Nhiều sản phẩm quen thuộc hằng ngày, từ nhựa cho đến chất tẩy rửa, đều phụ thuộc vào các phản ứng hóa học được xúc tác bởi kim loại quý như bạch kim. Dù rất hiệu quả, bạch kim lại đắt đỏ và có trữ lượng hạn chế. Vì vậy, trong nhiều năm qua, các nhà khoa học đã tìm kiếm những vật liệu thay thế vừa kinh tế vừa bền vững. Một ứng viên đầy triển vọng là tungsten carbide (cacbua vonfram) – vật liệu phổ biến trong tự nhiên, vốn đã được sử dụng rộng rãi trong máy móc công nghiệp, dụng cụ cắt và đục.

Ảnh nguồn: scitechdaily.com

Tuy nhiên, việc ứng dụng tungsten carbide trong sản xuất hóa chất không hề đơn giản. Những đặc tính riêng biệt của vật liệu này từng hạn chế hiệu quả xúc tác của nó. Nghiên cứu mới do Marc Porosoff, phó giáo sư Kỹ thuật Hóa học và Bền vững tại Đại học Rochester, dẫn dắt đã giải quyết được nhiều thách thức then chốt, đưa tungsten carbide tiến gần hơn tới vai trò thay thế bạch kim trong thực tế.

Vì sao cấu trúc nguyên tử lại quan trọng

Theo Sinhara Perera, nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành kỹ thuật hóa học trong nhóm của Porosoff, một trở ngại lớn nằm ở cách các nguyên tử tungsten carbide sắp xếp với nhau.

Một phần nguyên nhân khiến tungsten carbide khó sử dụng làm chất xúc tác là do các nguyên tử của nó có thể tổ chức thành nhiều cấu trúc khác nhau, gọi là các pha.

“Chưa từng có sự hiểu biết rõ ràng về cấu trúc bề mặt của tungsten carbide, bởi việc đo đạc bề mặt xúc tác bên trong các buồng phản ứng – nơi các phản ứng hóa học diễn ra – là vô cùng khó khăn,” Perera cho biết.

Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu đã phát triển phương pháp kiểm soát cấu trúc vật liệu ngay trong quá trình phản ứng. Trong nghiên cứu công bố trên ACS Catalysis, Porosoff, Perera và sinh viên đại học ngành kỹ thuật hóa học Eva Ciuffetelli (khóa 2027) đã thiết kế các hạt tungsten carbide ở quy mô nano trực tiếp bên trong lò phản ứng hóa học, nơi nhiệt độ có thể vượt quá 700°C.

Bằng phương pháp gọi là carbur hóa theo chương trình nhiệt, họ tạo ra các chất xúc tác tungsten carbide ở những pha xác định ngay trong lò phản ứng. Sau đó, nhóm tiến hành các phản ứng hóa học và phân tích pha nào mang lại hiệu suất tốt nhất.

“Một số pha bền hơn về mặt nhiệt động học, nên đó là trạng thái mà chất xúc tác có xu hướng đạt tới,” Porosoff giải thích. “Nhưng những pha kém bền hơn lại cho hiệu quả xúc tác cao hơn.”

Qua quá trình này, nhóm đã xác định một pha cụ thể – β-W₂C – thể hiện hiệu suất vượt trội trong các phản ứng chuyển đổi carbon dioxide thành những khối cấu trúc cơ bản cho nhiên liệu và các hóa chất có giá trị. Với sự tối ưu hóa thêm từ phía công nghiệp, Porosoff và các cộng sự tin rằng pha này có thể cạnh tranh trực tiếp với bạch kim, đồng thời tránh được chi phí cao và nguồn cung hạn chế.

Tungsten carbide và bài toán tái chế rác thải nhựa

Nhóm nghiên cứu cũng xem xét khả năng của tungsten carbide trong việc giải quyết một thách thức lớn khác: rác thải nhựa. Porosoff và các cộng sự đã nghiên cứu việc sử dụng vật liệu này làm chất xúc tác cho quá trình tái chế nâng cấp nhựa – biến nhựa thải bỏ thành các vật liệu có giá trị cao hơn.

