tái chế của vật liệu. Hóa học hấp dẫn".
Chìa khóa thành công
Tại sao chất xúc tác mới lại hoạt động tốt như vậy? Mô phỏng tính toán cho thấy các cụm đồng có cấu hình nguyên tử cụ thể thúc đẩy các phân tử CO2 liên kết và chuyển đổi theo cách có lợi cho việc sản xuất acetaldehyde hơn các sản phẩm có thể khác, như etanol hoặc mêtan.
"Điều tuyệt vời về quy trình của chúng tôi là nó có thể được áp dụng cho bất kỳ hệ thống chất xúc tác nào khác", đồng tác giả Jack K. Pedersen cho biết. "Với khuôn khổ tính toán của chúng tôi, chúng tôi có thể nhanh chóng sàng lọc các cụm để tìm ra các đặc điểm hứa hẹn. Nếu đó là để giảm CO2 hoặc điện phân nước, với phương pháp đốt cháy bằng tia lửa, chúng tôi có thể dễ dàng sản xuất vật liệu mới và trực tiếp thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Điều này nhanh hơn nhiều so với chu trình thử nghiệm-học-lặp lại thông thường của bạn".
Chất xúc tác đồng mới là một bước tiến đáng kể hướng tới hóa học công nghiệp xanh hơn. Nếu được mở rộng quy mô, nó có thể thay thế quy trình Wacker, giảm nhu cầu về hóa dầu và cắt giảm lượng khí thải CO2. Vì acetaldehyde là thành phần cơ bản của nhiều loại hóa chất khác, nghiên cứu này có tiềm năng biến đổi nhiều ngành công nghiệp, từ dược phẩm đến nông nghiệp.
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
