Các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Yale và Đại học Missouri cho biết các chất xúc tác làm từ mangan có thể chuyển đổi hiệu quả khí carbon dioxide thành formate. Mangan là kim loại phổ biến, giá rẻ, còn formate đang được nghiên cứu rộng rãi như một phương thức tiềm năng để lưu trữ và giải phóng hydro cho các công nghệ pin nhiên liệu trong tương lai.

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Chem. Nghiên cứu do nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Justin Wedal (Đại học Yale) và trợ lý nghiên cứu sau đại học Kyler Virtue (Đại học Missouri) dẫn dắt, với sự đóng góp chủ chốt của Giáo sư Nilay Hazari (Yale) và Giáo sư Wesley Bernskoetter (Missouri).

Ảnh:https:scitechdaily.com

Vì sao lưu trữ và sản xuất hydro vẫn rất quan trọng

Pin nhiên liệu hydro tạo ra điện bằng cách chuyển đổi năng lượng hóa học tích trữ trong hydro, tương tự nguyên lý hoạt động của pin điện. Dù rất hứa hẹn, một trong những rào cản lớn nhất đối với việc ứng dụng rộng rãi là tìm ra các phương pháp sản xuất và lưu trữ hydro vừa hiệu quả vừa có chi phí hợp lý ở quy mô lớn.

“Việc tận dụng carbon dioxide hiện là ưu tiên hàng đầu, khi chúng ta tìm kiếm các nguồn nguyên liệu hóa học tái tạo để thay thế những nguồn có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch,” Giáo sư Hazari – Chủ nhiệm khoa Hóa học, Khoa Nghệ thuật và Khoa học Yale – cho biết.

Axit formic, dạng proton hóa của formate, hiện đã được sản xuất với quy mô lớn cho nhiều mục đích công nghiệp như bảo quản thực phẩm, xử lý kháng khuẩn và thuộc da. Các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu khả năng sử dụng chất này làm nguồn hydro cho pin nhiên liệu, với điều kiện nó có thể được sản xuất theo cách bền vững và khả thi.

Bài toán chất xúc tác: chi phí, độ bền và độc tính

Hiện nay, sản xuất formate trong công nghiệp vẫn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, do đó không được xem là giải pháp bền vững về lâu dài. Theo các nhà nghiên cứu, một hướng đi thân thiện hơn với môi trường là tạo formate trực tiếp từ CO₂ trong khí quyển, vừa giảm khí nhà kính vừa tạo ra sản phẩm có giá trị.

Tuy nhiên, quá trình này cần đến chất xúc tác – và đây chính là thách thức lớn.

Nhiều chất xúc tác tiềm năng có hiệu suất cao hiện nay dựa trên các kim loại quý, vốn đắt đỏ, khan hiếm và có độc tính cao. Ngược lại, các chất xúc tác từ kim loại phổ biến, bền vững và rẻ hơn thường kém hiệu quả do nhanh bị phân hủy, hạn chế khả năng chuyển đổi CO₂ thành formate.

Thiết kế mangan có tuổi thọ dài hơn

Nhóm nghiên cứu của Hazari đã đưa ra một cách tiếp cận mới.

Họ kéo dài được tuổi thọ xúc tác của các chất xúc tác dựa trên mangan đến mức hiệu suất của chúng vượt qua hầu hết các chất xúc tác kim loại quý. Đổi mới then chốt, theo nhóm nghiên cứu, là ổn định chất xúc tác bằng cách bổ sung thêm một nguyên tử cho điện tử vào thiết kế phối tử (phối tử là các nguyên tử hoặc phân tử liên kết với kim loại và ảnh hưởng đến tính phản ứng).

“Tôi rất hào hứng khi thấy thiết kế phối tử mang lại hiệu quả rõ rệt như vậy,” Wedal chia sẻ.

Các nhà nghiên cứu cũng cho rằng phương pháp này có thể được áp dụng rộng rãi cho nhiều biến đổi xúc tác khác, không chỉ riêng quá trình chuyển đổi carbon dioxide thành formate.