Trong một nghiên cứu công bố trên Journal of the American Chemical Society, do Linxao Chen (Đại học Bắc Texas) dẫn đầu, với sự hỗ trợ của Porosoff và Siddharth Deshpande, phó giáo sư Đại học Rochester, nhóm đã chứng minh tungsten carbide có thể thúc đẩy quá trình hydrocracking.

Hydrocracking là quá trình phá vỡ các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn để tái sử dụng trong sản xuất sản phẩm mới. Trong nghiên cứu này, đối tượng được tập trung là polypropylene – loại nhựa phổ biến trong chai nước và nhiều sản phẩm tiêu dùng khác.

Mặc dù hydrocracking được sử dụng rộng rãi trong ngành lọc dầu và khí đốt, việc áp dụng nó cho rác thải nhựa gặp nhiều khó khăn. Nhựa dùng một lần thường chứa các chuỗi polymer dài và rất bền, trong khi các tạp chất trong rác thải có thể nhanh chóng làm “đầu độc” các chất xúc tác truyền thống. Các chất xúc tác dựa trên bạch kim còn phụ thuộc vào các giá đỡ vi mao quản, vốn quá nhỏ để các chuỗi polymer lớn tiếp cận.

“Tungsten carbide, khi được tạo ở đúng pha, có các đặc tính kim loại và tính axit rất phù hợp để bẻ gãy các chuỗi carbon trong polymer,” Porosoff cho biết. “Những chuỗi polymer cồng kềnh này có thể tương tác với tungsten carbide dễ dàng hơn nhiều, vì vật liệu này không có các vi mao quản gây hạn chế như ở các chất xúc tác bạch kim truyền thống.”

Kết quả cho thấy tungsten carbide không chỉ rẻ hơn đáng kể so với chất xúc tác bạch kim trong hydrocracking, mà còn hiệu quả gấp hơn 10 lần. Nhóm nghiên cứu cho rằng phát hiện này có thể mở đường cho các thiết kế chất xúc tác mới và những phương thức hiệu quả hơn để biến rác thải nhựa thành vật liệu giá trị, góp phần thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn.

Đo nhiệt độ chính xác hơn trong nghiên cứu xúc tác

Đo nhiệt độ chính xác đóng vai trò then chốt trong việc phát triển các chất xúc tác hiệu quả. Các phản ứng hóa học có thể hấp thụ nhiệt (thu nhiệt) hoặc giải phóng nhiệt (tỏa nhiệt), và việc kiểm soát nhiệt độ ngay trên bề mặt xúc tác giúp các nhà khoa học phối hợp nhiều phản ứng một cách hiệu quả hơn.

Tuy nhiên, các phương pháp đo nhiệt độ truyền thống thường chỉ cho giá trị trung bình của toàn bộ lò phản ứng, không phản ánh chính xác điều kiện thực tế tại bề mặt xúc tác. Điều này khiến việc nghiên cứu phản ứng trở nên kém chính xác.

Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu đã áp dụng các kỹ thuật đo quang học do phòng thí nghiệm của Andrea Pickel, giáo sư thỉnh giảng ngành kỹ thuật cơ khí, phát triển. Phương pháp mới này được mô tả trong một nghiên cứu đăng trên EES Catalysis.

“Chúng tôi nhận ra rằng, tùy thuộc vào loại phản ứng hóa học, nhiệt độ đo bằng phương pháp khối có thể sai lệch từ 10 đến 100°C,” Porosoff cho biết. “Đó là sự khác biệt cực kỳ lớn trong nghiên cứu xúc tác, nơi tính tái lập và khả năng ghép nối nhiều phản ứng là yếu tố then chốt.”

Nhờ phương pháp này, nhóm đã nghiên cứu các hệ xúc tác tandem, trong đó nhiệt sinh ra từ một phản ứng được sử dụng để thúc đẩy phản ứng khác cần nhiệt. Việc ghép nối chính xác các phản ứng như vậy giúp giảm lãng phí năng lượng và nâng cao hiệu suất tổng thể của các quy trình hóa học.

Theo Porosoff, kỹ thuật đo này có thể tạo ra ảnh hưởng sâu rộng đối với lĩnh vực nghiên cứu xúc tác, giúp cải thiện độ chính xác của phép đo, tăng khả năng tái lập và mang lại các kết quả đáng tin cậy hơn trong toàn ngành.