Một nghiên cứu giới thiệu cấu trúc chất xúc tác quy mô nano 3 kim loại được đăng trên tạp chí Nano Research ngày 15/ 3/2022.

 

Cơ chế khả thi cho CO2RR điện hóa với các cấu trúc xúc tác (a) Au @ Ag NR và (b, c) AuAgCu NS phi  đối xứng. Ảnh: Nghiên cứu Nano.

Trong những năm gần đây, các nhà hoạch định chính sách tập trung vào việc thu giữ và sử dụng carbon (CCU),C O2 được hút xuống từ khí quyển và sau đó sử dụng làm nguyên liệu cho những hóa chất công nghiệp (như carbon monoxide, axit formic , ethylene và ethanol) hoặc để sản xuất nhiên liệu tổng hợp trung tính carbon (cần thiết cho các lĩnh vực vận tải khó sử dụng điện như hàng không đường dài và vận tải biển).

 Quy trình thu giữ và chuyển hóa carbon sử dụng nguồn điện xanh còn cung cấp giải pháp lưu trữ năng lượng tái tạo trong thời gian dài, khắc phục các nhược điểm phụ thuộc thời tiết và thời gian của năng lượng gió và năng lượng mặt trời.

Một phương pháp khả thi để thực hiện quy trình này là sử dụng một phản ứng hóa học, được gọi là phản ứng điện hóa khử CO 2 (eCO 2 RR, đơn giản là ECR). Phản ứng này sử dụng điện năng chuyển đổi khí thành các chất hữu ích bằng phương pháp tách các nguyên tử carbon của CO2 khỏi nguyên tử oxy. Nước cung cấp hydro trong một số loại ECR, các nguyên tử carbon kết hợp với hydro tạo ra các loại hydrocacbon hoặc rượu khác nhau.

Điều kiện then chốt của ECR là sử dụng chất xúc tác phù hợp hoặc chất hóa học có cấu trúc và điện tích, cho phép kích hoạt hoặc tăng tốc phản ứng hóa học. Nhiều kim loại khác nhau được sử dụng làm chất xúc tác, phụ thuộc vào sản phẩm cuối cùng mong muốn. Các chất xúc tác, sử dụng một loại kim loại như thiếc để sản xuất axit fomic, bạc để tạo ra carbon monoxit (CO) và đồng để tạo ra metan, etylen hoặc etanol.

Tuy nhiên, hiệu suất của phản ứng bị hạn chế khi ECR, trong quá trình phân tách điện hóa nước, các nguyên tử hydro có xu hướng bắt cặp với chính chất xúc tác thay vì liên kết với các nguyên tử cacbon.

Sự cạnh tranh này c dẫn đến việc sản xuất ngoài ý muốn sản phẩm hóa học cuối cùng khác với sản phẩm mong muốn. Chính vì vậy, các nhà hóa học từ lâu đã nỗ lực tìm kiếm các chất xúc tác có “độ chọn lọc” cao.

Trên cơ sở thống kê và phân tích, các nhà nghiên cứu chuyển từ chỉ sử dụng một kim loại duy nhất làm chất xúc tác sang sử dụng các dị cấu trúc kết hợp hai vật liệu khác nhau mà những đặc tính kết hợp của hỗn hợp tạo ra các kết quả khác nhau hoặc vượt trội hơn so với một trong hai vật liệu riêng lẻ.

Một số dị cấu trúc đã được thử nghiệm cho ECR là: kết hợp bạc và palladium ở dạng nhánh (AgPd “nanodentrites”) cũng như nhiều dạng kết hợp khác của hai kim loại ở mô hình bánh sandwich, dạng ống, hình chóp và nhiều hình dạng khác.

Các nhà nghiên cứu đạt được thành công đáng kể với các dị cấu trúc lưỡng kim có đồng, hiệu quả cao chuyển đổi CO 2 thành các sản phẩm sử dụng hai nguyên tử carbon. Các dị cấu trúc lưỡng kim này bao gồm bạc-đồng (AgCu), kẽm-đồng (ZnCu) và vàng-đồng (AuCu), cấu trúc vàng – đồng có tính chọn lọc đặc biệt đối với metan, C2 và carbon monoxit.

Zhicheng Zhang, nhà hóa nano thuộc Đại học Thiên Tân, Trung Quốc, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết, nếu hai kim loại tạo ra kết quả tốt thì ba kim loại sẽ tốt hơn nữa.

Các nhà nghiên cứu tạo ra một cấu trúc nano ba kim loại kết hợp vàng, bạc và đồng, có dạng không đối xứng. Hình dạng và tỷ lệ chính xác của ba kim loại có thể được thay đổi bằng phương pháp tăng trưởng nhiều bước. Cụ thể, “kim tự tháp nano” vàng được tổng hợp đầu tiên, sử dụng làm “hạt giống” cho sự phát triển tiếp theo của các cấu trúc ba kim loại khác nhau với các tỷ lệ ba kim loại khác nhau.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy, với dạng độc đáo thiết kế cấu trúc dị thể của chất xúc tác và bằng cách thay đổi tỷ lệ của ba kim loại này, có thể điều chỉnh được độ chọn lọc đối với các sản phẩm khác nhau trên cơ sở C2.

Đặc biệt , sản xuất etanol (C2H6O) được tối đa hóa khi sử dụng cấu trúc dị thể với tỷ lệ là 1 nguyên tử bạc, 1 nguyên tử vàng kết hợp với 5 nguyên tử đồng.

Công trình nghiên cứu mở gia một phương án đầy hứa hẹn phát triển các chất xúc tác là vật liệu nano ba kim loại trong quá trình phát triển các ECR.