Methanol được xem là một trong những hợp chất nền tảng của ngành công nghiệp hóa chất. Từ methanol có thể sản xuất nhiều loại nhiên liệu, nhựa và vật liệu công nghiệp khác. Vì vậy, việc tìm ra phương pháp sản xuất methanol hiệu quả hơn, đặc biệt từ nguồn CO₂ – một loại khí nhà kính gây biến đổi khí hậu – được xem là bước tiến quan trọng hướng tới nền kinh tế tuần hoàn carbon và sản xuất xanh.

Trong các phản ứng hóa học công nghiệp, việc vượt qua rào cản năng lượng để phản ứng xảy ra thường đòi hỏi lượng năng lượng rất lớn, làm gia tăng chi phí sản xuất. Chất xúc tác được sử dụng để tăng tốc phản ứng mà không bị tiêu hao, tuy nhiên nhiều chất xúc tác hiệu quả hiện nay phụ thuộc vào các kim loại hiếm và đắt đỏ. Nhóm nghiên cứu tại ETH Zurich đã giải quyết thách thức này bằng cách phát triển chất xúc tác đơn nguyên tử, trong đó mỗi nguyên tử indium hoạt động như một “trung tâm phản ứng” riêng biệt.

Hình https:scitechdaily.com

Khác với các chất xúc tác truyền thống, nơi kim loại tồn tại dưới dạng cụm hoặc hạt nano chứa hàng trăm đến hàng nghìn nguyên tử nhưng chỉ một phần bề mặt tham gia phản ứng, thiết kế mới giúp tối đa hóa việc sử dụng kim loại. Nhờ phân tán kim loại thành các nguyên tử riêng lẻ, hiệu suất xúc tác được cải thiện rõ rệt, đồng thời giảm nhu cầu sử dụng vật liệu hiếm. Điều này mở ra khả năng ứng dụng các kim loại quý trong quy mô công nghiệp với chi phí hợp lý hơn.

Không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất methanol, hệ xúc tác mới còn cho phép các nhà khoa học quan sát chi tiết hơn các quá trình hóa học diễn ra trên bề mặt xúc tác. Trước đây, việc phát triển xúc tác thường dựa nhiều vào phương pháp thử – sai. Nay, với khả năng phân tích cơ chế phản ứng chính xác hơn, các nhà nghiên cứu có thể tiến tới thiết kế xúc tác theo hướng có hệ thống và dự đoán được hiệu quả.

Một yếu tố quan trọng khác là vật liệu đỡ được thiết kế đặc biệt để cố định các nguyên tử indium trên bề mặt oxit hafnium. Cấu trúc này vừa đảm bảo độ ổn định, vừa duy trì hoạt tính hóa học cần thiết. Trong một quy trình chế tạo thử nghiệm, vật liệu được nung ở nhiệt độ từ 2.000 đến 3.000°C rồi làm nguội cực nhanh, giúp các nguyên tử indium “neo chặt” trên bề mặt.

Nếu hydrogen dùng trong phản ứng được sản xuất từ năng lượng tái tạo, quá trình tổng hợp methanol từ CO₂ có thể đạt trạng thái trung hòa khí hậu. Khi đó, CO₂ không còn chỉ là chất thải mà trở thành nguồn nguyên liệu có giá trị, góp phần thúc đẩy chuyển đổi sang sản xuất hóa chất bền vững và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

nttvy (https://scitechdaily.com/)